面向Android智能移動終端的GIS設計與實現

王 剛，韓振鏢

（1.天津市測繪院，天津300381;2.天津金宇信息技術有限公司，天津300384）

一、引 言

隨著智能終端操作系統技術、無線技術、3G技術及網絡通信技術的不斷發展與成熟，智能移動終端不再僅僅停留在語音通信應用領域，而是逐漸和互聯網應用融為一體，成為互聯網應用最為廣泛的終端之一。特別是隨著Google于2007年11月5日推出專為移動設備設計的開源操作系統——Android［1］以來，各種不同的應用終端軟件如雨后春筍般出現，大大推動了移動終端應用的普及。

傳統的移動GIS受制于硬件移動設備和操作系統，往往只停留在地圖瀏覽方面，極大地制約了移動GIS應用的不斷深入。隨著硬件移動設備，特別是移動存儲設備、移動CPU設備、內存設備等方面的變革，以及開源Android操作系統的成熟，移動GIS技術也得到了質的飛躍。本文將從Android平臺的架構、地圖數據組織、功能實現、關鍵性技術的分析及應用等方面探討智能移動終端GIS實現的相關理論與方法。

二、Android 系統架構［2］

Android系統是一款以Linux為內核、開放式的手機操作系統。和目前存在的其他操作系統類似，其采用分層架構設計，從高層到低層依次為應用程序層、應用程序框架層、系統運行庫層和Linux核心層4 層結構［2］。

1)linux核心層:基于Linux 2.6內核開發，主要用來提供系統的底層服務，是硬件和軟件之間的抽象層。

2)系統運行庫層:包括一組核心庫，提供Java編程語言核心庫的大多數功能及Dalvik虛擬機。

3)應用框架層:連接開發人員所開發應用程序和核心應用程序所需要的API框架。

4)應用程序層:隨同一系列核心應用程序包一起發布的應用程序。

三、移動GIS架構

移動GIS主要由空間數據集、地理信息服務、無線網絡和移動智能軟件終端4部分組成。其中，空間數據集是移動GIS應用的數據基礎，它不僅指存儲在數據庫中的空間數據，而且包括以文件形式存儲在服務器上的地圖或專題數據。無線網絡是連接移動智能終端與地理信息服務的橋梁，其目前主要有兩類:一類是GSM、CDMA、3G等移動通信無線網絡;另一類是WiFi等無線廣域網絡。地理信息服務是GIS核心應用的后臺，借助無線網絡、移動端GIS軟件訪問架設在服務器上的地理信息服務，從而快速、高效地完成相應的GIS功能。移動智能軟件終端則是一種易于攜帶、待機時間長、適合野外環境使用、可以用來快速精確定位地理位置的設備。這四者之間的關系如圖1所示。

圖1 移動GIS關系圖

四、移動GIS應用模式

經過近10年的發展與應用，在空間信息技術、通信技術、GPS技術及移動硬件技術等方面的推動下，移動GIS技術已經逐步成熟并投入到空間信息應用領域。目前，根據移動GIS建立中空間數據使用方式的不同，可以將應用模式劃分為兩大類:一類是離線模式，另一類是在線模式。

1. 離線模式［3］

離線模式主要是指空間信息的獲取、顯示、計算與分析不依賴任何網絡，由移動端自己完成。在這種模式下，安裝在移動終端上的GIS不僅具有存儲、顯示、查詢和空間檢索的功能，而且還能處理一些簡單的空間分析。移動空間信息服務的建立主要側重于空間數據組織和功能服務的開發方面。空間數據可以通過同步機制從計算機上獲取，直接存儲在閃存或存儲卡上;功能服務針對具體的需求而開發。這種模式主要借鑒了單機版GIS應用思路，將空間數據和服務功能移植到移動端上，從而實現本地存儲、管理、計算與分析。

2.在線模式

因空間服務方式的不同，在線模式可劃分為兩類:“有線下載，無線服務［3］”模式和無線網絡模式。

（1）有線網絡模式

有線網絡模式與離線模式的主要區別是在建立移動空間信息服務過程中對空間數據的準備方式不同。前者需要移動終端設備與服務中心的服務器通過有線網絡建立連接，從而下載所需要的空間數據并存儲到本地。由于此種模式下提供的功能服務都是在移動終端本地完成的，因此同離線模式一樣，其具有數據訪問速度快、系統響應及時的優點，而且這種模式在Internet的任一節點都可以更新空間數據和其他數據。

（2）無線網絡模式

無線網絡模式主要是指移動終端設備通過無線網絡與應用服務器建立連接，實時地獲取所需的空間數據和專題數據。此種模式下，所有的服務、空間數據及專題數據都放在連接在互聯網的計算機上，服務的請求和響應都需要無線網絡的支持。這種模式的優點在于保證了數據和服務功能的實時性，應該說是移動空間信息服務的最佳方式和最終目標。

在實際應用中，由于受到無線信號和通信費用方面的制約，移動GIS一般采取有線和無線網絡相結合的模式。對于地圖底圖側重于提供離線地圖包，從而減少網絡實時傳輸的流量;而對于專題信息的查詢，則主要提供在線服務訪問，從而保證信息數據的實時性。

五、系統實現

1.系統架構

在“天地圖·天津”Android版移動GIS建設中，筆者按照前面所述的移動GIS的架構思路，從數據層、地理信息服務層、應用層3方面，設計、搭建并開發了該系統，其架構如圖2所示。

圖2 系統架構圖

從圖2可以看出，數據層主要是為了解決移動GIS應用所需要的空間數據源問題。在建設過程中，筆者將實際應用的空間數據劃分為4類，依次為地圖瓦片數據、專題應用數據、基礎地理數據、街景全景數據;地理信息服務層則在網絡服務器端搭建基于上述4類的遵循OGC WMTS、WFS-G、WPF等國際標準的地理信息服務;通過無線網絡(如Android系統的智能手機、平板電腦)和移動GIS系統完成相應的GIS功能，從而讓GIS觸手可及。

2.數據組織

在移動設備上，傳統的GIS應用底圖一般采用矢量數據，根據顯示窗口的不同實時繪制當前窗口的地圖要素。這種方式的優點在于，有利于數據的動態更新和維護;不足之處在于，由于移動硬件設備和地圖綜合理論方面的不成熟，無法高效、美觀地展示地理空間要素。因此筆者采用地圖瓦片的方式來組織GIS的地圖數據，對于需要在底圖上動態展示的專題點、線、面采取坐標值(坐標串)來存儲和動態繪制，而對于街景全景數據則采取長方體的思想來組織數據。

（1）地圖瓦片數據組織［4］

地圖瓦片分塊策略源于瓦片金字塔模型［5］。在“天地圖·天津”省級節點建設中，筆者按照國家建立的CGCS2000，將全球地圖范圍的坐標定義在［-180°，90°］、［180°，-90°］之間，天津區域按天津所在的經緯度進行切片，從而與國家主節點、其他省級節點數據通過坐標層次和瓦片編碼統一起來，以便于地圖數據的聚合調用。

按以上思路組織好圖瓦片數據后，筆者采取兩種方式來部署此類數據。一是通過在連接互聯網的服務器上搭建OGC WMTS的瓦片服務，提供在線服務;二是采用離線地圖包的形式，將一定地理范圍內的地圖瓦片圖片文件存放到小型數據庫(Sqlite)中，并將地圖包拷貝到移動終端上，從而移動GIS軟件就可以直接調用該數據。

（2）360°街景全景數據組織

街景全景照片其實就是一張或一組一個地點360°全景視角的照片。街景全景照片遵循“等矩形投影［6］”，包括一個360°的水平視野(完整地繞一周)和一個180°的垂直視野(從正上方到正下方)，這樣的視野(fields of view)形成了一張寬高比為2∶1的圖片。

街景數據組織和展示建立在長方體模型的基礎上，通過對采集回來的街景全景數據進行處理，筆者將一張街景全景照片切分為6張，根據視點視角的范圍調用相應的圖片，從而避免不必要的街景數據的傳輸，以改善街景用戶體驗效果。街景模型如圖3所示。

圖3 街景模型圖

3.系統功能

移動GIS系統的開發主要是結合當今網絡通信技術的特點，特別是在WiFi和3G網絡逐漸普及應用的環境下，利用GIS技術、GPS技術、網絡傳輸技術，面向移動用戶提供更貼近現實工作和生活、具有強大的空間查詢和分析能力、具備良好用戶體驗的地圖應用軟件系統。

本系統的核心數據是空間數據和街景全景數據。要實現移動端地圖顯示，需要解決在線或離線地圖源的讀取、傳輸、存儲與繪制問題;要豐富智能移動端用戶的體驗和增強數據的多樣性，需要將地圖信息、空間位置、360°街景實景進行融合，并結合智能設備所具有的羅盤功能、重力功能、多點觸摸功能及手指觸摸操作方式等，從地圖展示效果、操作方式來設計并實現移動GIS功能。因此，本系統主要功能結構如圖4所示。

4.關鍵性技術及應用

（1）多點觸控技術（Multi-touch）

該技術使用戶不僅可以通過雙手進行單點觸摸，也可以以單擊、雙擊、平移、按壓、滾動及旋轉等不同手勢觸摸屏幕，實現隨心所欲地操控，從而更好更全面地了解對象的相關特征。多點觸控設計可分為兩個步驟:采集和判斷，其流程如圖5所示。

圖4 功能結構圖

圖5 多點觸摸消息機制圖

（2）GPS定位機制

在Android系統平臺中，無論是基站定位還是GPS定位，主要用到了3個方面的接口或類，其中，LocationManager提供完成定位服務的功能，以及獲得最佳定位提供者的功能;LocationListener接口類提供定位信息發生改變時的回調功能，程序設計中必須在管理器中實現注冊監聽對象;Geocoder用于完成地理編碼和反向地理編碼。

（3）多線程異步回調技術

多核CPU和Android系統在智能移動端的集成有力地保證了網絡技術、GIS技術在移動端的展示。在移動GIS搭建中，為了保持系統性能，筆者采用多線程異步回調技術，用分線程去處理那些CPU占用率較高的任務。其中，用主線程完成UI界面刷新和即時功能操作的響應，如UI界面的切換、按鈕的即時響應;用分線程去處理網絡通信，如地圖瓦片的讀取、GPS數據讀取等，從而提高了移動端用戶的體驗效果。

（4）應 用

目前，在天津天地圖建設過程中，筆者按照移動GIS建設的思路與策略，進行了相關的開發工作，并取得了一定的成果。

按照瓦片金字塔模型組織地理底圖數據，服務器端通過Nginx和PHP5搭建了遵循國際OGC標準的分布式網絡地圖切片服務(WMTS)，在空間信息查詢與分析方面搭建了遵循國際OGC標準的網絡地名地址服務(WFS-G)和網絡處理服務(WPS)，采用JSON格式組織矢量數據，在網絡傳送方面運用GZIP壓縮并傳輸數據，從而初步搭建了“天地圖·天津”Android環境的移動 GIS。其在三星平板P7500上的運行效果如圖6所示。

圖6 運行效果圖

六、結束語

本文基于Android平臺，從移動GIS架構、應用方式、系統實現、關鍵性技術等方面對其進行了簡要探討。盡管移動GIS已經走向實用，但由于受智能移動設備操作方式、設備屏幕尺寸及存儲空間等因素的影響，還存在以下幾方面需要研究和解決的問題:①從數學精度、操作方式上研究如何進行移動GIS空間數據的外業采集，讓外業測繪更智能;②矢量數據環境的移動GIS實現;③移動GIS數據更新機制;④研究面向管理部門的行業移動GIS。

隨著人們對空間信息需求的日益增大，移動GIS的出現提供了一種在日常生活中準確、快速獲取空間信息的方式，隨著面向社會大眾的LBS和MIS服務的不斷深入應用，移動GIS必將迎來更為廣闊的發展空間。

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