基于Android平臺(tái)的村鎮(zhèn)環(huán)境污染監(jiān)測(cè)信息采集系統(tǒng)

劉細(xì)梅，高光明，牛振國，郭子祺

（1. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083；2. 中國科學(xué)院 遙感應(yīng)用研究所，北京 100101）

村鎮(zhèn)環(huán)境監(jiān)測(cè)是我國環(huán)境保護(hù)非常重要的內(nèi)容[1,2]，及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)環(huán)境污染的各類信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)和收集，對(duì)于環(huán)境治理和社會(huì)應(yīng)急決策具有重要的意義。目前, 環(huán)境污染的調(diào)查采用實(shí)地調(diào)查記錄、測(cè)試，然后帶回?cái)?shù)據(jù)中心進(jìn)行分析處理和上報(bào)。這種模式一方面不能支持環(huán)境污染信息的實(shí)時(shí)共享，另一方面也往往把污染區(qū)域的地理環(huán)境等背景信息割裂開來，不利于污染源的分析和監(jiān)測(cè)[3-9]。當(dāng)前移動(dòng)技術(shù)的發(fā)展為手機(jī)、PDA 等移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)傳輸提供了技術(shù)支持[10]。因此，本文提出集PDA、移動(dòng)GIS技術(shù)于一體，基于Android操作系統(tǒng)的村鎮(zhèn)環(huán)境污染現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息移動(dòng)收集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)總體上設(shè)計(jì)為C/S架構(gòu)。客戶端（智能手機(jī)）負(fù)責(zé)前臺(tái)界面顯示和信息采集，服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收和存儲(chǔ)。為完成系統(tǒng)各功能模塊的開發(fā)，首先建立了Android SDK18 + Java JDK 7 + Eclipse 4.2+ArcGIS Server10+ArcGIS API for Android 2.0 的開發(fā)環(huán)境，基于Android 4.0 版本開發(fā)。本系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境為：服務(wù)器Acer，操作系統(tǒng)Windows XP，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)MS SQL Server 2008。客戶端采用三星GT-P3110（Android 4.0系統(tǒng)，硬件配置為雙核1 GHz CPU，RAM 1 GB，ROM 8 GB，7 英寸TFT電容式多點(diǎn)觸摸彩色屏幕），WiFi 網(wǎng)絡(luò)。

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

本系統(tǒng)分為支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層、用戶層5部分，如圖1。

1）支撐層。包括基礎(chǔ)軟硬件環(huán)境，如Android平臺(tái)智能手機(jī)、傳感器，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范體系等。

2）數(shù)據(jù)層。根據(jù)系統(tǒng)需求，建立滿足服務(wù)所需的數(shù)據(jù)體系，核心是基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用專題屬性數(shù)據(jù)庫，包括有基于MS SQL的數(shù)據(jù)中心、移動(dòng)端SQLite本地?cái)?shù)據(jù)庫、基于ArcGIS Server緩存發(fā)布的地理信息。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

3）服務(wù)層。為不同角色用戶提供相應(yīng)采集點(diǎn)數(shù)據(jù)管理、在線使用和二次開發(fā)需求，向應(yīng)用層提供所需的各種應(yīng)用服務(wù)，如地圖操作服務(wù)、數(shù)據(jù)管理服務(wù)、數(shù)據(jù)接口服務(wù)等。

4）應(yīng)用層。為用戶提供多種應(yīng)用，包括實(shí)現(xiàn)有關(guān)村鎮(zhèn)環(huán)境污染監(jiān)測(cè)點(diǎn)定位污染等信息的采集、傳輸、管理、在線統(tǒng)計(jì)分析以及為第三方軟件或硬件提供數(shù)據(jù)接口等，同時(shí)支持在離線地圖上對(duì)監(jiān)測(cè)信息的顯示等。

5）用戶層。與村鎮(zhèn)環(huán)境污染監(jiān)測(cè)有關(guān)的各類用戶，包括政府、企業(yè)、公眾等。這個(gè)層面需要實(shí)現(xiàn)用戶統(tǒng)一身份認(rèn)證和應(yīng)用系統(tǒng)單點(diǎn)登錄。

1.2 客戶端功能框架

客戶端功能主要分為數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查詢、信息查詢、地圖服務(wù)、用戶管理、上傳數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式設(shè)置，如圖2。

經(jīng)登錄驗(yàn)證的用戶進(jìn)入系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式設(shè)置可以指定當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)上傳模式。數(shù)據(jù)上傳分為在線實(shí)時(shí)上傳和離線存儲(chǔ)：在線實(shí)時(shí)上傳模式是在采集地點(diǎn)3G信號(hào)或WiFi網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)良好的情況下，將采集的數(shù)據(jù)即時(shí)傳輸并存儲(chǔ)于服務(wù)器端；離線上傳是在采集地點(diǎn)無3G或WiFi信號(hào)或中斷的情況下，將采集的數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)于本地，待恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)后再將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端。為此，系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了“上傳數(shù)據(jù)”的功能。

圖2 客戶端功能框架

1.3 服務(wù)器端設(shè)計(jì)

考慮到數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全，本系統(tǒng)底層通信協(xié)議為TCP的HTTP。結(jié)合J2EE平臺(tái)跨操作系統(tǒng)特性，選用Tomcat服務(wù)器，采用JDBC驅(qū)動(dòng)鏈接數(shù)據(jù)庫。在J2EE平臺(tái)上響應(yīng)HTTP Request的是Servlet，一個(gè)Servlet對(duì)應(yīng)一個(gè)url。網(wǎng)絡(luò)傳輸中數(shù)據(jù)采用JSON格式，易于閱讀和編寫，同時(shí)也易于機(jī)器解析和生成，對(duì)計(jì)算和帶寬的占用居中[11,12]。

服務(wù)器端負(fù)責(zé)處理與移動(dòng)客戶端的鏈接，將移動(dòng)客戶端上傳的變更數(shù)據(jù)上傳至中心數(shù)據(jù)庫，也負(fù)責(zé)把中心數(shù)據(jù)庫的最新數(shù)據(jù)傳輸給移動(dòng)客戶端本地?cái)?shù)據(jù)庫中，同時(shí)為第三方軟件或硬件提供采集點(diǎn)信息的Web Service技術(shù)接口。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 采集點(diǎn)數(shù)據(jù)采集

采集點(diǎn)數(shù)據(jù)主要是空間信息、污染物信息、采集人員信息、采集時(shí)間、圖片、視頻等信息。利用智能手機(jī)的GPS功能自動(dòng)獲取空間信息，然后與其他相關(guān)信息一起采集并提交至服務(wù)器端。采集流程如圖3，用戶界面見圖4。

圖3 污染信息采集流程圖

圖4 采集點(diǎn)信息采集界面

1）定位信息獲取。首先通過getSystemService()來獲取GPS 服務(wù)，然后注冊(cè)一個(gè)位置更新的事件監(jiān)聽器，再調(diào)用其位置更新服務(wù)的方法requestLocationUpdates()獲取實(shí)時(shí)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。在該方法中有一個(gè)事件監(jiān)聽器LocationListener 參數(shù)，其中有一個(gè)Location 類，存放實(shí)時(shí)獲取的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過調(diào)用這個(gè)類的有關(guān)方法便可得到當(dāng)前的經(jīng)緯度、海拔等信息[13-15]。

2）圖片視頻采集。用戶可選擇“從視頻庫中選擇照片”或“錄像”。如果選擇“錄像”，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用智能手機(jī)的錄像功能，利用Intent的putExtra方法來完成錄像，并將視頻自動(dòng)保存在SD卡指定目錄下。圖片采集過程與視頻采集類似。

2.2 采集點(diǎn)數(shù)據(jù)查詢

采集點(diǎn)數(shù)據(jù)信息的查詢可根據(jù)地區(qū)編碼、采集人、采集時(shí)間條件組合來進(jìn)行查詢，查詢結(jié)果通過ListView顯示。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的ListView表格中，每個(gè)格單元可以大小不一，文本或圖片做單元格的數(shù)據(jù)，不需預(yù)先定義XML實(shí)現(xiàn)樣式，有利于代碼的重復(fù)利用。其中ListView中自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)table類，具體實(shí)現(xiàn)由TableCell->TableRow->ListView。

對(duì)于查詢結(jié)果中的圖片與視頻可以通過點(diǎn)擊單元格進(jìn)行查詢或播放。其重點(diǎn)是在ListView點(diǎn)擊響應(yīng)事件setOnItemClickListener中通過方法getChildAt獲取相應(yīng)的單元格數(shù)據(jù)，以對(duì)話框形式顯示圖片或播放視頻[16]。

2.3 地圖服務(wù)

1）顯示地圖。本系統(tǒng)中使用的是經(jīng)ArcGIS Server動(dòng)態(tài)緩存發(fā)布并存放于智能手機(jī)外置卡指定目錄中的地圖數(shù)據(jù)，在ArcGIS提供的MapView控件中添加ArcGISLocalTiledLayer即可顯示地圖。

2）顯示當(dāng)前采集點(diǎn)。在設(shè)置地圖狀態(tài)改變監(jiān)聽事件setOnStatusChan-gedListener中，新建GraphicsLayer與Point，利用 GeometryEngine類的project方法將點(diǎn)坐標(biāo)投影到地圖上，并新建Graphic對(duì)點(diǎn)進(jìn)行渲染，最后將Graphic添加到GraphicsLayer中，即可以將采集點(diǎn)顯示在地圖上[17]。

3）預(yù)警。移動(dòng)端用戶可以根據(jù)需要組合條件查詢服務(wù)器端采集點(diǎn)數(shù)據(jù)并簡(jiǎn)單地統(tǒng)計(jì)分析污染程度，并通過地圖直觀展示。

3 測(cè)試結(jié)果

為測(cè)試該系統(tǒng)的采集、上傳與分析等功能，進(jìn)行了初步測(cè)試應(yīng)用。野外測(cè)試采集過程中采用離線存儲(chǔ)模式，將數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)于Sqlite本地?cái)?shù)據(jù)庫，并實(shí)時(shí)查看采集人員在地圖上的位置顯示；待回到室內(nèi)恢復(fù)WiFi網(wǎng)絡(luò)信號(hào)后，啟用“上傳數(shù)據(jù)”功能，將存儲(chǔ)于本地的污染信息上傳至服務(wù)器端，同時(shí)清除已經(jīng)上傳成功的臨時(shí)數(shù)據(jù)，并查詢服務(wù)器端數(shù)據(jù)。

測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了利用基于Android操作系統(tǒng)、集GPS、GIS于一體的智能手機(jī)采集村鎮(zhèn)環(huán)境污染信息并上傳到服務(wù)器的可行性, 實(shí)現(xiàn)了手機(jī)客戶端與服務(wù)器端之間的交互。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，能夠快速地進(jìn)行野外污染源數(shù)據(jù)的獲取與傳輸，提高了污染源數(shù)據(jù)的采集效率。

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