基于android平板的國(guó)土行業(yè)外業(yè)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡海潮, 吳 劍, 彭小偉

(湖北省國(guó)土測(cè)繪院,湖北 武漢 430010)

在傳統(tǒng)的國(guó)土外業(yè)調(diào)查取證工作中,需要外業(yè)人員攜帶GPS測(cè)量設(shè)備、距離測(cè)量設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)等工具,通過(guò)填寫相關(guān)紙質(zhì)表格、手繪、GPS測(cè)量、照相等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作,回到辦公室后內(nèi)業(yè)需要把采集的圖形信息進(jìn)行手工數(shù)字化,把與其相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)及取證信息錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。

傳統(tǒng)的作業(yè)方法不僅需要外業(yè)人員具備較強(qiáng)的國(guó)土、測(cè)繪等專業(yè)知識(shí),還存在內(nèi)外業(yè)人員無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)有效溝通,及外業(yè)調(diào)查取證不充分影響內(nèi)業(yè)判讀的情況。因此,為了提高土地調(diào)查的生產(chǎn)效率、降低對(duì)外業(yè)采集人員專業(yè)知識(shí)的需求、減輕采集取證工作勞動(dòng)強(qiáng)度,保障外業(yè)數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理有序有效的銜接,迫切需要開(kāi)展國(guó)土外業(yè)采集系統(tǒng)的研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)與總體架構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

(1) 以國(guó)土行業(yè)外業(yè)調(diào)查工作流程為基礎(chǔ),開(kāi)發(fā)一套國(guó)土行業(yè)外業(yè)調(diào)查和綜合處理系統(tǒng),進(jìn)行國(guó)土外業(yè)更新調(diào)查、采樣、監(jiān)察、在線核查與多媒體取證,其核心目標(biāo)是建立一套的外業(yè)數(shù)據(jù)采集、傳輸、內(nèi)業(yè)處理與信息管理的完整體系。

(2) 通過(guò)本次項(xiàng)目,可以建立起一套的以外業(yè)數(shù)據(jù)采集、傳輸、內(nèi)業(yè)處理與信息管理為一體的整條服務(wù)鏈,同時(shí)以本次開(kāi)發(fā)思路與源碼為基礎(chǔ),在其他類似項(xiàng)目中加以應(yīng)用。

1.2 總體框架

移動(dòng)GIS的體系結(jié)構(gòu)主要由三部分組成:客戶端部分、服務(wù)器部分和數(shù)據(jù)源部分,分別承載在表現(xiàn)層、中間層和數(shù)據(jù)層[1]。

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,分外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)兩個(gè)網(wǎng)段。內(nèi)外網(wǎng)分別對(duì)應(yīng)內(nèi)業(yè)和外業(yè)工作,承擔(dān)不同的功能任務(wù)。外網(wǎng)主要用于:平板端在野外的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳和平板之間即時(shí)通信的工作;內(nèi)網(wǎng)主要用于:底圖數(shù)據(jù)生成及分配、工作任務(wù)分配、成果數(shù)據(jù)檢查、處理和入庫(kù)工作。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中,服務(wù)器端如果部署在固定區(qū)域(如機(jī)房),Web服務(wù)器可通過(guò)配置雙網(wǎng)卡,設(shè)置為內(nèi)外網(wǎng)同時(shí)接入,實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)的中繼功能。通信服務(wù)器只部署于外網(wǎng),實(shí)現(xiàn)平板間的即時(shí)通信。在即時(shí)通信量不大的情況下,通信服務(wù)器也可與Web服務(wù)器部署于同一臺(tái)機(jī)器。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器則單獨(dú)部署于一臺(tái)機(jī)器,考慮數(shù)據(jù)安全因素,數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器只部署在內(nèi)網(wǎng)。

服務(wù)器端如果需要多測(cè)區(qū)移動(dòng),則Web服務(wù)器、通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器可同時(shí)部署于一臺(tái)PC機(jī)上。在測(cè)區(qū)內(nèi)搭建外網(wǎng)服務(wù)時(shí),外網(wǎng)固定IP可通過(guò)花生殼類軟件進(jìn)行綁定獲得。

系統(tǒng)由Web(GIS)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、通信服務(wù)器三大服務(wù)器和Web客戶端、C/S客戶端、Android客戶端三類客戶端組成。其主要功能如下表1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 System architecture diagram

表1 系統(tǒng)總體框架圖Table 1 Overall framework of the system

系統(tǒng)組成主要功能Web(GIS)服務(wù)器1.項(xiàng)目任務(wù)分配、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分配2.外業(yè)成果數(shù)據(jù)核查3.文檔、信息檢索4.工作情況統(tǒng)計(jì)5.系統(tǒng)維護(hù):人員管理、數(shù)據(jù)字典管理等數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器存儲(chǔ)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù),包括:GIS數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、工作成果數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等通信服務(wù)器實(shí)現(xiàn)平板與平板、平板與Web間的即時(shí)消息通訊、文件傳輸?shù)萕eb客戶端內(nèi)業(yè)人員訪問(wèn)操作Web服務(wù)器的客戶端程序C/S客戶端內(nèi)業(yè)人員更新GIS數(shù)據(jù)的客戶端程序Android客戶端外業(yè)人員作業(yè)及成果提交的客戶端程序

1.3 開(kāi)發(fā)工具

(1) Android。Android是Google于2007年11月05日宣布的基于Linux平臺(tái)的開(kāi)源手機(jī)操作系統(tǒng)名稱,該平臺(tái)由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應(yīng)用軟件組成。它采用軟件堆層(Software Stack,又名軟件疊層)的架構(gòu),主要分為三部分。底層以Linux內(nèi)核工作為基礎(chǔ),由C語(yǔ)言開(kāi)發(fā),只提供基本功能;中間層包括函數(shù)庫(kù)Library和 虛擬機(jī)Virtual Machine,由C++開(kāi)發(fā);最上層是各種應(yīng)用軟件，包括通話程序，短信程序等，應(yīng)用軟件則由各公司自行開(kāi)發(fā)，以Java作為編寫程序的一部分[2]。

Android系統(tǒng)是一款以Linux為內(nèi)核、開(kāi)放式的手機(jī)操作系統(tǒng)。和目前存在的其他操作系統(tǒng)類似,其采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì),從高層到低層依次為應(yīng)用程序?qū)印?yīng)用程序框架層、系統(tǒng)運(yùn)行庫(kù)層和Linux核心層結(jié)構(gòu)[3]。

(2) ArcGIS for Android 10.2.7。ArcGIS for Android SDK是ArcGIS基于Android的開(kāi)發(fā)包,基于此開(kāi)發(fā)包可方便構(gòu)建Android本地APP。集成了廣泛的地圖和GIS功能,無(wú)論在線或離線。包括地圖查詢分析,地理對(duì)象編輯和地圖加載。

(3) Eclipse。Eclipse是一個(gè)開(kāi)放源代碼的、基于Java的可擴(kuò)展開(kāi)發(fā)平臺(tái)。就其本身而言,它只是一個(gè)框架和一組服務(wù),用于通過(guò)插件組件構(gòu)建開(kāi)發(fā)環(huán)境。Eclipse 附帶了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的插件集,包括Java開(kāi)發(fā)工具(Java Development Kit,JDK)。

2 系統(tǒng)功能模塊

本系統(tǒng)按照軟件邏輯功能劃分,可分為三大子系統(tǒng):Web項(xiàng)目管理子系統(tǒng)、外業(yè)采集平板子系統(tǒng)、GIS數(shù)據(jù)編輯插件。

2.1 Web項(xiàng)目管理子系統(tǒng)

Web項(xiàng)目管理子系統(tǒng)功能主要包括:地圖加載與瀏覽、圖層控制、外業(yè)任務(wù)分派、即時(shí)通訊、數(shù)據(jù)與軌跡管理、工作情況分析、文檔檢索、系統(tǒng)管理等。系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2 外業(yè)采集平板子系統(tǒng)

外業(yè)采集平板系統(tǒng)功能主要包括:數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)檢查、狀態(tài)自檢、工作線路規(guī)劃、規(guī)劃路徑導(dǎo)航、工作內(nèi)容設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)自檢與整理、數(shù)據(jù)傳輸、即時(shí)通訊、位置共享等。系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖2 Web項(xiàng)目管理子系統(tǒng)功能模塊圖Fig.2 Function module diagram of Web project management subsystem

圖3 外業(yè)采集平板子系統(tǒng)Fig.3 Field acquisition flat panel subsystem

2.3 GIS數(shù)據(jù)編輯插件

GIS數(shù)據(jù)編輯插件主要功能包括:數(shù)據(jù)加載、圖形及屬性編輯。系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 GIS數(shù)據(jù)編輯插件Fig.4 GIS data editing plug-in

3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)的工作流程如圖5所示。

3.1 前期數(shù)據(jù)收集

對(duì)工作中涉及到的工作底圖數(shù)據(jù)(行政及村界、圖斑、地類界、線狀地物、注記層,遙感影像)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集工作。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)收集到的工作數(shù)據(jù),進(jìn)行矢量裁剪、DOM分幅、瓦片切片等處理,然后根據(jù)工作人員進(jìn)行相應(yīng)工作區(qū)劃分,做相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)配置。

3.3 工程環(huán)境設(shè)置

針對(duì)項(xiàng)目建立項(xiàng)目總數(shù)據(jù)庫(kù)(包含項(xiàng)目總文件夾、預(yù)處理數(shù)據(jù)、項(xiàng)目文檔等數(shù)據(jù)),并對(duì)各工作人員建立相應(yīng)的分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù),將此前預(yù)處理的數(shù)據(jù)分發(fā)至各數(shù)據(jù)庫(kù)中,各工作人員將各自數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)拷貝至工作平板,檢查數(shù)據(jù)的可用性、完備性,根據(jù)自己的工作進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

3.4 路線導(dǎo)航與數(shù)據(jù)采集

圖5 系統(tǒng)工作流程圖Fig.5 System workflow diagram

根據(jù)工作的內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作,目前的工作內(nèi)容主要有變更調(diào)查、采樣、國(guó)土檢查、空閑建設(shè)用地調(diào)查、巡視、在線核查等。

3.5 數(shù)據(jù)整理上傳

對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查,檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否滿足項(xiàng)目需求,然后根據(jù)項(xiàng)目需求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化及保密性處理,將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包上傳(拷貝)至服務(wù)器指定目錄。

3.6 內(nèi)業(yè)處理

將外業(yè)采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)項(xiàng)目要求進(jìn)行處理,形成成果數(shù)據(jù)后進(jìn)行歸檔管理。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 WEB項(xiàng)目管理系統(tǒng)

4.1.1 項(xiàng)目管理

前期工作包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集和影像切片處理,主要功能包括調(diào)查任務(wù)分發(fā)、工作情況跟蹤、回傳數(shù)據(jù)管理,調(diào)查數(shù)據(jù)瀏覽檢查,工作量統(tǒng)計(jì)分析等。系統(tǒng)主界面如下圖6所示。

4.1.2 采集結(jié)果查看

主要功能包括數(shù)據(jù)檢索、查看外業(yè)采集回傳數(shù)據(jù)(包括:圖形、GPS位置、文字、圖像、語(yǔ)音等信息),在工作底圖中對(duì)采集照片的拍攝位置及角度進(jìn)行展繪。對(duì)不同階段采集數(shù)據(jù)進(jìn)行痕跡管理,清晰反映事物變化發(fā)展全貌。數(shù)據(jù)查看界面如下圖7所示。

圖6 項(xiàng)目管理WEB系統(tǒng)主界面Fig.6 Main interface of project management WEB system

圖7 外業(yè)數(shù)據(jù)展示界面Fig.7 Display interface of external data

4.2 外業(yè)采集平板系統(tǒng)

圖形采集可通過(guò)手繪及GPS自動(dòng)記錄兩種方式進(jìn)行點(diǎn)、線、面要素圖形繪制。屬性采集方式包括文字屬性錄入、自定義屬性內(nèi)容快速注記,并結(jié)合錄音、照片、視頻、截屏涂鴉等多種方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)記錄取證。其中屬性內(nèi)容圖面注記還具備將常用字段進(jìn)行配置、快速檢索的功能。作業(yè)人員可根據(jù)實(shí)際情況靈活多樣的進(jìn)行組合(如圖8-圖10所示)。

圖8 要素圖形采集Fig.8 Element graph collection

圖9 外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪Fig.9 Field scene mapping

圖10 自定義屬性內(nèi)容快速標(biāo)注Fig.10 Quick labelling of custom attribute content

5 結(jié)論

通過(guò)基于android平板的外業(yè)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)在線交換,解決了大數(shù)據(jù)量影像數(shù)據(jù)的快速加載,克服了離線環(huán)境下外業(yè)信息采集的難點(diǎn),為涉密數(shù)據(jù)的安全使用提供了有效的保障。給移動(dòng)外業(yè)信息采集系統(tǒng)提出了一整套框架設(shè)計(jì)思路。通過(guò)在相關(guān)項(xiàng)目外業(yè)信息采集試生產(chǎn)作業(yè),發(fā)現(xiàn)通過(guò)平板進(jìn)行外業(yè)采集,大大降低了外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了位置判定的準(zhǔn)確性,提高了內(nèi)外業(yè)協(xié)同效率。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于土地詳查與更新、像片調(diào)繪、地名調(diào)查、資源調(diào)查、行政區(qū)界線調(diào)查等不同領(lǐng)域,具有廣闊的應(yīng)用和推廣價(jià)值。