公(鐵)路線調數據采集的移動GIS系統設計與實現

繆 鹍，田家凱，唐軍軍，周 干

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

公(鐵)路線調數據采集的移動GIS系統設計與實現

繆 鹍，田家凱，唐軍軍，周 干

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

線調數據采集是公(鐵)路設計中外業勘測工作的重要內容之一。文中應用移動GIS、移動數據庫等相關技術，以提高公(鐵)路線調數據采集的作業效率為目的，綜合利用Eclipse 開發平臺及移動GIS 二次開發組件，搭建基于移動端的數據采集系統的結構體系，建立公(鐵)路線調數據采集平臺，實現公(鐵)路線調數據的前期處理、在線及離線模式下的線調數據采集功能，提出利用移動GIS 進行公(鐵)路線調數據采集的新模式，為擺脫傳統的紙質作業模式提供新思路。

公路設計；鐵路設計；外業線調；移動GIS；Android

鐵路、公路等設計的前期，必須進行勘測調查，外業線路調查(線調)是其中的一項重要工作，其主要工作內容是對線路周邊的房屋、農田(青苗補償)、既有公路、電力通訊等設備，以及其他與設計相關的典型地物信息的采集及匯總，目的在于提出拆遷及征收的數量及設計參考。公路、鐵路距離長，線調工作量大，不僅外業工作條件差，而且還要進行繁復的內業數據整理、錄入、匯總和統計。

移動GIS從20世紀末開始出現到現在已得到巨大的發展，它將先進的移動通信技術、衛星導航定位系統以及計算機技術集成到移動終端上(如智能手機、掌上電腦等)，在移動設備上實現桌面GIS的功能。智能手機具有易于攜帶的特點，基于其開發的工作平臺進行數據采集，可直接在手機上完成線調數據統計、整理，不僅方便靈活，而且節省內業數據處理這一工作環節，提高線調數據采集的效率，從而促進勘測設計一體化。此外，智能手機的GPS功能可以通過反映出的手機中當前位置與地形圖上線路位置導引線路及地物定位，方便的拍照功能也可將照片作為地物屬性的一部分，為線調工作提供輔助工具。目前的外業工作、數據采集、內業處理等工作仍然沿襲傳統的紙質作業方式，這樣的工作模式在外業數據采集上可行，但是數據后處理的工作量較大，滯后于項目勘測設計信息化發展的腳步[1]。

本文以提高公(鐵)路外業數據采集的工作效率為目的，將移動GIS等技術與公(鐵)路的外業線調數據采集工作的特點相結合，基于廣泛使用的Android移動端，開發公(鐵)路外業線調數據采集系統。

1 Android系統架構及移動GIS架構

已經開發的移動GIS的應用平臺多利用ArcGIS Mobile[2]或MapX Mobile[3]的移動GIS技術，基于 Windows Mobile系統構建，而Android是由 Google以及 Open Handset Alliance(手機開放聯盟)共同創建的一款工具包，其開源、免費等特性使得其在手機上的開發受到開發者及用戶的青睞。Android系統架構采用分層架構設計，從低層到高層依次是：①Linux內核(Linux Kernel)；②Android運行時庫(Android Runtime)；③庫(Library)；④應用程序框架層(Application Framework)；⑤應用程序及小部件。Android架構中，最上方的是用戶直接使用的應用程序層。

移動GIS的體系架構[4]主要由以下幾個方面組成：空間數據庫、應用服務器、應用客戶端。整個體系以應用服務器為核心，空間數據庫為數據支持，最終應用到移動客戶端，應用服務器和移動客戶端之間，以無線通信網絡為橋梁進行連接。

2 系統設計

本系統的設計目的是基于移動GIS技術，以Android智能手機為開發平臺，結合互聯網以及當前無線網絡通訊服務，將地理信息技術、嵌入式空間數據庫技術以及全球衛星定位技術應用到公(鐵)路的外業線調數據采集項目中。

2.1 系統開發運行環境

系統硬件主要包括移動端和服務器端的設備： Android系統智能手機、高性能PC機及各種配套設施；軟件系統采用JAVA語言在Eclipse開發環境下，基于平臺UCMap for Android進行二次開發，利用ArcGIS軟件進行地圖數據的處理，在Android 4.3下進行APK的檢測。

2.2 系統結構設計

系統主要分為移動數據采集應用層、數據層以及中央數據處理層[5-7]，圖1是系統的整體邏輯架構。

第一部分是“移動數據采集應用層”，在GPS系統以及移動GIS技術的支持下，完成對空間圖形數據的采集工作，同時可以按照已經定義好的屬性字段進行屬性信息的錄入，同時生成GIS通用的數據格式。第二部分是“中央數據處理層”，它是連接服務器端和移動端的重要部分，中央數據處理層負責對離線數據以及在線數據服務進行讀取。第三部分是“數據層”，主要包括空間數據庫和影像數據庫。離線地圖通過將數據信息轉換成矢量數據格式并存入SQLite數據庫，方便移動端的讀取；在線地圖通過中央控制服務端進行數據發布，在有互聯網的地方均可以和服務器端進行數據交互。

圖1 系統邏輯架構

2.3 系統功能架構設計

結合公(鐵)路的線調工作流程，根據用戶的實際需求和操作要求，系統劃分為5個主要的功能模塊：數據處理(維護)模塊、地圖操作模塊、數據采集模塊、GPS定位模塊、數據通訊及存儲模塊。功能的配置如圖2所示。

圖2 系統功能結構

3 系統的開發

地形圖數據通過離線處理及在線地圖發布，手機通過讀取離線地圖及訪問在線地圖服務進行相關作業。整個外業數據采集過程分為數據準備階段、數據采集階段、數據存儲及處理階段，流程如圖3所示。

圖3 公(鐵)路外業線調數據采集系統作業流程

3.1 數據準備

受移動設備硬件的限制，數據準備在電腦上進行，遵循在電腦上能簡單處理的工作，不在移動端完成的原則。數據準備可以分為以下兩個階段：

1)圖層數據準備。前期需要準備的數據包括區域路線圖層、各類要素采集圖層以及遙感影像底圖圖層。路線圖層主要為指導數據采集路線的行進；各類要素采集圖層用來記錄采集的空間數據，各個圖層對于其采集屬性字段進行安排；影像底圖層主要是作為底圖使用，給項目提供參考。

2)離線地圖處理、服務發布。由于公(鐵)路野外數據采集一般處于無線網絡以及其它資源較難獲取的環境中，系統整合了離線模式及在線模式結合的數據服務方式，力圖為公(鐵)路項目野外數據的采集、處理以及更新提供方便。

公(鐵)路設計多采用dwg格式的數據圖，移動GIS平臺讀取數據使用的嵌入式空間數據庫多是SQLite數據庫。系統并不能對dwg文件直接進行訪問，因此需要對dwg文件進行數據組織，使之適合在移動端進行顯示和被編輯。dwg文件格式的數據圖，經過處理可轉換為shp格式數據[8]。桌面GIS一般使用的就是shp格式的數據，在桌面端，其具有利于數據更新和維護的功能，而在移動端，由于移動設備的硬件以及地圖綜合理論的不成熟， shp數據并不能高效而美觀地顯示于屏幕上。shp格式數據經過圖層數據處理后不能在移動端由程序直接讀取，需先將shp數據轉存到SQLite數據庫中，同時將由此生成的地形圖數據包拷貝到移動端存儲卡內，方可完成移動端對地圖數據的讀取。

系統支持瓦片地圖數據，將切好的底圖瓦片以及平臺提供的OpenSourceMap.xml存儲在SD卡中，以供系統讀取。系統對于經過處理的離線數據通過MapView和MapControl這兩個類進行讀取和操作。此外，系統提供瓦片和矢量地圖的自動糾偏機制，可以進行矢量和瓦片地圖的疊加使用。

系統支持OGC的WTMS，WMS，WFS，WCS等標準，能夠訪問WMTS，WMS發布的地圖服務。對于在線地圖的發布，可將地圖數據添加到Geoserver中，進行地圖服務的配置。發布的shp格式數據避免中文名稱，以免出現亂碼。依次進行workspace，Vetor Data Source，Layer Group的添加后，即可配置好地圖服務，由Geoserver發布的每個地圖服務均可由對應的獨立地址來測試已配好的地圖服務。 服務發布完成，系統可通過無線網絡對服務進行訪問。用戶可以在室內臺式機對服務進行定期定點維護，保證服務站點的穩定、正常和安全。

3.2 數據采集

數據采集時，用戶在地圖上確定待采點的位置，記錄坐標信息。用戶完成平面圖形的繪制采集，繪制完成可根據數據準備階段各層屬性字段進行屬性數據的輸入，同時將其在本地保存，在有無線網絡情況下也可上傳到空間服務。

在數據采集過程中，用戶需要對自己采集的數據隨時查看，所以系統設計了以下查詢方式進行地物要素屬性的查詢：

1)地物要素瀏覽查詢。用戶在數據采集或是地形圖瀏覽過程中需要了解某個圖形要素的屬性，可通過信息工具功能對之查看，平臺通過InfoTool接口實現數據信息的查看。系統數據由SQLite數據庫組織，其處理速率很快(經測試，300 M的底圖數據在信息顯示時沒有任何延遲)。圖4為信息查詢界面。

2)快速定位查詢。用戶需要查詢某一位置的某一地物要素的信息，系統提供了快速定位和查詢。用戶可在搜索框內輸入圖形要素的某個屬性，如房屋的戶主姓名等，即可進行圖形要素的快速定位，所定位的地物會變色閃爍于屏幕中央，并彈出屬性信息窗口。

對于快速查詢涉及到的類和方法有：

cn.creable.gridgis.geodatabase.FeatureInfo類： 存放地形圖要素信息。

cn.creable.gridgis.controls.MapControl類的這個方法：

public FeatureInfo[] searchFeature(

String layerName,//圖層名稱

String[] fieldNames, //需要返回的字段數組；

null String whereClause, //sql條件；

String groundBy, //sql分組子句；

String having, //sql having子句；

String orderBy) //sql排序子句；

快速定位由getMapControl().searchFeature函數控制。

圖4 信息查詢界面

3)圖形要素修改。系統提供對圖形要素的修改功能，主要包括以下3個方面：

①圖形節點修改。圖形節點，指的是構成地物平面圖形的折點。用戶對于初次輸入的圖形要素可能需要進一步的修飾和修改，被選中的圖形要素會列出圖形要素所有節點以供用戶選擇，用戶可對節點位置修改。

修改圖形節點須通過在地形圖要素編輯狀態下，改變要素形狀實現：

mapView.getMapControl( ).setCurrentTool(

newEditFeatureTool(mapView.getMapControl( )))；

//使地圖處于要素編輯狀態

editTool.setType(EditFeatureTool.Type_MoveNode)；

//移動要素節點

對于要素節點的修改，還包括增加節點以及刪除節點，具體做法和上述修改節點類似，需要將setType函數中的參數改為EditFeatureTool. Type_AddNode(Type_DeleteNode)即可。

②圖形要素刪除。圖形要素刪除是采集系統必備的功能之一，地形圖上出現的要素在實際線調采集過程中并不存在，可進行要素的直接刪除，由函數DeleteFeatureTool完成。

③圖形要素整體移動。實際使用中，若發現地圖上圖形數據的位置和實際位置有所不同，需要對地圖上的圖形整體移動。此方法為上面移動要素節點的衍生，通過移動全部要素節點實現。

4)要素屬性編輯。地物要素屬性應當允許用戶添加和編輯，因此，地形圖上的地物要素的屬性可以被提取并在屬性編輯彈框中顯示。對于由GPS模塊采集的圖形信息或是手動添加的圖形信息，系統調用屬性修改彈窗進行屬性信息的添加，確定后響應系統內部setValues( )及editTool.confirm( )函數。

3.3 地形圖上的GPS定位

線路還沒有放線時，勘測人員在外業需要在野外找到線路的大概位置及方向；放線后，常常需要明確用地界內的地物與線路的距離或與線路平面位置的關系。系統通過調用Android手機自帶的GPS功能簡單實現地形圖上的實時定位。基本過程：①調用GPSCustomDraw類建立GPS跟蹤，做好繪制準備；②使用onLocationChanged函數，實時刷新GPS位置；③調用gps.draw( )繪制GPS點及GPS點標注文字。

3.4 數據存儲及處理

系統對數據采集完成之后的空間圖形數據以及空間屬性信息，可以由內部函數轉化為通用的shp格式數據文件，直接傳輸到桌面端使用，進一步完成數據的分類、整理、統計，滿足各專業之間的數據傳輸和設計軟件的數據接口的需要。

4 系統應用

系統在某實際鐵路工程外業線調數據采集項目中進行了實驗，項目的采集類別包括新建鐵路周圍的房屋、湖泊、田地等，采集數據包括面積、權屬、類型等。系統將dwg格式地形圖、鐵路中線底圖及影像底圖，經過數據處理，各類地物要素分層，編輯各個圖層的要素屬性字段，由于采用離線模式處理地形圖數據，無需實時和服務器進行數據的交互。地物圖形及屬性數據的添加及編輯是利用系統數據采集模塊，完成對各類地物的采集、統計工作。基于移動GIS的公(鐵)路外業線調數據采集系統在此新建鐵路項目的應用，提高了采集的整體效率以及數字化水平。

5 結束語

基于移動GIS技術，本文從公(鐵)路外業數據采集項目的實際需求出發，從系統的架構、功能模塊、關鍵技術等方面探討線調數據采集系統的開發過程及方法，并首次基于移動GIS在Android移動端開發公(鐵)路線調數據采集系統，隨著交通行業數字化進程的加快，移動GIS在鐵路、公路等外業勘測中的應用必然越來越廣。

[1]單玉民.淺談鐵路工程外業勘測工作的生產組織[J].中國科技信息,2013(13):79-80.

[2]賀軍政，毛奎中，林均玲.基于移動GIS的測繪系統設計與實現[J].測繪工程，2010，19(4)：39-42.

[3]周雋，花向紅，涂偉，等.基于移動GIS的小型移動應急平臺的設計和實現[J].測繪工程，2008，17(2)：39-42.

[4]孟巖.Android組件模型評析[J].程序員,2008(1):49-51.

[5]H D ZHONG. Solution for the data collection in the field survey based on Mobile and Wireless GIS[C]. International Conference on Geoinformatics,2010(18):5-10.

[6]H J CHEN, K Y XIAO.The design and implementation of the geological data acquisition system based on mobile GIS[C]. International Conference on Geoinformatics,

2011(19):6-12.

[7]W Z SHI, K W KWAN, GEOFFREY SHEA. A dynamic data model for mobile GIS [J]. Computers & Geoscience.2009(35):2210-2221.

[8]成建國.淺析移動計算、移動GIS與移動數據庫[J].地理空間信息,2006(3):30-31.

[責任編輯：張德福]

Design and implementation on field investigation for highway and railway design based on mobile GIS

MIAO Kun,TIAN Jia-kai, TANG Jun-jun, ZHOU Gan

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Data acquisition on field investigation is an important work in highway and railway design. A data collection platform is eatablished to improve efficiency based on the technology of mobile GIS, mobile database. With comprehensive utilization of the eclipse development platform and mobile GIS secondary development component, it sets up the structure of the data acquisition system and a new platform which may function on pre-processing, online mode and off-line mode on field investigation data. The new process provides a new working way to get rid of the traditional operating mode on paper maps.

highway design；railway design；field investigation；mobile GIS；Android

2014-01-14

湖南省自然科學基金資助項目(02JJ3040)

繆 鹍(1968-)，男，博士，副教授.

P208

：A

：1006-7949(2014)07-0068-04