移動GIS的元素采集分析系統的設計

劉颯，徐戰亞，邵柏韜，辛后林

（1.中國地質大學（武漢）信息工程學院，武漢 430074；2.武漢中地數碼科技有限公司 ）

引 言

目前國內移動GIS的發展非常迅速，涵蓋了位置服務、無線服務、定位導航等眾多領域[1－2]。本文利用移動GIS技術，基于尼通手持式元素分析儀（以下簡稱“尼通元素分析儀”）設計并實現了礦物元素的實時實地快速分析，進而實現了移動GIS在野外勘探行業的深入應用，取得了良好的應用效果。

1 移動GIS系統

1.1 移動GIS系統組成

如圖1所示，移動GIS系統基于智能移動終端，集成了先進的移動計算技術、地圖數據管理技術、GPS定位技術、移動互聯技術[3－5]，大大拓展了GIS系統的應用領域，有效地提高了GIS信息采集和數據處理的方便性和實時性。在野外勘探領域，利用移動GIS技術，可以有效地實現野外工作者和GIS中心部門之間的數據傳輸[6]。

1.1.1 移動計算技術

移動計算是資源及時共享的基礎。移動計算技術使得智能終端設備在無線環境下實現數據傳輸及資源共享[7－8]。將移動計算技術應用到空間信息服務中，將實現不受任何時間和空間局限的互動，為基于空間的作業系統提供全新的作業模式。

圖1 移動GIS系統結構

1.1.2 地圖數據管理技術

移動GIS把一個優化的GIS數據庫引擎嵌入到小型移動設備上，占用內存非常小，因此，如何對地圖數據進行有效管理，使之具有很強的顯示表達能力和高性能訪問功能至關重要[9]。在移動終端設備上對地圖數據的管理，既包括對矢量數據、遙感影像數據的管理，又包括對用戶數據的管理。

1.1.3 GPS定位技術

GPS的定位信息可通過GIS在移動終端上實時準確地反映出來。移動終端接收到GPS信息[10]，通過其本身或網絡服務中心進行處理，實現地圖實時定位和地理位置的可視化顯示。

1.1.4 移動互聯技術[11]

借助于兩種無線接入方式——藍牙和GPRS[12]，完成移動終端與服務器交換數據的過程。通過無線可以從服務器實時獲取地圖數據和專業數據，也可以向服務器實時傳遞當前移動終端的坐標數據或者采集的空間信息。這樣，移動終端、無線網絡、數據中心三者密切協作起來，實現數據采集人員與中心管理部門之間的通信。

1.2 移動GIS的應用集成方法

移動GIS是GIS從靜態走向動態環境的重大發展，它的應用往往與具體的服務或需求緊密結合，在數據的管理和地圖的操作上也非常靈活。常見的集成方式是將嵌入式GIS、遙感、GPS定位系統和無線通信集成起來，以形成一個滿足移動用戶對地理環境及位置信息需求的導航定位系統[13]。例如，在野外數據采集中，配合電子地圖、遙感影像和定位模塊，移動智能終端將能更好地完成各種數據的采集分析業務。

2 尼通元素分析儀

尼通元素分析儀附有移動互聯功能，能夠與GPS共同在野外使用，實現實時實地的準確分析。在野外應用中，它每天可分析700個樣品，并可同時分析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。在勘探找礦領域中，可以利用它直接測試礦石、土壤等樣品，能夠在短時間內對合金或者地質礦物進行快速準確的元素分析，確定物質的基本成分，大大縮短了找礦周期，能夠滿足地礦行業的需求。

圖2 尼通元素分析儀及其分析界面

3 系統與功能設計

3.1 系統架構設計

本系統共分為三個層次：尼通元素分析儀、嵌入式GIS設備和數據中心服務器。系統架構設計如圖3所示。

圖3 系統架構設計

尼通元素分析儀是本系統的主要業務數據來源，經它分析后得到的數據為元素的名稱及其所占的百分比含量；嵌入式GIS設備主要負責與尼通元素分析儀和數據中心服務器進行數據通信，同時還實現元素數據的解析與管理、GPS定位以及數據的綜合顯示等功能；數據中心服務器負責將嵌入式GIS設備轉接過來的物質成分分析結果存儲，同時分析并響應各應用部門對數據處理的請求，為實際應用或快速決策提供支持。

3.2 嵌入式GIS軟件設計

嵌入式GIS軟件在整個框架中扮演如下角色：一是通過藍牙和尼通元素分析儀之間進行數據交互；二是通過GPRS網絡將當前GPS位置信息和元素分析結果數據發送至數據中心服務器。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 數據中心服務器設計

數據中心服務器主要負責后臺數據的管理、終端監控和數據分析應用。其所管理的數據，主要包括基礎地形圖數據、嵌入式設備提交的GPS軌跡數據以及嵌入式GIS設備端的物質元素分析結果數據。這些數據既可以以文件的形式放在本地，也可以通過MapGIS K9提供的數據庫接口，將數據上載至商業數據庫中。此外，數據中心服務器還承擔著對物質元素分析結果數據的再處理，并將再處理的結果以柱狀圖、餅圖、報表等多種形式予以呈現。

3.4 系統主要功能

如圖5所示，系統提供以下主要服務功能。

地圖服務：地圖的平移、縮放，圖層狀態的設置，地圖圖層的編輯，如添加點、線或區要素。

GPS定位：GPS設備的打開、關閉，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、轄區查詢、組合查詢等多種查詢方法。

數據分析：包括柱狀圖、折線圖、餅狀圖。

拍照功能：拍照記錄當前采樣區域的實景信息。

無線通信：嵌入式GIS設備通過無線網絡與尼通元素分析儀和數據中心服務器進行通信。

圖5 系統主要功能

4 系統關鍵技術設計

4.1 元素數據傳輸與管理

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設備進行數據交互時，只能通過藍牙接收一串連續的字符流，并不能直接得到此種格式的數據。因此，需要從傳來的字符串中提取出元素名稱和百分比含量，這樣解析后的數據才方便在嵌入式GIS設備端進行進一步的分析與處理。

另外，整幅地圖的GIS空間數據量往往非常大，可以設置一個狀態開關（打開、關閉或編輯），僅僅調入所需的圖層數據，這樣在程序內存中就只存在當前需要研究的圖層區域。在本系統中，點圖層與采樣區域表格一一對應，圖層屬性結構與表中字段一一對應，定位點的數據加上相應的屬性數據即可形成嵌入式GIS軟件可讀取的點圖層數據，真正實現了空間數據的顯示、編輯功能。

4.2 藍牙與GPRS技術

本系統使用藍牙來實現尼通元素分析儀與嵌入式GIS設備之間的數據通信。首先是搜索藍牙設備，發現設備后要進一步知道藍牙設備的GUID號。藍牙設備查找流程如圖6所示。得到相關設備信息后，在采集數據時建立一個接收數據的線程，進一步得到數據信息。

將數據傳回服務器的實現主要是利用手機的GPRS功能向服務器發送數據，主要用到的類庫為Connection Manager系列API，集中管理基于 Windows Mobile系列的設備網絡連接的建立與維護[14]。首先，利用ConnMgrApiReadyEvent（）函數來確認是否有可用連接，如果有的話則利用ConnMgrEnumDestinations（）函數枚舉所有可用連接，之后遍歷可用連接。發起連接需要調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器進行通信了。移動終端界面和數據中心界面的顯示結果分別如圖7和圖8所示。

圖6 藍牙設備查找流程

圖7 移動終端界面顯示結果

圖8 數據中心界面顯示結果—折線圖和餅狀圖

結 語

通過與GIS結合在智能移動終端上開發了礦產元素采集分析系統，實現了地圖導航、數據采集、數據分析和移動數據傳輸等功能。該系統使物質元素分析變得簡單而且科學，可以解決長期以來礦產企業在野外采集數據后再帶回實驗室導致的工作效率低下的問題，對提高礦產企業的生產效率和信息化水平具有重要意義。

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