基于GIS的測量標志在線監測管護系統建設研究

謝 文,于文兵

(湖南省水文地質環境地質調查監測所,湖南 長沙 410100)

0 引言

測量標志是城市建設進行控制測量的基礎,是國家的重要基礎設施,在維護國家測繪基準安全、經濟建設、生態建設以及國防建設等眾多方面發揮著重要的作用[1]。但由于社會各方面對其保護工作重視不足、宣傳不到位,加上維護管理工作方式落后、效率低下,導致全國各地許多測量標志遭受不同程度的破壞,完好率逐年下降。因此,如何高效管理測量標志成為自然資源部門亟待解決的問題之一[2]。2020年11月,自然資源部下發了《關于加強測量標志保護工作的通知》文件,文件明確要求要采用當前先進技術,提高測量標志信息化管理水平。為落實通知要求,本文利用GIS、智能傳感、GNSS 、物聯網、云計算、大數據等技術相結合對測量標志實行分類保護制度,基于天地圖提供的地理信息服務框架,搭建智能、快速、高效的測量標志在線監測管護系統,加強測量標志實時監測能力,助力測量標志異常情況下的早發現、快響應,提升測量標志管理保護水平,更好地為城市經濟社會可持續發展提供強有力的測繪保障。

1 建設原則

以規范和創新管理作為本次測量標志在線監測管護系統建設項目總體設計的出發點和落腳點;深化需求分析,做好需求調查,以“需求為導向、應用促發展”作為項目總體設計指導性方針;技術框架的選擇要突出實用性、安全性、先進性原則,重點采用成熟技術,做到節約、實用,不片面追求技術的先進性;要強化資源整合,注重統籌開發,一方面對測量標準點之記、點成果、相關的文檔成果等進行收集、整理和處理,另一方面要統籌好新建系統和原有系統間的關系,實現測量標志成果的互聯互通、共享交換[3]。

2 總體設計

2.1 系統框架設計

測量標志在線監測管護系統采用面向服務的體系架構(SOA)。整個設計采用面向對象方法,分為5大核心層：基礎設施層、數據層、服務層、應用層以及用戶層。

1)基礎設施層為系統運行提供各類軟硬件基礎設施,包括服務器資源、存儲資源、網絡資源、GIS軟件、數據庫軟件等。

2)數據層為系統運行提供各類數據支撐：一方面調用天地圖提供的地理信息數據,如電子地圖、影像圖、行政區劃圖等;另一方面通過收集、匯聚、處理等方式,形成設備數據、測量標準基礎數據、異常信息數據以及其他數據等。

3)服務層是為了提高系統開發模塊的利用效率,將常用功能封裝成各種服務,如地圖服務、傳感器接口服務、報表引擎、Web服務以及文件服務等。

4)應用層是系統功能模塊的窗口,包括9大核心功能,如監測點位圖形可視化、測量標準信息管理、傳感器設備管理、實施動態監測等。

5)用戶層為用戶提供系統終端,用戶通過應用層直接訪問管理測量標志信息和監測信息,主要包括測量標準管理用戶和巡查用戶。

系統框架設計如圖1所示。

圖1 測量標志在線監測管護系統框架設計Fig.1 Frame design of survey mark on-line monitoring management and protection system

2.2 系統網絡架構設計

為了高效地實現測量標志傳感數據的采集、接收和處理,利用NB-IoT窄帶蜂窩物聯網技術,對整個網絡架構進行設計,主要包括數據上傳、數據轉發以及數據接收3方面內容。數據上傳是在測量標志上部署傾角傳感器,通過傾角傳感器定期采集測量標志信息或突發報警信息,并利用中國電信NB-IoT窄帶蜂窩物聯網,將數據上傳到中國電信物聯網開放平臺中。數據轉發是利用中國電信物聯網開放平臺,對傳感器進行注冊、設備管理并將上傳的數據轉發給測量標志在線監測管護系統。數據接收是測量標志在線監測管護系統利用中國電信物聯網開放平臺提供的API和SDK,開發數據接收接口,實現數據的實時接收,同時還可以利用API修改傾角傳感器參數[4]。系統網絡架構設計如圖2所示。

圖2 測量標志在線監測管護系統網絡架構設計Fig.2 Network architecture design of survey mark on-line monitoring management and protection system

2.3 功能模塊設計

系統采用B/S結構,利用Java語言進行開發,功能模塊設計工具采用Axure,GIS相關功能使用ArcGIS For JavaScript進行開發。系統功能模塊設計如圖3所示。

圖3 測量標志在線監測管護系統功能模塊設計Fig.3 Design of functional modules of survey mark on-line monitoring management and protection system

3 關鍵技術

3.1 天地圖地理信息服務框架API接口調用

天地圖是我國公開的公眾地理信息服務平臺,具有電子地圖、影像圖、行政區劃圖等多種不同類型的地理信息資源,能夠為公眾提供在線地圖服務API接口以及位置服務接口[5]。本文對接天地圖API應用接口,以地理信息數據為底圖,疊加測量標志數據,實現測量標志的“一張圖”展示,同時還利用天地圖的位置服務對測量標志進行定位,具有精度高、操作簡單等優點。

3.2 基于 SOA 架構實現平臺的穩定可用

采用SOA架構,能夠在服務松耦合基礎上,充分對已有的服務進行復用,從而減少代碼的修改量,有效避免軟件代碼出現盤根錯節的現象。SOA架構通過服務契約進行架構設計,不再局限于某個具體語言框架,能夠直接與服務對接,將服務作為IT與測量標志業務的橋梁,從而讓業務要求更高效的得到響應。同時,它還具有良好的穩定性、可擴展性、開放性等優點,能夠滿足后期系統需求的擴充[6]。

3.3 基于B/S架構模式構建

基于B/S架構進行系統功能的開發,即利用Web瀏覽器,在任何時間、任務機器上都可以訪問系統。系統采用Web2.0思想,將測量標志在線監測管護功能設計得易使用、易操作,讓各類用戶更容易上手[7]。在此基礎上,還利用GIS技術,通過圖形化的方式提供各種操作手段,使得測量標志信息表現方式更直觀、更清晰、效率更高,讓用戶使用系統具有良好的體驗感。

4 系統實現

4.1 監測點位圖形可視化

通過調用天地圖的電子地圖、影像圖以及行政區劃圖等,實現測繪標志位置、傳感器位置等在地圖上進行展示,同時提供地圖基本操作、專題圖層控制、地圖打印、地圖標繪以及地圖對比等。地圖基本操作提供地圖放大、縮小、全圖展示、全屏展示以及地圖平移等。專題圖層控制支持對不同級別的測量標志專題圖層的展示、關閉、透明度調整、順序調整等。地圖打印是用戶可對電子地圖的地圖打印參數信息進行配置。支持用戶增加、修改以及刪除打印參數信息。地圖標繪是用戶對電子地圖的地圖標繪自定義樣式信息進行配置。支持用戶增加、修改以及刪除標繪樣式信息。地圖對比包括分屏對比和卷簾對比兩種,分屏對比是將窗口分為左右兩屏,每個圖提供8個操作點作為地圖移動按鈕,兩個地圖屏幕分別提供地圖選擇列表,最多選擇兩個地圖執行疊加操作,后選擇的地圖顯示到地圖的最前面,兩個地圖范圍同步移動。卷簾對比是將地圖分為遮罩層和對比層。遮罩層在地圖的上部,可以在遮罩層列表中選中需要疊加的地圖,后選擇的地圖顯示在遮罩層的最上層;對比層在地圖的下部,作為與遮罩層的對比,可以在對比層中選擇需要對比的地圖,后選擇的地圖顯示在對比層的最上部。監測點位展示界面圖如圖4所示。

圖4 監測點位展示界面圖Fig.4 Interface of monitoring point display

4.2 實時動態監測

主要包括監測信息地圖展示和實時監測數據統計分析展示兩方面內容。監測信息地圖展示是對傾角傳感器數據進行24 h不間斷接收,并在地圖上實時顯示測量標志監測和指標信息,如測量標志正常數量、疑似異常數量以及測量標志的正常數量比率等,同時通過輸入關鍵字或選擇查詢條件的方式對需要查看的測量標志及傳感器設備進行搜索查詢,搜索條件包括測量標志編號、傳感器設備IMEI、當前狀態等信息。實時監測數據統計分析展示是系統利用實時監測數據形成可視化動態監測統計圖,以更加動態的畫面為相關業務人員及領導提供實時數據依據展示,如統計近7日的保護裝置以及監測設備的異常情況,年度異常統計,并通過折線圖進行直觀展示。

4.3 測量標志信息管理

對測量標志信息進行有效管理,實現測量標志的增、刪、改、查等操作。測量標志新增是在測量標志專題地圖上添加測量標志,添加相應的點位信息和基礎信息,如點名、等級、經緯度、所處位置等。測量標志刪除是具有刪除權限的用戶(通常為管理員或超級管理員)可以直接刪除測量標志的相關信息。刪除后,系統即無法恢復該標志的相關信息。測量標志查詢支持通過選擇條件和輸入關鍵字對測量標志進行查詢,查詢信息包括測量標志點號、點名、坐落等信息。

4.4 保護裝置位移預警

主要實現對監測點傳感器監測報警信息的管理,通過傳感器監測結果對所監測的測量標志保護裝置狀態進行預警,并對預警級別、預警信息以及預警記錄進行管理。當平臺監測到傳感器出現預警信息時,平臺自動進行預警。系統在地圖上以列表的形式對傳感器的預警數據進行展示,展示內容包括報警傳感器IMEI、關聯測量標志點號、預警狀態、預警信息、預警時間、預警處理狀態、預警處理時間并支持根據屬性條件對預警信息進行查詢。當發現異常時,巡查人員實地巡查解決傳感器報警后,可以點擊上報異常按鈕,跳轉到上報異常界面,填寫相關信息,上傳處理結果現場圖片[8]。

4.5 保護裝置位移提醒

對保護裝置的異常狀態進行預警提醒,預警方式包含顏色標識提醒、系統消息提醒、廣播提醒以及短信提醒等。短信提醒主要實現將異常信息以短信形式直接發送至指定管理員和受托管的巡查員的手機,通知巡查員迅速到達實地進行查看。系統消息提醒系統以消息和字幕滾動的方式對傳感器報警信息進行快速提醒。提醒內容預設為：位于XX(地點)的傳感器設備(設備編號：XXXX)疑似XXX(具體情況),請盡快趕至現場進行查看,并進行反饋。

4.6 報表管理

根據日常管理需求開發工作報表,如監測信息歷史明細表、測量標志異常歷史明細表、監測設備異常歷史明細表等,配合強大的查詢統計以及分析功能可以為不同部門、不同人員提供各種數據和報表支持。監測信息歷史明細表是對持續監測到的所有測量標志信息進行記錄,包括是否正常以及是否異常等信息。測量標志異常歷史明細表是對持續監測到的所有監測設備異常信息進行記錄,包括設備在線情況和離線情況等信息。監測設備異常歷史明細表是對持續監測到的所有監測設備異常信息進行記錄,包括設備在線情況和離線情況等信息。

4.7 用戶管理

實現系統用戶的增刪改查以及用戶使用權限的設置,用戶包括普通管理員用戶以及巡查人員用戶。其中,巡查人員用戶應與測量標志相關聯,支持直接對巡查人員所負責的測量標志進行綁定,巡查人員只能看到以及接收到指定測量標志的相關信息,同時支持查看和上傳巡查委托協議。

5 系統應用

測量標志在線監測管護系統已在長沙市成功投入運營,經過一段時間的運行,取得了三點應用成效：

一是提高了測量標志的管理效率與準確性。過去,測量標志管理是基于傳統的手工檢查和記錄,往往導致了數據的遺漏和錯誤。系統運行后,測量標志的管理變得自動化、數字化,使得數據更新的速度和準確性都得到了顯著的提高。通過系統的實時監測和動態反饋,市政府能夠迅速了解到每一個測量標志的狀態,從而更加精確地進行規劃和調整。

二是加強了緊急預警與響應能力。系統內置的預警功能確保了在測量標志出現異常狀態時,相關人員能夠第一時間獲得通知。如,當某一測量標志的傳感器數據顯示出異常偏移時,系統自動觸發預警,巡查人員會通過短信、系統消息和其他提醒方式迅速得知,大大縮短了響應時間,并確保問題得到及時處理。

三是促進了數據化管理和決策。系統提供了豐富的數據資源,支撐了各級管理者進行數據驅動的決策。系統生成的報表,如監測信息歷史明細表、測量標志異常歷史明細表等,讓管理人員能夠全面了解測量標志的運行狀況,從而制定更為科學和合理的管理策略和計劃。

6 結束語

本文根據測量標志管理的業務需求,利用GIS空間技術優勢,結合NB-loT、云計算及大數據分析等技術,搭建測量標志在線監測管護系統,極大提高了測量標志管理的科學化、信息化。系統的建設是將智能傳感器設備引入測量標志保護監管工作中,是現代技術與傳統管理之間的完美結合,是基礎測繪工作的一大改革,也是測量標志保護工作的新時代里程碑,不僅強化了測量標志實時監測能力,提升測量標志管理保護水平,也為經濟社會可持續發展提供了強有力的測繪保障,同時也為測量標志保護工作提供了“智慧方案”。