基于Android平臺的地理實習數據采集系統設計

摘 要：【目的】為滿足地理實習中空間數據實時采集與管理的需求，提升野外實習工作效率，研發了一套基于Android平臺的地理實習數據采集系統?！痉椒ā吭诘乩韺嵙暯虒W需求分析的基礎上，以Android智能手機為移動終端，基于客戶端—服務器體系結構的分布式模式，利用ArcGIS Runtime SDK for Android二次開發接口集成Android開發、物聯網數據實時采集、SQLite數據庫以及移動地圖展示等移動GIS技術進行系統設計與研發。【結果】實現了用戶登錄、地圖瀏覽、地理位置獲取與顯示、地理要素采集與管理、現場照片上傳、退出系統等功能，并應用于地理實習教學?！窘Y論】該系統不僅可用于地理實習、野外調查等場景，而且可用于實時采集、存儲和顯示地理數據。此外，該系統還具有較好的可擴展性和兼容性，也可以適用于其他外業工作場景。

關鍵詞：Andriod平臺；地理數據采集；移動GIS；GIS應用系統；地理實習教學

中圖分類號：G633.55;K909 " 文獻標志碼：A " 文章編號：1003-5168（2024）12-0014-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.12.003

Design of a Field Data Collection System for Geographical Practice Based on Android Platform

WANG Jie1 JIANG Dejian1 ZHANG Guanhong2

（1.College of Resources and Environmental Engineering， "Hefei "230601， China;

2. Inner Mongolia Electric Power Survey amp; Design Institute， Hohhot "010010， China）

Abstract：[Purposes] In order to meet the needs of real-time collection and management of spatial data in geographical internships， and to improve the efficiency of field internships effectively ， a geographic practice data acquisition system based on Android platform is developed.[Methods] Based on the analysis of the needs of geography practice teaching， the Android smart phone is used as the mobile terminal. Based on the distributed mode of client-server architecture， the ArcGIS Runtime SDK for Android secondary development interface is used to integrate GIS technologies， such as "Android development， real-time data collection of Internet of Things， SQLite database and mobile map display， so as to design and develop the system. [Findings] This system realizes functions such as user login， map browsing， geographical location acquisition and display， geographical element collection and management， on-site photo upload， and exit from the system， and is used in geography practice teaching.[Conclusions] It can be used in scenarios such as geographical internships and field surveys to collect， store and display geographical data in real time.In addition， this system also has good scalability and compatibility， and can also be applied to other field work scenarios.

Keywords： Android platform; Geographical data collection; Mobile GIS; GIS application system; Geography practice

0 引言

地理實習作為連接課堂教學與非課堂教學的橋梁，對于培養地理類專業學生的理論知識與實踐技能具有重要作用。在地理實習教學中，地理數據采集是現場獲取數據的必要手段，可為地理學領域研究提供強有力的支持。傳統的地理數據外業采集大多依靠專業測繪設備，不僅設備體積大、重量重，而且需要專業人員進行操作和維護，難以滿足大眾化的數據采集需求。隨著移動互聯網的快速發展和移動設備的廣泛應用，地理信息的采集和處理逐漸成為手機和平板電腦等移動設備的主要應用之一［1］?，F代的移動設備不僅配備了精度更高、更快捷的定位系統，而且夾雜社交、傳媒、辦公、游戲等多重應用的特點，可以輕易地進行地理信息采集，便于大規模地收集數據［2］。因此，研發基于移動設備的地理實習外業采集系統，既可以提高地理數據的采集和處理效率，又可以加強大眾對地理信息的參與度，具有高度的應用價值和推廣前景［3］。

作為基于Linux系統的自由及開放源代碼的操作系統， Android平臺已廣泛應用于智能手機和平板電腦等移動設備，其最大優勢就是開放性。國外相關機構推出了多個基于Android 平臺的移動GIS程序，如Google Maps API、Mapbox for Android、ArcGIS Runtime SDK for Android、GeoMobile for Android等，這些系統相當成熟，可以提供高精準性和高可視化的地圖展示［4］。國內一些GIS軟件廠商也開始重視基于Android平臺的移動GIS產品，如SuperMap移動GIS、南京數字地球等，并已經推行出一些關于互聯網導航應用、交叉路口數據等方面的解決方案［5］。但是移動GIS技術在我國還存在一些不足，如移動GIS技術應用技能的普及率較低，很多地理工作者對移動GIS應用仍存在較大的陌生感和操作難度，并且在地理實習教學中的應用也并不多見。

為了滿足地理實習中數據實時采集與管理的需求，本研究基于Android平臺開發一款輕便、易用、低成本的地理實習外業數據采集系統，旨在探索面向移動設備的地理實習外業采集系統開發方法，從而提高地理數據的采集與管理效率。該系統的設計目標是為了方便實習師生在山區、城市等場景中開展實時定位、矢量數據、屬性數據和照片采集，實現數據存儲和快速檢索，并支持數據采集過程的多種選擇、數據導入導出、數據格式設置等功能。

1 系統設計與關鍵技術

1.1 用戶需求分析

地理實習數據采集系統的用戶主要是地理學類專業的教師和學生。在外業實習中需要一個高效、實用的工具來采集與管理空間數據，主要需求如下。

①快速采集和管理數據。用戶需要實時采集和管理各種實習數據，包括地理位置、圖形數據、屬性數據等。因此，需要系統具備高效的采集方式和數據管理功能。

②離線采集和數據同步。由于在野外經常沒有穩定的網絡信號，因此，需要系統具備支持離線采集和數據同步的功能，以確保采集的數據不會丟失。當設備恢復到網絡狀態時，數據可以自動同步到服務器或其他設備上。

③數據可視化和分析。用戶需要一系列實用分析工具和可視化方式，因此，需要系統可以提供各種數據展示圖表、圖形和地圖等，使用戶更好地理解、分析和展示數據。

1.2 系統結構設計

ArcGIS API for Android 使用 Java 構建多種應用程序，利用 ArcGIS Server 提供的強大制圖、地理編碼、地理處理和自定義功能，將其部署到 Android平臺上。該系統通過 ArcGIS API for Android 的二次開發接口實現地圖在 Android 設備上的瀏覽、查詢、編輯和定位等功能。其中，通過 Android 提供的一套關于地理信息和 SQLite 數據庫相互轉換解析的方案，實現了對要素屬性的增刪改查［6］。系統結構設計如圖1所示。

①調用 ArcGIS API for Android提供的 GPS 定位相關類庫 LocationDisplay，通過 Android移動平臺獲取地物目標的地理位置信息，并在地圖上進行顯示。

②實現地理要素空間位置和 SQLite 數據庫中地理位置字段的相互轉換，方便存儲和渲染顯示工程中繪制的地理要素。

③通過 Android 組件之間傳遞要素唯一 ID 的方式實現對要素屬性的查詢、編輯、保存等功能，進而實現移動數據的在線編輯功能。

④利用 Android 平臺的多媒體采集功能，拍攝現場照片并與地理要素進行關聯，將多媒體信息與地理要素信息融合，給予地理信息更豐富的表達。

1.3 采用的關鍵技術

1.3.1 Android開發技術。需要掌握Java或Kotlin的編程知識、Android SDK的相關API和框架、Android Studio等開發工具的使用，以及對應用界面設計、網絡通信、多媒體等方面的理解。

1.3.2 數據采集技術。地理學數據的采集方法可以是實地測量、探測，也可以通過各種儀器、監控設備等獲取數據。為支持離線數據采集和多種數據格式，系統需要掌握多種數據采集技術，如GPS、攝像頭、錄音和傳感器等。

1.3.3 數據存儲技術。Android數據存儲技術包括內部存儲、外部存儲、SQLite數據庫等多種方式。通過相關存儲技術，開發者可以在應用中對數據進行存儲、讀取和更新。

1.3.4 地圖展示技術。ArcGIS Runtime for Android作為一種地理信息應用程序開發框架，通過提供一組完整的API，幫助開發人員構建具有地理感知功能的應用程序，不僅支持離線和在線數據交互［7］，而且提供集成開發環境和示例代碼等工具。

2 系統功能實現

2.1 用戶登錄

在Android平臺上實現用戶登錄，需要進行以下步驟。

①設計用戶登錄頁面。通過activity元素和布局文件制作用戶登錄界面，包括用戶名和密碼輸入框、登錄按鈕等。

②實現登錄邏輯。登錄邏輯一般在Activity的Java文件中實現。當用戶單擊登錄按鈕時，應檢查用戶名和密碼是否正確，并給出相應提示。

③視反饋。登錄成功之后需要提供用戶視覺反饋，如跳轉到主界面或顯示“登錄成功”。同時，對登錄失敗的情況也需要進行相應提示。

2.2 地圖交互

2.2.1 地圖瀏覽。天地圖是一種常用的在線地圖服務，可以提供衛星影像、地形圖、行政區劃、路網、地名等各種地圖要素數據。在Android應用開發中，調用天地圖可以為應用系統添加基礎地圖數據。本研究通過定義 MapView 的事件來實現不同的地圖操作；調用 GPS 模塊，實現地圖定位如圖2所示。圖上定位點即是用戶當前所在位置，不用再通過傳統的參照物方式將自己在圖上定位，極大地方便了采集工作，并提供了更人性化的交互。

2.2.2 地理坐標獲取與顯示。LocationDisplay是ArcGIS Runtime SDK 中用于地圖定位的類函數，提供了在地圖上顯示位置、自動平移及其他與位置相關的功能。本研究利用LocationDisplay 將設備中 GPS 定位功能與地圖應用程序集成起來，并實現了以下功能。

①顯示位置。LocationDisplay 可以將設備的位置信息在地圖上實時顯示，并根據用戶需求設置經度、緯度、精度、速度、方向等信息的顯示如圖3所示。

②自動平移。LocationDisplay 可以根據用戶所設置的指定位置，將地圖位置自動平移到該位置。

③監聽位置更新事件。可以通過（LocationDisplay.addLocationChangedListener）方法來監聽位置更新事件，根據需要更新地圖或其他操作。

該系統中地理坐標的顯示是通過AlertDialog類創建對話框來實現；點擊獲取地理坐標則是通過MapView的screenToLocation和locationToScreen方法來實現。其中，screenToLocation方法將屏幕坐標轉換成地理坐標；locationToScreen方法則將地理坐標轉換成屏幕坐標。

2.3 地理要素采集與管理

2.3.1 新增要素。GraphicsOverlay 是 ArcGIS Runtime SDK 提供的用于在地圖上繪制與符號化圖形、文本和鏈接的圖層類型。 GraphicsOverlay 是一個虛擬圖層，不會在地圖中創建實際圖層，而是作為 MapView 中的元素添加和顯示。

SQLite 是一個輕量級的關系型嵌入式數據庫，由于其占用空間小、運行速度快等優點，被廣泛用于存儲和管理地理空間和非空間信息。在 Android 應用程序中，地理要素以Shapefile、GeoJSON、KML 等形式存儲在 SQLite 數據庫中。Android 通過使用開放式地理空間數據庫連接標準，管理和操作 SQLite 數據庫中的地理空間數據。在創建SQLite數據庫的基礎上，本研究將采集的地理要素更新到SQlite數據庫中，應用程序界面如圖4所示。

在采集地理位置的同時，本研究還通過屬性編輯框錄入地理實體的特征數據，包括但不限于位置、形態、屬性、幾何等信息。通過此方式可以建立點、線、面等空間要素的屬性關系，有助于后續的地理信息數據分析和處理。

2.3.2 編輯要素。本研究在Android平臺上實現地理要素編輯功能，包括對地理要素的選擇、修改和刪除等操作。通過使用Android設備上的GPS、觸控屏幕等傳感器，并結合Sqlite數據庫，用戶可以實地采集地理信息并實時編輯。

2.4 多媒體信息的采集

本研究還利用Android設備提供的拍照、錄音、錄像等功能采集多媒體信息，并將其與地理實體進行關聯，從而實現豐富的地理信息數據采集和管理。采集的這些數據可以用于構建地圖數據庫、GIS空間分析和可視化等用途，具體如圖5所示。照片命名通過獲取系統當前時間的方式，并以此字符串作為關聯要素和地理場景照片的依據。

3 系統應用與維護

系統應用和維護在軟件生命周期中是非常重要的環節，涉及軟件的使用、更新和維護等多個方面［8］。在軟件使用階段，用戶將軟件安裝到Android設備中，可在戶外或者野外的環境中使用地圖瀏覽、地理位置獲取與顯示、地理要素采集與管理、照片上傳等功能采集和獲取地理要素。采集到的要素屬性包括地理坐標位置、幾何屬性值（線要素長度、面要素面積）和對應的影像數據。在外業工作結束后，將采集到的數據導出，并轉換為常用的Shapefile文件用于后續的空間分析和制圖。

在軟件更新階段，本研究通過該軟件在安徽大學地理實習教學中的實際使用情況，收集實習師生的反饋和建議，進而改進和優化應用。在軟件的維護和支持階段包括錯誤修復、功能擴展、性能優化等方面。同時，在該階段還需要根據實際需求，不斷地更新和擴展應用的功能，以滿足新的用戶需求。

本研究將不斷關注應用程序的用戶使用和反饋情況，并針對性地改進和優化應用程序，同時也要及時地維護、更新和保障應用系統的安全性和可靠性。

4 結語

本研究以Android平臺作為移動終端開發環境，研發了基于Android平臺的地理實習數據采集系統，主要用于地理實習教學中師生對地理要素的采集和管理，大大提高了地理數據采集質量與效率。

由于Android平臺是一款開放性操作系統，可以提供用于位置定位的相關類庫，使得在該平臺上獲取地理位置變得更加容易。本研究借助ArcGIS API for Android二次開發類庫，在移動設備上實現了地圖的基本操作，如瀏覽、查詢、編輯和定位等。同時，基于Android系統的移動GIS開發模塊具有很高的自主性和靈活性，可以利用系統自帶的多媒體等功能。通過在地理信息數據庫中添加圖片、音頻、視頻等信息，可以將各種多媒體數據與傳統空間位置、屬性信息的GIS數據關聯結合，極大地豐富了地理信息的內涵，使人能夠從更多的維度去體驗和應用地理空間信息，從而為不同領域的外業數據采集與管理以及地理信息大眾化服務提供了便捷的工具。

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