基于Android平臺(tái)的移動(dòng)GIS研究與實(shí)現(xiàn)

張俊杰，張海燕，羅 銳

（北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，北京100083）

0 引 言

移動(dòng)GIS是基于移動(dòng)計(jì)算環(huán)境下的地理信息系統(tǒng)，運(yùn)行于移動(dòng)終端設(shè)備，并具有桌面GIS部分主要功能［1］。由于組成移動(dòng)GIS的大量新技術(shù)，如移動(dòng)接入技術(shù)，移動(dòng)訪問方式，移動(dòng)終端的快速發(fā)展，移動(dòng)GIS已經(jīng)能夠提供實(shí)時(shí)的空間信息 “4A服務(wù)”［2］。對(duì)于工作人員，使用智能手機(jī)上的數(shù)字地圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的紙制地圖，通過可視化的圖形編輯和屬性查詢等操作，從而高效完成工作任務(wù)；對(duì)于普通用戶，可以隨時(shí)隨地動(dòng)態(tài)地獲得地里信息，如自己所處的位置，距離最近的餐館，而不再需要查看紙制地圖或者撥打114求助，移動(dòng)GIS正成為人們生活中的一種重要的信息服務(wù)。國(guó)內(nèi)外眾多GIS廠商、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器廠商、地里信息標(biāo)準(zhǔn)化組織以及終端設(shè)備廠商相繼推出了一些解決方案。如ESRI公司的ArcPad，Oracle公司的Oracle9iAS Wireless，北京超圖軟件的eSuperMap，南京跬步科技的UCMap，OGC的OpenLS等。這些方案相對(duì)完善，在各自領(lǐng)域提供著各種移動(dòng)GIS服務(wù)［3－7］，目前國(guó)內(nèi)移動(dòng)GIS領(lǐng)域開發(fā)主要集中在基于以上方案的應(yīng)用軟件開發(fā)，對(duì)移動(dòng)GIS平臺(tái)的研究和開發(fā)較少。另外，這些方案也存在一些不足，如支持的移動(dòng)終端種類有限，不同廠商間的異構(gòu)空間數(shù)據(jù)無法共享，采用較多專有技術(shù)，二次開發(fā)困難等［8］。為此，本文詳細(xì)探討了基于智能手機(jī)的移動(dòng)GIS軟件平臺(tái)的開發(fā)原理和方法，并在Android平臺(tái)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套自主靈活輕便的移動(dòng)GIS基礎(chǔ)軟件平臺(tái)。

1 移動(dòng)GIS體系結(jié)構(gòu)

移動(dòng)GIS軟件平臺(tái)的邏輯最底層是嵌入式操作系統(tǒng)，如Android，iOS和 Windows Mobile等；在其上面一層是空間數(shù)據(jù)管理模塊，管理移動(dòng)GIS空間數(shù)據(jù)，同時(shí)負(fù)責(zé)與桌面GIS或者WebGIS進(jìn)行同步傳輸數(shù)據(jù)；再上面一層是移動(dòng)GIS平臺(tái)的基本功能模塊集，包括空間數(shù)據(jù)可視化、屬性查詢、投影變換和GPS集成等，該層的各模塊可以根據(jù)需要進(jìn)行裁剪或增加；最上面一層是面向用戶使用的各種移動(dòng)GIS服務(wù)軟件，如圖1所示。圖1顯示了研究開發(fā)移動(dòng)GIS平臺(tái)時(shí)所必須包含的幾個(gè)基本模塊。

圖1 移動(dòng)GIS體系結(jié)構(gòu)

2 移動(dòng)GIS關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 空間數(shù)據(jù)管理

空間數(shù)據(jù)文件在內(nèi)存中是按圖層的方式進(jìn)行組織和管理的，分點(diǎn)圖層、線圖層和面圖層等，不同圖層負(fù)責(zé)管理對(duì)應(yīng)實(shí)體類型，如點(diǎn)圖層對(duì)應(yīng)點(diǎn)實(shí)體，線圖層對(duì)應(yīng)線實(shí)體，面圖層對(duì)應(yīng)面實(shí)體，見表1。每個(gè)實(shí)體至少包含著幾何特征數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù)兩方面內(nèi)容，復(fù)雜情況下還包括拓?fù)潢P(guān)系等，見表2。

表1 圖層及實(shí)體類型對(duì)照

表2 空間數(shù)據(jù)內(nèi)容

空間數(shù)據(jù)管理的核心就是對(duì)圖層和實(shí)體的管理。采用現(xiàn)代高級(jí)程序語(yǔ)言開發(fā)時(shí)，一般以面向?qū)ο蟮姆绞浇M織圖層和實(shí)體。例如先定義BaseShape抽象基類，PointShape、LineShape和PolygonShape根據(jù)自己的性質(zhì)分別繼承Base－Shape。對(duì)圖層的操作主要包括打開、編輯、插入、刪除以及關(guān)閉等；對(duì)實(shí)體的操作主要包括增加、刪除、修改以及檢索等。

在移動(dòng)GIS中，由于移動(dòng)設(shè)備屏幕和分辨率等資源的限制，任意時(shí)刻用戶只是看到某個(gè)圖像的概貌或該圖的某一個(gè)局部的詳細(xì)部分，即任何時(shí)刻用戶只是瀏覽本幅圖全部圖形對(duì)象中的一個(gè)較小子集。因此，一般需要建立空間索引提高圖形對(duì)象的存取效率。例如在ESRI開發(fā)的矢量數(shù)據(jù)格式Shapefile中，除了記錄每個(gè)實(shí)體的坐標(biāo)數(shù)據(jù)外，還記錄著該實(shí)體的最小外包矩形［9］，如圖2所示。一般采用K－D樹、K－D－B樹、BSP樹、R樹、四叉樹等算法將地理空間網(wǎng)格劃分［10］，每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)本區(qū)域所關(guān)聯(lián)的圖形對(duì)象列表和本區(qū)域地理范圍，非葉子節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)區(qū)域的地理范圍。

圖2 實(shí)體最小外包矩形

2.2 空間數(shù)據(jù)可視化

空間數(shù)據(jù)可視化就是在移動(dòng)設(shè)備上對(duì)空間數(shù)據(jù)包括點(diǎn)實(shí)體、線實(shí)體和面實(shí)體進(jìn)行圖形化顯示。實(shí)現(xiàn)可視化顯示的第一步就是進(jìn)行圖形坐標(biāo)變換，即從地圖的平面坐標(biāo)到設(shè)備的顯示屏坐標(biāo)的變換。完成這一坐標(biāo)變換首先要明確圖形坐標(biāo)和設(shè)備坐標(biāo)兩個(gè)概念，圖形坐標(biāo)是指GIS存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)所采用的坐標(biāo)，也就是大部分教材和程序員稱之的邏輯坐標(biāo)；設(shè)備坐標(biāo)是當(dāng)前要顯示的圖形對(duì)應(yīng)于設(shè)備上的坐標(biāo)，設(shè)備坐標(biāo)又稱屏幕坐標(biāo)；在有些情況下，用戶區(qū)域坐標(biāo)或者窗口坐標(biāo)也稱為設(shè)備坐標(biāo)。主要區(qū)別在于坐標(biāo)原點(diǎn)不同，用戶區(qū)域坐標(biāo)在用戶區(qū)域的左上角，而不是整個(gè)屏幕，窗口坐標(biāo)原點(diǎn)在窗口 （窗體包括標(biāo)題欄等）的左上角，程序開發(fā)中一般很少用到窗口坐標(biāo)。

建立圖形坐標(biāo)系也就是邏輯坐標(biāo)系和設(shè)備坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，在 Windows API編程中，由庫(kù)函數(shù)LptoDP直接轉(zhuǎn)換即可［11］，但在本文中需要自己定義實(shí)現(xiàn)。設(shè)點(diǎn)（xMapO，yMapO）為 圖 形 坐 標(biāo) 原 點(diǎn)， 點(diǎn) （xViewO，yViewO）為設(shè)備坐標(biāo)原點(diǎn)。圖形區(qū)域的擴(kuò)展大小用（xMapRect，yMapRect）表示，設(shè)備區(qū)域的擴(kuò)展大小用（xViewRect，yViewRect）表 示， 將 圖 形 坐 標(biāo) （xMap，yMap）轉(zhuǎn)換為設(shè)備坐標(biāo)（xView，yView）的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

完成空間實(shí)體的可視化顯示后，還要顯示地物等地圖標(biāo)記，即需要設(shè)計(jì)地圖的符號(hào)庫(kù)。符號(hào)是地圖的語(yǔ)言，是地圖的主要表達(dá)方式。與圖層分類相似，地圖符號(hào)分為點(diǎn)狀符號(hào)、線狀符號(hào)以及面狀符號(hào)。點(diǎn)狀符號(hào)在地圖上只顯示為一個(gè)定位點(diǎn)，僅與位置有關(guān)，不因比例尺大小的變化而變化，通常情況下設(shè)計(jì)一種或幾種圖元經(jīng)過不同排列實(shí)現(xiàn)；線狀符號(hào)在地圖上表示線狀類型的地物，長(zhǎng)度隨比例尺大小的變化而變化，而寬度不隨比例尺變化，具有一維方向性；面狀符號(hào)在地圖上表示現(xiàn)實(shí)空間中的二維地物，符號(hào)大小范圍隨比例尺大小的變化而變化。面狀符號(hào)較點(diǎn)狀符號(hào)和線狀符號(hào)都復(fù)雜，需要較多存儲(chǔ)空間，消耗資源也比較大，每次加載需要較多時(shí)間，甚至?xí)?dǎo)致不必要的延時(shí)，而且移動(dòng)GIS服務(wù)通常對(duì)面狀符號(hào)的使用率較低，所以一般在移動(dòng)終端設(shè)備如智能手機(jī)上不實(shí)現(xiàn)面狀符號(hào)，只實(shí)現(xiàn)點(diǎn)狀符號(hào)與線狀符號(hào)［1］。

2.3 空間數(shù)據(jù)查詢

空間數(shù)據(jù)中不僅包含幾何特征信息，而且還具有與幾何信息相聯(lián)的屬性特征信息［12］。幾何特征表示實(shí)體的空間位置和空間關(guān)系，屬性特征表示實(shí)體的現(xiàn)象或者特征，如圖3所示。移動(dòng)GIS需要實(shí)現(xiàn)兩方面的查詢：一是從左到右方向的查詢，稱基于空間特征的查詢，即從幾何實(shí)體到屬性數(shù)據(jù)的查詢；二是從右到左方向的查詢，稱基于屬性特征的查詢，即從屬性數(shù)據(jù)到幾何實(shí)體的查詢。例如，查出中國(guó)地圖數(shù)據(jù)中省面積大于70萬平方千米，人口數(shù)大于2000萬的省份。

圖3 幾何實(shí)體與屬性數(shù)據(jù)連接

3 移動(dòng)GIS主要模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 空間數(shù)據(jù)管理及查詢

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)管理，首先定義SHPInfo和FieldInfo兩個(gè)類用來分別保存幾何特征數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù)在文件流中的索引信息。SHPInfo類和FieldInfo類設(shè)計(jì)如下：

其次，定義描述各圖層在內(nèi)存中的狀態(tài)的類LayerDes。LayerDes類設(shè)計(jì)如下。

空間實(shí)體的加載和顯示由實(shí)體類完成。首先定義抽象基類BaseShape如下：

定義子類PointShape，LineShape和PolygonShape，分別根據(jù)自身性質(zhì)實(shí)現(xiàn)LoadShape（）和DispShape（）方法。圖4顯示了空間數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的邏輯結(jié)構(gòu)。點(diǎn)線面實(shí)體及屬性數(shù)據(jù)查詢的實(shí)現(xiàn)效果圖如圖5所示。

圖4 空間數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)

3.2 空間數(shù)據(jù)可視化

圖5 點(diǎn)線面實(shí)體及屬性效果

實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)可視化的第一步是進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，首先按照2.2節(jié)介紹的圖形坐標(biāo)和設(shè)備坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，然后調(diào)用系統(tǒng)畫圖函數(shù)在設(shè)備上畫圖；第二步是實(shí)現(xiàn)地圖的漫游功能，其主要操作包括放大、縮小、左移顯示和右移顯示、上移顯示，下移顯示和全圖顯示。實(shí)現(xiàn)地圖漫游，主要由地圖起始坐標(biāo) （x，y）和地圖顯示比例scale這3個(gè)參數(shù)控制。用iWidth表示設(shè)備窗口寬度，iHeight表示設(shè)備窗口高度，地圖邊界范圍為 （dxmin，dymin）、（dxmax，dymax），對(duì)x，y，scale的計(jì)算方法如下：

地圖放大通常包括窗口放大和點(diǎn)擊放大兩種操作。實(shí)現(xiàn)地圖放大，需要把描述整個(gè)屏幕大小的iWdith和iHeight兩個(gè)參數(shù)替換成用戶指定的顯示范圍；實(shí)現(xiàn)地圖縮小需要把顯示比例參數(shù)scale縮小，比如乘以一個(gè)小數(shù)0.6，即scale＊＝0.6；地圖左移、右移、上移和下移顯示只要把起始坐標(biāo) （x，y）朝著目標(biāo)移動(dòng)方向增加或減少即可。圖6顯示了系統(tǒng)主界面效果圖。圖6中顯示的＊.mxf文件為系統(tǒng)自定義地圖工程文件。

圖6 主界面效果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出并討論了移動(dòng)GIS的體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法，在此基礎(chǔ)上研發(fā)了一套基于Android平臺(tái)的移動(dòng)GIS基礎(chǔ)軟件移動(dòng)MapGIS。移動(dòng)MapGIS主要實(shí)現(xiàn)把具有幾何特征和屬性特征的矢量數(shù)據(jù)以面向?qū)ο蟮姆绞浇M織，并以地圖的形式表達(dá)，向人們提供地圖漫游和信息查詢服務(wù)。移動(dòng)MapGIS在雙核1.4GHz主頻、1G內(nèi)存的三星Galaxy Note I9220智能手機(jī)，和雙核1.7GHz主頻、1G內(nèi)存的小米1S智能手機(jī)上經(jīng)真機(jī)測(cè)試，可以無延時(shí)的流暢運(yùn)行。作為一個(gè)完整的移動(dòng)GIS，還應(yīng)根據(jù)用戶具體需求，提供更多的移動(dòng)空間信息服務(wù)，如增加空間分析功能，實(shí)現(xiàn)最短路徑、最優(yōu)路徑求解，增加GPS定位導(dǎo)航功能等，這些內(nèi)容將在下步研究實(shí)現(xiàn)。

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