基于ArcGIS for Android野外實(shí)習(xí)數(shù)據(jù)采集與導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

張海瑞1，吳學(xué)饒2，蘭小機(jī)2

(1.廣東省地質(zhì)局第三地質(zhì)隊(duì)，廣東惠州516081; 2. 江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，江西贛州341000)

摘要：針對傳統(tǒng)野外數(shù)據(jù)采集技術(shù)手段落后、效率低下等問題，利用ArcGIS for Android移動(dòng)開發(fā)技術(shù)，結(jié)合野外自然地理實(shí)習(xí)的實(shí)際情況，開發(fā)基于Android平臺的野外實(shí)習(xí)數(shù)據(jù)采集與導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用移動(dòng)智能終端取代傳統(tǒng)的紙筆記錄，簡化野外數(shù)據(jù)采集的流程，提高野外采集數(shù)據(jù)質(zhì)量，解決數(shù)據(jù)采集實(shí)習(xí)過程中的效率問題，為野外實(shí)習(xí)提供便攜的數(shù)據(jù)采集工具。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)GIS;野外數(shù)據(jù)采集;ArcGIS for Android;導(dǎo)航;Spatialite

中圖分類號：P228.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-10-21；修回日期：2014-11-20

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40971234，40761017);江西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20122BAB201046)；江西省教育廳科技資助項(xiàng)目(GJJ13422)

作者簡介：張海瑞(1983- )，男，工程師.

Realization of the field data collection and navigation system for internship based on ArcGIS for AndroidZHANG Hai-rui1, WU Xue-rao2, LAN Xiao-ji2

(1.The third Geological Team of Guangdong Geological Bureau, Huizhou 516081, China; 2.School of Architectural and Surverying&Mapping Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China)

Abstract：According to the traditional field data acquisition technology in low efficiency, ArcGIS for Android mobile development technology is proposed, combined with the actual situation of the wild natural geographical practice, based on the Android platform field data collection and navigation system. This system will collect mobile intelligent terminal to replace the traditional pen and paper records, simplify the process of field data acquisition, improve the quality of field data acquisition of data and solve the problem of internship in the process of data collection efficiency, and provide the portable data acquisition tools for field work.

Key words：mobile GIS; field data collection; ArcGIS for Android; navigation; Spatialite

野外實(shí)習(xí)對地學(xué)研究人才培養(yǎng)具有重要意義，既培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，又能提高實(shí)踐與創(chuàng)新能力。隨著3G、4G和Wi-Fi等移動(dòng)通信技術(shù)和嵌入式開發(fā)技術(shù)逐漸成熟，以及帶有GPS定位功能和其他定位方式的Android智能手機(jī)的出現(xiàn)，大大地促進(jìn)移動(dòng)GIS的發(fā)展，為野外數(shù)據(jù)采集帶來了方便[1]。野外數(shù)據(jù)采集的移動(dòng)GIS多數(shù)基于Windows Mobile平臺，但是基于該平臺的移動(dòng)終端市場占有率低，在Android智能手機(jī)出現(xiàn)后，Windows Mobile智能手機(jī)逐漸退出手機(jī)市場[2-7]。因此，采用Android系統(tǒng)平臺的智能設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，它能同時(shí)滿足野外數(shù)據(jù)采集和導(dǎo)航的要求，又具有價(jià)格低廉的優(yōu)勢。目前，學(xué)生一般都擁有智能手機(jī)和平板電腦，而且這些設(shè)備多數(shù)都自帶Android系統(tǒng)，因此一般情況下不需要另外購買特定的手持GPS設(shè)備，所以解決實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)不足的問題。

移動(dòng)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、GPS技術(shù)的成熟和Android智能設(shè)備的出現(xiàn)以及ESRI公司推出的基于移動(dòng)設(shè)備的解決方案ArcGIS for Android，為基于移動(dòng)設(shè)備野外數(shù)據(jù)采集與導(dǎo)航系統(tǒng)提供了技術(shù)支持[8-9]。本文借鑒一些學(xué)者基于移動(dòng)GIS的其他應(yīng)用研究方法，采用Eclipse、Spatialite以及ESRI公司的ArcGIS for Android平臺、服務(wù)器端ArcGIS Server10.1等為工具，構(gòu)建野外實(shí)習(xí)數(shù)據(jù)采集與導(dǎo)航系統(tǒng)。由于利用了Spatialite小型空間數(shù)據(jù)庫，因此本系統(tǒng)還支持離線數(shù)據(jù)采集與編輯功能，這為基于Android系統(tǒng)的野外數(shù)據(jù)采集與導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供新的解決方案。

1關(guān)鍵技術(shù)

1)ArcGIS Runtime for Android是美國ESRI公司為開發(fā)者提供的移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)包，即該公司提供的移動(dòng)GIS解決方案，同時(shí)也提供支持iOS和Windows Phone的應(yīng)用開發(fā)包，將GIS的應(yīng)用范圍從內(nèi)業(yè)擴(kuò)展到外業(yè)。用戶可以使用Java語言通過Eclipse開發(fā)工具利用ArcGIS for Android構(gòu)建所需要的應(yīng)用程序，構(gòu)建的應(yīng)用程序可以訪問ArcGIS Server發(fā)布的地圖及ArcGIS Online的地圖數(shù)據(jù)，并將這些應(yīng)用程序部署到Android移動(dòng)設(shè)備上。ArcGIS for Android除了能夠訪問ArcGIS Server發(fā)布的地圖服務(wù)外，還能夠訪問支持OCG標(biāo)準(zhǔn)的WMS(Web Map Service)服務(wù)。ArcGIS for Android能夠支持緩沖區(qū)分析、最短路徑分析等各種分析，并支持在線編輯能力。目前ArcGIS for Android在離線數(shù)據(jù)方面只支持切片數(shù)據(jù)離線存儲，而不支持矢量數(shù)據(jù)的離線存儲，在Android系統(tǒng)上若要支持矢量數(shù)據(jù)離線存儲需要用到Spatialite for Android數(shù)據(jù)庫。

2)GPS動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)定位。目前GPS技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而且也應(yīng)用到各行各業(yè)，其中包括導(dǎo)航、野外數(shù)據(jù)采集、精密測量等領(lǐng)域[10-11]。本系統(tǒng)主要是利用移動(dòng)終端自帶的GPS模塊，通過Android開發(fā)內(nèi)置的LocationMangager位置管理器控制GPS設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取野外數(shù)據(jù)經(jīng)緯度信息，并將數(shù)據(jù)坐標(biāo)標(biāo)注在地圖上實(shí)現(xiàn)可視化。通過動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)獲取GPS經(jīng)緯度信息，能夠減少數(shù)據(jù)采集的工作量并能夠幫助用戶了解附近數(shù)據(jù)采集的狀況。由于使用的是移動(dòng)智能設(shè)備自帶的GPS模塊，GPS精度會(huì)根據(jù)不同廠商提供的GPS芯片導(dǎo)致精度不同。本系統(tǒng)主要用于自然地理野外實(shí)習(xí)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和輔助導(dǎo)航，對GPS的精度要求不高，目的在于對實(shí)習(xí)過程、原理等知識進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)踐，因此一般智能移動(dòng)設(shè)備自帶的GPS模塊均能滿足需求。

3)SpatiaLite是一套具有空間數(shù)據(jù)功能的SQLite數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是嵌入式，它遵守OGC-SFS(Open Geospatial Consortium - Simple Feature Specification)標(biāo)準(zhǔn)并支持空間幾何數(shù)據(jù)類型和跨平臺。Spatialite不僅操作簡單、易于管理而且其數(shù)據(jù)庫文件可移植性較好，并支持基于R-tree的空間索引，能極大地提高數(shù)據(jù)庫的訪問速度。Spatialite for Android則是為Android平臺提供的Spatialite實(shí)現(xiàn)，用于在Android平臺上使用空間數(shù)據(jù)庫，正好可以解決ArcGIS for Android不支持離線矢量數(shù)據(jù)的難題。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1)本系統(tǒng)為終端應(yīng)用層、數(shù)據(jù)訪問層和數(shù)據(jù)存儲層三層架構(gòu)，支持多客戶端同時(shí)訪問，并且支持離線存儲和編輯，本系統(tǒng)可以運(yùn)行在Android 2.2及以上版本上，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)圖

2)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)主要功能有地圖瀏覽、GPS定位、路徑分析、GPS導(dǎo)航和實(shí)習(xí)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、編輯等。地圖瀏覽用于對地圖進(jìn)行基本操作；GPS定位通過智能終端的GPS模塊獲取GPS信號，并通過Android系統(tǒng)自動(dòng)的LocationMangager位置管理器來獲取經(jīng)緯度信息，并將該坐標(biāo)信息顯示在地圖上從而實(shí)現(xiàn)定位；路徑分析實(shí)現(xiàn)路徑分析的基本方法，并可以進(jìn)行最短路徑分析，主要可以模擬真實(shí)道路真實(shí)情況選出最優(yōu)路徑；GPS導(dǎo)航是Android自帶的導(dǎo)航功能，不僅在路徑分析中提供幫助，還可以根據(jù)當(dāng)前位置給出比較恰當(dāng)?shù)奶崾?；?shí)習(xí)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、存儲和編輯主要是通過GPS定位功能，獲取當(dāng)前地理位置信息，然后采集該實(shí)習(xí)點(diǎn)的屬性信息及圖片，并把這些相關(guān)信息保存到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，若智能設(shè)備在離線狀態(tài)則可以保存到智能終端的Spatialite數(shù)據(jù)庫進(jìn)行離線存儲。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)功能設(shè)計(jì)，利用ArcGIS for Android、Eclipse、Spatialite工具及Java編程語言對系統(tǒng)進(jìn)行編程。實(shí)習(xí)區(qū)域的地圖數(shù)據(jù)通過ArcGIS Sever進(jìn)行發(fā)布，Android智能設(shè)備通過調(diào)用地圖和相關(guān)服務(wù)進(jìn)行對應(yīng)的操作。本系統(tǒng)支持在線編輯和離線存儲，因此需對前期數(shù)據(jù)做一些處理，數(shù)據(jù)采集過程中在線和離線方式可以選其一。離線數(shù)據(jù)

對數(shù)據(jù)要求比較特別，ArcGIS for Android不直接支持顯示ESRI的Shapefile文件數(shù)據(jù)，也就是不支持離線的矢量數(shù)據(jù)的顯示，需要把Shapefile文件導(dǎo)入到Spatialite空間數(shù)據(jù)庫中，然后把裝載了Shapefile的數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入到本地的Android智能設(shè)備上。本系統(tǒng)在Android設(shè)備上讀取Spatialite數(shù)據(jù)庫中的幾何數(shù)據(jù)時(shí)，首先將數(shù)據(jù)庫中的幾何數(shù)據(jù)讀取出來并轉(zhuǎn)換成WKT(Well-Known-Text)格式數(shù)據(jù)，然后把讀取到的幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的點(diǎn)、線、面并在屏幕上實(shí)現(xiàn)可視化，通過本系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)可以保存到Android設(shè)備上的Spatialite數(shù)據(jù)庫中。而遙感影像數(shù)據(jù)以切片格式(即.tpk格式)數(shù)據(jù)存儲在Android智能設(shè)備上，ArcGIS for Android可以直接對此格式的遙感圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。ArcGIS for Android野外數(shù)據(jù)采集的流程如圖3所示。

圖3　野外數(shù)據(jù)采集流程

實(shí)習(xí)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集通過調(diào)用Android智能設(shè)備自帶GPS模塊功能進(jìn)行定位，然后把采集的信息保存到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫或本地Spatialite數(shù)據(jù)庫中，實(shí)習(xí)點(diǎn)信息采集界面如圖4所示。路徑分析功能首先設(shè)置起始點(diǎn)和終點(diǎn)，然后調(diào)用路徑分析服務(wù)，分析的結(jié)果會(huì)在地圖上顯示從起始點(diǎn)到終止點(diǎn)的最優(yōu)路徑，路徑分析結(jié)果如圖5所示。

Spatialite GIS是一款小巧的Spatialite數(shù)據(jù)瀏覽工具，可以對Spatialite中的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染，方便瀏覽，因此，把保存在Android智能設(shè)備上Spatialite數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)以Shapefile格式導(dǎo)出到PC端，然后利用Spatialite GIS工具進(jìn)行查看，查看實(shí)習(xí)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。

圖4　實(shí)習(xí)點(diǎn)采集界面

圖6　實(shí)習(xí)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)結(jié)果

4結(jié)束語

基于Android for Android野外實(shí)習(xí)數(shù)據(jù)采集與導(dǎo)航系統(tǒng)，結(jié)合野外實(shí)習(xí)的實(shí)際情況，并采用目前比較普及的Android系統(tǒng)平臺。本系統(tǒng)可以運(yùn)行于Android智能設(shè)備，攜帶方便、可操作性強(qiáng)和具有很高的靈活性，不僅為野外實(shí)習(xí)提供在線數(shù)據(jù)采集和編輯功能，還提供離線數(shù)據(jù)采集與編輯的功能、導(dǎo)航和路徑分析等功能。實(shí)踐表明，本系統(tǒng)具有很好的實(shí)用性和應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]周園春,胡良霖,沈志宏,等. 基于PDA的野外科考數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其應(yīng)用[J]. 科研信息化技術(shù)與應(yīng)用,2008(1):76-82.

[2]曾松偉,李光輝,胡海根,等. 基于PDA的森林資源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 浙江林學(xué)院學(xué)報(bào),2009,26(1):111-115.

[3]周源，汪永強(qiáng)，張慶金.基于安卓系統(tǒng)的位置服務(wù)終端軟件研發(fā)[J].測繪與空間地理信息，2014，37(10)：88-91.

[4]王珂，馬宏斌.一種基于Android平臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測繪與空間地理信息，2014，37(10)：29-32.

[5]劉鳳忠.基于CORS的地質(zhì)野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測繪與空間地理信息，2014，37(9)：76-78.

[6]黃志一,周園春,常青玲,等. 可定制移動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2009(11):11-15，32.

[7]武守忠,高靈旺,施大釗,等. 基于PDA的草原鼠害數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)[J]. 草地學(xué)報(bào),2007(6):550-555.

[8]尹濤. 用eSuperMap2008設(shè)計(jì)GPS自主導(dǎo)航系統(tǒng)[J]. 測繪科學(xué),2009,34(S1):79-81.

[9]林玉標(biāo),顧留婉. 面向地理實(shí)習(xí)的虛擬廬山環(huán)境建設(shè)[J]. 滁州學(xué)院學(xué)報(bào),2010,12(5):40-42.

[10]黎良財(cái),鄒嫦. GPS與GIS支持下的森林資源調(diào)查方法研究[J]. 林業(yè)調(diào)查規(guī)劃,2005,30(6):17-19.

[11]崔建勇,陳明劍. GPS動(dòng)態(tài)定位中的虛擬觀測方程研究[J]. 測繪工程,2013,22(4):9-12.

[責(zé)任編輯：李銘娜]