基于GIS 和無人機遙感的農(nóng)業(yè)“兩區(qū)”劃定的研究與應用

陳 興，鄒 蜜，延艷彬，文 波，劉 東

（重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶 401120）

隨著中國全面部署糧食生產(chǎn)功能區(qū)和重要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)保護區(qū)（以下簡稱“兩區(qū)”）的劃定和建設(shè)工作的開展，新形勢下原有監(jiān)管模式存在著基礎(chǔ)信息量大、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換難以及數(shù)據(jù)庫標準不統(tǒng)一、外業(yè)實地勘察情況復雜、多平臺協(xié)作困難等問題[1]。利用GIS（Geographic Information System）技術(shù)可提高空間信息處理能力和提供強大的決策支持服務，該技術(shù)已被廣泛應用于多個領(lǐng)域[2]。利用無人機遙感技術(shù)可以方便快捷獲取國土、資源、環(huán)境等的空間遙感信息。本文以無人機遙感影像在“兩區(qū)”劃定項目中的應用為基礎(chǔ)，利用傳統(tǒng)的桌面端GIS 技術(shù)、新一代的移動端GIS技術(shù)和Web 端WebGIS 技術(shù)，研發(fā)出一種自動化程度高、信息化能力強以及多平臺協(xié)同作業(yè)的基于GIS 和無人機遙感影像的農(nóng)業(yè)“兩區(qū)”劃定系統(tǒng)，以期在農(nóng)業(yè)“兩區(qū)”劃定項目過程中提高工作效率，規(guī)范管理流程并提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)分析與設(shè)計

1.1 系統(tǒng)目標

基于GIS 和無人機遙感影像的農(nóng)業(yè)“兩區(qū)”劃定系統(tǒng)的構(gòu)建，旨在通過網(wǎng)絡(luò)運用GIS 強大的空間分析及管理功能，為“兩區(qū)”劃定提供科學、系統(tǒng)和可視的分析和決策管理工具。用戶應能通過網(wǎng)絡(luò)訪問系統(tǒng)，實現(xiàn)基本的GIS 功能，如縮放、漫游、測距、屬性信息查詢、地理要素查詢，授權(quán)用戶還可通過網(wǎng)絡(luò)直接使用空間分析、專題圖制作等功能。系統(tǒng)應設(shè)定權(quán)限管理，只有被賦有權(quán)限的用戶才能對系統(tǒng)進行維護和管理。系統(tǒng)應能支持多用戶并發(fā)訪問時的負載平衡，提供高性能的空間信息服務。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

農(nóng)業(yè)“兩區(qū)”劃定系統(tǒng)的總體設(shè)計分為表示層、業(yè)務層和數(shù)據(jù)層3 部分，按模塊劃分為桌面端和網(wǎng)絡(luò)端2 部分。桌面端的表現(xiàn)層采用Winform 實現(xiàn)，并使用WPF 進行頁面設(shè)計。網(wǎng)絡(luò)端表現(xiàn)層地圖部分由ArcGIS API for JavaScript 實現(xiàn)，業(yè)務和后臺部分由前端框架實現(xiàn)。服務層由ArcGIS Server 提供，Web 服務由JavaWeb 提供。數(shù)據(jù)庫方面被劃分為地理數(shù)據(jù)庫和Web 關(guān)系數(shù)據(jù)庫，其中地理數(shù)據(jù)庫存放地理數(shù)據(jù)等，Web 關(guān)系數(shù)據(jù)庫存放用戶信息、工作流信息和項目信息等，具體設(shè)計如圖1所示。

圖1 “兩區(qū)”劃定系統(tǒng)總體設(shè)計圖

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

基于無人機遙感的“兩區(qū)”劃定項目管理信息系統(tǒng)由兩區(qū)劃定管理信息平臺、電子政務平臺以及外業(yè)調(diào)繪平臺3 大模塊構(gòu)成。包含的功能如下：①桌面端GIS 平臺功能為“兩區(qū)”數(shù)據(jù)映射導入、“兩區(qū)”數(shù)據(jù)編輯、“兩區(qū)”數(shù)據(jù)拓撲檢查、“兩區(qū)”公示圖自動生成、“兩區(qū)”成果數(shù)據(jù)一鍵導表、外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)導入；②網(wǎng)絡(luò)端GIS 平臺功能為用戶權(quán)限控制、WebGIS 模塊、工作流模塊；③移動端GIS 平臺功能為精準定位、用戶權(quán)限控制、“兩區(qū)”數(shù)據(jù)分類加載、“兩區(qū)”外業(yè)數(shù)據(jù)編輯、“兩區(qū)”外業(yè)調(diào)查導出。

1.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

“兩區(qū)”劃定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫的設(shè)計分為空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計和非空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計2 方面。空間數(shù)據(jù)庫主要用于桌面GIS 應用和WebGIS 服務，包括項目區(qū)的幾何屬性和屬性數(shù)據(jù)；非空間數(shù)據(jù)庫用于網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)的后臺權(quán)限和上報系統(tǒng)的構(gòu)建。按照數(shù)據(jù)內(nèi)容劃分，空間數(shù)據(jù)庫包括矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)。柵格數(shù)據(jù)庫主要存放無人機遙感影像，矢量數(shù)據(jù)庫存放宗地信息以及項目區(qū)域的屬性結(jié)構(gòu)表。空間數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容包括行政區(qū)域、坡度圖、地類圖斑、線狀地物、零星地物、基本農(nóng)田保護區(qū)、承包方、流轉(zhuǎn)合同、作物類型及其面積、劃定成果等信息。非空間數(shù)據(jù)主要用于Web 端的權(quán)限管理、日志管理、圖片管理、文檔管理。

2 系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 無人機遙感影像在“兩區(qū)”劃定項目中的應用

將無人機遙感技術(shù)應用到“兩區(qū)”劃定項目準備工作、圖件編制、公告公示、數(shù)據(jù)建庫、“兩區(qū)”管護及標志牌設(shè)立、檢查驗收、成果管理共8個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的實際工作中。無人機遙感技術(shù)與傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感技術(shù)相比優(yōu)勢明顯，普通的衛(wèi)星遙感影像定期下發(fā)，且分辨率一般為5～10 m，而無人機航測獲取的影像圖分辨率可達到10～20 cm，是普通衛(wèi)星影像分辨率的50倍左右，所以無人機遙感影像能夠更加科學準確反映項目區(qū)實際情況，它的時效性更強、精度更高，特別是在“兩區(qū)”片塊和地塊的內(nèi)業(yè)勾繪工作中免去了大量的外業(yè)實地勘測工作。

2.1.2 ArcGIS 二次開發(fā)技術(shù)

“兩區(qū)”劃定系統(tǒng)采用ArcGIS 二次開發(fā)技術(shù)，一方面可充分利用GIS 的優(yōu)點（圖形和屬性一體化），方便“兩區(qū)”劃定工作人員管理和查看“兩區(qū)”劃定項目信息，并且利用GIS 強大的空間分析能力；另一方面，利用GIS 二次開發(fā)技術(shù)可以便捷、無耦合地與其他二次技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)“兩區(qū)”劃定項目數(shù)據(jù)的自動導入、分析與導出[3]。

2.1.3 Web 開發(fā)分層架構(gòu)設(shè)計

Web 開發(fā)技術(shù)主要用于電子政務平臺的搭建，作為桌面端“兩區(qū)”劃定管理信息平臺的補充，電子政務平臺主要用于“兩區(qū)”劃定數(shù)據(jù)的數(shù)字化管理和共享，主要實現(xiàn)電子地圖服務瀏覽與查詢、“兩區(qū)”劃定成果文檔管理、“兩區(qū)”公示牌信息管理和補貼申請審批功能[4]。

2.2 開發(fā)平臺

采用WPF 技術(shù)設(shè)計了“兩區(qū)”劃分管理信息平臺的主界面，其主要功能是管理地圖服務和管理“兩區(qū)”數(shù)據(jù)[5]。采用ArcGIS Engine 技術(shù)進行二次開發(fā)，系統(tǒng)采用C/S 架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫采用SDE，數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)采用實體框架，整體采用三層架構(gòu)。WebGIS 前端開發(fā)采用ArcGIS API for JavaScript，業(yè)務前端實現(xiàn)采用Boostrap 和MVC[6]。

2.3 系統(tǒng)部分功能和實現(xiàn)

2.3.1 數(shù)據(jù)編輯功能

數(shù)據(jù)編輯主要是在內(nèi)業(yè)工作中對“兩區(qū)”地塊（LQDK）、片塊（LQPK）范圍的勾繪以及屬性數(shù)據(jù)的輸入。主要功能包括屬性編輯、節(jié)點編輯、要素分割、捕捉等要素編輯功能以及地圖服務一鍵同步功能。其實現(xiàn)方式主要為通過遙感圖像與“兩區(qū)”矢量圖層的疊加，根據(jù)遙感影像上耕地圖像信息進行勾繪。在確認所有“兩區(qū)”圖層數(shù)據(jù)編輯完成后可通過點擊地圖服務更新按鈕同步ArcGIS Server 上的地圖服務。數(shù)據(jù)編輯界面如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)編輯界面

2.3.2 面積計算功能

“兩區(qū)”面積計算主要功能包括“兩區(qū)”地塊、片塊的橢球面積計算、“兩區(qū)”面積計算。在實際操作過程中只需先點擊橢球面積計算過后再點擊“兩區(qū)”面積計算即可，此過程由于算法復雜以及涉及圖層較多，因此所花費的時間較長（2.5 h 左右能計算整個項目區(qū)所有的地塊、片塊面積）。面積計算界面如圖3所示。

圖3 “兩區(qū)”面積界面

2.3.3 地圖數(shù)據(jù)查詢功能

“兩區(qū)”地圖數(shù)據(jù)查詢由點擊查詢和輸入查詢組成，其中點擊查詢通過點擊特定“兩區(qū)”地塊進行彈窗查詢結(jié)果的查詢，具體如圖4所示。

圖4 點擊查詢界面

2.3.4 外業(yè)調(diào)繪功能

外業(yè)調(diào)繪功能模塊主要通過提供不同的編輯工具為外業(yè)調(diào)繪工作人員提供編輯功能。調(diào)繪界面如圖5所示。

圖5 調(diào)繪界面

3 結(jié)語

本文利用桌面端、網(wǎng)絡(luò)端、移動端將GIS 開發(fā)技術(shù)以及企業(yè)級Web 開發(fā)技術(shù)、工作流技術(shù)相結(jié)合，并應用了“兩區(qū)”劃定項目的重要成果。結(jié)合系統(tǒng)截圖說明了系統(tǒng)的部分功能以及部分業(yè)務流程。結(jié)果表明了“兩區(qū)”劃定系統(tǒng)的真實性、可行性與高效性，并取得了不錯的效果，系統(tǒng)的實現(xiàn)簡化了“兩區(qū)”劃定項目工作流程。但是，研究過程中實測數(shù)據(jù)和資料數(shù)據(jù)都有限，數(shù)據(jù)不夠豐富，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫內(nèi)容較少；同時，雖然系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)、外業(yè)數(shù)據(jù)的處理與編輯，提供了信息的查詢與管理功能，而在數(shù)據(jù)的分析處理方面還有一些欠缺，這也是下一階段需要改進的地方。