基于智能手机的嵌入式空间数据采集系统研制

蔡国林，宋旭东，张奥丽，杨 骏

(西南交通大学遥感信息工程系，成都 610031)

0 引言

随着社会经济的快速发展，人们对空间信息的需求越来越多，耗时长、成本高、效率低的传统野外地形信息采集模式难以满足要求［1－2］。近年来，由于计算机、无线通讯、全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)和嵌入式技术的不断突破，促进了它们之间的相互结合，使嵌入式GIS成了当前地理信息技术发展的一个热点［3－10］。

嵌入式GIS操作简单、易于携带，一定程度上可替代传统的测绘模式，因而在现代测绘中具有明显的优势［1－3］。然而，由于以往的嵌入式 GIS基于Linux或WinCE操作系统且受终端平台的限制，存在计算能力有限、只能进行小数量的编辑、查询和空间分析，存在耗时很长、传输定位坐标或图片易失败、交互体验不友好等问题，其发展与应用受到严重制约［4］。随着成熟嵌入式GIS开发平台(如Android系统、ArcGIS for Android/iOS，SuperMap iMobile for Android/iOS等)的相继推出，GIS，GPS和无线互联网实现了有机结合，使嵌入式GIS的功能更趋完善［5］，但这些嵌入式空间数据采集系统的智能终端主要是个人数码助理PDA。近年移动互联网和智能终端的快速发展，尤其是智能手机和网络的出现为嵌入式GIS的发展带来了新的机遇。一方面，移动互联网的发展使得空间数据的无线、及时传输成为可能;另一方面，智能手机已在人们日常生活中得到广泛使用，且其硬件平台完全能够满足嵌入式GIS的要求。因此，基于智能手机的嵌入式GIS有望为人们在空间信息的获取、处理与分析方面提供一条新的途径［2］。

基于此，本文尝试选用智能手机为终端，以Arc－GIS for Android为平台，研制一个集成GPS的嵌入式GIS空间数据采集系统，以期实现基于智能手机的空间定位、数据处理、数据存储及数据传输功能，为国土、测绘、交通、林业及电力等部门野外空间数据的快速获取提供技术支撑。

1 系统总体设计与功能设计

1.1 系统总体设计

基于智能手机的嵌入式空间数据采集系统是嵌入式GIS网络通讯GPS等多种技术的综合集成［9］。作为信息采集的基础平台，该系统集成GPS模块并构筑于智能手机上。首先获取 GPS定位信息和地物的空间信息，同时读取传感器上的测量数据，将二者结合记录于GIS系统中;然后对数据进行预处理(包括绘图和属性录入等)，形成一个完整的数据包;最后对数据进行保存或通过无线网络、蓝牙设备传输至GIS数据监控中心，从而完成野外数据的快速获取。系统总体框架如图1所示。

图1 系统总体框架Fig.1 General fram ework of system

1.2 系统功能设计

嵌入式GIS空间数据采集系统集成在智能手机上，因此，装有该系统的智能手机除了自身的移动通讯功能外，还应具有野外空间数据采集功能，实现空间数据采集涉及的空间数据获取、属性录入、数据预处理、数据显示、查询分析、数据存储及数据传输等。此外，受智能手机的软硬件条件限制，嵌入式 GIS空间数据采集系统应尽可能精炼，以适宜在资源紧缺的智能移动设备上使用。为此，本系统主要设计了以下功能:电子地图的动态显示、GPS实时接收与定位、数据采集(即图形与属性的操作)、坐标转换、数据存储、数据的无线或有线传输(图2)。

图2 系统功能模块设计Fig.2 System function module design

2 系统功能实现

根据上述系统总体与功能设计，本文以ArcGIS for Android为平台，开展基于智能手机的嵌入式空间数据采集系统的研发。在Android系统中进行开发，需要事先配置系统访问权限。本系统配置的主要权限包括地图显示、连接互联网、GPS定位及数据存储等。下面将对系统主要实现过程进行介绍。

2.1 系统界面设计

一般应用程序中，用户首先接触的不是功能，而是系统的界面。嵌入式GIS的界面主要用于地图的浏览和显示，包括地图显示、缩放、刷新和平移等。采用地图缓存与地图综合方式，确保系统内核的精简和地图浏览的快速。由于智能手机自身条件的限制(主频、核数、内存及屏幕大小等因素)，界面设计时应考虑2个方面的因素:①地图区域与非地图区域的比例(本文区域比为7∶1);②菜单栏简易性，由于地图屏幕的限制，设计了4个常用菜单，即坐标转换、当前位置、数据采集和系统退出，如图3所示。

图3 系统界面Fig.3 System interface

2.2 系统功能实现

2.2.1 GPS 定位

该模块主要设计了GPS定位、图标显示及数据输出功能。在GPS定位前，需要导入一张电子地图作为底图。该底图可利用已有的地形图或电子地图，也可在线获取。当智能手机获取底图后，通过手机内置的GPS和无线网络获取当前位置的基本信息，然后将获取的位置信息与地图匹配，最后通过系统设计的自动平移功能，在地图上用图标显示当前所在位置。

在GPS定位中，为保证系统的稳定性及健壮性，防止在未开启GPS前程序运行的错误，需先判断是否已开启GPS模块。若未开启，该程序则跳至智能手机的GPS设置界面;若已开启GPS，该程序直接进入下一步。在 ArcGIS for Android中进行GPS开发，涉及3个核心类，即 LocationManager，LocationProvider和Location。详细实现过程如图4所示。

图4 GPS模块流程图Fig.4 GPSmodules flow diagram

系统实现了功能设计中常见的GPS功能，成果见图5。将定位出的经纬度输入至Google Earth中，在图5(c)中可判断其定位准确性。

图5 GPS定位结果Fig.5 Results of GPS positioning

2.2.2 坐标转换

该模块主要实现了我国测绘行业常用西安80坐标系和北京54坐标系的转换。参考大地测量学中高斯正算方法［10］，实现过程分2步进行:

1)获取定位的经纬度信息，并将其传至坐标转换模块中;

2)通过高斯正算公式转换坐标，为防止Y为负值，需对Y轴原点向西平移500 km，统一至我国坐标系统(X，Y)下，计算结果如图6所示。

图6 坐标转换结果Fig.6 Results of coordinate transformation

2.2.3 数据采集

根据实际需求，系统设计了不同类型的采集方法:基于定位参考的点线面采集、人性化的操作点线面采集及特殊要素层的数据采集，实现菜单如图7所示。

图7 菜单工具及实现效果Fig.7 M enu tools and im plementation effect

首先获取相应的地图服务，然后采用Graphics－Layer方法实现手持端数据采集，最后实现在线数据保存。其关键步骤有:①监听屏幕点击事件;②设置相关符号。其实现流程如图8所示，部分空间数据采集成果见图9。

图8 数据采集模块流程图Fig.8 Flow diagram of data acquisition module

图9 空间数据采集成果图Fig.9 Resultmap of spatial data acquisition

2.2.4 数据保存与传输

由于智能手机自身存储能力较小，本系统采用2种方式对采集的数据进行存储。一方面，可采用Android系统中的输出流方式，以文件模式将数据保存至SD卡中(图10);另一方面，由于野外采集的数据量非常大，为节约3G手机内存，还可对采集成果进行基于URL网络的在线数据保存。

图10 基于文件的数据存储Fig.10 Data storage based on the file

采用不同方式存储数据时，智能手机内存(即本地SD卡)中也新建了一个数据缓存(如图11所示)。该数据可在SQLiteManager数据库中打开，用于二次加载地图或数据编辑，图12为打开数据显示的结果。

图11 本地数据缓存Fig.11 Local data－caching

图12 SQLite数据缓存解析Fig.12 SQLite data－ caching analysis

3 结论

本文基于智能手机，结合空间信息、移动计算机、无线通讯、嵌入式等技术，在Android系统下，以ArcGIS for Android为平台，研制了一个集成GPS技术的嵌入式GIS空间数据采集系统，实现了基于智能手机的GPS定位、数据采集(包括属性录入)、坐标转换、数据预处理、数据存储、数据传输等功能。该系统将GPS技术与智能手机嵌入式GIS结合，能够及时获取目标的空间信息及相关属性信息，并已用于野外空间数据采集与调绘、土地现状调查、电力线巡检等领域，大大地提高了野外作业人员的效率。

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