面向多源數據融合的移動GIS的設計與實現

盛喜玉，張小壘，韓 勇，陳 戈

（中國海洋大學信息科學與工程學院，山東青島266100；中國海洋大學海洋信息技術教育部工程研究中心，山東青島266100）

面向多源數據融合的移動GIS的設計與實現

盛喜玉，張小壘，韓 勇，陳 戈

（中國海洋大學信息科學與工程學院，山東青島266100；中國海洋大學海洋信息技術教育部工程研究中心，山東青島266100）

對Android嵌入式操作平臺的移動GIS進行了探索；研究了系統架構設計和關鍵技術，包括地理空間表達的矢量數據結構和柵格數據結構,適合嵌入式系統特點的三維景觀電子地圖的渲染和顯示；通過獲得HTTP網絡服務，實現與服務器端的數據通信，并將系統應用于校園移動拼車服務平臺。

移動GIS；矢量數據；柵格數據；移動通信

隨著3G時代的到來，GIS技術將虛擬現實與移動互聯網搭配應用產生移動電子地圖。通過對空間地理信息進行渲染和對直觀的圖形進行可視化表達，不僅有助于人們發現隱含在數據中的相互聯系和規律，為人們獲取特定的信息提供了一種有效的手段，而且通過實現二維平面與三維立體的圖形處理及應用，提供給用戶一個隨時隨地如同真實世界一般的互動式環境，協助用戶了解真實的環境，因此移動電子地圖將成為GIS面向應用領域的重要發展方向。

1 移動GIS的概念

移動GIS是集GPS、移動計算和GIS為一體，借助無線通信網絡、通信技術，完成多媒體信息融合的空間數據傳輸和應用。當用戶使用移動GIS系統時，他所面對的數據不再是毫無意義的，而是把客觀世界抽象模型化了的空間數據。用戶可以利用它觀測現實世界模型各方面的內容，并進行程序分析和取得預測信息，從而用于管理和決策，這才是GIS的真正內涵[1]。

2 移動GIS電子地圖的系統架構

2.1 系統功能設計

1）地圖渲染：支持自定義瓦片地圖渲染，圖層疊加；

2）地圖瀏覽：支持地圖的放大、縮小和平移；

3）地圖坐標：支持獲取地圖坐標；

4）地圖查詢：支持屬性查詢、空間查詢以及兩者的混合查詢；

5）地圖編輯：支持地圖的點、線、面幾何圖形標記；

6）數據融合：支持矢量數據與柵格數據的融合；

7）GPS定位追蹤：支持獲取手持終端的GPS定位數據和軌跡追蹤，實現GPS定位監控；

8）網絡數據通信：支持3G網絡接入因特網，與服務器端的HTTP網絡通信。

2.2 系統架構

該系統包括移動客戶端開發和服務器端開發。移動客戶端的開發是基于 Android GUI系統框架，運用Java結合XML技術實現地圖GIS功能，運用JSON和HTTP技術實現與服務器的網絡通信。服務器端的開發是運用Ajax技術和ASP.NET搭建后臺，處理HTTP請求，建立數據庫，使多源數據在數據庫中合理地存儲和管理。系統架構圖如圖1所示。

圖1 系統框架圖

3 移動GIS的關鍵技術

本系統主要用于Android平臺的自定義瓦片地圖的渲染和地圖操作。地圖顯示系統與其他地圖平臺的區別在于它實現了矢量地圖和三維景觀地圖的渲染和地圖操作，多源數據的兼容以及與服務器端的無線網絡通信。

3.1 地理空間數據表達

空間數據模型是移動GIS中的空間數據表達的有效方式，它包含了實體和實體間的相關關系。本文采用矢量數據和柵格數據2種相對成熟的數據結構。矢量數據結構是以點、線、面結合屬性數據描述地理要素，每個地理要素的空間位置由一系列有順序的（x，y）二維坐標精確描述，通過拓撲關系描述實體之間的空間關系。柵格數據結構是指將空間分割成規則的網格，在各個網格上給出相應的屬性值來表示地理實體的一種數據表達形式[2]。根據行列號順序，利用分辨率參數（行數和列數）計算當前柵格單元的行列號。如圖 2所示的方式逐行順序記錄柵格單元，當前柵格單元的平面坐標（x，y）的計算方法為：

圖2 柵格單元坐標計算示意圖

3.2 三維景觀電子地圖的渲染和顯示

Android系統通過Skia圖形圖像引擎渲染實現各圖形要素的顯示輸出。Skia庫是Android的圖形、圖像、動畫、svg、文本等多方面2D圖形庫系統的底層實現，它相當于Android中圖形系統的引擎，通過JNI從Skia底層庫向Java上層提供圖形功能接口，并且結合Surface實現各種UI元素的功能。Skia圖形圖像引擎系統結構如圖3所示。

圖3 Skia引擎系統結構

坐標系統是GIS圖形顯示、數據組織分析的基礎[3]。本系統采用歐氏空間坐標系對應屏幕窗口坐標系，實現了經緯度與歐氏坐標系的相互轉化，將經緯度信息以相對坐標的形式顯示在屏幕窗口[4]。通過二維數組mMap[][]存儲柵格單元編號，該數組的索引號是柵格區域行列號的唯一標識符，數組第一維表示x，第二維表示y。具體實現方法是：首先將地圖信息轉成XML文件，實際上XML文件中存儲的是二維數組信息；再將地圖切割出來，通過雙重循環遍歷每一個地圖瓦片，利用程序的切割方法把每一個瓦片切割出來顯示在屏幕中。如果地圖底圖較大，根據瓦片柵格單元的行列號找到其所在原始文件的x、y坐標，監聽屏幕觸摸事件并計算移動距離，從而算出正確的顯示位置。系統融合自定義瓦片地圖和屬性數據實現的三維景觀地圖效果如圖4所示，圖中三維效果實際是一種假三維[5]，它是由三維模型生成的固定視角靜態渲染圖片，對被遮擋、看不見或位于次要位置的物體可以省略、簡化，三維場景中的點線面地理元素信息圖層，在模型制作時分層制作，三層模型疊加形成校園三維景觀地圖，它是本系統的核心部分。

3.3 無線網絡通信技術

Android的一個優勢是有豐富的和網絡應用集成的應用程序，給用戶帶來了更好的3G體驗[6]。本系統采用HttpClient4.0，將Apache視為開源Web服務器，創建HttpClient以及Get/Post、HttpRequest對象等，執行HTTP操作。當需要實時獲取最新數據時，一般的HTTP通信都只是一次性獲取網絡數據，本系統開辟了一個新的線程控制視圖的更新，把獲取網絡數據的代碼寫到線程中，但是Android中更新視圖不能直接在線程中進行，因此系統使用 H and ler來實現實時更新網絡數據。H and ler的工作原理是它作為主線程（UI線程）的子線程，可以給主線程發送數據從而更新主線程的UI邏輯，H and ler會向主線程發送消息并以隊列的形式排列著配合等待主線程更新UI邏輯，并且H and ler子線程的耗時操作也不會阻塞主線程。

4 系統的實現

本文所采用的開發平臺為IntelCore2Duo2.53GHz，主內存為2G，顯卡采用的是GeForce8600GT，顯存為256 M，操作系統為Windows7。

在開發平臺上，采用Eclipse IDE for JavaDevelopers (GALILEO版本)開發環境，SQLServer2005數據庫以及JavaScript和XML技術，Ajax技術分別進行移動應用程序開發以及應用程序與服務器的數據交互，實現系統功能，并以中國海洋大學為實例對系統性能進行了檢驗。系統采用內存為200 M的Android 2.2.1智能手機為實驗平臺，三維景觀地圖為中國海洋大學嶗山校區，總面積為122hm2，使用3DSMax建模并渲染為景觀地圖，通過Mappy地圖編輯工具切割成自定義瓦片，使用一種輕量級數據交換格式--JSON格式，通過獲取HTTP通信方式完成Android平臺與服務器的數據交換。實驗結果表明，達到了期望的效果。本系統應用在校園移動拼車服務平臺，實現的部分功能界面如圖4所示。

圖4 校園拼車服務平臺三維景觀地圖操作

5 結 語

本文針對Android平臺研究了適用于嵌入式系統結構和計算環境的移動GIS系統架構，考慮到GIS數據的數據量大和復雜的特點，通過Skia圖形圖像引擎渲染實現了空間數據和屬性數據的集成顯示，通過無線通信進行移動終端與服務器的數據通信，并在校園移動拼車服務平臺實驗加以驗證。本系統還有改進的空間，一方面要減少使用GIS數據時所占用的內存；另一方面要提高計算速度以滿足復雜的空間檢索需求[7]。

[1] 劉明德,林杰斌.地理信息系統GIS理論與實務[M].北京:清華大學出版社,2006

[2] 劉湘南,黃方,王平,等.GIS空間分析原理與方法[M].北京:科學出版社,2005

[3] 房經寶,陳戈,崔方方，等.基于WebGIS的路徑導航系統的研究與實現[J].微計算機信息，2011,4:188-189

[4] 鄔倫,劉瑜,張晶，等.地理信息系統[M].北京:科學出版社,2001

[5] 紀菲,張小壘,韓勇,等.基于電子政務的三維電子景觀地圖技術[J].地理空間信息,2009,7(2):118-120

[6] 楊豐盛.Android應用開發揭秘[M].北京:機械工業出版社,2011

[7] 張永志,崔小寶.移動GIS的關鍵技術問題和發展趨勢探討[J].電腦知識和技術,2009,8(5):6454-6455

Design and Implementation of Mobile Geography Information System Based on Oriented Multiple Data Integration

by SHENG Xiyu

Mobile GIS based on android embedded system platform was searched in this paper.It studied the system structuring and Gordian technique,including the vector data structure and grid data structure of geographical spatial expression,rendering and operating of 3D landscape electronic map.And it realized data communication with server-side by acquiring HTTP web service.The system is applied in the Campus Mobile Carpool Service Platform.

mobile GIS,vector data structure,grid data structure,mobile communication

2012-02-16

項目來源：科技部中小企業技術創新基金資助項目（11C26216113750）；無錫市科技局創新基金資助項目（CBE11101）。

P208

B

1672-4623(2012)03-0048-03

盛喜玉，碩士，主要從事移動GIS和移動數據通信方向的研究。