便攜式土地信息協同采集系統設計與實現

董 群，陳國良，胡云鋒，董 昱，戴昭鑫

(1. 中國礦業大學，江蘇 徐州 221116； 2. 中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100010)

便攜式土地信息協同采集系統設計與實現

董 群1，陳國良1，胡云鋒2，董 昱2，戴昭鑫2

(1. 中國礦業大學，江蘇 徐州 221116； 2. 中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100010)

在當前智能終端、移動通信和云計算迅猛發展的背景下，數字化、自動化已成為土地調查發展的必然趨勢。為彌補傳統的土地資源調查方法流程繁瑣、內外業分離、協同采集能力較差等缺點，本文提出了基于安卓智能終端的便攜式土地資源協同采集系統的架構設計，實現了位置獲取、地圖顯示、采樣規劃、信息采集、數據展示、報表生成、數據同步等系統核心功能模塊。結合在內蒙古自治區及河北省的野外考察，驗證了系統的可行性與正確性。與其他領域類似應用系統相比，該終端系統在采樣規劃設計、多源信息自動獲取、規范化報表生成、多人及多終端同步共享等方面具有顯著優勢。

土地資源調查；移動智能終端；協同采集；數據同步；系統設計

土地是人類賴以生存和發展的最基本的自然資源,是人類生存和發展的物質基礎[1]。我國土地遼闊，土地類型多樣，陸地總面積約占全世界陸地面積的1/15，位居世界第3位，但人均占有土地面積只有0.8 hm2，相當于世界平均水平的1/3[2]。土地所處的區位、地質、地形、氣候、土壤、生物等因素的不同組合，使我國土地的區域差異性較大，類型較多。查清土地資源的數量、質量和分布規律，對開展土地資源動態監測，合理地利用、開發土地資源，科學地管理與規劃土地用地，具有重要的意義和價值[3]。

國土資源部發布的《土地調查條例實施辦法》是開展國土資源調查的基礎性技術規范[4]。傳統的土地資源調查方法通常是首先利用紙質地圖或航片，手持GPS、數碼相機及紙質筆記本等工具，現場記錄野外作業內容；然后將野外記錄數據交由內業人員進行上圖、統計和匯總；最后再分析和評價區域土地資源的空間格局和時間動態[5]。進入21世紀，隨著土地資源調查工作逐步走向信息化、專業化，傳統的土地資源調查方法已不能滿足實際工作的需要，突出表現在調查方法流程煩瑣、工作效率較低、多人協同能力較差、內外業分離等特點上。土地資源調查迫切需要手段和方法上的更新。

安卓手機以其體積小巧、攜帶方便、操作靈活等特點被廣泛應用于通信、社交、娛樂、電子商務等大眾應用場景；同時，也有相當數量的應用系統被開發應用于遠程教育、智慧旅游、智能監控等專業場景。但是，將手機系統應用于科研活動中的實踐還比較少。在林業資源調查方面，張雪芹等研發的林業專題調查系統[6]實現了樹木資源信息的無紙化采集，但該系統記錄的數據還需要內業手工處理，自動化程度不高；白立舜等提出的便攜式野外聲控記錄技術[7]有效地集成了GPS、藍牙、聲控等技術，顯示將野外調繪和數據采集融為一體，有效地提高了內外業的工作效率。在災情調查領域，馬磊華等的災情速報系統[8]實現了將專業人員與公眾采集數據的融合，提高了地質災害信息采集、管理的效率，但系統數據也需要經過人工匯總，不具備多人多組協同工作能力。在草地資源調查方面，胡云鋒等利用安卓終端集成的數碼相機實現了野外草地覆蓋度的自動測量，有效提高了草地野外調查的自動化程度。在國土調查方面，郭亮等開發了土地利用調查系統[10]，實現了局部地區土地利用現狀信息的野外采集；肖國磊等開發了土地期權變更調查系統[11]，解決了農村集體土地權屬調查界址點檢查復測過程中遇到的內外業協作程度低、資料攜帶難、測量線路規劃難等問題。但是，國內外尚未見到支持土地資源調查完整流程的信息采集應用系統，更談不上實踐工作迫切需要的、具備時空協作能力和內外業聯動的土地信息協同采集系統。

針對上述情況，筆者以安卓手機作為移動調查終端，應用移動GIS、數據庫及移動通信等技術，設計和開發了一套土地信息協同采集系統。該系統具有位置獲取、地圖顯示、采樣規劃、信息采集、數據展示、報表生成、數據同步等核心功能；并將該手機系統于內蒙古、河北省進行了示范應用，取得了很好的應用效果。

一、系統設計

1. 系統架構設計

從業務流程上分析，土地資源調查中各節點核心任務如下：到達采樣地點，根據土地空間變異特性及衛星遙感調查需求確定樣點布設方案；在各個樣點采集和記錄樣地基本特征信息、土地利用狀況及變化、土地覆被等；實際考察中記錄采集人員信息、氣象信息、地理位置信息，或開展拍照、錄像，甚至錄音，由此形成與采樣點關聯的多媒體信息；而后將上述現場采集信息輸出為規范化的圖文報表，并據此開展衛星遙感制圖和深入分析評估工作。在系統組織、多單位參與、多人員實施土地資源考察的情況下，輸出圖文報表之后還需要對上述信息進行數據匯總、圖幅匯交等工作。

土地資源考察業務流程如圖1所示。

從信息系統構成上分析，基于安卓手機的土地信息協同采集系統的基本框架設計如下：系統采用C/S開發模式，以安卓手機作為客戶端，應用百度定位SDK，實現經緯度位置信息的地址解析；應用SQLite數據庫，實現手機端數據存儲；基于XML文件解析技術，實現數據的自動生成報表；集成ArcGIS組件，實現矢量柵格數據的組織和管理。服務端部署在阿里云服務器上，并集成了ArcServer組件，實現地理空間服務的調用?；赟SH(Spring3、Struct2、Hibernate)架構，實現了云端的請求及相應。系統架構如圖2所示。

圖1 土地資源調查流程

圖2 系統架構

2. 系統功能設計

系統總體由數據采集、信息展示、數據共享、功能支撐4大模塊構成。4大模塊之下又包括了采樣規劃、多源信息獲取、自動報表、地圖顯示、用戶信息管理等12個具體功能，如圖3所示。

圖3 系統功能框架

在上述4大模塊、12個具體功能模塊中，以下5個功能是系統的核心功能模塊：

1) 地理定位：包括地理定位和地址定位兩方面內容。地理定位是指獲得采樣點的經度、緯度、海拔等絕對空間位置信息；地址定位是指利用前述絕對的空間位置信息進行地址反向解析，獲取中文地址名稱和地址編碼，并顯示到相應的地圖中，或進一步為獲取其他基于LBS(location based service)的服務提供地址信息。

2) 樣點規劃：在采樣區域，根據研究目的、區域空間變異特點及考察習慣，設計區域觀測采樣方案，如系統采樣(均勻采樣)、隨機采樣、大樣地循環采樣等。根據前述采樣方法，并設置一定的參數，確定樣點數量及其位置；而后根據規劃確定樣點位置，系統引導調查人員前往指定位置進行采樣。

3) 多源信息獲取：在樣點規劃完成后，依據《土地調查條例實施辦法》(以下簡稱《實施辦法》)規定的觀測項目進行信息采集和數據錄入。土地調查最核心的是LUCC調查，即土地利用[12]和土地覆蓋變化[13-14]調查。除此之外，還包括記錄采集人員信息、地理位置信息、樣點氣象信息，以及遙感影像截圖、現場相片、現場錄像、現場錄音等多媒體信息。

4) 信息展示和報表生成：將野外采集、記錄的各項信息，按照《實施辦法》規定的圖文樣式自動形成規范的Word文檔或Excel文檔；在后續過程中進一步輸出到臺式計算機或其他用戶終端，并打印、簽字、提交和存檔。

5) 數據同步和共享：包括兩個層面的功能，即多用戶之間的信息同步及單用戶、多設備間的信息同步。所謂多用戶之間的信息同步，是指當區域較大、任務較多時，需要多人協同作業，此時需要將同一項目組內全部成員所采集的數據都能彼此共享，了解各自工作區域，并最終集成為一套數據；所謂單用戶、多設備間的信息同步，是指某一調查人員先后使用多臺設備采集數據，則任意一臺設備所采集的數據可以同步到其他設備上。

3. 系統數據庫設計

數據庫設計是在某一具體數據庫管理系統上開展數據庫表結構、字段結構設計的過程[15]。在該系統中，數據模塊據庫模塊主要用于存放聯系人的資料，以及完成對聯系人的增、刪、改、查工作。本次設計通過編寫SQLiteOpenHelper的子類建立了一個名為“contact_db”的數據庫，在該數據庫中創建一個名為“contacts”的表，需要存儲的聯系人信息共有14項：聯系的ID、姓名、手機號碼、家庭電話、工作電話等。

根據業務邏輯設計了4個數據表，即樣地基本特征表、土地利用變化調查表、土地覆被信息表、用戶信息表。4個數據表中相應的字段設計見表1。

表1中，前3項(樣方表、土地利用表、覆被表)是調查的關鍵項目。通過樣地號(sample_id)字段可以將樣方表和土地利用覆被表關聯起來。樣地基本特征調查表聚焦于樣地整體自然地理和生態環境特點，土地利用覆被表則聚焦于樣方內的土地利用及覆蓋變化信息。另外，還設計了用戶信息表用來存儲采樣人員信息，并為多用戶數據共享提供了用戶標識。

4. UI界面設計

本設計主要通過Activity組件和XML文件配合生成UI界面，Activity類中將所有的可視控件聲明為成員變量，在XML文件中對控件進行布局，布局方案為LinearLayout和RelativeLayout的結合，既減輕了代碼編寫量，也能編寫出較復雜的UI用戶界面；然后通過View類findViewById()方法對成員變量進行實例化。

基于上述針對系統功能的分析，系統可劃分為4個模塊，每個模塊中又包含若干個并行的子模塊。根據面向對象程序設計中“高內聚，低耦合”的設計思想，結合FrameLayout布局和RadioGroup控件，將系統界面設計為4個版塊，根據不同的功能模塊顯示不同的內容。如地圖模塊能夠完成基本的基于地圖的操作，如放大、縮小、定位等，同時還能夠進行矢量地圖和衛星影像的切換顯示。

表1 土地資源數據庫結構設計

為了保證顯示的有效性，充分利用界面空間，功能信息面板使用TabHost控件進行管理，用于切換同功能模塊下不同具體功能項的管理。界面設計效果如圖4所示。

二、關鍵技術

1. 地理定位

首先是獲取絕對地理空間定位信息。具體做法是：首先獲取位置管理者，即LocationManager對象；然后生成位置監聽類LocationListener，使用函數LocationManager.requestLocationUpdates(String provider, long minTime, float minDistance,LocationListener listener)請求位置信息，其中參數provider用來設置定位的方式，常用的有"gps"和"network"兩種；最后通過LocationListener類的onLocationChanged()函數返回Location位置對象，由此獲得經度、緯度、高程等信息。通過該類updateGpsStatus()函數，還可以得到捕獲衛星狀態信息，包括衛星所在的方位角、高度角、信噪比等。由此，可以進一步在天球中標識相應衛星位置及其連接狀況。

圖4 系統UI界面設計

在前述絕對地理空間定位的基礎上，還需要進一步獲得中文地址信息，并在地圖窗口中標志相應的點的位置。具體做法是：引入百度baidumapapi和locSDK開發包，并在應用的AndroidManifest.xml文件中添加相應標貼，在XML文件中添加地圖布局，在應用程序中使用SDKInitializer.initialize()接口初始化地圖服務；初始化LocationClient類，繼承BDLocationListener位置監聽類，再使用LocationClient.requestLocation()請求位置；通過BDLocationListener中的onReceiveLocation()函數獲得位置對象BDLocation，從BDLocation對象可獲取地址、地理編碼等相關信息；利用百度地圖的開放接口，將獲得的位置信息添加到百度地圖定位圖層上，從而實現當前點在地圖上的標識。

2. 樣點規劃

系統均勻采樣、簡單隨機采樣、大樣地循環采樣是地學野外考察中常用的3種樣點布設方法。

均勻采樣適用于樣地空間變異較小的情形。樣點規劃時，根據用戶輸入樣地范圍、采樣數量兩項參數，判斷行列數目以及行列之間的距離，然后使用循環方式依次生成樣點，并將各點的屏幕坐標轉換為地圖坐標保存至數據庫中。

隨機采樣適用于樣地空間變異特征未知的情形。樣點規劃時，根據用戶輸入樣地范圍、采樣數量兩項參數，利用隨機數生成函數確定樣點的位置(橫軸坐標和縱軸坐標)，并進一步將各點屏幕坐標轉換為地圖坐標保存至數據庫中。隨機采樣可以使得樣地內每個位置都能平等地被抽取。

大樣地循環采樣是一種能夠在較低采樣頻率情況下依然可以在不同的步長(距離)上保持采樣密度的方法[16]。大樣地循環采樣方法最早是用于一維時間序列上的數據變異特征研究[17]，后來擴展到了二維空間平面上[18]，并廣泛被生態學家所運用。大樣地循環采樣常使用3/7、4/13、5/21、6/31、7/37等5種采樣模式。以5/21模式為例，該樣點布設方案以21個基本步長為一個循環單元，一般應循環2次以上；分別在0、1、4、14、16個基本步長處設置采樣點。樣點(x，y)坐標的推算如下

(x0+sn+21sj,y0-sm-21si)

(1)

式中，s為基本步長(可以為標準單位，如m；也可以為復合單位，如TM衛星影像大小30 m)；(x0,y0)為起始坐標；m、n的取值為[0,1,4,14,16]；i=0,1,…，t-1,j=0,1,…,t-1，t為循環次數。

3. 多源信息獲取

草地資源調查中最核心的信息是土地利用/覆蓋變化(LUCC)信息。此外，還有采集人員信息、地理位置信息、樣點氣象信息，以及相片、錄像、錄音等多媒體信息。

采集人員信息通過讀取用戶信息表自動填充。空間位置信息首先由安卓內置的位置管理者對象(LocationManager)的requestLocationUpdates()函數提供樣點經緯度、海拔、精度，由百度SDK中的BDLocation對象中的getAddrStr()函數提供地址信息，由getCityCode()函數獲得城市地理編碼信息。依據城市地理編碼鏈接到中國天氣網，利用HttpClient對象，以get方式抓取包含天氣信息的JSON對象，然后解析JSON對象即可獲取當前點的天氣信息。對于現場照相、錄像和錄音等多媒體信息，使用Android內置Camera對象的takePicture()獲取照相信息；使用MediaRecorder對象管理對象錄制，調用setVideoSource()函數設置錄像方式，調用start()函數獲取錄像信息；使用setAudioSource函數設置聲音來源，調用start()函數記錄調查過程中的語音信息。此外，還可以通過調用ArcGIS的中文地圖服務，獲取地理底圖并將其做成地圖瓦片；然后根據由客戶端請求信息中包含的位置數據轉換成的像素點及地圖比例尺，從瓦片地圖中獲取當前點的衛星影像截圖。以上信息獲取均有系統在后臺自動執行，無需人機交互。

LUCC信息是土地資源調查的核心信息，人機交互程度最高。在此過程中，考慮到野外工作要求操作簡單、響應快速的實際需求，應盡量減少復雜的人機交互操作，最典型復雜的操作就是要求用戶鍵入大段的文字。因此，系統研發中應盡量使用選擇、移動滑塊的方式獲取文本、數值信息。對于提供的選擇項，應使用智能推測和動態調整技術，將最可能的選項放置在最優先、最醒目的位置；對于一些數值信息(如植被蓋度)，也要通過數碼相片自動計算方法，為沒有經驗的用戶提供參考值。

4. 自動報表

出于國家空間信息安全方面的考慮，我國公開發行的地圖類產品都要對地圖坐標進行加偏處理。因此，當將具有真實經緯度坐標的樣點標識到地圖上時，通常需要對坐標進行加密、加偏。通過GPS開發商ZDOZ的位置轉換接口，可以將GPS經緯度換算為偏移坐標；然后利用百度地圖的開放接口新建一個標注圖層，添加到百度地圖上。

除了將樣點標識在地圖上以顯示其空間位置之外，還可以將采集并保存在本地SQLite數據庫中的信息展示到手機上。具體做法是：在手機端的layout_exhibition_personal_data_view.xml文件中，通過布設一系列ListView、Spinner等控件，并通過ArrayList調用數據庫中相應樣點的字段信息展示到手機前端，供用戶即時瀏覽、檢查。

除了前述手機即時展示形式外，系統還需要根據國土資源部發布的《土地調查條例實施辦法》提供的標準樣式，將上述以計算機數據庫形式保存的表格信息導出為圖文混排的報告文檔。具體做法是：首先在PC端制作成一個包含字段名稱、但具體內容待填充的Microsoft Word模板文件(*.docx格式)，該文件實質上為一個ZIP壓縮文件；解壓縮后對Word目錄下的document.xml文件進行操作，即查找該XML文件中標識有字段名稱的字符串，用對應的調查數據字段替換；全部替換完成后，重新壓縮全部文件夾，并將ZIP文件后綴改名為DOCX，即實現了規范化的圖文報表輸出。

5. 數據同步

如上文所述，數據同步和共享具體可分成多用戶之間的信息同步、共享及單用戶、多設備間的信息同步共享。兩者實現的區別在于請求服務端響應的URL對象的參數不同，服務端根據上傳的參數不同，通過查找云端數據庫，分別將包含整個團隊其他人或特定用戶其他設備上的歷史數據的Json對象作為響應結果返回給客戶端，從而實現數據同步和共享。

為節約流量，系統默認在WiFi環境下數據同步，用戶也可自主選擇是否只在WiFi下同步。當用戶需要在同一賬號下同步其他設備的數據時，在服務的請求中發送用戶標識(user_id)及設備標識(device_id)；在云端數據庫中查詢該賬號下除此設備標識的數據項，查找成功則返回Json格式的數據，若無其他設備數據或查找失敗則返回標識碼EEEOR。如果需要同步其他用戶的數據，則在服務的請求中發送用戶標識(user_id)及團隊標識(group_id)；在云端數據庫中查詢團隊標識下除此本用戶之外的數據項，查找成功則返回Json格式的數據，若無其他成員或查找失敗則返回標識碼EEEOR。

三、運行環境及實現

1. 開發及運行環境

客戶端以MyEclipse10為開發集成環境，使用Java編程語言，基于安卓3.1SDK開發。系統最終運行在安卓3.1以上版本的手機終端，手機要求支持2G網絡(最好為3G或4G網絡)，內置GPS或BDS、GLONASS等任一定位芯片，同時還具有重力加速計、磁感應器等方向、方位感應芯片。

Web端開發環境為MyEclipse10，使用Tomcat7作網絡服務器，服務端數據庫為MySQL，并使用ArcGIS Server提供地理空間信息服務。服務端部署到阿里云服務器上。

2. 野外驗證

基于上述系統設計及關鍵問題的研究，筆者完成了系統的研發，并于內蒙古錫林郭勒盟東烏旗及河北張家口崇禮縣進行了多次野外試驗，實現了從外業布點(如圖5所示)、數據采集(如圖6所示)、自動報表、數據同步共享(如圖7所示)及軌跡生成等一系列野外調查作業流程。野外測試表明，系統完全滿足國土監察和科研部門對于土地資源調查的需求，是土地資源調查信息化、智能化的新突破，具有很好的推廣示范價值。

四、結論與討論

本文以安卓手機作為移動調查終端，應用移動GIS、數據庫及移動通信等技術，設計了土地資源協同調查系統，實現了樣點布設、信息采集、自動報表、數據同步等功能，提高了野內外業工作效率。但需要指出的是，土地資源調查是一項高度專業化、移動化、定期舉行的工作，雖然由筆者開發的土地資源調查系統經過在內蒙古與河北等地的野外考察測試已經證明了其可用性、便利性，但是該系統在規模化、業務化的實踐應用中，其專業性、可靠性仍有待進一步考察。

圖5 采樣規劃

圖6 圖片數據采集

圖7 數據同步與共享

此外，在當前的系統中，雖然實現了多源信息的匯集(如地理位置、氣象信息與遙感影像等)及部分信息的自動化獲取，但與土地資源相關的許多信息仍然需要專業人員的辨識、解讀(如土壤覆蓋、土地利用變化)。如何結合既有數據庫、專家知識庫及圖像識別技術，形成更加智能的土地資源信息辨識信息(如區域土地類型、土壤水分)和智能推薦系統(樣方生物量可能變化范圍、區域優勢物種順序推薦)，這是未來工作的重要方向。

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0494-0911(2016)09-0089-07

2015-10-10；

2015-11-30

國家自然科學基金(41371423)；發改委、財政部衛星遙感應用產業化發展專項(20122083)；江蘇省自然科學基金面上項目(BK20161181)

董 群(1988—)，男，碩士，主要從事測繪地理信息技術方面的工作。E-mail: dong0070916@126.com

陳國良。E-mail: chglcumt@163.com