基于ArcGIS for Android的草海湿地植物资源数据采集系统设计与实现
2023-10-23李怡
李 怡
(江西理工大学土木与测绘工程学院,342300,江西,赣州)
0 引言
草海湿地是贵州最大的天然高原,也是我国最大的岩溶构造湖,目前草海水面的平均海拔高度为2 171.7 m,被誉为“高原明珠”[1]。由于其生态经济、社会价值较高,给人类的生活带来了不可替代的作用,因此具有重要的生态、环境和经济价值[2]。传统的野外调查方式存在时间长、效率低、数据精度低等问题,而移动GIS技术的应用可有效地提高植物资源数据采集的效率和精度[3-5]。近几年来,随着移动GIS的发展,Andriod智能手机的普及,GPS技术的成熟,基于Andriod平台的数据采集系统也越来也广泛[6-8]。
国内外研究者们开发了多种植物资源数据采集系统,利用移动GIS技术在移动设备上实现数据的采集、存储、处理和展示。ESRI公司针对基于ArcGIS for Android的数据采集系统一直处于前沿研究,提供了二次开发工具、定位导航、数据采集等数据处理方案,为开发者提供了强大的开发环境,方便实现各种功能的开发[9-10]。国内在基于Android平台的数据采集系统技术和GIS技术方面都有深入的研究和发展,广泛应用于各行各业[11]。UCMap公司提供的Android平台下移动GIS解决方案早在2009年跬步科技就推出了UCMap SDK for Android的移动GIS开发组件,也是国内最早推出基于Android平台的移动GIS组件[12]。
1 开发体系架构及开发环境
1.1 开发体系架构
本文的植物资源数据采集系统是在Android平台下使用Java开发语言来完成草海湿地植物资源数据采集系统的设计与实现。该系统可自由加载草海湿地的DOM底图数据,以同步采集植物资源数据。Android平台的开发体系架构主要组成部分见表1。
表1 Android体系架构
1.2 开发环境
本系统设计使用Android studio为开发环境、SDK软件开发工具包、JDK工具及ADT工具,以Java为开发语言,Android SDK为移动开发组件。
1.2.1 平台搭建准备 主要开发工具及作用与用途见表2。
表2 开发工具的作用与用途
1.2.2 环境安装配置流程 Android开发环境的部署有以下5个步骤:1)下载并安装JDK;2)配置Windows上的JDK环境变量;3)安装Android studio;4)安装Android SDK;5)安装ADT插件。具体流程如图1所示。
图1 开发环境部署流程
2 系统总体设计
2.1 数据存储方式
在Android平台开发中进行数据存储主要有以下几种方式:1)使用Shared Preferences存储数据;2)使用文件存储数据;3)使用SQLite数据库存储数据;4)使用Content Provider存储数据;5)使用网络存储数据。
本系统设计的野外植物资源数据采集系统中关于用户信息、采集的数据信息及一些基本的植物资源的属性数据等信息,均采用了SQLite数据库来存储和管理的。
2.2 系统需求分析
2.2.1 功能需求 根据数据采集的相关规程和要求,在业务功能上应满足如下要求:1)实现不同的采集方式采集植物资源数据:样点法、样方法、样线法等;2)实现数据采集的功能:拍照、拍摄样点,记录样点的生态位置坐标信息等;3)调查数据的维护;4)地图查询及线路回溯。
2.2.2 数据需求 在数据库中需要存储数据的相关字典数据,如层次表、生境表等。其次是数据底图,通过加载底图数据能够快速定位到采集样点的位置。对于植物资源外调系统功能结构如图2所示。
图2 系统功能结构
2.3 设计原则及层次模块
本系统的设计遵循层次性、模块性等设计原则,将草海湿地植物资源的数据采集系统分成3个层次:终端应用层、数据访问层、数据存储层,5个模块:数据采集(拍照)、本地访问、SQLite数据库、GNSS定位(地图定位)、自由加载底图(底图操作)。
2.4 逻辑设计
主要逻辑设计思路包括以下步骤:1)打开GNSS系统获取信号;2)根据GNSS定位到采集对象并拍照采集;3)存储采集数据。
2.5 主要功能设计
在移动客户端的几个主要功能包括:1)GNSS定位功能,采集员地理位置信息和采集目标经纬度坐标(WGS-84,B,L)的实时点位数据,并将其转换成平面坐标(X,Y);2)拍照功能,记录植物资源数据属性信息并存储在数据库中;3)加载底图功能,加载草海的在线地图以帮助采集员更有效地判断所采集目标数据的各种信息。
2.6 数据库设计
本文基于Android操作系统和SQLite数据库进行草海湿地植物资源移动数据采集系统的设计和实现。进行了需求分析和数据库设计步骤,包括概念结构和逻辑结构设计,并进行了数据库的创建、编制和调试。根据系统的功能结构,数据库中的实体可以分为两类:字典表和业务表。本系统设计的植物资源数据库E-R模型图如图3所示。
图3 E-R模型
根据上述E-R模型,可总结出该系统包含的字典表类型和各字典表包含的字段,及业务采集的业务表。各个字典表的字段见表3至表9。
表3 层次表
表4 物候期表
表5 受威胁因素表
表6 生境表
表7 生态位置表
表8 用途表
表9 采集人信息表
植物又分为不同的科属种,种是植物种类的最小区分单位,在科的上级还有界门纲目,本系统的设计只限于植物的科属种。物种表、属名表、科种表见表10至表12。
表10 物种表表
表11 属名表
表12 科名表
对于数据采集,本系统为采集员设计提供了样点采集法、样方采集法和样线采集法。
样点法调查表存储数据库中各个样点的数据,是通过选中一个样点目标采集多个角度的样点数据,考虑到不同季节下形态、颜色等变化。单独采集某一个样点数据时,样点编号自动生成。在样方范围内或样线范围内采集多个样点时,需手动输入样点编号,2种样点表结构相同,见表13。
表13 样点表
样方调查表是一种数据存储表格,其方法是通过确定调查范围和样方边长,选择采集起点并根据方位确定样方的4个点,然后采集每个顶点的样点的4个植物资源数据。这种方法是针对地形地貌特征而设计的,可以对样方内的植物资源进行调查记录,详见表14。
表14 样方表
样线调查表存储了采用样线法调查得到的所有数据,该方法通过选定地段并在两侧选取一定距离范围,沿着该线段进行数据采集,详见表15。
表15 样线表
每个样点都以照片的形式存储在数据库中,并以路径的方式进行存储。在照片存储表中,一个样点号可以对应多张照片,因此这两张表之间形成了一对多的关系。照片存储表中的照片ID是主键,而样点表中的样点编号是外键,用于建立这两张表之间的联系。此外,照片存储表也是数据库中的字典表,见表16。
表16 照片表
通过以上的数据表设计,完成植物资源数据的采集后,可将数据存储在一个数据集表中。这个表只需要填写采集数据的ID号即可,这样设计的好处是当采集数据发生变化时,只需修改对应数据表中的字段内容,而ID号不会变化,从而减少了数据采集的工作量,提高效率。
2.7 界面布局的设计
安卓开发中的布局方式,包括线性布局、相对布局、表格布局、绝对布局和帧布局,布局方式的不同会影响整个页面的布局和控件的排列方式,其中每种布局方式都有不同的属性和特点。友好的界面设计可以简化操作,提高用户体验。
本系统的设计主要运用了安卓的线性布局和相对布局。根据系统的功能需求,对其界面设计主要为如下两大模块:1)主界面;2)数据采集界面。主界面的设计简图如图4所示,采集方法的界面如图5所示。
图4 主界面简图
图5 采集方法
采集信息之前需要手动将采集员信息的信息录入数据库中,然后再进行拍照采集数据,如图6所示。
图6 采集界面和采集人员信息
3 主要功能的开发与实现
3.1 界面实现
本系统的界面布局主要采用线性布局和相对布局,线性布局可实现水平或垂直排列,通过“android orientation”属性来控制;相对布局则通过指定ID号来建立与其他组件的位置关系。实现布局的关键代码,如图7所示。
图7 界面布局关键代码
3.2 定位实现
GNSS是获取样点位置坐标,通过initLocationClicntOption类来初始化定位相关参数,设置完成之后添加定位监听器。定位功能实现的关键代码,如图8所示。
图8 定位实现关键代码
3.3 拍照实现
拍照功能主要实现步骤是先用urfaceHolder实现对SurfaceView的回调,然后对SurfaceCreate函数进行重写,实现对Camera的初始化等一系列工作。最后再用SurfaceChange对Camera进行一系列初始化。拍照功能实现的关键代码,如图9所示。
图9 拍照实现关键代码
3.4 加载底图
加载在线地图实现的关键代码,如图10所示。
图10 加载地图关键代码
4 结论
本研究设计并实现了草海湿地植物资源数据采集系统,并展示了移动GIS技术在生态环境研究和资源管理中的潜力和优势,概况为以下几点。
1)设计和实现了基于ArcGIS for Android的草海湿地植物资源数据采集系统。
2)采用移动GIS技术实现了对草海湿地植物资源的实时采集、处理和管理。
3)在数据采集时采用了样点、样方和样线方法,并提供了拍照的采集功能。
4)在数据库设计中采用了SQLite存储植物资源的各种字典属性数据,简化了传统的手动记录操作流程,提高了工作效率。
5)展示了移动GIS技术在生态环境研究和资源管理中的应用前景,具有一定的示范和推广意义。随着移动终端设备的普及和技术的不断发展,未来移动GIS技术在该领域的应用前景将更加广阔。
