基于智能手機的嵌入式空間數據采集系統研制

蔡國林，宋旭東，張奧麗，楊 駿

(西南交通大學遙感信息工程系，成都 610031)

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，人們對空間信息的需求越來越多，耗時長、成本高、效率低的傳統野外地形信息采集模式難以滿足要求［1－2］。近年來，由于計算機、無線通訊、全球定位系統(GPS)、地理信息系統(GIS)和嵌入式技術的不斷突破，促進了它們之間的相互結合，使嵌入式GIS成了當前地理信息技術發展的一個熱點［3－10］。

嵌入式GIS操作簡單、易于攜帶，一定程度上可替代傳統的測繪模式，因而在現代測繪中具有明顯的優勢［1－3］。然而，由于以往的嵌入式 GIS基于Linux或WinCE操作系統且受終端平臺的限制，存在計算能力有限、只能進行小數量的編輯、查詢和空間分析，存在耗時很長、傳輸定位坐標或圖片易失敗、交互體驗不友好等問題，其發展與應用受到嚴重制約［4］。隨著成熟嵌入式GIS開發平臺(如Android系統、ArcGIS for Android/iOS，SuperMap iMobile for Android/iOS等)的相繼推出，GIS，GPS和無線互聯網實現了有機結合，使嵌入式GIS的功能更趨完善［5］，但這些嵌入式空間數據采集系統的智能終端主要是個人數碼助理PDA。近年移動互聯網和智能終端的快速發展，尤其是智能手機和網絡的出現為嵌入式GIS的發展帶來了新的機遇。一方面，移動互聯網的發展使得空間數據的無線、及時傳輸成為可能;另一方面，智能手機已在人們日常生活中得到廣泛使用，且其硬件平臺完全能夠滿足嵌入式GIS的要求。因此，基于智能手機的嵌入式GIS有望為人們在空間信息的獲取、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為終端，以Arc－GIS for Android為平臺，研制一個集成GPS的嵌入式GIS空間數據采集系統，以期實現基于智能手機的空間定位、數據處理、數據存儲及數據傳輸功能，為國土、測繪、交通、林業及電力等部門野外空間數據的快速獲取提供技術支撐。

1 系統總體設計與功能設計

1.1 系統總體設計

基于智能手機的嵌入式空間數據采集系統是嵌入式GIS網絡通訊GPS等多種技術的綜合集成［9］。作為信息采集的基礎平臺，該系統集成GPS模塊并構筑于智能手機上。首先獲取 GPS定位信息和地物的空間信息，同時讀取傳感器上的測量數據，將二者結合記錄于GIS系統中;然后對數據進行預處理(包括繪圖和屬性錄入等)，形成一個完整的數據包;最后對數據進行保存或通過無線網絡、藍牙設備傳輸至GIS數據監控中心，從而完成野外數據的快速獲取。系統總體框架如圖1所示。

圖1 系統總體框架Fig.1 General fram ework of system

1.2 系統功能設計

嵌入式GIS空間數據采集系統集成在智能手機上，因此，裝有該系統的智能手機除了自身的移動通訊功能外，還應具有野外空間數據采集功能，實現空間數據采集涉及的空間數據獲取、屬性錄入、數據預處理、數據顯示、查詢分析、數據存儲及數據傳輸等。此外，受智能手機的軟硬件條件限制，嵌入式 GIS空間數據采集系統應盡可能精煉，以適宜在資源緊缺的智能移動設備上使用。為此，本系統主要設計了以下功能:電子地圖的動態顯示、GPS實時接收與定位、數據采集(即圖形與屬性的操作)、坐標轉換、數據存儲、數據的無線或有線傳輸(圖2)。

圖2 系統功能模塊設計Fig.2 System function module design

2 系統功能實現

根據上述系統總體與功能設計，本文以ArcGIS for Android為平臺，開展基于智能手機的嵌入式空間數據采集系統的研發。在Android系統中進行開發，需要事先配置系統訪問權限。本系統配置的主要權限包括地圖顯示、連接互聯網、GPS定位及數據存儲等。下面將對系統主要實現過程進行介紹。

2.1 系統界面設計

一般應用程序中，用戶首先接觸的不是功能，而是系統的界面。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，確保系統內核的精簡和地圖瀏覽的快速。由于智能手機自身條件的限制(主頻、核數、內存及屏幕大小等因素)，界面設計時應考慮2個方面的因素:①地圖區域與非地圖區域的比例(本文區域比為7∶1);②菜單欄簡易性，由于地圖屏幕的限制，設計了4個常用菜單，即坐標轉換、當前位置、數據采集和系統退出，如圖3所示。

圖3 系統界面Fig.3 System interface

2.2 系統功能實現

2.2.1 GPS 定位

該模塊主要設計了GPS定位、圖標顯示及數據輸出功能。在GPS定位前，需要導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，也可在線獲取。當智能手機獲取底圖后，通過手機內置的GPS和無線網絡獲取當前位置的基本信息，然后將獲取的位置信息與地圖匹配，最后通過系統設計的自動平移功能，在地圖上用圖標顯示當前所在位置。

在GPS定位中，為保證系統的穩定性及健壯性，防止在未開啟GPS前程序運行的錯誤，需先判斷是否已開啟GPS模塊。若未開啟，該程序則跳至智能手機的GPS設置界面;若已開啟GPS，該程序直接進入下一步。在 ArcGIS for Android中進行GPS開發，涉及3個核心類，即 LocationManager，LocationProvider和Location。詳細實現過程如圖4所示。

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

系統實現了功能設計中常見的GPS功能，成果見圖5。將定位出的經緯度輸入至Google Earth中，在圖5(c)中可判斷其定位準確性。

圖5 GPS定位結果Fig.5 Results of GPS positioning

2.2.2 坐標轉換

該模塊主要實現了我國測繪行業常用西安80坐標系和北京54坐標系的轉換。參考大地測量學中高斯正算方法［10］，實現過程分2步進行:

1)獲取定位的經緯度信息，并將其傳至坐標轉換模塊中;

2)通過高斯正算公式轉換坐標，為防止Y為負值，需對Y軸原點向西平移500 km，統一至我國坐標系統(X，Y)下，計算結果如圖6所示。

圖6 坐標轉換結果Fig.6 Results of coordinate transformation

2.2.3 數據采集

根據實際需求，系統設計了不同類型的采集方法:基于定位參考的點線面采集、人性化的操作點線面采集及特殊要素層的數據采集，實現菜單如圖7所示。

圖7 菜單工具及實現效果Fig.7 M enu tools and im plementation effect

首先獲取相應的地圖服務，然后采用Graphics－Layer方法實現手持端數據采集，最后實現在線數據保存。其關鍵步驟有:①監聽屏幕點擊事件;②設置相關符號。其實現流程如圖8所示，部分空間數據采集成果見圖9。

圖8 數據采集模塊流程圖Fig.8 Flow diagram of data acquisition module

圖9 空間數據采集成果圖Fig.9 Resultmap of spatial data acquisition

2.2.4 數據保存與傳輸

由于智能手機自身存儲能力較小，本系統采用2種方式對采集的數據進行存儲。一方面，可采用Android系統中的輸出流方式，以文件模式將數據保存至SD卡中(圖10);另一方面，由于野外采集的數據量非常大，為節約3G手機內存，還可對采集成果進行基于URL網絡的在線數據保存。

圖10 基于文件的數據存儲Fig.10 Data storage based on the file

采用不同方式存儲數據時，智能手機內存(即本地SD卡)中也新建了一個數據緩存(如圖11所示)。該數據可在SQLiteManager數據庫中打開，用于二次加載地圖或數據編輯，圖12為打開數據顯示的結果。

圖11 本地數據緩存Fig.11 Local data－caching

圖12 SQLite數據緩存解析Fig.12 SQLite data－ caching analysis

3 結論

本文基于智能手機，結合空間信息、移動計算機、無線通訊、嵌入式等技術，在Android系統下，以ArcGIS for Android為平臺，研制了一個集成GPS技術的嵌入式GIS空間數據采集系統，實現了基于智能手機的GPS定位、數據采集(包括屬性錄入)、坐標轉換、數據預處理、數據存儲、數據傳輸等功能。該系統將GPS技術與智能手機嵌入式GIS結合，能夠及時獲取目標的空間信息及相關屬性信息，并已用于野外空間數據采集與調繪、土地現狀調查、電力線巡檢等領域，大大地提高了野外作業人員的效率。

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