曾群，林熙，張建，田禮喬

(1.華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)編輯部，湖北武漢 430079； 2.華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430079；

基于Windows Phone的野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
——以土壤調(diào)查為例

曾群1，2?，林熙3，張建3，田禮喬4

(1.華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)編輯部，湖北武漢 430079； 2.華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430079；

3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北武漢 430070； 4.武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430079)

野外數(shù)據(jù)采集是自然資源調(diào)查的重要組成部分。隨著新興技術(shù)的發(fā)展，野外數(shù)據(jù)采集已經(jīng)擺脫了傳統(tǒng)的手工采集模式，但由于平臺(tái)的局限性，其發(fā)展受到限制。本文以目前最新的智能移動(dòng)系統(tǒng)Windows Phone為平臺(tái)，并以土壤數(shù)據(jù)采集為例，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，探索了新移動(dòng)平臺(tái)的性能，為以后野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了新的設(shè)計(jì)思路。

野外數(shù)據(jù)采集；Windows Phone；移動(dòng)GIS

1 引 言

目前野外自然資源采集方式的研究一般集中于基于移動(dòng)GIS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，移動(dòng)GIS平臺(tái)主要為便攜機(jī)和掌上機(jī)兩種。便攜機(jī)受制于野外工作環(huán)境，地形條件、氣候條件、室外光線的影響顯著，且便攜機(jī)耗電量大，不利于野外長(zhǎng)期工作[1]。而大多數(shù)掌上機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于Windows Mobile平臺(tái)，Windows Mobile在市場(chǎng)上并沒(méi)有得到普及，特別是新繼任者Windows Phone出現(xiàn)后，Windows Mobile系列基本退出手機(jī)系統(tǒng)市場(chǎng)。因此目前急需一種基于先進(jìn)移動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，才能更好地適用、服務(wù)于數(shù)據(jù)采集工作。Windows Phone系統(tǒng)平臺(tái)的應(yīng)運(yùn)而生滿足了野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求。

在另一方面湯仁鋒等學(xué)者在測(cè)土配方施肥的外業(yè)數(shù)據(jù)采集中，提出了基于移動(dòng)GIS的土樣采樣系統(tǒng)[2]。周園春等學(xué)者分析了當(dāng)前野外科考數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，指出基于PDA的野外科考數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是解決野外科考數(shù)據(jù)采集瓶頸的有效途徑[3]。這些都為基于新型移動(dòng)系統(tǒng)的野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持。

2 系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)采用微軟新一代智能手機(jī)操作系統(tǒng)平臺(tái)，其硬件環(huán)境統(tǒng)一，操作體驗(yàn)好，作為新一代智能操作系統(tǒng)，其發(fā)展極為迅速，市場(chǎng)覆蓋面不斷擴(kuò)大，用戶群體也迅速增長(zhǎng)。同時(shí)，該系統(tǒng)將手機(jī)移動(dòng)計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)和3S技術(shù)對(duì)位置的采集、管理的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，一方面使基于位置的野外空間數(shù)據(jù)采集不受時(shí)空限制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、保存和查詢，使整個(gè)數(shù)據(jù)采集流程融為一體；另一方面，該移動(dòng)GIS完全采用電子化作業(yè)，減輕了掃描數(shù)字化的分辨率和矢量化的精度等諸多方面因素的影響，提高了GIS空間數(shù)據(jù)的質(zhì)量與可用性。從而提高了土壤數(shù)據(jù)采集的精度和效率。

本系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，應(yīng)用ArcGIS for Windows Phone API為類庫(kù)，在Visual Studio 2010平臺(tái)上運(yùn)用Windows Phone模擬器進(jìn)行模擬開(kāi)發(fā)。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，采用Microsoft SQL Server Compact Edition(SQL CE)對(duì)照片文件進(jìn)行本地存儲(chǔ)，而對(duì)于空間信息則記錄在服務(wù)器端的要素圖層上。即保證了重要采集信息的安全性，也減少了信息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用4層架構(gòu)，分別為應(yīng)用層、邏輯層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層和數(shù)據(jù)層，支持多客戶端同時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。

3.2 功能設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶野外土壤數(shù)據(jù)采集的需求，本系統(tǒng)包含4大主要功能模塊:地圖瀏覽、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)查詢、GPS定位、路徑導(dǎo)航。其中，地圖瀏覽模塊用于對(duì)地圖進(jìn)行基本操作；數(shù)據(jù)采集模塊主要用來(lái)完成土壤剖面數(shù)據(jù)的采集和土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集等功能；數(shù)據(jù)查詢模塊中用戶可以根據(jù)查詢條件，查詢所采集的數(shù)據(jù)信息；GPS定位模塊調(diào)用手機(jī)GPS的功能，實(shí)時(shí)獲取用戶所在位置，并能瀏覽在線地圖。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

(1)ArcGIS forWindows Phone

ArcGIS for Windows Phone是ArcGIS API for Microsoft Silverlight的子集，其提供了一種跨瀏覽器、跨平臺(tái)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，用于構(gòu)建和交付交互式Web應(yīng)用程序[6]。本系統(tǒng)使用ArcGIS for Windows Phone API進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其包括了絕大多數(shù)的常用功能接口，可以直接調(diào)用，開(kāi)發(fā)方便。并且使用手機(jī)作為平臺(tái)，很好地解決了一般手持機(jī)電池持續(xù)時(shí)間的問(wèn)題，又能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信、攜帶方便，更有利于野外作業(yè)。

(2)GPS動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)定位

GPS技術(shù)已經(jīng)成熟地應(yīng)用于各行各業(yè)，如野外數(shù)據(jù)采集、導(dǎo)航、精密測(cè)量等領(lǐng)域。本系統(tǒng)主要調(diào)用移動(dòng)終端中內(nèi)置的GPS模塊，通過(guò)ArcGIS for Windows Phone中提供的GeoCoordinateWatcher方法，實(shí)時(shí)獲取野外數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，并將該信息標(biāo)注在相應(yīng)的地圖上。既減少工作人員輸入采集點(diǎn)坐標(biāo)的煩惱，幫助工作人員了解區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)采集狀況，也為未來(lái)數(shù)據(jù)采集的可視化展現(xiàn)，提供必要的位置信息[4]。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)為野外資源調(diào)查服務(wù)，各種資源采集的具體內(nèi)容不同，但涉及理念一致。這里以土壤數(shù)據(jù)采集為例，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)作具體介紹。采集區(qū)域的地圖數(shù)據(jù)通過(guò)服務(wù)器ArcGISServer發(fā)布，手機(jī)通過(guò)調(diào)用地圖和相關(guān)服務(wù)進(jìn)行相關(guān)作業(yè)。整個(gè)野外數(shù)據(jù)采集過(guò)程分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段、數(shù)據(jù)采集階段、室內(nèi)數(shù)據(jù)預(yù)處理階段。其流程如圖3所示。

圖3 土壤數(shù)據(jù)采集流程圖

4.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段

由于掌上機(jī)在操作上的不方便，數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)能力有限，遵循能在室內(nèi)臺(tái)式機(jī)上完成的工作，盡量不要傳到掌上機(jī)完成[5]。前期的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備都在室內(nèi)臺(tái)式機(jī)上完成，具體可分為以下兩個(gè)階段:

(1)圖層數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

前期需要準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)包括調(diào)查區(qū)域大比例尺遙感影像圖、區(qū)域路線圖以及要素采集圖層。其中遙感影像圖需要進(jìn)行配準(zhǔn)，區(qū)域路線需要對(duì)已批準(zhǔn)好的影像圖進(jìn)行矢量化來(lái)獲取，這些工作一般在桌面Desktop上完成。而要素采集圖層就是用來(lái)記錄采集信息空間數(shù)據(jù)的載體，分為點(diǎn)要素圖層和面要素圖層，分別記錄土壤剖面信息和土地利用信息。

(2)服務(wù)的發(fā)布

GIS服務(wù)表示位于服務(wù)器上并且可供客戶端應(yīng)用程序使用的GIS資源(例如，地圖、globe、定位器或地理數(shù)據(jù)庫(kù)連接)。服務(wù)將便于在多個(gè)客戶端上共用各種資源?？蛻舳藷o(wú)需任何專用GIS軟件來(lái)使用服務(wù)，連接到服務(wù)器后，可通過(guò)局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)(LAN或WAN)或者通過(guò)Internet進(jìn)行此操作[6]。

本系統(tǒng)主要應(yīng)用到三種服務(wù)，分別為Map Service、Geometry Service和Feature Service。Map Service主要用于地圖的瀏覽和相關(guān)操作；Geometry Service即幾何服務(wù)用于協(xié)助應(yīng)用程序執(zhí)行各種幾何計(jì)算，如緩沖區(qū)、簡(jiǎn)化、面積和長(zhǎng)度計(jì)算以及投影[6]，簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。而Feature Service是該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)信息采集的核心，其通過(guò)Internet提供要素，并提供顯示要素時(shí)所要使用的符號(hào)系統(tǒng)，客戶端可以進(jìn)行查詢以獲取要素，并執(zhí)行適用于服務(wù)器的編輯操作[6]。Feature Service要求所有數(shù)據(jù)必須來(lái)自單個(gè)ArcSDE地理數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)數(shù)據(jù)必須通過(guò)地理數(shù)據(jù)庫(kù)注冊(cè)；如果要在圖層中插入新要素，則需要定義要素模板；再添加完要發(fā)布到地圖文檔的數(shù)據(jù)后還需要對(duì)圖層定義符號(hào)系統(tǒng)，客戶端使用此信息來(lái)繪制相應(yīng)的要素。

所有數(shù)據(jù)在服務(wù)器端ArcGIS Server上發(fā)布成功后，手機(jī)端才能通過(guò)相應(yīng)的URL調(diào)用相關(guān)的圖層和服務(wù)進(jìn)行作業(yè)。

4.2 數(shù)據(jù)采集階段

在數(shù)據(jù)采集階段中，用戶在地圖上確定待采樣點(diǎn)的位置，記錄土壤信息，并將其保存在空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，進(jìn)行云存儲(chǔ)。同時(shí)，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了面要素采集方式獲取土地利用現(xiàn)狀信息，滿足了用戶實(shí)際數(shù)據(jù)采集的需要。為了讓用戶快速輸入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用了下拉框輸入信息的方式，而對(duì)于坐標(biāo)、ID號(hào)等固定信息，我們采用默認(rèn)的方式，不需要用戶輸入，大大提高了作業(yè)效率，如圖4所示。

用戶在土壤數(shù)據(jù)采集作業(yè)過(guò)程中，需要隨時(shí)查詢自己已采集的數(shù)據(jù)，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了通過(guò)多種查詢方式進(jìn)行查詢，如圖5所示。

同時(shí)，實(shí)時(shí)掌握自己所在位置是對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)采集者來(lái)說(shuō)是十分重要的，基于此，該系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用手機(jī)GPS功能實(shí)時(shí)定位用戶在BingMap上的位置，用戶也可以通過(guò)BingMap瀏覽在線地圖，如圖6所示。

圖4 土壤信息采集界面 圖5 數(shù)據(jù)查詢界面 圖6 GPS導(dǎo)航界面

4.3 室內(nèi)數(shù)據(jù)處理階段

外業(yè)數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，用戶需要將所采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到電腦里面進(jìn)行預(yù)處理。主要的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)在位于服務(wù)器端的要素圖層上，可以直接下載。對(duì)于照片等存儲(chǔ)在客戶端的其他信息，Windows Phone供了一個(gè)從獨(dú)立內(nèi)存中提取出數(shù)據(jù)的工具——Windows Phone Power Tools。通過(guò)唯一標(biāo)識(shí)碼關(guān)聯(lián)，得到完整的土壤采集信息，從而制作成土壤屬性專題地圖和土地利用專題地圖。

5 結(jié) 論

基于Windows Phone的土壤GIS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使用了最新的移動(dòng)平臺(tái)，其操作體驗(yàn)良好，是以后移動(dòng)GIS的發(fā)展方向之一。同時(shí)該系統(tǒng)可應(yīng)用于教學(xué)服務(wù)中，在涉及數(shù)據(jù)采集的野外教學(xué)課程中，由于手機(jī)系統(tǒng)的便捷性和工作時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，使其具有更大的優(yōu)勢(shì)。

本系統(tǒng)同樣還存在缺陷，比如調(diào)用手機(jī)GPS定位精度較低、手機(jī)屏幕較小等，但本系統(tǒng)首次嘗試運(yùn)用Windows Phone平臺(tái)開(kāi)發(fā)移動(dòng)GIS土壤數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，驗(yàn)證了Windows Phone具有很高的靈活性、智能性。Windows Phone作為“3S”集成技術(shù)的移動(dòng)客戶端應(yīng)用于野外數(shù)據(jù)采集中將得到更好的應(yīng)用。

[1] 余豐華，吳沖龍，劉剛.基于移動(dòng)GIS的野外地質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2004，24(s1)：82～84.

[2] 湯仁鋒，孟志軍，陳立平等.基于移動(dòng)GIS的土樣采樣系統(tǒng)的研究[J].微型計(jì)算機(jī)，2007，23(4-1)：248～249.

[3] 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 (1)：76～82.

[4] 余豐華，夏躍珍，楊克紅等.移動(dòng)GIS技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2006，17(2)：102～106.

[5] ESRICompany.ArcGISDesktop 10用戶手冊(cè)[R].

第三屆全國(guó)優(yōu)秀城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)獎(jiǎng)評(píng)選組織委員會(huì)成立

(本刊訊)2013年6月21日，第三屆全國(guó)優(yōu)秀城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)獎(jiǎng)評(píng)選組織委員會(huì)第一次工作會(huì)議在住建部301會(huì)議室召開(kāi)。中國(guó)城市規(guī)劃協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)、組委會(huì)主任委員趙寶江主持會(huì)議。會(huì)上向各位委員頒發(fā)了第三屆全國(guó)優(yōu)秀城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)獎(jiǎng)評(píng)選組織委員會(huì)委員聘書(shū)。王燕副會(huì)長(zhǎng)兼秘書(shū)長(zhǎng)宣讀了“2013年度全國(guó)優(yōu)秀城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)獎(jiǎng)評(píng)選工作方案”，到會(huì)的委員們研究討論并審議通過(guò)了“2013年度全國(guó)優(yōu)秀城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)獎(jiǎng)評(píng)選工作方案”、《全國(guó)優(yōu)秀城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)獎(jiǎng)評(píng)選管理辦法》和《全國(guó)優(yōu)秀城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)獎(jiǎng)評(píng)選組織委員會(huì)工作規(guī)則》。會(huì)議還對(duì)2013年度的評(píng)優(yōu)工作進(jìn)行了部署。

第三屆全國(guó)優(yōu)秀城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)獎(jiǎng)評(píng)選組織委員會(huì)成員名單:

主任委員：趙寶江(中國(guó)城市規(guī)劃協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng))

副主任委員：唐凱(住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部總規(guī)劃師)，孫安軍(住建部城鄉(xiāng)規(guī)劃司司長(zhǎng))，吳建平(中國(guó)城市規(guī)劃協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng))。

委員：鄒德慈(中國(guó)工程院院士、中國(guó)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院學(xué)術(shù)顧問(wèn))，趙暉(住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部村鎮(zhèn)建設(shè)司司長(zhǎng))，王燕(中國(guó)城市規(guī)劃協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)兼秘書(shū)長(zhǎng))，王鳳武(中國(guó)風(fēng)景名勝區(qū)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)兼秘書(shū)長(zhǎng))，李曉江(中國(guó)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院院長(zhǎng))，王引(北京市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院總規(guī)劃師)，尹稚(北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司董事長(zhǎng)兼院長(zhǎng))，毛佳樑(上海市城市規(guī)劃行業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng))，嚴(yán)文復(fù)(沈陽(yáng)市規(guī)劃和國(guó)土資源局副局長(zhǎng))，張泉(江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳副廳長(zhǎng))，顧浩(浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院院長(zhǎng))，高冰松(安徽省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳副總工兼規(guī)劃處處長(zhǎng))，肖建華(武漢市測(cè)繪研究院院長(zhǎng))，曾憲川(廣東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院院長(zhǎng))，薛峰(深圳市規(guī)劃和國(guó)土資源委員會(huì)副主任)，邱建(四川省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳總規(guī)劃師)，和紅星(西安市秦嶺生態(tài)環(huán)境保護(hù)管理委員會(huì)主任)。

Research and Realization of the System of Field Data Collection Based on W indows Phone——Take Soil Survey as an Exam p le

Zeng Qun1，2，Lin Xi3，Zhang Jian3，Tian Liqiao4
(1.Editorial Department，Central China Normal University，Wuhan 430079，China； 2.School of Urban and Environment Science，Central China University，Wuhan 430079，China； 3.School of Resources and Environment，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China； 4.State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying，Mapping and Remote Sensing，Wuhan University，Wuhan 430079，China)

Field data collection is an important part of the nature resources survey.With the development of emerging technologies，filed data collection has gone rid of the traditionalmanual acquisition mode.But due to the limitations of the platform，the development of it has limited.The paper，based on the newest of the mobile platform—Windows Phone，and taken soil survey as an example，research and realize the system of field data collection，explore the performance of the new platform，present some new ideas for the future design and development of the field data collection system.

field data collection；windows phone；mobile GIS；soil survey

1672-8262(2013)03-5-04

P208.1

A

2013—04—16

曾群(1971—)，女，博士，副編審，副教授，碩士導(dǎo)師，主要從事3S集成應(yīng)用研究。

國(guó)家973計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011CB707106)