摘 要： 研究了B/S架構(gòu)和M/S架構(gòu)各自的特點，深入研究了GIS技術(shù)在各種巡查管理中的應(yīng)用,，以湖泊巡查管理工作的需求為基礎(chǔ),，詳細(xì)分析了系統(tǒng)功能設(shè)計、數(shù)據(jù)組織與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計,、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)實現(xiàn)方法,?；谏鲜龇治鰧崿F(xiàn)了基于B/S和M/S架構(gòu)的湖泊巡查GIS系統(tǒng)的構(gòu)建。將該系統(tǒng)應(yīng)用于省管湖泊巡查的運營管理過程,，可改善目前湖泊巡查粗放,、不系統(tǒng)的管理模式，提高湖泊巡查管理工作的效率和監(jiān)管力度,。
關(guān)鍵詞： GIS,；GPS；湖泊,；巡查
在全球氣候變化和工業(yè)化,、城鎮(zhèn)化進(jìn)程快速推進(jìn)的背景下，我國湖泊保護(hù)與經(jīng)濟社會發(fā)展之間依然存在諸多矛盾,，湖泊水面萎縮,、水體干涸、水質(zhì)惡化等問題十分突出,，湖泊管理與保護(hù)仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn),，歸納為四點：(1)湖區(qū)防洪能力依然偏低，特別是受河道淤積,、城鎮(zhèn)及圩區(qū)面積擴大,、河湖面積減少等因素影響，防洪減災(zāi)的難度進(jìn)一步增加,；(2)湖泊萎縮退化形勢嚴(yán)峻,；(3)湖泊水質(zhì)惡化趨勢尚未遏制；(4)湖泊生態(tài)功能嚴(yán)重退化,。目前,，我國的湖泊巡查尤其是外業(yè)仍然停留在傳統(tǒng)人工作業(yè)模式，在這種模式下,，湖泊巡查主要通過縣級水利管理部門的人工執(zhí)法巡查網(wǎng)絡(luò)完成,。造成執(zhí)法人員不能及時準(zhǔn)確做出是否違法用地的判斷，需要上報進(jìn)一步確認(rèn),，無法實現(xiàn)高效的湖泊巡查,。隨著管理方式和利用方式的轉(zhuǎn)變，湖泊巡查越來越需要運用科技的手段來提高執(zhí)法效率,。
針對傳統(tǒng)湖泊巡查模式下存在的薄弱環(huán)節(jié)和問題,，本文將GIS與PDA、GPS等與湖泊巡查的實際管理進(jìn)行有機的集成,，意義在于利用先進(jìn)的無線通信技術(shù),、移動GIS技術(shù)和WebGIS技術(shù),實現(xiàn)服務(wù)端、移動終端和客服端的相互通信和實時定位等功能，最終建立水利巡查快速反應(yīng)機制的湖泊巡查系統(tǒng),。湖泊巡查的另外一個難點在于湖泊一般處于野外,，參照物較少，不易于二次確定情況和處理,，所以本研究還要求能更精準(zhǔn)地定位,。
1 B/S與M/S架構(gòu)的特點
隨著Internet技術(shù)的發(fā)展與普及，B/S架構(gòu)是對客戶端/服務(wù)器C/S(Client/Server)架構(gòu)改進(jìn)的一種系統(tǒng)架構(gòu),。用戶界面通過WWW瀏覽器實現(xiàn),，客戶端除瀏覽器之外,，一般不需要安裝其他程序,，只需要通過網(wǎng)頁地址從Web服務(wù)器執(zhí)行并將處理結(jié)果以網(wǎng)頁的形式展示給用戶。B/S架構(gòu)具有使用方便,、分布性廣,、業(yè)務(wù)擴展方便、維護(hù)成本較低,、共享性強等特點,。
M/S架構(gòu)結(jié)合GIS、GPS和GPRS/CDMA等前沿技術(shù),，將軟件系統(tǒng)的應(yīng)用由有線向無線進(jìn)行延伸,，由戶內(nèi)向戶外進(jìn)行擴展，由桌面向掌上進(jìn)行轉(zhuǎn)移,，將豐富全面的信息服務(wù)帶到工作現(xiàn)場,，以更有效地指導(dǎo)現(xiàn)場工作，同時利用手持終端將現(xiàn)場情況及時上傳到監(jiān)控中心,，使管理決策者能夠全面直觀地了解現(xiàn)場情況,，輔助做出科學(xué)決策。
將B/S與M/S架構(gòu)相結(jié)合,，開發(fā)省管湖泊巡查GIS系統(tǒng),，可充分利用兩種系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)勢，將各個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)建立在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)之上,，避免了子系統(tǒng)單獨設(shè)計而產(chǎn)生的“數(shù)據(jù)孤島”效應(yīng),，在保證系統(tǒng)簡單易用的前提下，增強工作現(xiàn)場與監(jiān)控中心的信息交互,，提高湖泊管理的科學(xué)性,。
2 GIS技術(shù)的應(yīng)用
地理信息系統(tǒng)GIS(Geographic Information System)是采集、處理,、貯存,、分析、檢索,、顯示與輸出地理空間信息的計算機系統(tǒng),，具有強大的空間數(shù)據(jù)庫管理和分析能力,，在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。如美國弗吉尼亞的Richard Greene[1]等人利用GIS的網(wǎng)絡(luò)分析功能與拓?fù)浞治龉δ?，將GIS與重力流污水管網(wǎng)設(shè)計程序結(jié)合起來描述排水流域狀況,，進(jìn)行管網(wǎng)定線，確定污水提升泵站位置及壓力管路線,。國內(nèi)許多學(xué)者也對GIS的應(yīng)用進(jìn)行了研究,，如姚連璧[2]等研究了車載導(dǎo)航電子地圖中道路數(shù)據(jù)的空間邏輯描述，以及黃丙湖[3]等黃河口GIS的設(shè)計與實現(xiàn),。許多學(xué)者將GIS和GPS結(jié)合起來做了相當(dāng)多的研究,，如張淑華[4]基于GSM、GPS和WebGIS技術(shù)的動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究,，但是目前還沒有將GPS和GIS結(jié)合運用于湖泊的管理和保護(hù)方面的研究,。
WebGIS是將Internet技術(shù)應(yīng)用于GIS開發(fā)的產(chǎn)物。它的基本思想是在互聯(lián)網(wǎng)上提供地理信息服務(wù),。WebGIS不但具有大部分傳統(tǒng)GIS軟件的功能,，而且還可以利用Internet的優(yōu)勢，用戶不必在本地計算機上安裝龐大的GIS軟件就可以在Internet上訪問遠(yuǎn)程的GIS數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序,，進(jìn)行GIS分析,。我國曾有研究人員研發(fā)基于WebGIS的管理系統(tǒng)，但現(xiàn)有系統(tǒng)中交互性不強,，僅提供簡單的空間查詢功能,，如劉小軍[5]等基于WebGIS的農(nóng)業(yè)空間信息管理及輔助決策系統(tǒng)和郭武士[6]等基于WebGIS和條碼技術(shù)的土壤空間信息管理系統(tǒng)。本研究基于B/S與M/S混合架構(gòu)開發(fā)省管湖泊管理巡查WebGIS系統(tǒng),，除實現(xiàn)信息的查詢和分析外,，還可以實現(xiàn)工作現(xiàn)場與監(jiān)控中心的信息動態(tài)交互，提高湖泊巡查工作的效率,。
3 系統(tǒng)設(shè)計與功能開發(fā)
3.1 系統(tǒng)設(shè)計
3.1.1 數(shù)據(jù)組織與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計
針對系統(tǒng)的特點,，數(shù)據(jù)主要包括輔助湖泊調(diào)查的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、調(diào)查后獲取的巡查數(shù)據(jù)和與服務(wù)器數(shù)據(jù)庫交換的數(shù)據(jù),?；A(chǔ)地理數(shù)據(jù)是預(yù)先存儲在移動設(shè)備上的矢量化的專題圖和遙感影像；巡查數(shù)據(jù)是調(diào)查人員在巡查過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù),；交換數(shù)據(jù)主要是用于移動端與服務(wù)器進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù),。
為實現(xiàn)對各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化管理，空間矢量數(shù)據(jù)均采用ESRI Shape File格式,，遙感影像采用經(jīng)過糾正和切割過的中國資源衛(wèi)星影像,，屬性數(shù)據(jù)均以DBF格式存儲，而數(shù)據(jù)交換以XML文檔作為載體。
3.1.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計
系統(tǒng)的主要功能模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
3.2 系統(tǒng)工作流程
本巡查系統(tǒng)主要工作流程：GPS導(dǎo)航定位功能引導(dǎo)巡查人員到達(dá)湖泊巡查點,，點擊巡查開始巡查，如巡查發(fā)現(xiàn)有事件必須上報則進(jìn)行點,、線或面的事件上報,；巡查結(jié)束后，湖泊管理處可以對發(fā)現(xiàn)事件進(jìn)行及時處理或及時上報上級單位處理,；同時管理人員可以通過WebGIS觀察巡查人員的實時工作狀況,，并提供直觀的技術(shù)支持，還可以進(jìn)行各種信息的統(tǒng)計,，如每月巡查總長度,、總時間、總天數(shù)以及發(fā)現(xiàn)事件和事件的處理狀態(tài)等,。其具體工作流程如圖2所示,。
3.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
3.3.1 數(shù)據(jù)存儲模型
數(shù)據(jù)模型描述了地理實體與地理實體之間的關(guān)系,。數(shù)據(jù)模型的好壞直接影響到空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)查詢,、檢索的方式、速度和效率,。動態(tài)巡查信息采集系統(tǒng)中,，作為地理實體的是一次調(diào)查任務(wù)，它包括發(fā)生變化的時間,、地理對象的空間,、屬性信息等。一次調(diào)查任務(wù)的核心是進(jìn)行地理信息的采集,。以往調(diào)查時,，作為屬性信息的詢問信息和作為空間信息的地塊坐標(biāo)信息分別使用不同的方式獲取、記錄,，有可能出現(xiàn)空間信息和屬性信息不對應(yīng)的情況,。并且由于使用不同的存儲方式，在進(jìn)行查詢時往往帶來很大的困難,，在管理和統(tǒng)計上也會出現(xiàn)混亂,。
本研究的系統(tǒng)作為信息采集一體化設(shè)備在進(jìn)行巡查時，空間信息和屬性信息同時獲取,、存儲,，能方便地進(jìn)行查詢、修改等操作,。
3.3.2 移動GIS
本系統(tǒng)采用移動GIS管理湖泊巡查中的各種空間信息,。軟件能輕松地實現(xiàn)點、線、面,、圖形等復(fù)雜GIS外業(yè)數(shù)據(jù)的工作要求,。如圖3所示。
巡查人員的工作：(1)用GPS迅速定位自己所在的位置并在遙感影像以及相關(guān)矢量圖層上顯示,；(2)矢量數(shù)據(jù)查詢,，巡查人員可以對矢量底圖數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性查詢；(3)實時發(fā)送軌跡數(shù)據(jù)至服務(wù)器端,；(4)采集巡查到的問題,，填寫相關(guān)信息后，將數(shù)據(jù)（包括拍攝的照片）發(fā)送至服務(wù)器端,。具體流程如圖4所示,。
3.3.3 基于無線互聯(lián)網(wǎng)的差分GPS定位
GPS定位具有高度靈活性、高精度,、快速性,、提供三維坐標(biāo)、全天候作業(yè),、操作簡便以及全球連續(xù)覆蓋等特點,，已成為獲取現(xiàn)實空間數(shù)據(jù)的重要手段，廣泛應(yīng)用于資源調(diào)查和空間定位數(shù)據(jù)的采集,。本系統(tǒng)采用了能接收并處理通過無線互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布的差分GPS改正數(shù)的手持設(shè)備,，實現(xiàn)了快速、高精度定位,，達(dá)到了湖泊巡查對定位技術(shù)的實用化要求,。同時，該系統(tǒng)也實現(xiàn)了GPS定位數(shù)據(jù)與地圖數(shù)據(jù)的集成使用,，使定位作業(yè)可視化,，無需專業(yè)技術(shù)人員，普通湖泊巡查人員就可以方便地使用該項技術(shù)得到高精度,、可靠的成果,。
3.3.4 基于XML和Web Service的數(shù)據(jù)實時提交
本系統(tǒng)采用XML和Web Service技術(shù)，通過基于GPRS/CDMA的無線互聯(lián)網(wǎng)實時提交案例調(diào)查結(jié)果,。服務(wù)器端采用Web Service技術(shù),，為不同設(shè)備的接入和后續(xù)開發(fā)提供了接口；采用XML主要的優(yōu)點在于它既與平臺無關(guān),，又與廠商無關(guān),，方便作為Web數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳輸。調(diào)用Web Service使得最新的調(diào)查案例在第一時間進(jìn)入湖泊管理數(shù)據(jù)庫,。迅速啟動案例調(diào)查啟動后續(xù)工作,，提高內(nèi)外業(yè)務(wù)一體化程度,，加速案件調(diào)查進(jìn)度，縮短案件處理周期,。
3.4 系統(tǒng)實現(xiàn)
本系統(tǒng)基于多功能PDA和移動GIS平臺實現(xiàn),。借助GPRS或3G網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)外業(yè)人員與監(jiān)控中心信息的及時溝通，管理人員可在監(jiān)控中心對現(xiàn)場巡查養(yǎng)護(hù)情況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)管,，發(fā)現(xiàn)問題并及時處理,。
選用專業(yè)型多功能GPS接收機，采用工業(yè)級一體化集成設(shè)計,，集GPS,、Windows CE.Net 6.0、數(shù)碼相機,、麥克風(fēng),、3G通信、藍(lán)牙,、USB/RS232端口,、SD卡擴展等多種功能于一身，接收機采用GPS+GLONASS雙星系統(tǒng)模式,，收到的衛(wèi)星數(shù)更多,，差分結(jié)果精度較高，采用高精度測量型GPS主板,，內(nèi)置高靈敏度抗干擾GPS天線,，精度：單點定位 2.5 m， SBAS 1 m,，實時差分 0.5 m，差分后處理0.3 m,，是目前業(yè)內(nèi)功能最強的專業(yè)級GIS數(shù)據(jù)采集器,，可滿足復(fù)雜環(huán)境及多樣化的使用需求。專業(yè)級的GPS能夠更好地在湖泊巡查中精確定位,，為事件的后續(xù)處理和監(jiān)控提供技術(shù)支撐,。
移動GIS平臺由作者自己編寫，地圖采用手持機內(nèi)置方式,，減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸量和反應(yīng)速度,。通過PDA與CDMA無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊的連接實現(xiàn)差分GPS服務(wù)的獲取和數(shù)據(jù)穩(wěn)定、快速的傳輸,?；谏鲜鲕浻布脚_和上節(jié)中關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)，完成湖泊巡查信息采集系統(tǒng)的構(gòu)建,。系統(tǒng)界面如圖5所示,。
WebGIS系統(tǒng)選用Microsoft Windows server 2003標(biāo)準(zhǔn)版為服務(wù)器操作系統(tǒng),，采用ESRI ArcGIS Server 10.1為WebGIS開發(fā)平臺，選用Oracle 10g企業(yè)版作為數(shù)據(jù)庫軟件,，客戶端支持IE等通用瀏覽器,。使用Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境，WebGIS采用Arcgis API for Silverlight進(jìn)行開發(fā),，實現(xiàn)對GPS手持機采集的信息管理,、顯示、統(tǒng)計工作,；后臺充分利用Oracle的強大數(shù)據(jù)管理功能,，每天的GPS數(shù)據(jù)都存儲在相應(yīng)的表分區(qū)中，能夠更加快速地從大量的數(shù)據(jù)中查詢GPS實時軌跡和歷史軌跡,；后臺每天在固定的時刻自動地進(jìn)行當(dāng)天巡查路徑長度的計算,，縮短后續(xù)統(tǒng)計巡查總長度的時間。
通過實地巡查,、衛(wèi)星影像判讀等手段,，結(jié)合GIS、GPS等新技術(shù)的湖泊巡查管理系統(tǒng)已經(jīng)在經(jīng)濟和科技發(fā)達(dá)地區(qū)開始試用,，并開展了卓有成效的工作,。本文對基于手持終端和移動GIS技術(shù)的湖泊巡查信息采集系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、功能模塊和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和研究,，通過制定合理的技術(shù)方案實現(xiàn)了系統(tǒng)的構(gòu)建,。湖泊巡查信息采集系統(tǒng)大大減少人員的工作量，保證巡查結(jié)果實時上傳至服務(wù)器,，便于管理部門及時了解情況并處理,，在很大程度上提高了工作效率?；赬ML和Web Service的數(shù)據(jù)實時提交為以后系統(tǒng)的擴展和各種異構(gòu)情況提供接口,，專業(yè)級的GPS為事件的后續(xù)處理和監(jiān)控提供了技術(shù)支撐，基本滿足湖泊管理的需要,。
參考文獻(xiàn)
[1] GREENE R,，AGBENOWOSI N，LOGANATHAN V.GIS-based approach to sewer system design[J].Journal of Sunrveying Engineering,，1999,，125(1)：36-57.
[2] 劉春，姚連璧.車載導(dǎo)航電子地圖中道路數(shù)據(jù)的空間邏輯描述[J].同濟大學(xué)學(xué)報,，2002,，3(30)：347-351.
[3] 黃丙湖，萬劍華,，王珂.黃河口GIS的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計,，2011,，32(5)：1665-1668.
[4] 張淑華.基于GSM.GPS和WebGIS技術(shù)的動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].煤炭技術(shù)，2011,，30(2)：175-177.
[5] 劉小軍,，朱艷，姚霞,，等.基于WebGIS的農(nóng)業(yè)空間信息管理及輔助決策系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,，2006，22(5)：125-129.
[6] 郭武士,，易欣,，陳云坪，等.基于WebGIS和條碼技術(shù)的土壤空間信息管理系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,，2010,，26(9)：251-256.