安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司（以下简称“设计总院”）顺应数字化发展趋势，提出“数字化设计院”建设目标，其中外业工作作为设计依据获取的重要途径，长期以来工作繁重效率低下，数字化转型需求迫切。设计总院提出构建基于GIS一张图的云外业系统方案，研究云外业系统的关键技术，并成功将该方案应用到“数字设计院”建设中，显著提升外业工作效率，为勘察设计外业调查数字化转型探索出新模式。
1 背景
当前数字化浪潮席卷全球，各行各业都在谋求数字化转型，新冠疫情的出现更是加速了这一进程。安徽省政府、安徽省交控集团、设计总院分别提出“数字江淮”、“数字交控”和“数字设计院”的建设目标。长期以来，勘察设计企业的外业调查主要采用人工调查和手动记录的方式，在数据采集过程中，数据记录、存储和导出的数字化程度低；常常需要携带大量工具和资料，借助信息化手段不足，调查效率低。在数据利用方面，外业成果主要以纸质版本归档，分散存放于各部门，信息孤岛问题严重。为推进外业调查工作的数字化建设，云外业“一张图”系统应运而生，它将取代传统的落后的外业工作模式，实现全部外业工作都在一个PAD中完成的目标。
GIS，Geographic Information System，地理信息系统，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统。在数据采集、空间数据管理和可视化方面GIS有着天然的优势，基于GIS一张图思想，将外业调查工作都在一张图上进行，集成需要参考的地形图、路线走向、构造物信息等，同时基于空间位置填报外业电子表单数据，不断丰富一张图数据，将会给外业调查工作带来重大的变革。
2 需求分析
设计总院数字化团队针对生产部门进行了外业调查的需求调研，采用座谈会的形式，了解外业调查野外和内业工作中亟待解决的问题，目前正在使用的外业辅助软件，本系统对外业工作效率的影响等内容。
经过汇总整理发现，离线环境操作、定位中桩和快速查看地形图是外业调查野外工作亟待解决的问题，而外业调查资料快速整理（调查图片编号、 整理）则是外业调查（ 内业） 工作最亟待解决的问题。
这些亟待解决的问题，也是基于GIS一张图的云外业系统的重点研发方向，系统将实现以下功能：
1) 将调查数据（表单、照片、 视频或语音录入）与桩号关联。
2) 基于GIS技术， 调查人员在野外可以精确定位中桩，同时基于GIS一张图填报，根据绘制的图元智能计算桩号；系统快速加载显示地形图、总体设计图和卫星影像图等，节省比对地面物体的时间、快速查看横断面， 避免野外调查期间携带大量图纸。
3) 调查数据上传至云端后，数据自动汇总整理，同时支持数据共享，随时随地可以访问浏览；外业数据支持按照指定格式排版打印，满足外业验收场景。
3 系统架构
基于GIS一张图的云外业系统，将充分发挥GIS在数据采集、空间数据管理和分析可视化方面的优势，重点解决外业调查工作存在的痛点问题。
本系统采用B/S和C/S混合架构设计，从上至下分为4层： 应用层、中间件层、服务层、数据层。其中，应用层属于客户端的位置,后3层属于服务端的位置，其系统架构如图1所示。
图1 基于GIS一张图的云外业系统架构示意图
应用层是整个系统的核心部分，该层建立在中心库数据的标准存储数据、 模型之上,此层的数据结构完全按照业务应用需求来设计,根据外业调查的层级和模式,实现外业调查的信息化应用计算和管理,通过信息化系统构建外业调查的自动化、数字化服务系统，最终提高外业调查质量、降低成本。
中间件层提供通信支持、应用支持。中间件为其所支持的应用软件提供平台化的运行环境，该环境屏蔽底层通信之间的接口差异，实现互操作。为上层应用开发提供统一的平台和运行环境， 并封装不同操作系统提供API接口 ,向应用提供统一的标准接口 ,使应用的开发和运行与操作系统无关,实现其独立性。
服务层基于云原生服务架构，以架构的四大设计原则为标准,建立可复用的统一结构化服务平台，建立统一的 GIS标准、数据标准、以及服务标准,实现服务的高效扩展以及自由组合。
数据层是业务运行的基础，包括静态数据和动态业务数据两部分，其中，静态数据包括规划数据、设计数据、建设数据、 GIS数据以及系统配置相关数据等，动态数据包括标记点数据、调查数据、现场实景数据等。
4 关键技术
针对云外业系统亟待解决的问题，需要重点攻克如下关键技术。
4.1 桩号智能计算
基于GIS一张图填报外业数据时，会在GIS图上绘制点、线、面图元信息，根据线位kml数据中的百米桩号，要能正确计算出该图元的桩号，这需要使用到GIS的相关算法，具体实现如下：
1）点图元桩号计算算法
图2 点图元桩号计算算法示意图
算法实现步骤如下：
Step1：遍历kml路线上所有的桩号点，找出与点选坐标点P1距离最近的一个桩号P2。
Step2：将桩号转换成里程数，并依据里程数大小，进行递增排序，确定P2的下一个桩号点P3。
Step3：计算三角形的三条边长，求出三角形面积；依据海伦公式，求出偏移道路线距离L1。
Step4：依据L1和P1P2的距离，求出夹角P2；依据L1和P1P3的距离，求出L2。
Step5：比较L2和P2P3的大小，确定P1桩号的计算方式（P2+L3或者P2-L3）
2）线、面图元桩号计算算法
图3 面图元桩号计算算法示意图
由于线和面图元都涉及到多个顶点的桩号计算，最终归结为点图元桩号计算。
算法步骤如下：
Step1: 绘制多边形ABCDE，同时存储每个顶点坐标。
Step2: 遍历多边形的每个顶点，找出顶点所在的桩号区间。
Step3: 根据构成的三角形，依次求出顶点到道路线的垂直距离LA,LB,LC,LD,LE。
Step4: 返回最短垂直距离对应的顶点桩号，作为该多边形的桩号。
4.2 地形图轻量化技术
地形图作为外业调查最重要的参考数据，包含丰富的地形、高程、交通、水文、农业和生态红线等综合数据，一般是由测绘部门提供，以CAD文件格式为载体，在电脑端PC机打开有时也是操作卡顿不流畅。作为外业“一张图”系统亟待解决的问题，必须首先解决轻量化问题，才能在移动设备如平板中流畅加载。
经过调查研究，采用瓦片地图的思想，能够实现地形图的轻量化。具体原理如下：将地形图数据按照下图所示的金字塔结构分层组织，每张瓦片都可通过级别、行列号唯一标记。在平移地图、缩放地图时，浏览器客户端根据金字塔规则，计算出所需的瓦片，从瓦片服务器获取并拼接。
图4 瓦片地图原理示意图
在瓦片地图思想的支撑下，结合实际工作情况，外业“一张图”系统需经过如下步骤，才能做到地形图轻量化，在移动设备中流畅加载底图。
1） 数据预处理，测绘部门提供的CAD数据有的时候会带投影高等参数，需通过技术手段去除该投影高参数，否则会导致转换成GIS数据时发生偏移。
2） CAD格式转GIS数据，涉及到平面坐标转地理坐标，同时提取出cad中的样式数据
3） 瓦片地图发布，基于开源的GIS服务器GeoServer将GIS数据发布成瓦片地图服务，可选栅格和矢量两种类型
4） 移动终端按需加载，根据移动终端地图显示范围，自动计算需要加载的瓦片参数，模拟浏览器请求加载；可提前将指定范围内的瓦片地图下载缓存至移动设备中，实现离线环境下加载。
5 应用效果
自2020年9月份外业“一张图”系统上线以来，在16个高速公路设计项目外业调查中得到应用，显著提升外业工作效率。
5.1 基于GIS一张图数据填报
外业调查采集端基于GIS一张图进行数据填报，以下为数据采集端地图填报界面，总结起来有以下5大特点：
1） 任务支持多个路线走向切换显示，根据方案调整可进行更新调整。
2） 基于GIS一张图的地图模式数据填报，更契合设计师工作习惯。
3） 离线定位、离线加载地形图和卫星地图，适应全天候环境工作，方便快速查找工点。
4） 内置测量小工具，方便快速进行距离测量、角度计算和面积测量。
5） 动态叠加总体图、行政边界或者生态红线等数据，满足设计师外业调查时的个性化需求
图5 数据采集端地图填报界面
5.2 数据自动汇总
数据上传云端后，系统会对外业数据按项目、任务、专业和表单进行分类统计，如图6所示，外业调查采集的图元信息都会结合路线数据展示在地图上，在内业设计阶段设计师可以随时随地访问参阅。
图6 数据自动汇总界面
外业和内业数据打通方面，如图7所示，系统目前支持导出相关数量表，自动关联外业字段和内业字段信息；同时支持导出kml数据，经过转换后可以导入到CAD设计图纸中辅助设计。
图7 外业内业数据打通界面
5.3 外业数据打印出版
为满足外业验收时评审专家需要查看纸质外业表单数据的场景，经过技术攻关，根据外业表单统一样式，系统实现外业电子表单数据打印出版至pdf的功能，补齐了云外业最后一公里落地的短板。
图8 外业数据打印出版界面
5.4 应用数据统计
截至2021年12月，系统累计采集数据记录41000余条，采集实景照片59000余张，设计里程超过1200公里。外业一张图已初步形成。
图9 外业一张图界面
6 结论
在各行各业加快数字化转型的时代背景下，本研究结合需求调研分析，厘清勘察设计行业在外业调查领域的难点和稳待解决的问题，借助于GIS和云计算等技术，设计开发了基于GIS一张图的云外业系统，并通过实际验证从桩号智能计算、流畅加载地形图、数据自动汇总和成果导出等几个方面进行了数字化改进，尤其是数据关联和成果导出的数字化改进，解决了长期以来内业和外业工作脱节、 外业工作未能很好地服务于内业设计的问题。
在数据采集、 数据存储、数据分析处理和利用中充分融合了GIS和大数据技术理念，大幅度地提高外业调查工作效率。云外业系统的广泛使用，将有效地实现勘察设计行业外业调查工作的数字化转型。
