移動(dòng)GIS的元素采集分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉颯，徐戰(zhàn)亞，邵柏韜，辛后林

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院，武漢 430074；2.武漢中地?cái)?shù)碼科技有限公司 ）

引 言

目前國(guó)內(nèi)移動(dòng)GIS的發(fā)展非常迅速，涵蓋了位置服務(wù)、無(wú)線服務(wù)、定位導(dǎo)航等眾多領(lǐng)域[1－2]。本文利用移動(dòng)GIS技術(shù)，基于尼通手持式元素分析儀（以下簡(jiǎn)稱“尼通元素分析儀”）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了礦物元素的實(shí)時(shí)實(shí)地快速分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)GIS在野外勘探行業(yè)的深入應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 移動(dòng)GIS系統(tǒng)

1.1 移動(dòng)GIS系統(tǒng)組成

如圖1所示，移動(dòng)GIS系統(tǒng)基于智能移動(dòng)終端，集成了先進(jìn)的移動(dòng)計(jì)算技術(shù)、地圖數(shù)據(jù)管理技術(shù)、GPS定位技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)[3－5]，大大拓展了GIS系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，有效地提高了GIS信息采集和數(shù)據(jù)處理的方便性和實(shí)時(shí)性。在野外勘探領(lǐng)域，利用移動(dòng)GIS技術(shù)，可以有效地實(shí)現(xiàn)野外工作者和GIS中心部門(mén)之間的數(shù)據(jù)傳輸[6]。

1.1.1 移動(dòng)計(jì)算技術(shù)

移動(dòng)計(jì)算是資源及時(shí)共享的基礎(chǔ)。移動(dòng)計(jì)算技術(shù)使得智能終端設(shè)備在無(wú)線環(huán)境下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及資源共享[7－8]。將移動(dòng)計(jì)算技術(shù)應(yīng)用到空間信息服務(wù)中，將實(shí)現(xiàn)不受任何時(shí)間和空間局限的互動(dòng)，為基于空間的作業(yè)系統(tǒng)提供全新的作業(yè)模式。

圖1 移動(dòng)GIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.2 地圖數(shù)據(jù)管理技術(shù)

移動(dòng)GIS把一個(gè)優(yōu)化的GIS數(shù)據(jù)庫(kù)引擎嵌入到小型移動(dòng)設(shè)備上，占用內(nèi)存非常小，因此，如何對(duì)地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理，使之具有很強(qiáng)的顯示表達(dá)能力和高性能訪問(wèn)功能至關(guān)重要[9]。在移動(dòng)終端設(shè)備上對(duì)地圖數(shù)據(jù)的管理，既包括對(duì)矢量數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)的管理，又包括對(duì)用戶數(shù)據(jù)的管理。

1.1.3 GPS定位技術(shù)

GPS的定位信息可通過(guò)GIS在移動(dòng)終端上實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映出來(lái)。移動(dòng)終端接收到GPS信息[10]，通過(guò)其本身或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)地圖實(shí)時(shí)定位和地理位置的可視化顯示。

1.1.4 移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)[11]

借助于兩種無(wú)線接入方式——藍(lán)牙和GPRS[12]，完成移動(dòng)終端與服務(wù)器交換數(shù)據(jù)的過(guò)程。通過(guò)無(wú)線可以從服務(wù)器實(shí)時(shí)獲取地圖數(shù)據(jù)和專業(yè)數(shù)據(jù)，也可以向服務(wù)器實(shí)時(shí)傳遞當(dāng)前移動(dòng)終端的坐標(biāo)數(shù)據(jù)或者采集的空間信息。這樣，移動(dòng)終端、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心三者密切協(xié)作起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集人員與中心管理部門(mén)之間的通信。

1.2 移動(dòng)GIS的應(yīng)用集成方法

移動(dòng)GIS是GIS從靜態(tài)走向動(dòng)態(tài)環(huán)境的重大發(fā)展，它的應(yīng)用往往與具體的服務(wù)或需求緊密結(jié)合，在數(shù)據(jù)的管理和地圖的操作上也非常靈活。常見(jiàn)的集成方式是將嵌入式GIS、遙感、GPS定位系統(tǒng)和無(wú)線通信集成起來(lái)，以形成一個(gè)滿足移動(dòng)用戶對(duì)地理環(huán)境及位置信息需求的導(dǎo)航定位系統(tǒng)[13]。例如，在野外數(shù)據(jù)采集中，配合電子地圖、遙感影像和定位模塊，移動(dòng)智能終端將能更好地完成各種數(shù)據(jù)的采集分析業(yè)務(wù)。

2 尼通元素分析儀

尼通元素分析儀附有移動(dòng)互聯(lián)功能，能夠與GPS共同在野外使用，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)實(shí)地的準(zhǔn)確分析。在野外應(yīng)用中，它每天可分析700個(gè)樣品，并可同時(shí)分析Ni、Cu、Ti、Cr、BP、Zn等37種元素。尼通元素分析儀及其分析界面如圖2所示。在勘探找礦領(lǐng)域中，可以利用它直接測(cè)試礦石、土壤等樣品，能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)合金或者地質(zhì)礦物進(jìn)行快速準(zhǔn)確的元素分析，確定物質(zhì)的基本成分，大大縮短了找礦周期，能夠滿足地礦行業(yè)的需求。

圖2 尼通元素分析儀及其分析界面

3 系統(tǒng)與功能設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)共分為三個(gè)層次：尼通元素分析儀、嵌入式GIS設(shè)備和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

尼通元素分析儀是本系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)來(lái)源，經(jīng)它分析后得到的數(shù)據(jù)為元素的名稱及其所占的百分比含量；嵌入式GIS設(shè)備主要負(fù)責(zé)與尼通元素分析儀和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)元素?cái)?shù)據(jù)的解析與管理、GPS定位以及數(shù)據(jù)的綜合顯示等功能；數(shù)據(jù)中心服務(wù)器負(fù)責(zé)將嵌入式GIS設(shè)備轉(zhuǎn)接過(guò)來(lái)的物質(zhì)成分分析結(jié)果存儲(chǔ)，同時(shí)分析并響應(yīng)各應(yīng)用部門(mén)對(duì)數(shù)據(jù)處理的請(qǐng)求，為實(shí)際應(yīng)用或快速?zèng)Q策提供支持。

3.2 嵌入式GIS軟件設(shè)計(jì)

嵌入式GIS軟件在整個(gè)框架中扮演如下角色：一是通過(guò)藍(lán)牙和尼通元素分析儀之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；二是通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將當(dāng)前GPS位置信息和元素分析結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。嵌入式GIS軟件框架如圖4所示。

圖4 嵌入式GIS軟件框架

3.3 數(shù)據(jù)中心服務(wù)器設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器主要負(fù)責(zé)后臺(tái)數(shù)據(jù)的管理、終端監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用。其所管理的數(shù)據(jù)，主要包括基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)、嵌入式設(shè)備提交的GPS軌跡數(shù)據(jù)以及嵌入式GIS設(shè)備端的物質(zhì)元素分析結(jié)果數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)既可以以文件的形式放在本地，也可以通過(guò)MapGIS K9提供的數(shù)據(jù)庫(kù)接口，將數(shù)據(jù)上載至商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中。此外，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器還承擔(dān)著對(duì)物質(zhì)元素分析結(jié)果數(shù)據(jù)的再處理，并將再處理的結(jié)果以柱狀圖、餅圖、報(bào)表等多種形式予以呈現(xiàn)。

3.4 系統(tǒng)主要功能

如圖5所示，系統(tǒng)提供以下主要服務(wù)功能。

地圖服務(wù)：地圖的平移、縮放，圖層狀態(tài)的設(shè)置，地圖圖層的編輯，如添加點(diǎn)、線或區(qū)要素。

GPS定位：GPS設(shè)備的打開(kāi)、關(guān)閉，GPS星云圖瀏覽，GPS快速定位，軌跡記錄及保存功能。

信息查詢：包括圖斑查詢、轄區(qū)查詢、組合查詢等多種查詢方法。

數(shù)據(jù)分析：包括柱狀圖、折線圖、餅狀圖。

拍照功能：拍照記錄當(dāng)前采樣區(qū)域的實(shí)景信息。

無(wú)線通信：嵌入式GIS設(shè)備通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與尼通元素分析儀和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器進(jìn)行通信。

圖5 系統(tǒng)主要功能

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

4.1 元素?cái)?shù)據(jù)傳輸與管理

尼通元素分析儀可以直觀地顯示采集元素名稱和元素成分百分比含量，但它和嵌入式GIS設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，只能通過(guò)藍(lán)牙接收一串連續(xù)的字符流，并不能直接得到此種格式的數(shù)據(jù)。因此，需要從傳來(lái)的字符串中提取出元素名稱和百分比含量，這樣解析后的數(shù)據(jù)才方便在嵌入式GIS設(shè)備端進(jìn)行進(jìn)一步的分析與處理。

另外，整幅地圖的GIS空間數(shù)據(jù)量往往非常大，可以設(shè)置一個(gè)狀態(tài)開(kāi)關(guān)（打開(kāi)、關(guān)閉或編輯），僅僅調(diào)入所需的圖層數(shù)據(jù)，這樣在程序內(nèi)存中就只存在當(dāng)前需要研究的圖層區(qū)域。在本系統(tǒng)中，點(diǎn)圖層與采樣區(qū)域表格一一對(duì)應(yīng)，圖層屬性結(jié)構(gòu)與表中字段一一對(duì)應(yīng)，定位點(diǎn)的數(shù)據(jù)加上相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)即可形成嵌入式GIS軟件可讀取的點(diǎn)圖層數(shù)據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)的顯示、編輯功能。

4.2 藍(lán)牙與GPRS技術(shù)

本系統(tǒng)使用藍(lán)牙來(lái)實(shí)現(xiàn)尼通元素分析儀與嵌入式GIS設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。首先是搜索藍(lán)牙設(shè)備，發(fā)現(xiàn)設(shè)備后要進(jìn)一步知道藍(lán)牙設(shè)備的GUID號(hào)。藍(lán)牙設(shè)備查找流程如圖6所示。得到相關(guān)設(shè)備信息后，在采集數(shù)據(jù)時(shí)建立一個(gè)接收數(shù)據(jù)的線程，進(jìn)一步得到數(shù)據(jù)信息。

將數(shù)據(jù)傳回服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)主要是利用手機(jī)的GPRS功能向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，主要用到的類庫(kù)為Connection Manager系列API，集中管理基于 Windows Mobile系列的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接的建立與維護(hù)[14]。首先，利用ConnMgrApiReadyEvent（）函數(shù)來(lái)確認(rèn)是否有可用連接，如果有的話則利用ConnMgrEnumDestinations（）函數(shù)枚舉所有可用連接，之后遍歷可用連接。發(fā)起連接需要調(diào)用同步或異步連接方法（ConnMgrEstablishConnectionsync（）與ConnMgrEstablishConnection（）），一旦連接成功就可以與服務(wù)器進(jìn)行通信了。移動(dòng)終端界面和數(shù)據(jù)中心界面的顯示結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

圖6 藍(lán)牙設(shè)備查找流程

圖7 移動(dòng)終端界面顯示結(jié)果

圖8 數(shù)據(jù)中心界面顯示結(jié)果—折線圖和餅狀圖

結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)與GIS結(jié)合在智能移動(dòng)終端上開(kāi)發(fā)了礦產(chǎn)元素采集分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地圖導(dǎo)航、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。該系統(tǒng)使物質(zhì)元素分析變得簡(jiǎn)單而且科學(xué)，可以解決長(zhǎng)期以來(lái)礦產(chǎn)企業(yè)在野外采集數(shù)據(jù)后再帶回實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)致的工作效率低下的問(wèn)題，對(duì)提高礦產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率和信息化水平具有重要意義。

[1] 王攀，移動(dòng)GIS及其新應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息，2006，29（5）：131.

[2] Konstantinos P Demestichas，Evgenia F Adamopoulou，John G Markoulidakis.Towards Anonymous Mobile Community services[J].Journal of Network and Computer Applications，2009（32）：116－134.

[3] 許穎，魏峰遠(yuǎn).移動(dòng)GIS關(guān)鍵技術(shù)及開(kāi)發(fā)模式探討[J].測(cè)繪與空間地理信息，2008，31（4）：45－47.

[4] 李成名，王繼周，劉勇.移動(dòng)GIS的原理、方法與實(shí)踐[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2004，29（11）：990.

[5] 田根，張錦，童小華.基于移動(dòng)的嵌入式 GIS[J].GIS技術(shù)，2004（1）：49－52.

[6] 江柳斌.基于移動(dòng)GIS的林業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].桂林：桂林理工大學(xué)，2009.

[7] 張德干.移動(dòng)計(jì)算[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[8] 李德仁，李清泉，謝智穎，等.論空間信息與移動(dòng)通信的集成應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2002（2）：1－8.

[9] Aphrodite Tsalgatidou etc.Mobile E－Commerce and Location－Based Services：Technology and Requirements[C]／／Proc the 9th Scandinavian Research Conference on Geographical Information Science.Espoo，F(xiàn)inland，2003：1－14.

[10] 黃勁松，劉峻寧，劉成寶，等.GPS信號(hào)噪聲比研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2007，32（5）：427－430.

[11] Eric Gervais，Hongsheng Liu，Doron Nussbaum，et al.Intelligent map agents－An ubiquitous personalized GIS[J].ISPRS Journal of Photogrammetry ＆ Remote Sensing，2007（62）：347－365.

[12] 李華.現(xiàn)代移動(dòng)通信新技術(shù)——GPRS系統(tǒng)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2001.

[13] Meng Liqiu.Egocentric design of map－based mobile services[J].The Cartographic Journal，2005，41（1）：5－13.

[14] 龍明，王青山.基于 Windows Mobile的移動(dòng)GIS研究[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，24（6）：459.