蔡國(guó)林，宋旭東，張奧麗，楊 駿

(西南交通大學(xué)遙感信息工程系，成都 610031)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)空間信息的需求越來(lái)越多，耗時(shí)長(zhǎng)、成本高、效率低的傳統(tǒng)野外地形信息采集模式難以滿(mǎn)足要求［1－2］。近年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)、無(wú)線(xiàn)通訊、全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和嵌入式技術(shù)的不斷突破，促進(jìn)了它們之間的相互結(jié)合，使嵌入式GIS成了當(dāng)前地理信息技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)［3－10］。

嵌入式GIS操作簡(jiǎn)單、易于攜帶，一定程度上可替代傳統(tǒng)的測(cè)繪模式，因而在現(xiàn)代測(cè)繪中具有明顯的優(yōu)勢(shì)［1－3］。然而，由于以往的嵌入式 GIS基于Linux或WinCE操作系統(tǒng)且受終端平臺(tái)的限制，存在計(jì)算能力有限、只能進(jìn)行小數(shù)量的編輯、查詢(xún)和空間分析，存在耗時(shí)很長(zhǎng)、傳輸定位坐標(biāo)或圖片易失敗、交互體驗(yàn)不友好等問(wèn)題，其發(fā)展與應(yīng)用受到嚴(yán)重制約［4］。隨著成熟嵌入式GIS開(kāi)發(fā)平臺(tái)(如Android系統(tǒng)、ArcGIS for Android/iOS，SuperMap iMobile for Android/iOS等)的相繼推出，GIS，GPS和無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)結(jié)合，使嵌入式GIS的功能更趨完善［5］，但這些嵌入式空間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的智能終端主要是個(gè)人數(shù)碼助理PDA。近年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和智能終端的快速發(fā)展，尤其是智能手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為嵌入式GIS的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇。一方面，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使得空間數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)、及時(shí)傳輸成為可能;另一方面，智能手機(jī)已在人們?nèi)粘Ｉ钪械玫綇V泛使用，且其硬件平臺(tái)完全能夠滿(mǎn)足嵌入式GIS的要求。因此，基于智能手機(jī)的嵌入式GIS有望為人們?cè)诳臻g信息的獲取、處理與分析方面提供一條新的途徑［2］。

基于此，本文嘗試選用智能手機(jī)為終端，以Arc－GIS for Android為平臺(tái)，研制一個(gè)集成GPS的嵌入式GIS空間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)基于智能手機(jī)的空間定位、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)傳輸功能，為國(guó)土、測(cè)繪、交通、林業(yè)及電力等部門(mén)野外空間數(shù)據(jù)的快速獲取提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于智能手機(jī)的嵌入式空間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是嵌入式GIS網(wǎng)絡(luò)通訊GPS等多種技術(shù)的綜合集成［9］。作為信息采集的基礎(chǔ)平臺(tái)，該系統(tǒng)集成GPS模塊并構(gòu)筑于智能手機(jī)上。首先獲取 GPS定位信息和地物的空間信息，同時(shí)讀取傳感器上的測(cè)量數(shù)據(jù)，將二者結(jié)合記錄于GIS系統(tǒng)中;然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理(包括繪圖和屬性錄入等)，形成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包;最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存或通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙設(shè)備傳輸至GIS數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，從而完成野外數(shù)據(jù)的快速獲取。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架Fig.1 General fram ework of system

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

嵌入式GIS空間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成在智能手機(jī)上，因此，裝有該系統(tǒng)的智能手機(jī)除了自身的移動(dòng)通訊功能外，還應(yīng)具有野外空間數(shù)據(jù)采集功能，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)采集涉及的空間數(shù)據(jù)獲取、屬性錄入、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)顯示、查詢(xún)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)取４送?，受智能手機(jī)的軟硬件條件限制，嵌入式 GIS空間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)盡可能精煉，以適宜在資源緊缺的智能移動(dòng)設(shè)備上使用。為此，本系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了以下功能:電子地圖的動(dòng)態(tài)顯示、GPS實(shí)時(shí)接收與定位、數(shù)據(jù)采集(即圖形與屬性的操作)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)傳輸(圖2)。

圖2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)Fig.2 System function module design

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述系統(tǒng)總體與功能設(shè)計(jì)，本文以ArcGIS for Android為平臺(tái)，開(kāi)展基于智能手機(jī)的嵌入式空間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研發(fā)。在A(yíng)ndroid系統(tǒng)中進(jìn)行開(kāi)發(fā)，需要事先配置系統(tǒng)訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限。本系統(tǒng)配置的主要權(quán)限包括地圖顯示、連接互聯(lián)網(wǎng)、GPS定位及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。下面將對(duì)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行介紹。

2.1 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

一般應(yīng)用程序中，用戶(hù)首先接觸的不是功能，而是系統(tǒng)的界面。嵌入式GIS的界面主要用于地圖的瀏覽和顯示，包括地圖顯示、縮放、刷新和平移等。采用地圖緩存與地圖綜合方式，確保系統(tǒng)內(nèi)核的精簡(jiǎn)和地圖瀏覽的快速。由于智能手機(jī)自身?xiàng)l件的限制(主頻、核數(shù)、內(nèi)存及屏幕大小等因素)，界面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮2個(gè)方面的因素:①地圖區(qū)域與非地圖區(qū)域的比例(本文區(qū)域比為7∶1);②菜單欄簡(jiǎn)易性，由于地圖屏幕的限制，設(shè)計(jì)了4個(gè)常用菜單，即坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、當(dāng)前位置、數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)退出，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)界面Fig.3 System interface

2.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.2.1 GPS 定位

該模塊主要設(shè)計(jì)了GPS定位、圖標(biāo)顯示及數(shù)據(jù)輸出功能。在GPS定位前，需要導(dǎo)入一張電子地圖作為底圖。該底圖可利用已有的地形圖或電子地圖，也可在線(xiàn)獲取。當(dāng)智能手機(jī)獲取底圖后，通過(guò)手機(jī)內(nèi)置的GPS和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)獲取當(dāng)前位置的基本信息，然后將獲取的位置信息與地圖匹配，最后通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自動(dòng)平移功能，在地圖上用圖標(biāo)顯示當(dāng)前所在位置。

在GPS定位中，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及健壯性，防止在未開(kāi)啟GPS前程序運(yùn)行的錯(cuò)誤，需先判斷是否已開(kāi)啟GPS模塊。若未開(kāi)啟，該程序則跳至智能手機(jī)的GPS設(shè)置界面;若已開(kāi)啟GPS，該程序直接進(jìn)入下一步。在 ArcGIS for Android中進(jìn)行GPS開(kāi)發(fā)，涉及3個(gè)核心類(lèi)，即 LocationManager，LocationProvider和Location。詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4所示。

圖4 GPS模塊流程圖Fig.4 GPSmodules flow diagram

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了功能設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的GPS功能，成果見(jiàn)圖5。將定位出的經(jīng)緯度輸入至Google Earth中，在圖5(c)中可判斷其定位準(zhǔn)確性。

圖5 GPS定位結(jié)果Fig.5 Results of GPS positioning

2.2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

該模塊主要實(shí)現(xiàn)了我國(guó)測(cè)繪行業(yè)常用西安80坐標(biāo)系和北京54坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。參考大地測(cè)量學(xué)中高斯正算方法［10］，實(shí)現(xiàn)過(guò)程分2步進(jìn)行:

1)獲取定位的經(jīng)緯度信息，并將其傳至坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊中;

2)通過(guò)高斯正算公式轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，為防止Y為負(fù)值，需對(duì)Y軸原點(diǎn)向西平移500 km，統(tǒng)一至我國(guó)坐標(biāo)系統(tǒng)(X，Y)下，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果Fig.6 Results of coordinate transformation

2.2.3 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)實(shí)際需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了不同類(lèi)型的采集方法:基于定位參考的點(diǎn)線(xiàn)面采集、人性化的操作點(diǎn)線(xiàn)面采集及特殊要素層的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)菜單如圖7所示。

圖7 菜單工具及實(shí)現(xiàn)效果Fig.7 M enu tools and im plementation effect

首先獲取相應(yīng)的地圖服務(wù)，然后采用Graphics－Layer方法實(shí)現(xiàn)手持端數(shù)據(jù)采集，最后實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)數(shù)據(jù)保存。其關(guān)鍵步驟有:①監(jiān)聽(tīng)屏幕點(diǎn)擊事件;②設(shè)置相關(guān)符號(hào)。其實(shí)現(xiàn)流程如圖8所示，部分空間數(shù)據(jù)采集成果見(jiàn)圖9。

圖8 數(shù)據(jù)采集模塊流程圖Fig.8 Flow diagram of data acquisition module

圖9 空間數(shù)據(jù)采集成果圖Fig.9 Resultmap of spatial data acquisition

2.2.4 數(shù)據(jù)保存與傳輸

由于智能手機(jī)自身存儲(chǔ)能力較小，本系統(tǒng)采用2種方式對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。一方面，可采用Android系統(tǒng)中的輸出流方式，以文件模式將數(shù)據(jù)保存至SD卡中(圖10);另一方面，由于野外采集的數(shù)據(jù)量非常大，為節(jié)約3G手機(jī)內(nèi)存，還可對(duì)采集成果進(jìn)行基于URL網(wǎng)絡(luò)的在線(xiàn)數(shù)據(jù)保存。

圖10 基于文件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)Fig.10 Data storage based on the file

采用不同方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，智能手機(jī)內(nèi)存(即本地SD卡)中也新建了一個(gè)數(shù)據(jù)緩存(如圖11所示)。該數(shù)據(jù)可在SQLiteManager數(shù)據(jù)庫(kù)中打開(kāi)，用于二次加載地圖或數(shù)據(jù)編輯，圖12為打開(kāi)數(shù)據(jù)顯示的結(jié)果。

圖11 本地?cái)?shù)據(jù)緩存Fig.11 Local data－caching

圖12 SQLite數(shù)據(jù)緩存解析Fig.12 SQLite data－ caching analysis

3 結(jié)論

本文基于智能手機(jī)，結(jié)合空間信息、移動(dòng)計(jì)算機(jī)、無(wú)線(xiàn)通訊、嵌入式等技術(shù)，在A(yíng)ndroid系統(tǒng)下，以ArcGIS for Android為平臺(tái)，研制了一個(gè)集成GPS技術(shù)的嵌入式GIS空間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于智能手機(jī)的GPS定位、數(shù)據(jù)采集(包括屬性錄入)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。該系統(tǒng)將GPS技術(shù)與智能手機(jī)嵌入式GIS結(jié)合，能夠及時(shí)獲取目標(biāo)的空間信息及相關(guān)屬性信息，并已用于野外空間數(shù)據(jù)采集與調(diào)繪、土地現(xiàn)狀調(diào)查、電力線(xiàn)巡檢等領(lǐng)域，大大地提高了野外作業(yè)人員的效率。

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