基于Android的野外地质教学辅助系统的设计与实现

央金卓玛，张 华

1.西藏大学 工学院，西藏 拉萨 850000；2.浙江大学 地球科学学院，浙江 杭州 310027

野外地质实习是地质类专业十分重要的实践环节。通过实践不仅能让学生加深对书本所学知识的理解，而且能为今后步入工作岗位从事野外工作打下一定基础。在当前“互联网+”时代，高等教育面临着巨大的冲击和挑战。在这样的环境下，地质与电子信息平台的结合，是电子信息技术在地质领域的一种新的应用方向[1-6]。从行业角度来看，这种应用已经十分普遍而且成功，但从教学角度来说，野外地质教学的信息化目前还处在探索阶段。全国地质类专业学生野外实习普遍沿用传统的调查方法，将野外观测到的地质现象及相关数据等用图表、文字的形式记录在纸质的野外记录本上，这大大限制了野外地质数据采集、管理的效率，同时也增加了后期数据整理和分析的工作量[7-10]。

现在学生获取信息的方式发生了极大的转变，更喜欢利用碎片化的时间来了解自己感兴趣的内容，而且几乎每位大学生人手一个智能手机，如果能充分利用这一优势，适当改变地质野外教学方式和手段，无疑能极大促进学生的学习兴趣，达到更好的教学效果。

基于以上原因，本文采用Android开发技术，以实现野外地质数据移动端数字化操作，使学生能够在野外快速准确地采集并存储地质相关信息，降低后期数据录入、转换以及分析整理等工作量。该系统主要用于点位信息录入、产状测量、轨迹显示、虚拟记录本、常用资料查询、系数计算、地形图叠加及地质现象点预览、天气查看等，具有高效、便携和可移动的特点，它将信息的采集、存储、查询、导出以图、文、声、像的形式综合立体展示，做到了空间数据、基础属性数据和多媒体属性数据的一体化，软件操作简单、易学。

一、 技术方案

Android是Google公司开发的完全开放源代码的移动终端操作系统。该系统使用Activity、Intent、Service、Android UI、SQLite、多线程以及系统调用等技术，通过系统提供的传感器监听器，向用户提供周围环境的传感器数据[11]。本软件基于Android操作系统开发，界面友好、功能强大、操作简便，能在手机上实现地图—导航、定位、产状测量、天气查看、地质现象点展示、地形图叠加等一系列功能。其中地图服务、天气服务分别基于百度SDK与和风天气SDK的调用实现。百度地图SDK是为开发者免费提供的一套基于百度地图服务的移动端应用接口，提供基本地图展现、搜索、定位、地图缩放平移操作、叠加图层管理、路线规划等功能，为移动设备端的地图应用开发者提供便利。和风天气SDK专为移动端设计的天气相关数据接口，拥有API接口全部功能，服务范围覆盖全国，提供常规数据和高精度天气数据，如温度、湿度、PM2.5、日出日落时间等，同时节省50%网络流量，适合快速在Andorid应用中集成天气数据服务，有助于带队教师提前规划野外作业。除这两项功能外，本文系统其他功能均基于Android自带的传感器和系统调用技术实现，无须更多插件[12]。

二、系统设计与实现

1．系统模块划分

本软件在Android Studio平台上进行开发，主要功能模块有7个，如图1所示。其中地图浏览模块支持在线地图与离线地图两种模式，离线地图数据默认存储在安卓手机/sdcard/BaiduMapSDK文件夹下[13-14]。点位记录支持图文信息记录，与记录时间一一对应，按时间先后顺序存放。常用资料以图文的形式展示地质野外实习中可能用到的知识，学生在野外没有把握时可随时搜索查看。系数计算主要应用于在野外快速获取数据结果。如滑坡最大距离和速度计算、泥石流堆积扇面积计算等，用户只需输入相关地质参数，软件会给出最终结果，有效避免了野外手工计算的麻烦和人为操作过程中可能出现的错误。天气查看模块支持三日内天气预览，便于野外工作计划的提前制定。路线预览主要包括野外地质现象点预览和地形图叠加两部分内容，通过软件可提前查看地质现象点的位置及相关图片信息。产状测量主要通过手机自带传感器，可实现走向、倾向、倾角的测量。

2． 关键技术

本软件采用Java语言编写，小米6真机进行调试，其中地图操作部分使用百度地图SDK完成，天气操作部分使用和风天气SDK完成。百度地图SDK的使用要求开发者在申请开发密钥，将申请的密钥输入到安卓工程权限文件的正确位置，并在Android工程中引用lib相关文件，才可正常使用地图功能。而和风天气SDK的使用相对简单，仅需要申请开发密钥，不需要在工程中添加本地lib文件。SDK的调用可大大节约成本和时间，开发者无需访问源码或理解内部工作机制的细节。

在整个开发过程中，地质现象点与地形图叠加功能的实现最为复杂，也最易出错，因为通常使用WGS84坐标系记录GPS采集的坐标经纬度，而百度地图的坐标系统存在一定偏移量，故在地图上添加覆盖物或需精准定位的操作时，其经纬度均需加上一定偏移量，核心代码如下：

//原始坐标为 LatiPoint，LongPoint，偏移量分别为LatShift，LongShift

LatLng New Point＝ newLat Lng（LatiPoint+LatShift，LongPoint+ LongShift）。

地形图叠加功能的实现过程也较为复杂，首先需要估算地形图对应的百度地图显示等级，可简单理解为百度地图比例尺与地形图比例尺最为接近时的显示等级，然后通过切图软件将地形图图片切割为256256瓦片图，本文使用软件为TileCutter，最后实现地形图的叠加显示。

3． 数据结构

本软件所涉及的数据结构主要针对野外地质现象点的相关信息，其结果如表1所示：

图 1 功能模块划分

表 1 地质现象点信息表结构

其中时间数据在无法明确数据采集时间时可为空，其他时候默认不为空。

三、 主要功能界面

系统开发完成后，经多台Android手机实际测试，本系统可以顺利地在小米、华为、联想、中兴、魅族、三星等手机平台下运行，且反应速度快，系统定位准确，操作简单、可靠性强。图2～图4为小米6真机上测试的主要功能界面展示。

图2所示为离线地图及路线预览功能界面，图2a为离线地图界面，本系统支持全国范围离线地图下载，因此即使在无网络情况下依然可以实现地图导航，这一功能在崇山峻岭的西藏尤为适用。图2b、图2c为路线预览功能界面，可实现自定义地形图及点状覆盖物的叠加，在各地质现象的点位添加了图片覆盖物，点击后可查看该地质点的图文信息介绍，据此学生可以实现野外实习内容的准确预习。

图3所示为天气查看及虚拟记录本功能界面，图3a为天气查看界面，可以查看未来三天的天气状况，主要数据包括温度、湿度、日出及日落时间等。图3b、图3c为虚拟记录本功能界面，实时记录地质点位图文信息，并按时间顺序排序，方便查看，同时拍照功能和录音功能可实现信息多元化录入，实现了野外点位信息的综合立体展示。

图4所示为产状测量及常用资料查询功能界面，图4a为产状测量界面图，调用安卓手机自带的传感器，可以实现倾向、倾角数据的实时测量。经过在野外的多次实地测试，和罗盘（哈尔滨光学仪器厂dqy-1型号）实际测量的倾向误差小于3°，倾角误差小于5°。图4b、图4c为常用资料查询功能界面，内容包括地质野外实习点位介绍，三大岩类野外初步鉴定方法，罗盘基本原理及使用方法、常用参数和公式,以及滑坡、崩塌、泥石流地质灾害调查表等野外可能用到的知识点，以弥补人工记忆的不确定性。除此之外，这一模块还具有自主编辑功能，学生可根据自己的需要随时进行内容的增减，方便在野外快速查看。

图2 系统离线地图及路线预览部分界面

图 3 系统天气查看及虚拟记录本功能界面

图 4 系统产状测量及常用资料查询功能部分界面

四、 应用效果评价

2018年该系统成功应用于西藏大学资源勘查工程专业地质认识实习，通过前期的不断测试和后续的系统调试，该APP在野外环境中表现良好，尤其是在西藏艰苦恶劣的自然环境下，天气预报、路线导航、数据录入和导出等各项功能运行稳定，受到带队教师和学生们的一致好评。学生通过该软件能够随时随地轻松实现知识点的学习，极大地激发了大家学习的热情。同时，数据的导出功能节省了学生进行数据录入和资料整理的时间，避免了人工出现的低级错误，提高了实习效率。

五、结语

基于Android平台研发设计的主要应用于地质认识实习的野外地质教学系统模块丰富，功能完善，运行稳定。今后，在此APP基础上根据需要对内容稍作调整，则可以应用于地质专业其他野外实习，以及西藏大学校土木工程、交通工程等专业的地质基础实习，具有十分广泛的应用前景。在科技的迅猛发展的今天，对于高校教学方式尤其是地质专业等较为传统的理工专业教学方式提出了巨大挑战，同时也是十分难得的机遇，相信经过几年的发展，未来我们对VR、AI等技术在地质课堂的普遍应用充满期待[15-16]。