公(鐵)路線調(diào)數(shù)據(jù)采集的移動GIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

繆 鹍，田家凱，唐軍軍，周 干

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

公(鐵)路線調(diào)數(shù)據(jù)采集的移動GIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

繆 鹍，田家凱，唐軍軍，周 干

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

線調(diào)數(shù)據(jù)采集是公(鐵)路設(shè)計(jì)中外業(yè)勘測工作的重要內(nèi)容之一。文中應(yīng)用移動GIS、移動數(shù)據(jù)庫等相關(guān)技術(shù)，以提高公(鐵)路線調(diào)數(shù)據(jù)采集的作業(yè)效率為目的，綜合利用Eclipse 開發(fā)平臺及移動GIS 二次開發(fā)組件，搭建基于移動端的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，建立公(鐵)路線調(diào)數(shù)據(jù)采集平臺，實(shí)現(xiàn)公(鐵)路線調(diào)數(shù)據(jù)的前期處理、在線及離線模式下的線調(diào)數(shù)據(jù)采集功能，提出利用移動GIS 進(jìn)行公(鐵)路線調(diào)數(shù)據(jù)采集的新模式，為擺脫傳統(tǒng)的紙質(zhì)作業(yè)模式提供新思路。

公路設(shè)計(jì)；鐵路設(shè)計(jì)；外業(yè)線調(diào)；移動GIS；Android

鐵路、公路等設(shè)計(jì)的前期，必須進(jìn)行勘測調(diào)查，外業(yè)線路調(diào)查(線調(diào))是其中的一項(xiàng)重要工作，其主要工作內(nèi)容是對線路周邊的房屋、農(nóng)田(青苗補(bǔ)償)、既有公路、電力通訊等設(shè)備，以及其他與設(shè)計(jì)相關(guān)的典型地物信息的采集及匯總，目的在于提出拆遷及征收的數(shù)量及設(shè)計(jì)參考。公路、鐵路距離長，線調(diào)工作量大，不僅外業(yè)工作條件差，而且還要進(jìn)行繁復(fù)的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理、錄入、匯總和統(tǒng)計(jì)。

移動GIS從20世紀(jì)末開始出現(xiàn)到現(xiàn)在已得到巨大的發(fā)展，它將先進(jìn)的移動通信技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)集成到移動終端上(如智能手機(jī)、掌上電腦等)，在移動設(shè)備上實(shí)現(xiàn)桌面GIS的功能。智能手機(jī)具有易于攜帶的特點(diǎn)，基于其開發(fā)的工作平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可直接在手機(jī)上完成線調(diào)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、整理，不僅方便靈活，而且節(jié)省內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理這一工作環(huán)節(jié)，提高線調(diào)數(shù)據(jù)采集的效率，從而促進(jìn)勘測設(shè)計(jì)一體化。此外，智能手機(jī)的GPS功能可以通過反映出的手機(jī)中當(dāng)前位置與地形圖上線路位置導(dǎo)引線路及地物定位，方便的拍照功能也可將照片作為地物屬性的一部分，為線調(diào)工作提供輔助工具。目前的外業(yè)工作、數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)處理等工作仍然沿襲傳統(tǒng)的紙質(zhì)作業(yè)方式，這樣的工作模式在外業(yè)數(shù)據(jù)采集上可行，但是數(shù)據(jù)后處理的工作量較大，滯后于項(xiàng)目勘測設(shè)計(jì)信息化發(fā)展的腳步[1]。

本文以提高公(鐵)路外業(yè)數(shù)據(jù)采集的工作效率為目的，將移動GIS等技術(shù)與公(鐵)路的外業(yè)線調(diào)數(shù)據(jù)采集工作的特點(diǎn)相結(jié)合，基于廣泛使用的Android移動端，開發(fā)公(鐵)路外業(yè)線調(diào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 Android系統(tǒng)架構(gòu)及移動GIS架構(gòu)

已經(jīng)開發(fā)的移動GIS的應(yīng)用平臺多利用ArcGIS Mobile[2]或MapX Mobile[3]的移動GIS技術(shù)，基于 Windows Mobile系統(tǒng)構(gòu)建，而Android是由 Google以及 Open Handset Alliance(手機(jī)開放聯(lián)盟)共同創(chuàng)建的一款工具包，其開源、免費(fèi)等特性使得其在手機(jī)上的開發(fā)受到開發(fā)者及用戶的青睞。Android系統(tǒng)架構(gòu)采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)，從低層到高層依次是：①Linux內(nèi)核(Linux Kernel)；②Android運(yùn)行時(shí)庫(Android Runtime)；③庫(Library)；④應(yīng)用程序框架層(Application Framework)；⑤應(yīng)用程序及小部件。Android架構(gòu)中，最上方的是用戶直接使用的應(yīng)用程序?qū)印?/p>

移動GIS的體系架構(gòu)[4]主要由以下幾個(gè)方面組成：空間數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用服務(wù)器、應(yīng)用客戶端。整個(gè)體系以應(yīng)用服務(wù)器為核心，空間數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)支持，最終應(yīng)用到移動客戶端，應(yīng)用服務(wù)器和移動客戶端之間，以無線通信網(wǎng)絡(luò)為橋梁進(jìn)行連接。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是基于移動GIS技術(shù)，以Android智能手機(jī)為開發(fā)平臺，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)以及當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)，將地理信息技術(shù)、嵌入式空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及全球衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用到公(鐵)路的外業(yè)線調(diào)數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目中。

2.1 系統(tǒng)開發(fā)運(yùn)行環(huán)境

系統(tǒng)硬件主要包括移動端和服務(wù)器端的設(shè)備： Android系統(tǒng)智能手機(jī)、高性能PC機(jī)及各種配套設(shè)施；軟件系統(tǒng)采用JAVA語言在Eclipse開發(fā)環(huán)境下，基于平臺UCMap for Android進(jìn)行二次開發(fā)，利用ArcGIS軟件進(jìn)行地圖數(shù)據(jù)的處理，在Android 4.3下進(jìn)行APK的檢測。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要分為移動數(shù)據(jù)采集應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層以及中央數(shù)據(jù)處理層[5-7]，圖1是系統(tǒng)的整體邏輯架構(gòu)。

第一部分是“移動數(shù)據(jù)采集應(yīng)用層”，在GPS系統(tǒng)以及移動GIS技術(shù)的支持下，完成對空間圖形數(shù)據(jù)的采集工作，同時(shí)可以按照已經(jīng)定義好的屬性字段進(jìn)行屬性信息的錄入，同時(shí)生成GIS通用的數(shù)據(jù)格式。第二部分是“中央數(shù)據(jù)處理層”，它是連接服務(wù)器端和移動端的重要部分，中央數(shù)據(jù)處理層負(fù)責(zé)對離線數(shù)據(jù)以及在線數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行讀取。第三部分是“數(shù)據(jù)層”，主要包括空間數(shù)據(jù)庫和影像數(shù)據(jù)庫。離線地圖通過將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成矢量數(shù)據(jù)格式并存入SQLite數(shù)據(jù)庫，方便移動端的讀??；在線地圖通過中央控制服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布，在有互聯(lián)網(wǎng)的地方均可以和服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

圖1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

2.3 系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合公(鐵)路的線調(diào)工作流程，根據(jù)用戶的實(shí)際需求和操作要求，系統(tǒng)劃分為5個(gè)主要的功能模塊：數(shù)據(jù)處理(維護(hù))模塊、地圖操作模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、GPS定位模塊、數(shù)據(jù)通訊及存儲模塊。功能的配置如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)的開發(fā)

地形圖數(shù)據(jù)通過離線處理及在線地圖發(fā)布，手機(jī)通過讀取離線地圖及訪問在線地圖服務(wù)進(jìn)行相關(guān)作業(yè)。整個(gè)外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段、數(shù)據(jù)采集階段、數(shù)據(jù)存儲及處理階段，流程如圖3所示。

圖3 公(鐵)路外業(yè)線調(diào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作業(yè)流程

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

受移動設(shè)備硬件的限制，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備在電腦上進(jìn)行，遵循在電腦上能簡單處理的工作，不在移動端完成的原則。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備可以分為以下兩個(gè)階段：

1)圖層數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。前期需要準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)包括區(qū)域路線圖層、各類要素采集圖層以及遙感影像底圖圖層。路線圖層主要為指導(dǎo)數(shù)據(jù)采集路線的行進(jìn)；各類要素采集圖層用來記錄采集的空間數(shù)據(jù)，各個(gè)圖層對于其采集屬性字段進(jìn)行安排；影像底圖層主要是作為底圖使用，給項(xiàng)目提供參考。

2)離線地圖處理、服務(wù)發(fā)布。由于公(鐵)路野外數(shù)據(jù)采集一般處于無線網(wǎng)絡(luò)以及其它資源較難獲取的環(huán)境中，系統(tǒng)整合了離線模式及在線模式結(jié)合的數(shù)據(jù)服務(wù)方式，力圖為公(鐵)路項(xiàng)目野外數(shù)據(jù)的采集、處理以及更新提供方便。

公(鐵)路設(shè)計(jì)多采用dwg格式的數(shù)據(jù)圖，移動GIS平臺讀取數(shù)據(jù)使用的嵌入式空間數(shù)據(jù)庫多是SQLite數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)并不能對dwg文件直接進(jìn)行訪問，因此需要對dwg文件進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，使之適合在移動端進(jìn)行顯示和被編輯。dwg文件格式的數(shù)據(jù)圖，經(jīng)過處理可轉(zhuǎn)換為shp格式數(shù)據(jù)[8]。桌面GIS一般使用的就是shp格式的數(shù)據(jù)，在桌面端，其具有利于數(shù)據(jù)更新和維護(hù)的功能，而在移動端，由于移動設(shè)備的硬件以及地圖綜合理論的不成熟， shp數(shù)據(jù)并不能高效而美觀地顯示于屏幕上。shp格式數(shù)據(jù)經(jīng)過圖層數(shù)據(jù)處理后不能在移動端由程序直接讀取，需先將shp數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到SQLite數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)將由此生成的地形圖數(shù)據(jù)包拷貝到移動端存儲卡內(nèi)，方可完成移動端對地圖數(shù)據(jù)的讀取。

系統(tǒng)支持瓦片地圖數(shù)據(jù)，將切好的底圖瓦片以及平臺提供的OpenSourceMap.xml存儲在SD卡中，以供系統(tǒng)讀取。系統(tǒng)對于經(jīng)過處理的離線數(shù)據(jù)通過MapView和MapControl這兩個(gè)類進(jìn)行讀取和操作。此外，系統(tǒng)提供瓦片和矢量地圖的自動糾偏機(jī)制，可以進(jìn)行矢量和瓦片地圖的疊加使用。

系統(tǒng)支持OGC的WTMS，WMS，WFS，WCS等標(biāo)準(zhǔn)，能夠訪問WMTS，WMS發(fā)布的地圖服務(wù)。對于在線地圖的發(fā)布，可將地圖數(shù)據(jù)添加到Geoserver中，進(jìn)行地圖服務(wù)的配置。發(fā)布的shp格式數(shù)據(jù)避免中文名稱，以免出現(xiàn)亂碼。依次進(jìn)行workspace，Vetor Data Source，Layer Group的添加后，即可配置好地圖服務(wù)，由Geoserver發(fā)布的每個(gè)地圖服務(wù)均可由對應(yīng)的獨(dú)立地址來測試已配好的地圖服務(wù)。 服務(wù)發(fā)布完成，系統(tǒng)可通過無線網(wǎng)絡(luò)對服務(wù)進(jìn)行訪問。用戶可以在室內(nèi)臺式機(jī)對服務(wù)進(jìn)行定期定點(diǎn)維護(hù)，保證服務(wù)站點(diǎn)的穩(wěn)定、正常和安全。

3.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集時(shí)，用戶在地圖上確定待采點(diǎn)的位置，記錄坐標(biāo)信息。用戶完成平面圖形的繪制采集，繪制完成可根據(jù)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段各層屬性字段進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)的輸入，同時(shí)將其在本地保存，在有無線網(wǎng)絡(luò)情況下也可上傳到空間服務(wù)。

在數(shù)據(jù)采集過程中，用戶需要對自己采集的數(shù)據(jù)隨時(shí)查看，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以下查詢方式進(jìn)行地物要素屬性的查詢：

1)地物要素瀏覽查詢。用戶在數(shù)據(jù)采集或是地形圖瀏覽過程中需要了解某個(gè)圖形要素的屬性，可通過信息工具功能對之查看，平臺通過InfoTool接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的查看。系統(tǒng)數(shù)據(jù)由SQLite數(shù)據(jù)庫組織，其處理速率很快(經(jīng)測試，300 M的底圖數(shù)據(jù)在信息顯示時(shí)沒有任何延遲)。圖4為信息查詢界面。

2)快速定位查詢。用戶需要查詢某一位置的某一地物要素的信息，系統(tǒng)提供了快速定位和查詢。用戶可在搜索框內(nèi)輸入圖形要素的某個(gè)屬性，如房屋的戶主姓名等，即可進(jìn)行圖形要素的快速定位，所定位的地物會變色閃爍于屏幕中央，并彈出屬性信息窗口。

對于快速查詢涉及到的類和方法有：

cn.creable.gridgis.geodatabase.FeatureInfo類： 存放地形圖要素信息。

cn.creable.gridgis.controls.MapControl類的這個(gè)方法：

public FeatureInfo[] searchFeature(

String layerName,//圖層名稱

String[] fieldNames, //需要返回的字段數(shù)組；

null String whereClause, //sql條件；

String groundBy, //sql分組子句；

String having, //sql having子句；

String orderBy) //sql排序子句；

快速定位由getMapControl().searchFeature函數(shù)控制。

圖4 信息查詢界面

3)圖形要素修改。系統(tǒng)提供對圖形要素的修改功能，主要包括以下3個(gè)方面：

①圖形節(jié)點(diǎn)修改。圖形節(jié)點(diǎn)，指的是構(gòu)成地物平面圖形的折點(diǎn)。用戶對于初次輸入的圖形要素可能需要進(jìn)一步的修飾和修改，被選中的圖形要素會列出圖形要素所有節(jié)點(diǎn)以供用戶選擇，用戶可對節(jié)點(diǎn)位置修改。

修改圖形節(jié)點(diǎn)須通過在地形圖要素編輯狀態(tài)下，改變要素形狀實(shí)現(xiàn)：

mapView.getMapControl( ).setCurrentTool(

newEditFeatureTool(mapView.getMapControl( )))；

//使地圖處于要素編輯狀態(tài)

editTool.setType(EditFeatureTool.Type_MoveNode)；

//移動要素節(jié)點(diǎn)

對于要素節(jié)點(diǎn)的修改，還包括增加節(jié)點(diǎn)以及刪除節(jié)點(diǎn)，具體做法和上述修改節(jié)點(diǎn)類似，需要將setType函數(shù)中的參數(shù)改為EditFeatureTool. Type_AddNode(Type_DeleteNode)即可。

②圖形要素刪除。圖形要素刪除是采集系統(tǒng)必備的功能之一，地形圖上出現(xiàn)的要素在實(shí)際線調(diào)采集過程中并不存在，可進(jìn)行要素的直接刪除，由函數(shù)DeleteFeatureTool完成。

③圖形要素整體移動。實(shí)際使用中，若發(fā)現(xiàn)地圖上圖形數(shù)據(jù)的位置和實(shí)際位置有所不同，需要對地圖上的圖形整體移動。此方法為上面移動要素節(jié)點(diǎn)的衍生，通過移動全部要素節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

4)要素屬性編輯。地物要素屬性應(yīng)當(dāng)允許用戶添加和編輯，因此，地形圖上的地物要素的屬性可以被提取并在屬性編輯彈框中顯示。對于由GPS模塊采集的圖形信息或是手動添加的圖形信息，系統(tǒng)調(diào)用屬性修改彈窗進(jìn)行屬性信息的添加，確定后響應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部setValues( )及editTool.confirm( )函數(shù)。

3.3 地形圖上的GPS定位

線路還沒有放線時(shí)，勘測人員在外業(yè)需要在野外找到線路的大概位置及方向；放線后，常常需要明確用地界內(nèi)的地物與線路的距離或與線路平面位置的關(guān)系。系統(tǒng)通過調(diào)用Android手機(jī)自帶的GPS功能簡單實(shí)現(xiàn)地形圖上的實(shí)時(shí)定位?；具^程：①調(diào)用GPSCustomDraw類建立GPS跟蹤，做好繪制準(zhǔn)備；②使用onLocationChanged函數(shù)，實(shí)時(shí)刷新GPS位置；③調(diào)用gps.draw( )繪制GPS點(diǎn)及GPS點(diǎn)標(biāo)注文字。

3.4 數(shù)據(jù)存儲及處理

系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集完成之后的空間圖形數(shù)據(jù)以及空間屬性信息，可以由內(nèi)部函數(shù)轉(zhuǎn)化為通用的shp格式數(shù)據(jù)文件，直接傳輸?shù)阶烂娑耸褂?，進(jìn)一步完成數(shù)據(jù)的分類、整理、統(tǒng)計(jì)，滿足各專業(yè)之間的數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)計(jì)軟件的數(shù)據(jù)接口的需要。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)在某實(shí)際鐵路工程外業(yè)線調(diào)數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，項(xiàng)目的采集類別包括新建鐵路周圍的房屋、湖泊、田地等，采集數(shù)據(jù)包括面積、權(quán)屬、類型等。系統(tǒng)將dwg格式地形圖、鐵路中線底圖及影像底圖，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，各類地物要素分層，編輯各個(gè)圖層的要素屬性字段，由于采用離線模式處理地形圖數(shù)據(jù)，無需實(shí)時(shí)和服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。地物圖形及屬性數(shù)據(jù)的添加及編輯是利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊，完成對各類地物的采集、統(tǒng)計(jì)工作。基于移動GIS的公(鐵)路外業(yè)線調(diào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在此新建鐵路項(xiàng)目的應(yīng)用，提高了采集的整體效率以及數(shù)字化水平。

5 結(jié)束語

基于移動GIS技術(shù)，本文從公(鐵)路外業(yè)數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目的實(shí)際需求出發(fā)，從系統(tǒng)的架構(gòu)、功能模塊、關(guān)鍵技術(shù)等方面探討線調(diào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)過程及方法，并首次基于移動GIS在Android移動端開發(fā)公(鐵)路線調(diào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，隨著交通行業(yè)數(shù)字化進(jìn)程的加快，移動GIS在鐵路、公路等外業(yè)勘測中的應(yīng)用必然越來越廣。

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[責(zé)任編輯：張德福]

Design and implementation on field investigation for highway and railway design based on mobile GIS

MIAO Kun,TIAN Jia-kai, TANG Jun-jun, ZHOU Gan

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Data acquisition on field investigation is an important work in highway and railway design. A data collection platform is eatablished to improve efficiency based on the technology of mobile GIS, mobile database. With comprehensive utilization of the eclipse development platform and mobile GIS secondary development component, it sets up the structure of the data acquisition system and a new platform which may function on pre-processing, online mode and off-line mode on field investigation data. The new process provides a new working way to get rid of the traditional operating mode on paper maps.

highway design；railway design；field investigation；mobile GIS；Android

2014-01-14

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(02JJ3040)

繆 鹍(1968-)，男，博士，副教授.

P208

：A

：1006-7949(2014)07-0068-04