龔玉利，冷文浩，馮 鑫

(1.江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫214122;2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫214082)

0 引 言

隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外市政、規(guī)劃、國(guó)土資源、環(huán)保等行業(yè)都普遍引入了GIS技術(shù)作為信息化平臺(tái)的支撐［1］。由于GIS一般涉及到海量的地理信息數(shù)據(jù)，因此對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)備要求比較高，所使用的軟件和硬件設(shè)備不能方便地移動(dòng)作業(yè)。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，很多行業(yè)都需要到野外現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)［2］。比如，對(duì)市政管道的例行檢查，對(duì)道路磨損狀況的勘察等等，這些都要求GIS能夠便于攜帶，能夠緩存現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果或通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)時(shí)與市政數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步等［3］。此外，這種巡檢往往是有多人同時(shí)進(jìn)行，需要能夠保證多人之間的協(xié)同作業(yè)［4］。因此對(duì)于市政、規(guī)劃、國(guó)土資源、環(huán)保等行業(yè)以及工廠企業(yè)的用戶(hù)，都管理著海量的數(shù)據(jù)資源，他們需要有一種可方便攜帶，具有較高移動(dòng)性的輕量級(jí)地理信息系統(tǒng)提供野外作業(yè)支持。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于GML和WebServices的移動(dòng)巡檢地理信息系統(tǒng)，是常規(guī)地理信息系統(tǒng)的一個(gè)擴(kuò)展系統(tǒng)，如圖1所示，它包括服務(wù)端和終端兩部分。常規(guī)地理信息系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用移動(dòng)巡檢地理信息系統(tǒng)服務(wù)端提供的接口WebServices，為移動(dòng)巡檢地理信息系統(tǒng)提供地理信息數(shù)據(jù)和歷時(shí)巡檢業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，獲取移動(dòng)巡檢地理信息系統(tǒng)新增或修改的巡檢業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。移動(dòng)巡檢地理信息系統(tǒng)服務(wù)端部署在服務(wù)器上，通過(guò)Internet與常規(guī)地理信息系統(tǒng)通信;服務(wù)端還提供管理移動(dòng)巡檢地理信息系統(tǒng)終端的用戶(hù)、巡檢工程項(xiàng)目等信息的管理功能。移動(dòng)巡檢地理信息系統(tǒng)終端部署在移動(dòng)設(shè)備上，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)或Internet與移動(dòng)巡檢地理信息系統(tǒng)服務(wù)端通信。作為地理信息系統(tǒng)，終端可以在巡檢地理對(duì)象發(fā)生變化時(shí)，修改地理對(duì)象的空間數(shù)據(jù)。此外，其特征功能是可以通過(guò)調(diào)用移動(dòng)巡檢地理信息系統(tǒng)服務(wù)端WebServices，下載巡檢工程項(xiàng)目相關(guān)的地理信息數(shù)據(jù)和巡檢業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并提交新增和修改的巡檢業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。終端與GPS結(jié)合完成地理對(duì)象精確定位，與圖像采集設(shè)備結(jié)合完成巡檢結(jié)果圖像采集。

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.2 導(dǎo)航檢測(cè)算法

為了更好的檢測(cè)巡檢人員的巡檢效果，在GPS定位中，需要將巡檢人員巡檢的軌跡點(diǎn)跟地圖上的道路進(jìn)行匹配［5］，根據(jù)相互匹配的結(jié)果來(lái)衡量巡檢的效果［6］，將導(dǎo)航算法應(yīng)用到軌跡點(diǎn)的匹配［7］，該導(dǎo)航檢測(cè)算法具體如下:

(1)軌跡點(diǎn)投影到道路檢測(cè)算法

定義1 軌跡點(diǎn)為L(zhǎng)經(jīng)過(guò)過(guò)濾以后，只有P1，P2符合過(guò)濾條件，從L分別向P1P2、P2P3作垂直線(xiàn)。道路延長(zhǎng)線(xiàn)上坐標(biāo)(X1，Y1)、(X2，Y2)分別為 P1，P2的坐標(biāo)，L 的坐標(biāo)為(X0，Y0)，如圖 2 所示。

步驟1 由定義中的點(diǎn)的坐標(biāo)根據(jù)點(diǎn)到直線(xiàn)的距離，可以得如下:

步驟2 由式1－3可以求得直線(xiàn)的斜率k和截距b，則點(diǎn)L到直線(xiàn)P1P2的距離表示為:

步驟3 軌跡點(diǎn)與道路匹配的點(diǎn)M(Xm，Ym)為:

步驟4 若垂足在道路的延長(zhǎng)線(xiàn)上，L⊥P1P2，同時(shí)L⊥P3P2的延長(zhǎng)線(xiàn)，如圖3所示。

由點(diǎn)到直線(xiàn)的距離理論，L必投影到P2P3上，但是這與實(shí)際不符，因而對(duì)于垂足在延長(zhǎng)線(xiàn)上時(shí)，取點(diǎn)到線(xiàn)段的兩個(gè)端點(diǎn)中距離小的那個(gè)值作為點(diǎn)到線(xiàn)段的距離:

步驟5 在算法的設(shè)計(jì)中，通過(guò)判斷構(gòu)成的三角形是否為鈍角三角形來(lái)確定投影點(diǎn)是否在道路延長(zhǎng)線(xiàn)上。如圖4所示，判斷構(gòu)成的三角形為鈍角如下:

圖2 投影點(diǎn)在道路上

圖3 投影點(diǎn)在道路延長(zhǎng)線(xiàn)上

在圖3中，取LPB為軌跡點(diǎn)L到道路段P2P3的距離，比較LPA和LP2的長(zhǎng)度，取min(LPA，LP2)為點(diǎn)到線(xiàn)段的距離。從圖3中看出，軌跡點(diǎn)應(yīng)該投影到P1P2上。

(2)軌跡點(diǎn)匹配和算法執(zhí)行

軌跡點(diǎn)的匹配檢測(cè)，投影進(jìn)行前，先將重復(fù)點(diǎn)和原路返回的點(diǎn)刪除。然后將所有的軌跡點(diǎn)投影到道路段上，根據(jù)這些投影點(diǎn)從巡檢開(kāi)始到最后巡檢完畢的的道路段都可以進(jìn)行匹配。對(duì)已經(jīng)匹配的道路段求其長(zhǎng)度和，即可以求得當(dāng)前巡檢的總長(zhǎng)度，進(jìn)而可以得到巡檢道路的巡檢執(zhí)行情況。

圖4 判斷投影點(diǎn)是否在延長(zhǎng)線(xiàn)上

2 移動(dòng)巡檢系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用部署時(shí)，包含常規(guī)地理信息系統(tǒng)、移動(dòng)地理信息系統(tǒng)兩大模塊。其中，移動(dòng)巡檢地理信息系統(tǒng)可看做是常規(guī)地理信息系統(tǒng)的一個(gè)移動(dòng)擴(kuò)展，它是一個(gè)主要滿(mǎn)足野外現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中的巡檢功能的移動(dòng)地理信息系統(tǒng)。移動(dòng)巡檢地理信息系統(tǒng)包含服務(wù)端和終端。三者之間不僅可以通過(guò)Internet互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信，而且部署在移動(dòng)設(shè)備上的終端系統(tǒng)還可以通過(guò)設(shè)備的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器端通信。同時(shí)，考慮到野外作業(yè)的實(shí)際情況，在無(wú)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的條件下，終端可緩存現(xiàn)場(chǎng)巡檢結(jié)果，直到網(wǎng)絡(luò)信號(hào)恢復(fù)后，按需提交到服務(wù)端。

在常規(guī)地理信息系統(tǒng)端、移動(dòng)巡檢地理信息系統(tǒng)服務(wù)端和移動(dòng)巡檢地理信息系統(tǒng)終端，有不同形式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。常規(guī)地理信息系統(tǒng)端一般保存著海量的地理信息數(shù)據(jù)，如一個(gè)城市甚至一個(gè)國(guó)家的市政道路，管網(wǎng)等數(shù)據(jù)，因此一般部署ORACLE等大型數(shù)據(jù)庫(kù)支持。移動(dòng)巡檢地理信息系統(tǒng)服務(wù)端一般僅保存一個(gè)或多個(gè)巡檢項(xiàng)目的地理信息數(shù)據(jù)，因此可以部署中小型數(shù)據(jù)庫(kù)支持。而移動(dòng)巡檢地理信息系統(tǒng)終端，一般僅保存該巡檢員所負(fù)責(zé)小區(qū)域內(nèi)的地理信息數(shù)據(jù)，因此可采用地理標(biāo)志語(yǔ)言(GML)文件來(lái)系統(tǒng)保存數(shù)據(jù)。MobileGIS實(shí)現(xiàn)操作中的一般流程為:

(1)在移動(dòng)巡檢地理信息系統(tǒng)服務(wù)端，通過(guò)系統(tǒng)提供的管理功能，則可以管理移動(dòng)巡檢客戶(hù)信息、項(xiàng)目信息、巡檢員信息、巡檢員任務(wù)分配等;

(2)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到移動(dòng)巡檢地理信息系統(tǒng)服務(wù)端后，巡檢人員可以登錄部署在移動(dòng)設(shè)備商的移動(dòng)巡檢地理信息系統(tǒng)終端;

(3)巡檢人員在出發(fā)去野外執(zhí)行巡檢任務(wù)前，首先通過(guò)與服務(wù)端聯(lián)網(wǎng)，指定巡檢區(qū)域，下載此區(qū)域內(nèi)道路信息和與之相關(guān)的巡檢業(yè)務(wù)數(shù)據(jù);

(4)在終端界面進(jìn)行操作，選擇地圖上某一對(duì)象，可對(duì)移動(dòng)巡檢地理信息系統(tǒng)終端進(jìn)行巡檢數(shù)據(jù)錄入，如圖5所示為一市政道路的巡檢，基于導(dǎo)航檢測(cè)算法的圖形中可以看出軌跡點(diǎn)與實(shí)際的道路基本重合，進(jìn)而可以規(guī)劃出某次巡檢的路徑和巡檢路程。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文擴(kuò)展了地理信息系統(tǒng)在移動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用，對(duì)于市政、規(guī)劃、國(guó)土資源、環(huán)保等行業(yè)基于移動(dòng)設(shè)備的野外作業(yè)提供了很好的支持，常規(guī)地理新系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用移動(dòng)巡檢地理信息系統(tǒng)服務(wù)端提供的接口，為移動(dòng)巡檢地理信息系統(tǒng)提供地理信息數(shù)據(jù)和歷時(shí)巡檢業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

圖5 基于導(dǎo)航檢測(cè)算法的道路巡檢

本系統(tǒng)框架的一個(gè)特色是，常規(guī)地理信息系統(tǒng)端核心數(shù)據(jù)庫(kù)只有常規(guī)地理信息系統(tǒng)才能訪(fǎng)問(wèn)。移動(dòng)地理信息系統(tǒng)服務(wù)端只是移動(dòng)地理信息系統(tǒng)和核心地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，它僅提供一系列的數(shù)據(jù)交換WebServices接口，所有數(shù)據(jù)交換過(guò)程均由常規(guī)地理信息系統(tǒng)主導(dǎo)完成，從而保證核心數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)安全，可以方便快捷地將道路、管道、綠化等設(shè)施的現(xiàn)場(chǎng)巡檢結(jié)果保存上報(bào)，并支持多客戶(hù)端協(xié)同作業(yè)，具有非常實(shí)用的推廣意義。

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