余 健，童秋英，朱 波，汪文豪

(1. 武漢市國土資源和規(guī)劃信息中心，湖北 武漢 430014； 2. 武漢光庭信息技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430073)

隨著新型城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，土地供給與需求的矛盾日益突出，國土資源執(zhí)法監(jiān)查成為國土資源管理工作的重點[1-2]，而國土資源執(zhí)法工作的重點為外業(yè)核查。當(dāng)前，外業(yè)核查手段主要為以下3種：一是利用紙質(zhì)影像圖、土地利用規(guī)劃圖和現(xiàn)狀圖，加之手持GPS和數(shù)碼相機等作業(yè)工具開展外業(yè)現(xiàn)場記錄核查內(nèi)容，通過內(nèi)業(yè)上圖、入庫實現(xiàn)統(tǒng)計、匯總、分析，以獲取圖斑合法性和審批狀況等信息，其作業(yè)方式傳統(tǒng)，信息化程度低，數(shù)據(jù)協(xié)同采集能力較差[3-5]；二是依托GIS、無線通信技術(shù)及智能移動終端設(shè)備，采用嵌入式、組件式開發(fā)或基于ArcGIS SDK進行原生應(yīng)用開發(fā)，其開發(fā)周期長，技術(shù)難度大，針對不同平臺及屏幕尺寸的智能移動終端需分別開發(fā)移動應(yīng)用，不具備跨平臺能力，且后期維護成本高、效率低；三是采用Web開發(fā)模式實現(xiàn)移動GIS系統(tǒng)開發(fā)，雖可以解決跨平臺移植問題，但其調(diào)用本地設(shè)備API能力較弱，不支持離線和本地文件訪問，適應(yīng)國土資源執(zhí)法場景的應(yīng)變能力較差。隨著國土資源執(zhí)法工作要求的提高，其對地理空間信息服務(wù)的需求日益顯現(xiàn)，移動GIS技術(shù)在土地執(zhí)法上的應(yīng)用層出不窮[6-12]，迫切需要研究可跨平臺的、高移植性的、支持離線和本地文件訪問的移動GIS應(yīng)用開發(fā)模式，以適應(yīng)多場景下國土資源執(zhí)法監(jiān)查外業(yè)核查工作的需要。為此，本文研究基于Ionic和Cordova框架，結(jié)合SOA架構(gòu)(service oriented architecture,SOA)和WebGIS技術(shù)的混合開發(fā)模式，并設(shè)計開發(fā)土地執(zhí)法核查APP，應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)可較好滿足國土資源執(zhí)法多場景、多業(yè)務(wù)、多設(shè)備的應(yīng)用需要。

1 混合應(yīng)用開發(fā)模式

1.1 混合應(yīng)用特點

混合應(yīng)用(hybrid APP)是使用移動平臺原生程序語言(Native)和網(wǎng)頁開發(fā)語言(Web)進行混合開發(fā)的應(yīng)用程序，其實質(zhì)是在設(shè)備原生系統(tǒng)中嵌套內(nèi)置瀏覽器控件，再使用Web開發(fā)技術(shù)對瀏覽器內(nèi)部加載的網(wǎng)頁進行UI界面設(shè)計及功能實現(xiàn)[13]，兼具了Native APP的良好用戶體驗和Web APP跨平臺、高效開發(fā)和低成本的優(yōu)勢。開發(fā)混合應(yīng)用的方式一般稱為混合應(yīng)用開發(fā)模式。

1.2 土地執(zhí)法APP開發(fā)模式

鑒于混合應(yīng)用(hybrid APP)的特點和優(yōu)勢，以及國土資源規(guī)劃執(zhí)法外業(yè)核查工作對GIS功能的需求，武漢市土地執(zhí)法APP以Cordova和Ionic為基礎(chǔ)，結(jié)合移動WebGIS技術(shù)和SOA架構(gòu)進行混合開發(fā)，以快速實現(xiàn)跨平臺、低成本、可擴展、易維護等移動執(zhí)法應(yīng)用。

Ionic基于HTML5移動端應(yīng)用開發(fā)框架，提供豐富的UI組件和CSS樣式庫，其響應(yīng)式布局Web設(shè)計原則可實現(xiàn)屏幕大小或像素密度來產(chǎn)生更優(yōu)化的體驗[14]。系統(tǒng)前端展示頁面基于Ionic的UI框架和組件，可應(yīng)對多設(shè)備、屏幕多尺寸、多分辨率的適配；Cordova框架提供Javascript訪問移動平臺的API[15],支持主流移動開發(fā)平臺(iOS、Android、Windows Phone等)，移動端底層采用Cordova的插件和API接口，可適應(yīng)移動設(shè)備的多樣性特點[16]；WebGIS技術(shù)結(jié)合SOA架構(gòu)，使GIS Web服務(wù)具有封裝良好、可重用、易拓展維護的特點，為系統(tǒng)實現(xiàn)跨平臺特性奠定基礎(chǔ)。

2 土地執(zhí)法APP總體構(gòu)架

2.1 土地執(zhí)法APP基礎(chǔ)支撐

土地執(zhí)法APP依托武漢市國土規(guī)劃云平臺基礎(chǔ)設(shè)施及其提供的硬件和網(wǎng)絡(luò)可彈性伸縮的虛擬化運行環(huán)境，以保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行和內(nèi)、外網(wǎng)數(shù)據(jù)交互；基于武漢市國土規(guī)劃資源中心及其提供的基礎(chǔ)地理、調(diào)查評價、規(guī)劃編制、土地管理、規(guī)劃管理、執(zhí)法監(jiān)查等多類型資源，以保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全和高效、靈活、可擴展的資源服務(wù)，為系統(tǒng)實現(xiàn)跨平臺特性奠定基礎(chǔ)。

2.2 土地執(zhí)法APP總體架構(gòu)

土地執(zhí)法APP總體架構(gòu)主要包括移動端與服務(wù)器端兩大部分。移動端負(fù)責(zé)交互界面展示及基本功能實現(xiàn)；服務(wù)端主要提供基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)支持，并負(fù)責(zé)處理移動端的各種服務(wù)請求。

土地執(zhí)法APP移動端由應(yīng)用層、橋接層、組件層、設(shè)備層4層組成，如圖1所示。

圖1 土地執(zhí)法APP系統(tǒng)架構(gòu)

(1) 應(yīng)用層：負(fù)責(zé)交互界面展示、業(yè)務(wù)功能實現(xiàn)、與服務(wù)端通信。采用Ionic框架渲染應(yīng)用程序的外觀和樣式，并用Ajax技術(shù)與服務(wù)器端通信，結(jié)合WebGIS實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)更新和地圖應(yīng)用交互；與底層設(shè)備的通信通過調(diào)用Cordova的API實現(xiàn)。

(2) 橋接層：實現(xiàn)跨平臺操作的關(guān)鍵，負(fù)責(zé)原生代碼與Javascript代碼的雙向通信。Cordova根據(jù)不同平臺中WebView的特性，將橋接方法進行封裝，為前端應(yīng)用層提供通用API接口。

(3) 組件層：Cordova將各個平臺的原生接口進行封裝，以插件形式提供橋接層可調(diào)用方法。

(4) 設(shè)備層：涵蓋IOS、Android、Windows Phone、Blackberry等主流操作系統(tǒng)，并提供原生API接口供組件層調(diào)用。

3 土地執(zhí)法APP功能實現(xiàn)

3.1 移動執(zhí)法業(yè)務(wù)流程設(shè)計

根據(jù)土地執(zhí)法業(yè)務(wù)需求，為適應(yīng)多場景下國土資源執(zhí)法監(jiān)查外業(yè)核查工作需要，優(yōu)化土地執(zhí)法外業(yè)核查業(yè)務(wù)流程，并以跨平臺、可移植為目的，設(shè)計土地執(zhí)法APP功能。土地執(zhí)法外業(yè)核查業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

(1) 內(nèi)業(yè)制定核查任務(wù)，在APP中規(guī)劃核查路線。

(2) 進行圖斑定位，到達現(xiàn)場，記錄核查軌跡。

(3) 在APP中疊加影像或相關(guān)審批信息圖層，對執(zhí)法圖斑進行綜合判斷，使用在線空間疊加分析等功能，實時獲取圖斑審批情況及現(xiàn)狀信息(批、征、供、登、補、查)。

圖2 土地執(zhí)法外業(yè)核查業(yè)務(wù)流程

(4) 進行拍照、錄音或錄像，在線填報核查信息，并實時上傳。

(5) 云服務(wù)器端的圖斑信息實時共享，內(nèi)業(yè)人員同步開展核查信息審查、統(tǒng)計報表制作、信息發(fā)布等操作。

3.2 移動執(zhí)法系統(tǒng)功能設(shè)計

移動執(zhí)法系統(tǒng)主要包括前端展示、業(yè)務(wù)邏輯、本地數(shù)據(jù)緩存和服務(wù)管理4大功能模塊。前端展示模塊負(fù)責(zé)向用戶展示信息，業(yè)務(wù)邏輯模塊實現(xiàn)客戶端業(yè)務(wù)邏輯功能，本地數(shù)據(jù)緩存模塊實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及用戶信息的本地緩存，服務(wù)管理模塊完成移動端與服務(wù)端的服務(wù)接口統(tǒng)一管理。系統(tǒng)核心功能如圖3所示。

圖3 土地執(zhí)法APP功能設(shè)計

(1) 軌跡記錄：記錄核查人員實時坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)自動生成路徑，高亮顯示在地圖上，同時將核查軌跡信息同步至服務(wù)器，方便核查人員后期查詢及整理。

(2) 路線規(guī)劃：根據(jù)圖斑空間分布狀況，規(guī)劃外業(yè)核查路線，并在移動APP地圖界面手工勾繪路線，輔助管理人員合理安排核查任務(wù)，杜絕核查盲區(qū)。

(3) 信息采集：以圖斑為單位，移動APP提供多種外業(yè)信息采集手段，如拍照、錄像、錄音、文字輸入和空間坐標(biāo)信息采集等。

(4) 在線填報：通過在系統(tǒng)展示頁面編寫數(shù)據(jù)填寫邏輯規(guī)則，控制圖斑核查信息規(guī)范性及完整性，保證核查人員填報信息高效準(zhǔn)確。

(5) 數(shù)據(jù)同步：核查人員通過APP記錄的信息，包括核查軌跡、文字、照片、視頻、錄音等實時同步至服務(wù)端，方便內(nèi)業(yè)管理人員統(tǒng)籌管理，實時審核填報信息，并自動生成統(tǒng)計分析圖表、核查進度表等統(tǒng)計信息。

(6) 空間分析：針對單個圖斑，提供圖斑在線分析功能，通過調(diào)用空間分析服務(wù)，實時反饋圖斑范圍內(nèi)的批、征、供、用等審批信息，為外業(yè)核查人員提供科學(xué)判斷依據(jù)。

3.3 移動執(zhí)法系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.3.1 前端界面跨平臺展示實現(xiàn)

前端展示功能是本系統(tǒng)的重要組成部分，需適應(yīng)不同分辨率的移動終端屏幕，且要求樣式豐富、布局合理、響應(yīng)高效、操作方便。本系統(tǒng)前端展示功能基于Ionic框架及其各類UI組件開發(fā)實現(xiàn)(見表1)。

表1 前端展示界面應(yīng)用的Ionic組件庫

基于Ionic框架的HTML5+CSS3規(guī)范，利用CSS3的媒體查詢(media query)技術(shù)，檢測設(shè)備的寬度、高度、屏幕分辨率等媒體特性，然后執(zhí)行與之對應(yīng)的CSS3樣式，使本系統(tǒng)頁面可自動適配不同尺寸及分辨率的設(shè)備屏幕。同時，利用Ionic框架提供的UI組件,包括Slide Box、Modal、Action Sheet、Popup、Loading、Platform、Gesture、Backdrop、Utility、Keyboard等以及豐富的CSS庫，實現(xiàn)原生設(shè)備的廣泛適配。

3.3.2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯功能實現(xiàn)

本系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯功能通過Ionic結(jié)合ArcGIS提供的Javascript API WebGIS框架以及服務(wù)器端提供的RESTful服務(wù)支持，實現(xiàn)位置獲取、圖斑定位、軌跡記錄、路線規(guī)劃、信息采集、信息展示、在線填報、數(shù)據(jù)同步、圖層顯示和空間分析等功能；涉及調(diào)用移動設(shè)備原生接口的，則采用Cordova提供的插件和接口。Cordova在本系統(tǒng)開發(fā)中提供加速計、攝像頭、羅盤、通訊錄、文檔、GPS定位、媒體庫、網(wǎng)絡(luò)、通知(警告、聲音和振動)及存儲等接口。

3.3.3 系統(tǒng)本地緩存功能實現(xiàn)

本地緩存數(shù)據(jù)包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要涉及用戶登錄信息、行政區(qū)數(shù)據(jù)字典等數(shù)據(jù)，采用HTML5內(nèi)置本地數(shù)據(jù)庫SQLite實現(xiàn)存儲管理；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要涉及照片、文本、視頻和音頻等數(shù)據(jù)，采用HTML5本地文件系統(tǒng)實現(xiàn)緩存。

3.3.4 系統(tǒng)服務(wù)接口功能實現(xiàn)

系統(tǒng)服務(wù)端基于SOA體系架構(gòu)，將服務(wù)端資源進行整合，并封裝成Web Service以回應(yīng)請求，為跨平臺終端提供動態(tài)調(diào)用的API接口。

(1) 身份認(rèn)證服務(wù)。從系統(tǒng)安全性和可擴展性考慮，本系統(tǒng)服務(wù)器端大部分資源都需授權(quán)訪問，因此需對客戶端用戶提交的登錄信息進行認(rèn)證。用戶認(rèn)證信息采用令牌方式存放于客戶端Cookie中，用戶每次請求都將令牌提交給服務(wù)器端，服務(wù)器端通過向認(rèn)證服務(wù)請求驗證令牌內(nèi)容，獲取用戶信息，以完成用戶身份認(rèn)證。

(2) ArcGIS瓦片、要素和空間分析服務(wù)。外業(yè)執(zhí)法核查人員需實時調(diào)用政務(wù)地圖、基礎(chǔ)地理及國土規(guī)劃業(yè)務(wù)等圖層，作為圖斑判讀依據(jù)。系統(tǒng)服務(wù)端通過集成ArcGIS Server組件實現(xiàn)地圖瓦片服務(wù)和要素服務(wù)的發(fā)布，通過Web共享地圖相關(guān)資源服務(wù)，滿足地圖和空間分析功能廣泛適應(yīng)各種環(huán)境和設(shè)備，以提供地理空間Web服務(wù)供客戶端調(diào)用。

(3) 照片、視頻云存儲服務(wù)。因執(zhí)法外業(yè)核查涵蓋多項執(zhí)法業(yè)務(wù)，照片和視頻數(shù)據(jù)量增長迅速，且執(zhí)法人員瀏覽、查詢、創(chuàng)建和刪除操作高頻和高并發(fā)。因此，采用云存儲方案管理圖片和視頻數(shù)據(jù)，方便存儲空間靈活擴展和高效維護；同時，在服務(wù)端云存儲服務(wù)中，加密數(shù)據(jù)訪問層，并通過公有API接口上傳至云存儲管理服務(wù)器，且提供數(shù)據(jù)分塊存儲、數(shù)據(jù)索引、數(shù)據(jù)搜索等功能，以提高外業(yè)數(shù)據(jù)訪問和存儲效率。

(4) 數(shù)據(jù)庫服務(wù)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)采用RESTful風(fēng)格，以URI方式統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫資源訪問接口，向移動端提供數(shù)據(jù)服務(wù)。REST服務(wù)基于HTTP協(xié)議，終端應(yīng)用使用不同的HTTP方法(POST、GET、PUT和DELETE)提交請求，即可對URI代表的數(shù)據(jù)庫資源進行創(chuàng)建、讀取、更新和刪除操作，實現(xiàn)服務(wù)端數(shù)據(jù)規(guī)范管理和交互處理。

(5) 空間輔助分析服務(wù)。土地執(zhí)法外業(yè)核查工作中，需適時獲取核查圖斑所在范圍內(nèi)的管理審批和利用現(xiàn)狀等信息，幫助其進行在線輔助判斷和分析。因此，系統(tǒng)移動端將圖斑坐標(biāo)串置于JSON格式數(shù)據(jù)向服務(wù)端提交請求，服務(wù)端接受請求后根據(jù)請求的方法類型，調(diào)用后臺基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫，進行空間分析，然后將分析結(jié)果以JSON格式返回給移動端展示。

4 應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基于Cordova框架實現(xiàn)系統(tǒng)跨平臺應(yīng)用

Cordova框架是本系統(tǒng)跨平臺特性的關(guān)鍵所在，關(guān)鍵技術(shù)點為：Cordova針對不同的移動操作系統(tǒng)，通過CordovaWebView繼承和擴展原生操作系統(tǒng)的內(nèi)置瀏覽器——WebView組件，使開發(fā)人員在Cordova框架下可通過JavaScript訪問設(shè)備本地API。具體實現(xiàn)方法為：首先調(diào)用CordovaWebView的initWebSettings，對WebView進行初始設(shè)置；然后為每一個應(yīng)用創(chuàng)建PluginManager實例，用于管理應(yīng)用插件；再通過建立CordovaBridge橋接類實現(xiàn)JavaScript到本地設(shè)備的雙向通信；最后通過exposeJsInterface()方法，建立ExposedJsAPI對象，向Web端暴露本地設(shè)備的通信接口。以照相機為例，JavaScript調(diào)用Cordova封裝的硬件功能過程如下：

(1) 設(shè)置調(diào)用硬件的相關(guān)參數(shù)：

function setOptions(srcType) {

var options={

∥設(shè)置照片的質(zhì)量，默認(rèn)為20，50，100

quality：50,

destinationType：Camera.DestinationType.FILE_URI,

∥根據(jù)用戶習(xí)慣設(shè)置照片數(shù)據(jù)源，可以設(shè)置為本地圖片庫，也可以拍照獲取

sourceType：srcType,

encodingType：Camera.EncodingType.JPEG,

mediaType：Camera.MediaType.PICTURE,

allowEdit：true,

correctOrientation：true

}

return options;

}

(2) 傳入相關(guān)參數(shù)，調(diào)用照相機功能進行拍照，拍照后Cordova調(diào)用回調(diào)函數(shù)給出響應(yīng)：

function openCamera(selection) {

var srcType=Camera.PictureSourceType.CAMERA;

var options=setOptions(srcType);

var func=createNewFileEntry;

∥調(diào)用拍照功能

navigator.camera.getPicture(function cameraSuccess(imageUri) {

displayImage(imageUri);

∥根據(jù)實際業(yè)務(wù)需要，將獲取到的照片存儲在本地，或上傳服務(wù)端

func(imageUri);

}，function cameraError(error) {

console.debug(″無法獲取照片資源：″+error，″應(yīng)用系統(tǒng)″);

}，options);

}

4.2 基于HTML5離線緩存技術(shù)提高系統(tǒng)響應(yīng)速度

離線緩存是HTML5的重要特性，為本系統(tǒng)在無網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下提供數(shù)據(jù)訪問提供解決方案。通過使用離線緩存，外業(yè)核查采集的數(shù)據(jù)首先存儲在設(shè)備本地，然后異步存儲至服務(wù)端文件夾或數(shù)據(jù)庫，涉及文件的“增刪查改”操作，則先操作本地緩存數(shù)據(jù)，然后異步操作服務(wù)端數(shù)據(jù)，從而減少系統(tǒng)負(fù)載，提高響應(yīng)速度。針對外業(yè)核查業(yè)務(wù)中的不同數(shù)據(jù)類型，采用兩種緩存機制進行本地緩存：

(1) 對執(zhí)法業(yè)務(wù)中產(chǎn)生的圖片、文本、視頻和音頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，采用本地文件系統(tǒng)緩存機制，HTML5的File System API提供了一組操作文件和文件夾的接口，方便對文件進行讀取、寫入和創(chuàng)建等操作。終端設(shè)備獲取新的照片或視頻等文件時，首先存儲到本地文件系統(tǒng)，同時調(diào)用云存儲API，將靜態(tài)文件壓縮后上傳至云端文件存儲服務(wù)器，若無網(wǎng)絡(luò)信號，則先存儲在本地，待網(wǎng)絡(luò)信號恢復(fù)時自動上傳至服務(wù)端。

(2) 對圖斑屬性、用戶信息及數(shù)據(jù)字典等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，采用基于Web SQL Database的數(shù)據(jù)庫緩存機制，Web SQL Database提供創(chuàng)建、存儲和查詢數(shù)據(jù)庫的API，供Web APP調(diào)用。通過緩存數(shù)據(jù)庫的使用，Web APP可離線調(diào)用已填報圖斑屬性數(shù)據(jù)，若服務(wù)端數(shù)據(jù)出現(xiàn)更新，則向服務(wù)端發(fā)送請求，增量更新本地數(shù)據(jù)，減少對服務(wù)器的請求次數(shù)。

4.3 基于SOA體系架構(gòu)提高系統(tǒng)可擴展性

系統(tǒng)服務(wù)架構(gòu)基于SOA體系，并遵循REST風(fēng)格約束，實際是一種RSOA(REST service-oriented architecture)，即面向REST的服務(wù)架構(gòu)[17]，將實際的需求轉(zhuǎn)化為服務(wù)資源，實現(xiàn)跨平臺、跨語言、跨硬件的互操作，提高其可擴展性。

5 結(jié) 語

基于上述混合開發(fā)模式設(shè)計研發(fā)的武漢市國土規(guī)劃執(zhí)法監(jiān)察移動系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于全市土地執(zhí)法日常巡查、衛(wèi)片執(zhí)法檢查、新開工項目核查、土地利用動態(tài)巡查、土地變更調(diào)查、規(guī)劃衛(wèi)片執(zhí)法檢查及違法案件查處取證等土地執(zhí)法監(jiān)察工作中，實現(xiàn)了路線規(guī)劃、軌跡記錄、圖斑核查信息采集、在線填報、輔助分析和數(shù)據(jù)同步等一系列執(zhí)法應(yīng)用，相比之前的外業(yè)核查作業(yè)方式，在節(jié)約時間和人員投入的基礎(chǔ)上，顯著提高了執(zhí)法的快速性、精準(zhǔn)性和覆蓋面。實踐表明，本系統(tǒng)可穩(wěn)定運行于Android、IOS、Windows Phone等多種主流移動端操作系統(tǒng)，并適配各種屏幕尺寸終端設(shè)備，具有高效、快速、跨平臺、可擴展等特點，其功能高效實用，維護方便快捷，創(chuàng)新了基層國土規(guī)劃執(zhí)法核查工作模式，顯著提高了工作效率和工作質(zhì)量，具有廣泛的推廣使用價值。

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