朱行輝，劉 剋，王玉靜，郭 暢

(1.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300400;2.河北省航天遙感信息處理與應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心，河北 廊坊 065000)

0 引 言

近年來(lái)，在“互聯(lián)網(wǎng)+”的新形態(tài)下，智能移動(dòng)終端和移動(dòng)GIS的飛速發(fā)展，為地理信息的移動(dòng)應(yīng)用提供了新的機(jī)遇。移動(dòng)地理信息系統(tǒng)(mobile geographic information system， mobile GIS)，以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為支撐，依賴(lài)于具有移動(dòng)數(shù)據(jù)處理能力的移動(dòng)終端，具有移動(dòng)空間定位、空間位置信息的可視化、數(shù)據(jù)加載與輸出等特點(diǎn)[1-4]，同時(shí)隨著智能終端的性能優(yōu)化，為移動(dòng)GIS的程序應(yīng)用提供了多樣化的終端設(shè)備，使之逐步成為繼桌面GIS和WebGIS之后一個(gè)新的信息技術(shù)熱點(diǎn)[5]。為滿(mǎn)足移動(dòng)GIS各個(gè)領(lǐng)域的需求，北京超圖公司推出了SurperMap iMobile for Android，Esri推出了ArcGIS Runtime SDK for Android等開(kāi)發(fā)包，使Android成為具有地圖瀏覽、空間分析、離線編輯、要素編輯、地理編碼、定位導(dǎo)航等功能的應(yīng)用程序，目前已廣泛應(yīng)用于園區(qū)管理、信息采集、管線管理等各個(gè)領(lǐng)域。如牛穎超等人基于Android智能終端結(jié)合ArcGIS for Android技術(shù)研發(fā)了具有地圖瀏覽、空間分析等功能的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)管理系統(tǒng)[6]；張海瑞等人基于ArcGIS for Android和移動(dòng)GIS技術(shù)開(kāi)發(fā)了具有離線編輯、定位導(dǎo)航等功能的野外實(shí)習(xí)數(shù)據(jù)采集與導(dǎo)航系統(tǒng)[7]；鐘廣銳等人利用ArcGIS For Android，結(jié)合智能手機(jī)技術(shù)構(gòu)建具有地理編碼、要素編輯等功能的城市地下管線的移動(dòng)巡查系統(tǒng)[8]。

傳統(tǒng)的縣域遙感監(jiān)測(cè)，需要借助多源、多分辨率、多波段的遙感影像，采用紙筆方式記錄專(zhuān)題信息數(shù)據(jù)，使用大量的人力物力對(duì)數(shù)據(jù)整理分析，不僅處理流程繁瑣，數(shù)據(jù)獲取的時(shí)效性和精準(zhǔn)性均無(wú)法保證。隨著技術(shù)的發(fā)展，縣域遙感監(jiān)測(cè)開(kāi)始趨于智能化、信息化。采用基于Android開(kāi)發(fā)的便攜式移動(dòng)終端，能夠精準(zhǔn)、快捷地獲取和統(tǒng)計(jì)分析資源數(shù)據(jù)[9]。因此本系統(tǒng)將Android移動(dòng)終端技術(shù)、移動(dòng)GIS技術(shù)及衛(wèi)星定位技術(shù)融合在一起，設(shè)計(jì)一套完整的縣域遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)流程，以河北省廊坊市為研究區(qū)域，旨在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)、林業(yè)和環(huán)保等行業(yè)領(lǐng)域便利的資源監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析，基于Android開(kāi)發(fā)了移動(dòng)端的縣域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，集地圖服務(wù)、專(zhuān)題信息查詢(xún)以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等功能于一體，輔助相關(guān)工作人員對(duì)縣域的資源管理提供更為科學(xué)的決策依據(jù)，同時(shí)提高相關(guān)部門(mén)工作效率和質(zhì)量。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及功能

1.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

縣域遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境是由Android Studio3.1、Java Development Kit1.8.0(JDK)、Software Development Kit 28.0.2(Android SDK)以及ArcGIS Runtime SDK for Android100.2構(gòu)建。Android Studio基于IntelliJ IDEA，提供了集成的Android開(kāi)發(fā)工具用于應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)和調(diào)試[10-11]。JDK是Java 語(yǔ)言的軟件開(kāi)發(fā)工具包，為Java提供了運(yùn)行環(huán)境(JVM+Java系統(tǒng)類(lèi)庫(kù))，是Java軟件開(kāi)發(fā)的核心；Android SDK是Android軟件開(kāi)發(fā)工具包，Android 具有完全開(kāi)放性，為開(kāi)發(fā)者提供了一個(gè)更大的自由平臺(tái)[12-14]；ArcGIS Runtime SDK for Android開(kāi)發(fā)工具包主要用于地圖應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，便于開(kāi)發(fā)者使用Java開(kāi)發(fā)地圖應(yīng)用并部署于Android移動(dòng)終端之上[15]。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

以縣域遙感監(jiān)測(cè)為目標(biāo)設(shè)計(jì)移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)集成架構(gòu)，依照Android開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)思想，主要由展示層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層與應(yīng)用層構(gòu)成。展示層提供人機(jī)交互界面，顯示和接收輸入的遙感信息，并為操作人員提供信息展示平臺(tái)；業(yè)務(wù)層是縣域遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心層，主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯的處理以及展示層與數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)的傳遞和邏輯處理；數(shù)據(jù)層主要是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作層，負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)邏輯規(guī)則，所讀取的數(shù)據(jù)庫(kù)包括用戶(hù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、縣域遙感專(zhuān)題影像庫(kù)、縣域遙感屬性信息庫(kù)；應(yīng)用層主要包括用戶(hù)管理系統(tǒng)、專(zhuān)題信息查詢(xún)系統(tǒng)和統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)等。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于Android的GIS縣域遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括用戶(hù)管理、地圖服務(wù)、統(tǒng)計(jì)分析、專(zhuān)題信息查詢(xún)統(tǒng)計(jì)等四大功能模塊。用戶(hù)管理模塊主要實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的注冊(cè)登錄和用戶(hù)權(quán)限的管理等功能，并將用戶(hù)信息存儲(chǔ)于Android內(nèi)置的SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)；地圖服務(wù)模塊運(yùn)用ArcGIS Runtime SDK for Android開(kāi)發(fā)工具包，最終實(shí)現(xiàn)地圖展示和一系列地圖實(shí)用操作等功能，地圖操作包括地圖的放大縮小、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)定位、地圖截圖、空間量測(cè)等功能；在統(tǒng)計(jì)分析模塊中，通過(guò)繪制統(tǒng)計(jì)圖、統(tǒng)計(jì)表對(duì)廊坊市縣域中的玉米、小麥、林地等歷年感興趣的縣域?qū)ｎ}資源數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析。專(zhuān)題信息查詢(xún)通過(guò)ArcGIS Server發(fā)布的服務(wù)獲取數(shù)據(jù)并添加業(yè)務(wù)圖層，最終得到資源信息空間分布狀況。系統(tǒng)功能圖如2所示。

圖2 系統(tǒng)功能

2 主要技術(shù)

2.1 ArcGIS Runtime SDK for Android

ArcGIS Runtime Sdks是一個(gè)輕量級(jí)并且可以跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)的工具包，它不僅包含WPF、QT等能開(kāi)發(fā)桌面程序(C/S程序)的SDK，還包含Android、Windows Phone、IOS等可開(kāi)發(fā)移動(dòng)終端的SDK[16]；ArcGIS Runtime SDK for Android是一種適用于Android系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具，可以使用戶(hù)通過(guò)Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)移動(dòng)GIS應(yīng)用程序，完成系統(tǒng)中地圖服務(wù)模塊。以下為ArcGIS for Android地圖顯示的關(guān)鍵代碼：

Basemap basemap=Basemap.createStreets();

ArcGISMap map=new ArcGISMap(basemap);

mMapView.setMap(map);

2.2 Android位置服務(wù)

定位模塊采用ArcGIS Runtime SDK for Android提供的接口調(diào)用移動(dòng)終端內(nèi)置的定位系統(tǒng)，通過(guò)LocationDisplay類(lèi)實(shí)現(xiàn)當(dāng)前位置所在顯示地圖中的展示。使用LocationDisplay定位之前必須在Android平臺(tái)為應(yīng)用程序分別授予INTERNET、ACCESS_COARSE_LOCATION、ACCESS_FINE_LOCATION權(quán)限，實(shí)例化一個(gè)LocationDisplay對(duì)象，采用setAutoPanMode方法設(shè)置定位模式，并調(diào)用startAsync函數(shù)開(kāi)始接收位置信息并在地圖界面顯示。下面為定位模塊的核心代碼：

locationDisplay=mMapView.getLocationDisplay();

locationDisplay .setAutoPanMode(LocationDisplay.AutoPan Mode.RECENTER);

locationDisplay .startAsync();

2.3 Android端與服務(wù)器的通信

Android移動(dòng)端和服務(wù)器數(shù)據(jù)交互主要采用Http通信方式，目前Android提供的通信方式有兩種：HttpURLConnection和HttpClient。其中HttpURL Connection一般用于收發(fā)流式數(shù)據(jù)，而HttpClient對(duì)Http通信的封裝更為全面，因此本系統(tǒng)在子線程中使用HttpClient的通信方式與服務(wù)端進(jìn)行通信。服務(wù)器端的Web架構(gòu)采用ASP.NET技術(shù)搭建，用于接收移動(dòng)端get或post請(qǐng)求。在業(yè)務(wù)邏輯處理模塊，根據(jù)移動(dòng)端的請(qǐng)求，利用ADO.NET提供的接口獲取數(shù)據(jù)庫(kù)中所需求的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸格式采用輕量級(jí)Json格式，相對(duì)于傳統(tǒng)的XML文檔的數(shù)據(jù)傳輸方式更加高效、便捷，最終將數(shù)據(jù)傳遞至移動(dòng)端并顯示在Android終端上。以下為get方式請(qǐng)求的關(guān)鍵代碼：

HttpResponse httpResponse = httpClient .Execute(httpGet);

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 地圖服務(wù)

地圖服務(wù)主要包括地圖展示和地圖操作兩部分。地圖展示模塊利用ArcGIS Runtime SDK for Android開(kāi)發(fā)工具包及其所提供的地圖對(duì)象(MapView)作為展示地圖的容器，實(shí)例化ArcGISMap，加載Basemap底圖，添加OperationLayers圖層，最終完成地圖展示功能。地圖操作模塊主要包括地圖的平移、放大縮小、空間量測(cè)、地圖截圖、定位服務(wù)、坐標(biāo)變換等功能。管理人員可以手動(dòng)選擇地圖上的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行操作，平移挪動(dòng)至目標(biāo)位置，通過(guò)放大縮小功能將地圖改變?yōu)橛脩?hù)最佳視角。為使管理人員能夠在查閱的同時(shí)保存用戶(hù)操作記錄，添加了地圖截圖功能，將截圖記錄保存至手機(jī)本地目錄。空間量測(cè)功能通過(guò)創(chuàng)建Polygon對(duì)象記錄所需測(cè)量區(qū)域的邊緣坐標(biāo)并畫(huà)出多邊形區(qū)域顯示在地圖界面，調(diào)用calculateLength2D()和calculateArea2D()分別計(jì)算周長(zhǎng)和面積，實(shí)時(shí)定位模塊利用Android移動(dòng)設(shè)備的GPS模塊獲取當(dāng)前位置經(jīng)緯度信息，采用LocationDisplay.getLocation()函數(shù)得到位置的坐標(biāo)系為WGS84，然后使用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將WGS84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)前底圖的坐標(biāo)系，最終實(shí)現(xiàn)定位。底圖管理根據(jù)用戶(hù)需求選取不同類(lèi)型底圖，主要有衛(wèi)星影像圖、交通圖等。功能實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

圖3 功能實(shí)現(xiàn)(1)

3.2 專(zhuān)題信息查詢(xún)

在專(zhuān)題信息查閱模塊，用戶(hù)通過(guò)區(qū)位(空間)、年份(時(shí)間)作為篩選條件，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)縣域資源信息空間分布查詢(xún)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能。此模塊主要通過(guò)借助ArcGIS Runtime SDK for Android工具包，獲取ArcGIS Server發(fā)布的服務(wù)數(shù)據(jù)，添加OperationLayers業(yè)務(wù)圖層，最終將所請(qǐng)求的專(zhuān)題產(chǎn)品空間分布狀況顯示于移動(dòng)終端。以2018年廊坊市安次區(qū)林地為示例，功能實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

圖4 功能實(shí)現(xiàn)(2)

以下為專(zhuān)題信息分布查詢(xún)模塊功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵代碼：

ArcGISMapImageLayer map=new ArcGISMapImageLayer(url1);

bs_map.getOperationalLayers().add(map);

MapView.setMap(bs_map);

3.3 統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析模塊主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)查詢(xún)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)排名四部分功能。數(shù)據(jù)查詢(xún)分析模塊通過(guò)使用多種類(lèi)型統(tǒng)計(jì)表，直觀且形象地將縣域的農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)保等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示于界面，統(tǒng)計(jì)圖的實(shí)現(xiàn)技術(shù)為MPAndroidChart開(kāi)源圖表庫(kù)，統(tǒng)計(jì)表類(lèi)型有：柱狀圖、折線圖、餅狀圖、年際變化分析、區(qū)域變化分析等；統(tǒng)計(jì)排名采用繪制統(tǒng)計(jì)表的方式，有條理性地展示地理空間對(duì)象和縣域?qū)ｎ}產(chǎn)品數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，統(tǒng)計(jì)表的實(shí)現(xiàn)采用ListView控件；數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析主要計(jì)算選定縣域的專(zhuān)題產(chǎn)品數(shù)據(jù)的總和、均值及其變化分析并繪制其統(tǒng)計(jì)圖，使變化趨勢(shì)更為數(shù)字化、可視化。以2018年廊坊市小麥為示例，功能實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5 功能實(shí)現(xiàn)(3)

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)基于Android智能終端，以Android Studio為研究平臺(tái)，通過(guò)ArcGIS Runtime for Android、Http通信、GPS等技術(shù)的結(jié)合開(kāi)發(fā)。針對(duì)縣域遙感監(jiān)測(cè)需求，具有地圖服務(wù)、縣域?qū)ｎ}空間信息查詢(xún)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、定位服務(wù)、空間量測(cè)等功能。系統(tǒng)能夠?qū)⑦b感監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行有效的統(tǒng)計(jì)分析，在河北省廊坊市的農(nóng)業(yè)、林業(yè)和環(huán)保等部門(mén)得到了很好的應(yīng)用，能為縣域遙感監(jiān)測(cè)管理人員提供便利的、及時(shí)的時(shí)空資源監(jiān)測(cè)信息，為相關(guān)管理人員提供可靠的參考依據(jù)和技術(shù)支持。

目前主要立足于資源信息數(shù)據(jù)的查詢(xún)展示以及統(tǒng)計(jì)分析等基礎(chǔ)功能，后續(xù)將加大對(duì)專(zhuān)題信息的數(shù)據(jù)分析和深度挖掘，并對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行移植和拓展，從當(dāng)前研究的廊坊市縣域向其他省市或者向更低一級(jí)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)別推進(jìn)示范。