基于安卓平臺(tái)的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳冰河 趙麗娜 劉金菊

（黑龍江地理信息工程院，黑龍江 哈爾濱 150081）

0.引言

隨著安卓平臺(tái)的出現(xiàn)，安卓手機(jī)、安卓平板電腦等移動(dòng)終端已經(jīng)占據(jù)了主流移動(dòng)通訊設(shè)備超過七成的市場(chǎng)份額，擁有大規(guī)模的用戶群體，具備作為移動(dòng)地理信息系統(tǒng)的載體及大范圍普及推廣的條件。移動(dòng)地理信息系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的鉛筆、木板、紙質(zhì)地圖的地理信息調(diào)繪方法，在野外作業(yè)時(shí)，便于作業(yè)人員輕裝上陣，具有實(shí)時(shí)獲取定位、快速找到責(zé)任區(qū)、采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢核、采集場(chǎng)景實(shí)時(shí)拍照、惡劣環(huán)境持續(xù)工作等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地理信息數(shù)據(jù)領(lǐng)域。利用安卓平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)接口，開發(fā)農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)，可以對(duì)農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐，是一種新型的農(nóng)業(yè)地籍調(diào)查、管理手段。

1.關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 移動(dòng)地理信息系統(tǒng)簡(jiǎn)述

隨著計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，測(cè)繪技術(shù)人員在傳統(tǒng)GIS的基礎(chǔ)上，完善了在手持設(shè)備操控GIS的技術(shù)路線，移動(dòng)GIS應(yīng)運(yùn)而生。所謂移動(dòng)GIS就是利用手機(jī)、平板電腦、手持GPS移動(dòng)終端等設(shè)備，實(shí)時(shí)定位，協(xié)同采集地理信息數(shù)據(jù)，并能夠展示二維、三維空間數(shù)據(jù)的集成平臺(tái)。移動(dòng)GIS一般與微型計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、互聯(lián)網(wǎng)、GPS等相結(jié)合，將地理信息系統(tǒng)嵌入移動(dòng)設(shè)備，便于攜帶，操控靈活，是一種新型的空間數(shù)據(jù)采集手段。

移動(dòng)GIS具有可移動(dòng)性、服務(wù)實(shí)時(shí)性、終端多樣性、計(jì)算能力較強(qiáng)、信息載體多樣性、空間位置準(zhǔn)確等特點(diǎn)，一般需要建立在軟件、硬件和無線通訊網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，屬于二次開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)。移動(dòng)GIS一般采用如下的數(shù)據(jù)控制流程，首先，移動(dòng)設(shè)備通過衛(wèi)星定位和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)基站定位，獲取移動(dòng)設(shè)備的空間位置，記錄位置信息，通過提前加載到GIS系統(tǒng)中的底圖或影像圖，確定信息采集者的具體位置，通過無線網(wǎng)絡(luò)訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和GIS服務(wù)器，服務(wù)器實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算或處理后，反饋給移動(dòng)終端。

1.2 安卓開發(fā)簡(jiǎn)述

安卓操作平臺(tái)是美國谷歌公司研發(fā)的基于Linux平臺(tái)的手機(jī)操作系統(tǒng)，是一種開放源代碼的手機(jī)平臺(tái)，具有占用系統(tǒng)資源少、運(yùn)行速度快、界面友好、開發(fā)門檻低、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。安卓系統(tǒng)一般包含Activity、Service、Broadcast Receiver、Content Provider等四個(gè)主要組成部分，安卓平臺(tái)一般提供短信、語音通話、數(shù)據(jù)檢索、衛(wèi)星定位等服務(wù)。安卓平臺(tái)開發(fā)一般以Java語言為基礎(chǔ)，通過Activity建立應(yīng)用程序窗口，Activity相當(dāng)于前景程序，而對(duì)應(yīng)Activity的背景程序即Service，前景與背景通過Service Connection通信，達(dá)到程序復(fù)用和調(diào)用的目的。安卓平臺(tái)提供View方式的布局，一般從XML配置文件中讀取數(shù)據(jù)，常規(guī)情況下，Activity也是從XML中間接取得View，View是事件驅(qū)動(dòng)的，系統(tǒng)提供了監(jiān)聽器，將Activity和View聯(lián)系起來，所有事件的觸發(fā)都要向Activity注冊(cè)和綁定View.OnClickListener等接口。

1.3 移動(dòng)定位技術(shù)

在土地調(diào)查、地籍調(diào)查、權(quán)屬調(diào)查等作業(yè)過程中，移動(dòng)定位服務(wù)扮演著關(guān)鍵的角色，在野外作業(yè)工程中，由于地廣人稀、環(huán)境空曠等原因，很難像在城市中作業(yè)時(shí)找到參照物，利用移動(dòng)定位技術(shù)，可以快速進(jìn)入作業(yè)區(qū)域，通過定位找到目標(biāo)地物的具體位置，減少錯(cuò)誤操作，同時(shí)可以實(shí)時(shí)記錄作業(yè)位置和作業(yè)軌跡，對(duì)作業(yè)人員的安全起到一定的保障作用，應(yīng)用移動(dòng)定位技術(shù)在農(nóng)業(yè)信息采集過程中十分必要。

2.農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)一般是調(diào)用已有數(shù)據(jù)底圖或影像，按照標(biāo)準(zhǔn)分幅，制作成紙質(zhì)調(diào)繪片，再將調(diào)繪片固定在60cm×60cm的木質(zhì)繪圖平板上，野外作業(yè)員背著平板和調(diào)繪片深入作業(yè)區(qū)域，用鉛筆繪制、標(biāo)注農(nóng)業(yè)相關(guān)信息。傳統(tǒng)的作業(yè)方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，受野外環(huán)境限制大，例如，外出作業(yè)時(shí)遇到雨雪天氣容易造成已有成果的損壞，因此農(nóng)業(yè)部門提出需求，能否設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)手持移動(dòng)終端的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)。

系統(tǒng)的功能需求描述為：針對(duì)野外作業(yè)條件的特殊性，需要設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于安卓平臺(tái)的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)，滿足作業(yè)人員軌跡記錄、信息采集、地物圈繪、現(xiàn)場(chǎng)照片采集、地圖顯示、地圖導(dǎo)入導(dǎo)出、作業(yè)成果導(dǎo)出等功能。要求定位迅速、準(zhǔn)確，采集現(xiàn)場(chǎng)照片附帶經(jīng)緯度等元數(shù)據(jù)，能夠滿足在強(qiáng)光、陰天、霧霾、小雨撐傘等特殊天氣環(huán)境中作業(yè)，單機(jī)續(xù)航時(shí)間不少于2h，附帶充電寶連續(xù)作業(yè)時(shí)間不少于8h，導(dǎo)出數(shù)據(jù)格式能夠與國家相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)無縫對(duì)接，數(shù)據(jù)格式可定制。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

安卓移動(dòng)設(shè)備終端通過GPS衛(wèi)星定位，實(shí)時(shí)獲取作業(yè)人員位置，在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)基站通信滿足數(shù)據(jù)傳輸要求時(shí),通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)器交互，在通信不滿足數(shù)據(jù)傳輸要求時(shí),先在移動(dòng)設(shè)備終端暫存，待滿足傳輸條件時(shí)再傳輸。數(shù)據(jù)交互時(shí)經(jīng)過防火墻，訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器采用Tomcat，數(shù)據(jù)服務(wù)分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)器和空間數(shù)據(jù)服務(wù)器，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)器保存農(nóng)業(yè)信息采集需要的基本信息，空間數(shù)據(jù)服務(wù)器采用ArcGIS Server，處理和保存空間數(shù)據(jù)（如圖1所示）：

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

經(jīng)過分析，系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃為四大功能模塊，分別是地圖管理、數(shù)據(jù)采集、軌跡管理和系統(tǒng)管理，下設(shè)12個(gè)子模塊，地圖管理模塊包括影像瓦片管理、要素服務(wù)、地圖顯示，數(shù)據(jù)采集模塊包括照片采集、類別采集、幾何服務(wù)，軌跡管理模塊包括軌跡采集、軌跡導(dǎo)出、作業(yè)范圍導(dǎo)入，系統(tǒng)管理模塊包括數(shù)據(jù)同步、用戶管理、權(quán)限管理，系統(tǒng)功能模塊圖（如圖2所示）：

圖2 農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)功能模塊圖

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用PostgreSQL，數(shù)據(jù)庫表之間符合第三范式，系統(tǒng)三張核心數(shù)據(jù)表：用戶表、要素表和軌跡表及其之間的關(guān)系E-R圖（如圖3所示）：

圖3 系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)表ER圖

2.4 算法設(shè)計(jì)

本論文采用交叉定位算法獲取作業(yè)人員手持移動(dòng)終端的位置信息。系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為IntelliJ IDEA整合Android Studio，算法通過Java語言實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于N（N＞2）個(gè)定位點(diǎn)，當(dāng)定位點(diǎn)獲取位置誤差在允許區(qū)間內(nèi)時(shí)，各點(diǎn)位置目標(biāo)N條直線交于目標(biāo)的真實(shí)坐標(biāo)，如果超出誤差允許區(qū)間，則N條直線并不一定交于真實(shí)坐標(biāo)，此時(shí)可以通過函數(shù)近似值估算出目標(biāo)坐標(biāo)（如圖4所示）：

圖4 交叉定位近似值估算圖

目標(biāo)坐標(biāo)到N條直線的距離平方和如式（1）所示：

式（1）分別對(duì)x0、y0求偏導(dǎo)數(shù)，并令其等于0，可以得到方程式如式（2）所示：

進(jìn)一步可以求出目標(biāo)坐標(biāo)點(diǎn)的近似估算值如式（3）所示：

式（3）中，當(dāng)θi＝90°或θi＝270°時(shí)，Ai＝1，Bi＝0，Ci＝－xi；當(dāng)θi為其他值時(shí)，Ai＝tan（θi），Bi＝－1，Ci＝－tan（θi）·xi。

為了提高獲取坐標(biāo)的精度，可以多次迭代使用交叉定位算法，找到噪聲較大的點(diǎn)位，用第一次求得近似值的位置坐標(biāo)對(duì)噪聲點(diǎn)使用新的算法，在聯(lián)合其他點(diǎn)位的初始值，對(duì)噪聲點(diǎn)位進(jìn)行二次乃至多次估值。

3.農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 地圖管理

地圖管理模塊主要有兩個(gè)功能：（1）管理矢量數(shù)據(jù)；（2）管理影像底圖，由于影像較大，因此采取裁切為瓦片分塊顯示的形式，地圖管理還包含地圖的縮放、平移、矢量對(duì)象的選取（點(diǎn)選、拉框選）等（如圖5所示）：

圖5 農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)地圖管理模塊

3.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集模塊是農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)的核心模塊，主要負(fù)責(zé)地物的圈繪、屬性數(shù)據(jù)錄入、現(xiàn)場(chǎng)照片采集、屬性數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。考慮到野外作業(yè)受一定環(huán)境因素的限制，為了簡(jiǎn)化操作，多個(gè)屬性字段采取選擇輸入的方式，農(nóng)作物類型預(yù)先錄入系統(tǒng)，采用彈出選擇對(duì)話框的方法，既便于操作，又降低了錄入錯(cuò)誤率（如圖6所示）：

圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊

3.3 軌跡管理

在野外作業(yè)時(shí)，作業(yè)員往往身處曠野，作業(yè)人員的行走軌跡是否在安全區(qū)域范圍內(nèi)，作業(yè)人員走過哪些軌跡，這些信息都要錄入系統(tǒng)保存，以備發(fā)生問題時(shí)查閱，軌跡管理相當(dāng)于作業(yè)員的行走日志，記錄著作業(yè)人員的運(yùn)動(dòng)路線。軌跡管理主要通過獲取GPS信號(hào)，每隔一定距離記錄點(diǎn)位數(shù)據(jù)，再將點(diǎn)位數(shù)據(jù)連成曲線矢量對(duì)象，經(jīng)過平滑后即為軌跡數(shù)據(jù)。一般默認(rèn)的間隔打點(diǎn)距離為5m，可以在系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)置，打點(diǎn)距離越大，消耗系統(tǒng)資源越少，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量也相對(duì)減少；打點(diǎn)距離越小，可能會(huì)浪費(fèi)更多的電能，但是軌跡更加精確，不會(huì)漏掉軌跡中的關(guān)鍵點(diǎn)（如圖7所示）：

圖7 系統(tǒng)軌跡模塊

4.結(jié)束語

通過需求調(diào)研、系統(tǒng)開發(fā)、系統(tǒng)測(cè)試、用戶使用、需求回歸、再開發(fā)測(cè)試等環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，并獲得國家軟件著作權(quán)，后續(xù)系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)升級(jí)，加入矢量編輯功能，并升級(jí)照片采集功能，加入數(shù)據(jù)水印功能，該系統(tǒng)可在一定區(qū)域范圍內(nèi)填補(bǔ)行業(yè)空白?；诎沧科脚_(tái)的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)是響應(yīng)國家農(nóng)業(yè)“一張圖”戰(zhàn)略布局號(hào)召，簡(jiǎn)化農(nóng)業(yè)信息普查步驟，便于快速、準(zhǔn)確地獲取農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，是移動(dòng)通信技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、空間定位技術(shù)、軟件技術(shù)和農(nóng)業(yè)信息化的一次有力結(jié)合，對(duì)國家農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展具有一定的推進(jìn)作用。