盛喜玉，張小壘，韓 勇，陳 戈

（中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266100；中國(guó)海洋大學(xué)海洋信息技術(shù)教育部工程研究中心，山東青島266100）

面向多源數(shù)據(jù)融合的移動(dòng)GIS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

盛喜玉，張小壘，韓 勇，陳 戈

（中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266100；中國(guó)海洋大學(xué)海洋信息技術(shù)教育部工程研究中心，山東青島266100）

對(duì)Android嵌入式操作平臺(tái)的移動(dòng)GIS進(jìn)行了探索；研究了系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)，包括地理空間表達(dá)的矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),適合嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)的三維景觀電子地圖的渲染和顯示；通過(guò)獲得HTTP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器端的數(shù)據(jù)通信，并將系統(tǒng)應(yīng)用于校園移動(dòng)拼車服務(wù)平臺(tái)。

移動(dòng)GIS；矢量數(shù)據(jù)；柵格數(shù)據(jù)；移動(dòng)通信

隨著3G時(shí)代的到來(lái)，GIS技術(shù)將虛擬現(xiàn)實(shí)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)搭配應(yīng)用產(chǎn)生移動(dòng)電子地圖。通過(guò)對(duì)空間地理信息進(jìn)行渲染和對(duì)直觀的圖形進(jìn)行可視化表達(dá)，不僅有助于人們發(fā)現(xiàn)隱含在數(shù)據(jù)中的相互聯(lián)系和規(guī)律，為人們獲取特定的信息提供了一種有效的手段，而且通過(guò)實(shí)現(xiàn)二維平面與三維立體的圖形處理及應(yīng)用，提供給用戶一個(gè)隨時(shí)隨地如同真實(shí)世界一般的互動(dòng)式環(huán)境，協(xié)助用戶了解真實(shí)的環(huán)境，因此移動(dòng)電子地圖將成為GIS面向應(yīng)用領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

1 移動(dòng)GIS的概念

移動(dòng)GIS是集GPS、移動(dòng)計(jì)算和GIS為一體，借助無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)，完成多媒體信息融合的空間數(shù)據(jù)傳輸和應(yīng)用。當(dāng)用戶使用移動(dòng)GIS系統(tǒng)時(shí)，他所面對(duì)的數(shù)據(jù)不再是毫無(wú)意義的，而是把客觀世界抽象模型化了的空間數(shù)據(jù)。用戶可以利用它觀測(cè)現(xiàn)實(shí)世界模型各方面的內(nèi)容，并進(jìn)行程序分析和取得預(yù)測(cè)信息，從而用于管理和決策，這才是GIS的真正內(nèi)涵[1]。

2 移動(dòng)GIS電子地圖的系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1）地圖渲染：支持自定義瓦片地圖渲染，圖層疊加；

2）地圖瀏覽：支持地圖的放大、縮小和平移；

3）地圖坐標(biāo)：支持獲取地圖坐標(biāo)；

4）地圖查詢：支持屬性查詢、空間查詢以及兩者的混合查詢；

5）地圖編輯：支持地圖的點(diǎn)、線、面幾何圖形標(biāo)記；

6）數(shù)據(jù)融合：支持矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)的融合；

7）GPS定位追蹤：支持獲取手持終端的GPS定位數(shù)據(jù)和軌跡追蹤，實(shí)現(xiàn)GPS定位監(jiān)控；

8）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信：支持3G網(wǎng)絡(luò)接入因特網(wǎng)，與服務(wù)器端的HTTP網(wǎng)絡(luò)通信。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)包括移動(dòng)客戶端開(kāi)發(fā)和服務(wù)器端開(kāi)發(fā)。移動(dòng)客戶端的開(kāi)發(fā)是基于 Android GUI系統(tǒng)框架，運(yùn)用Java結(jié)合XML技術(shù)實(shí)現(xiàn)地圖GIS功能，運(yùn)用JSON和HTTP技術(shù)實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信。服務(wù)器端的開(kāi)發(fā)是運(yùn)用Ajax技術(shù)和ASP.NET搭建后臺(tái)，處理HTTP請(qǐng)求，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，使多源數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中合理地存儲(chǔ)和管理。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

3 移動(dòng)GIS的關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)主要用于Android平臺(tái)的自定義瓦片地圖的渲染和地圖操作。地圖顯示系統(tǒng)與其他地圖平臺(tái)的區(qū)別在于它實(shí)現(xiàn)了矢量地圖和三維景觀地圖的渲染和地圖操作，多源數(shù)據(jù)的兼容以及與服務(wù)器端的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信。

3.1 地理空間數(shù)據(jù)表達(dá)

空間數(shù)據(jù)模型是移動(dòng)GIS中的空間數(shù)據(jù)表達(dá)的有效方式，它包含了實(shí)體和實(shí)體間的相關(guān)關(guān)系。本文采用矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)2種相對(duì)成熟的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是以點(diǎn)、線、面結(jié)合屬性數(shù)據(jù)描述地理要素，每個(gè)地理要素的空間位置由一系列有順序的（x，y）二維坐標(biāo)精確描述，通過(guò)拓?fù)潢P(guān)系描述實(shí)體之間的空間關(guān)系。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指將空間分割成規(guī)則的網(wǎng)格，在各個(gè)網(wǎng)格上給出相應(yīng)的屬性值來(lái)表示地理實(shí)體的一種數(shù)據(jù)表達(dá)形式[2]。根據(jù)行列號(hào)順序，利用分辨率參數(shù)（行數(shù)和列數(shù)）計(jì)算當(dāng)前柵格單元的行列號(hào)。如圖 2所示的方式逐行順序記錄柵格單元，當(dāng)前柵格單元的平面坐標(biāo)（x，y）的計(jì)算方法為：

圖2 柵格單元坐標(biāo)計(jì)算示意圖

3.2 三維景觀電子地圖的渲染和顯示

Android系統(tǒng)通過(guò)Skia圖形圖像引擎渲染實(shí)現(xiàn)各圖形要素的顯示輸出。Skia庫(kù)是Android的圖形、圖像、動(dòng)畫、svg、文本等多方面2D圖形庫(kù)系統(tǒng)的底層實(shí)現(xiàn)，它相當(dāng)于Android中圖形系統(tǒng)的引擎，通過(guò)JNI從Skia底層庫(kù)向Java上層提供圖形功能接口，并且結(jié)合Surface實(shí)現(xiàn)各種UI元素的功能。Skia圖形圖像引擎系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Skia引擎系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

坐標(biāo)系統(tǒng)是GIS圖形顯示、數(shù)據(jù)組織分析的基礎(chǔ)[3]。本系統(tǒng)采用歐氏空間坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)屏幕窗口坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)緯度與歐氏坐標(biāo)系的相互轉(zhuǎn)化，將經(jīng)緯度信息以相對(duì)坐標(biāo)的形式顯示在屏幕窗口[4]。通過(guò)二維數(shù)組mMap[][]存儲(chǔ)柵格單元編號(hào)，該數(shù)組的索引號(hào)是柵格區(qū)域行列號(hào)的唯一標(biāo)識(shí)符，數(shù)組第一維表示x，第二維表示y。具體實(shí)現(xiàn)方法是：首先將地圖信息轉(zhuǎn)成XML文件，實(shí)際上XML文件中存儲(chǔ)的是二維數(shù)組信息；再將地圖切割出來(lái)，通過(guò)雙重循環(huán)遍歷每一個(gè)地圖瓦片，利用程序的切割方法把每一個(gè)瓦片切割出來(lái)顯示在屏幕中。如果地圖底圖較大，根據(jù)瓦片柵格單元的行列號(hào)找到其所在原始文件的x、y坐標(biāo)，監(jiān)聽(tīng)屏幕觸摸事件并計(jì)算移動(dòng)距離，從而算出正確的顯示位置。系統(tǒng)融合自定義瓦片地圖和屬性數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的三維景觀地圖效果如圖4所示，圖中三維效果實(shí)際是一種假三維[5]，它是由三維模型生成的固定視角靜態(tài)渲染圖片，對(duì)被遮擋、看不見(jiàn)或位于次要位置的物體可以省略、簡(jiǎn)化，三維場(chǎng)景中的點(diǎn)線面地理元素信息圖層，在模型制作時(shí)分層制作，三層模型疊加形成校園三維景觀地圖，它是本系統(tǒng)的核心部分。

3.3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

Android的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是有豐富的和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用集成的應(yīng)用程序，給用戶帶來(lái)了更好的3G體驗(yàn)[6]。本系統(tǒng)采用HttpClient4.0，將Apache視為開(kāi)源Web服務(wù)器，創(chuàng)建HttpClient以及Get/Post、HttpRequest對(duì)象等，執(zhí)行HTTP操作。當(dāng)需要實(shí)時(shí)獲取最新數(shù)據(jù)時(shí)，一般的HTTP通信都只是一次性獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)開(kāi)辟了一個(gè)新的線程控制視圖的更新，把獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的代碼寫到線程中，但是Android中更新視圖不能直接在線程中進(jìn)行，因此系統(tǒng)使用 H and ler來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。H and ler的工作原理是它作為主線程（UI線程）的子線程，可以給主線程發(fā)送數(shù)據(jù)從而更新主線程的UI邏輯，H and ler會(huì)向主線程發(fā)送消息并以隊(duì)列的形式排列著配合等待主線程更新UI邏輯，并且H and ler子線程的耗時(shí)操作也不會(huì)阻塞主線程。

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本文所采用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)為IntelCore2Duo2.53GHz，主內(nèi)存為2G，顯卡采用的是GeForce8600GT，顯存為256 M，操作系統(tǒng)為Windows7。

在開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，采用Eclipse IDE for JavaDevelopers (GALILEO版本)開(kāi)發(fā)環(huán)境，SQLServer2005數(shù)據(jù)庫(kù)以及JavaScript和XML技術(shù)，Ajax技術(shù)分別進(jìn)行移動(dòng)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)以及應(yīng)用程序與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，并以中國(guó)海洋大學(xué)為實(shí)例對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了檢驗(yàn)。系統(tǒng)采用內(nèi)存為200 M的Android 2.2.1智能手機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，三維景觀地圖為中國(guó)海洋大學(xué)嶗山校區(qū)，總面積為122hm2，使用3DSMax建模并渲染為景觀地圖，通過(guò)Mappy地圖編輯工具切割成自定義瓦片，使用一種輕量級(jí)數(shù)據(jù)交換格式--JSON格式，通過(guò)獲取HTTP通信方式完成Android平臺(tái)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，達(dá)到了期望的效果。本系統(tǒng)應(yīng)用在校園移動(dòng)拼車服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)的部分功能界面如圖4所示。

圖4 校園拼車服務(wù)平臺(tái)三維景觀地圖操作

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)Android平臺(tái)研究了適用于嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和計(jì)算環(huán)境的移動(dòng)GIS系統(tǒng)架構(gòu)，考慮到GIS數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量大和復(fù)雜的特點(diǎn)，通過(guò)Skia圖形圖像引擎渲染實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的集成顯示，通過(guò)無(wú)線通信進(jìn)行移動(dòng)終端與服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信，并在校園移動(dòng)拼車服務(wù)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。本系統(tǒng)還有改進(jìn)的空間，一方面要減少使用GIS數(shù)據(jù)時(shí)所占用的內(nèi)存；另一方面要提高計(jì)算速度以滿足復(fù)雜的空間檢索需求[7]。

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Design and Implementation of Mobile Geography Information System Based on Oriented Multiple Data Integration

by SHENG Xiyu

Mobile GIS based on android embedded system platform was searched in this paper.It studied the system structuring and Gordian technique,including the vector data structure and grid data structure of geographical spatial expression,rendering and operating of 3D landscape electronic map.And it realized data communication with server-side by acquiring HTTP web service.The system is applied in the Campus Mobile Carpool Service Platform.

mobile GIS,vector data structure,grid data structure,mobile communication

2012-02-16

項(xiàng)目來(lái)源：科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（11C26216113750）；無(wú)錫市科技局創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（CBE11101）。

P208

B

1672-4623(2012)03-0048-03

盛喜玉，碩士，主要從事移動(dòng)GIS和移動(dòng)數(shù)據(jù)通信方向的研究。