公(铁)路线调数据采集的移动GIS系统设计与实现

缪 鹍，田家凯，唐军军，周 干

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

公(铁)路线调数据采集的移动GIS系统设计与实现

缪 鹍，田家凯，唐军军，周 干

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

线调数据采集是公(铁)路设计中外业勘测工作的重要内容之一。文中应用移动GIS、移动数据库等相关技术，以提高公(铁)路线调数据采集的作业效率为目的，综合利用Eclipse 开发平台及移动GIS 二次开发组件，搭建基于移动端的数据采集系统的结构体系，建立公(铁)路线调数据采集平台，实现公(铁)路线调数据的前期处理、在线及离线模式下的线调数据采集功能，提出利用移动GIS 进行公(铁)路线调数据采集的新模式，为摆脱传统的纸质作业模式提供新思路。

公路设计；铁路设计；外业线调；移动GIS；Android

铁路、公路等设计的前期，必须进行勘测调查，外业线路调查(线调)是其中的一项重要工作，其主要工作内容是对线路周边的房屋、农田(青苗补偿)、既有公路、电力通讯等设备，以及其他与设计相关的典型地物信息的采集及汇总，目的在于提出拆迁及征收的数量及设计参考。公路、铁路距离长，线调工作量大，不仅外业工作条件差，而且还要进行繁复的内业数据整理、录入、汇总和统计。

移动GIS从20世纪末开始出现到现在已得到巨大的发展，它将先进的移动通信技术、卫星导航定位系统以及计算机技术集成到移动终端上(如智能手机、掌上电脑等)，在移动设备上实现桌面GIS的功能。智能手机具有易于携带的特点，基于其开发的工作平台进行数据采集，可直接在手机上完成线调数据统计、整理，不仅方便灵活，而且节省内业数据处理这一工作环节，提高线调数据采集的效率，从而促进勘测设计一体化。此外，智能手机的GPS功能可以通过反映出的手机中当前位置与地形图上线路位置导引线路及地物定位，方便的拍照功能也可将照片作为地物属性的一部分，为线调工作提供辅助工具。目前的外业工作、数据采集、内业处理等工作仍然沿袭传统的纸质作业方式，这样的工作模式在外业数据采集上可行，但是数据后处理的工作量较大，滞后于项目勘测设计信息化发展的脚步[1]。

本文以提高公(铁)路外业数据采集的工作效率为目的，将移动GIS等技术与公(铁)路的外业线调数据采集工作的特点相结合，基于广泛使用的Android移动端，开发公(铁)路外业线调数据采集系统。

1 Android系统架构及移动GIS架构

已经开发的移动GIS的应用平台多利用ArcGIS Mobile[2]或MapX Mobile[3]的移动GIS技术，基于 Windows Mobile系统构建，而Android是由 Google以及 Open Handset Alliance(手机开放联盟)共同创建的一款工具包，其开源、免费等特性使得其在手机上的开发受到开发者及用户的青睐。Android系统架构采用分层架构设计，从低层到高层依次是：①Linux内核(Linux Kernel)；②Android运行时库(Android Runtime)；③库(Library)；④应用程序框架层(Application Framework)；⑤应用程序及小部件。Android架构中，最上方的是用户直接使用的应用程序层。

移动GIS的体系架构[4]主要由以下几个方面组成：空间数据库、应用服务器、应用客户端。整个体系以应用服务器为核心，空间数据库为数据支持，最终应用到移动客户端，应用服务器和移动客户端之间，以无线通信网络为桥梁进行连接。

2 系统设计

本系统的设计目的是基于移动GIS技术，以Android智能手机为开发平台，结合互联网以及当前无线网络通讯服务，将地理信息技术、嵌入式空间数据库技术以及全球卫星定位技术应用到公(铁)路的外业线调数据采集项目中。

2.1 系统开发运行环境

系统硬件主要包括移动端和服务器端的设备： Android系统智能手机、高性能PC机及各种配套设施；软件系统采用JAVA语言在Eclipse开发环境下，基于平台UCMap for Android进行二次开发，利用ArcGIS软件进行地图数据的处理，在Android 4.3下进行APK的检测。

2.2 系统结构设计

系统主要分为移动数据采集应用层、数据层以及中央数据处理层[5-7]，图1是系统的整体逻辑架构。

第一部分是“移动数据采集应用层”，在GPS系统以及移动GIS技术的支持下，完成对空间图形数据的采集工作，同时可以按照已经定义好的属性字段进行属性信息的录入，同时生成GIS通用的数据格式。第二部分是“中央数据处理层”，它是连接服务器端和移动端的重要部分，中央数据处理层负责对离线数据以及在线数据服务进行读取。第三部分是“数据层”，主要包括空间数据库和影像数据库。离线地图通过将数据信息转换成矢量数据格式并存入SQLite数据库，方便移动端的读取；在线地图通过中央控制服务端进行数据发布，在有互联网的地方均可以和服务器端进行数据交互。

图1 系统逻辑架构

2.3 系统功能架构设计

结合公(铁)路的线调工作流程，根据用户的实际需求和操作要求，系统划分为5个主要的功能模块：数据处理(维护)模块、地图操作模块、数据采集模块、GPS定位模块、数据通讯及存储模块。功能的配置如图2所示。

图2 系统功能结构

3 系统的开发

地形图数据通过离线处理及在线地图发布，手机通过读取离线地图及访问在线地图服务进行相关作业。整个外业数据采集过程分为数据准备阶段、数据采集阶段、数据存储及处理阶段，流程如图3所示。

图3 公(铁)路外业线调数据采集系统作业流程

3.1 数据准备

受移动设备硬件的限制，数据准备在电脑上进行，遵循在电脑上能简单处理的工作，不在移动端完成的原则。数据准备可以分为以下两个阶段：

1)图层数据准备。前期需要准备的数据包括区域路线图层、各类要素采集图层以及遥感影像底图图层。路线图层主要为指导数据采集路线的行进；各类要素采集图层用来记录采集的空间数据，各个图层对于其采集属性字段进行安排；影像底图层主要是作为底图使用，给项目提供参考。

2)离线地图处理、服务发布。由于公(铁)路野外数据采集一般处于无线网络以及其它资源较难获取的环境中，系统整合了离线模式及在线模式结合的数据服务方式，力图为公(铁)路项目野外数据的采集、处理以及更新提供方便。

公(铁)路设计多采用dwg格式的数据图，移动GIS平台读取数据使用的嵌入式空间数据库多是SQLite数据库。系统并不能对dwg文件直接进行访问，因此需要对dwg文件进行数据组织，使之适合在移动端进行显示和被编辑。dwg文件格式的数据图，经过处理可转换为shp格式数据[8]。桌面GIS一般使用的就是shp格式的数据，在桌面端，其具有利于数据更新和维护的功能，而在移动端，由于移动设备的硬件以及地图综合理论的不成熟， shp数据并不能高效而美观地显示于屏幕上。shp格式数据经过图层数据处理后不能在移动端由程序直接读取，需先将shp数据转存到SQLite数据库中，同时将由此生成的地形图数据包拷贝到移动端存储卡内，方可完成移动端对地图数据的读取。

系统支持瓦片地图数据，将切好的底图瓦片以及平台提供的OpenSourceMap.xml存储在SD卡中，以供系统读取。系统对于经过处理的离线数据通过MapView和MapControl这两个类进行读取和操作。此外，系统提供瓦片和矢量地图的自动纠偏机制，可以进行矢量和瓦片地图的叠加使用。

系统支持OGC的WTMS，WMS，WFS，WCS等标准，能够访问WMTS，WMS发布的地图服务。对于在线地图的发布，可将地图数据添加到Geoserver中，进行地图服务的配置。发布的shp格式数据避免中文名称，以免出现乱码。依次进行workspace，Vetor Data Source，Layer Group的添加后，即可配置好地图服务，由Geoserver发布的每个地图服务均可由对应的独立地址来测试已配好的地图服务。 服务发布完成，系统可通过无线网络对服务进行访问。用户可以在室内台式机对服务进行定期定点维护，保证服务站点的稳定、正常和安全。

3.2 数据采集

数据采集时，用户在地图上确定待采点的位置，记录坐标信息。用户完成平面图形的绘制采集，绘制完成可根据数据准备阶段各层属性字段进行属性数据的输入，同时将其在本地保存，在有无线网络情况下也可上传到空间服务。

在数据采集过程中，用户需要对自己采集的数据随时查看，所以系统设计了以下查询方式进行地物要素属性的查询：

1)地物要素浏览查询。用户在数据采集或是地形图浏览过程中需要了解某个图形要素的属性，可通过信息工具功能对之查看，平台通过InfoTool接口实现数据信息的查看。系统数据由SQLite数据库组织，其处理速率很快(经测试，300 M的底图数据在信息显示时没有任何延迟)。图4为信息查询界面。

2)快速定位查询。用户需要查询某一位置的某一地物要素的信息，系统提供了快速定位和查询。用户可在搜索框内输入图形要素的某个属性，如房屋的户主姓名等，即可进行图形要素的快速定位，所定位的地物会变色闪烁于屏幕中央，并弹出属性信息窗口。

对于快速查询涉及到的类和方法有：

cn.creable.gridgis.geodatabase.FeatureInfo类： 存放地形图要素信息。

cn.creable.gridgis.controls.MapControl类的这个方法：

public FeatureInfo[] searchFeature(

String layerName,//图层名称

String[] fieldNames, //需要返回的字段数组；

null String whereClause, //sql条件；

String groundBy, //sql分组子句；

String having, //sql having子句；

String orderBy) //sql排序子句；

快速定位由getMapControl().searchFeature函数控制。

图4 信息查询界面

3)图形要素修改。系统提供对图形要素的修改功能，主要包括以下3个方面：

①图形节点修改。图形节点，指的是构成地物平面图形的折点。用户对于初次输入的图形要素可能需要进一步的修饰和修改，被选中的图形要素会列出图形要素所有节点以供用户选择，用户可对节点位置修改。

修改图形节点须通过在地形图要素编辑状态下，改变要素形状实现：

mapView.getMapControl( ).setCurrentTool(

newEditFeatureTool(mapView.getMapControl( )))；

//使地图处于要素编辑状态

editTool.setType(EditFeatureTool.Type_MoveNode)；

//移动要素节点

对于要素节点的修改，还包括增加节点以及删除节点，具体做法和上述修改节点类似，需要将setType函数中的参数改为EditFeatureTool. Type_AddNode(Type_DeleteNode)即可。

②图形要素删除。图形要素删除是采集系统必备的功能之一，地形图上出现的要素在实际线调采集过程中并不存在，可进行要素的直接删除，由函数DeleteFeatureTool完成。

③图形要素整体移动。实际使用中，若发现地图上图形数据的位置和实际位置有所不同，需要对地图上的图形整体移动。此方法为上面移动要素节点的衍生，通过移动全部要素节点实现。

4)要素属性编辑。地物要素属性应当允许用户添加和编辑，因此，地形图上的地物要素的属性可以被提取并在属性编辑弹框中显示。对于由GPS模块采集的图形信息或是手动添加的图形信息，系统调用属性修改弹窗进行属性信息的添加，确定后响应系统内部setValues( )及editTool.confirm( )函数。

3.3 地形图上的GPS定位

线路还没有放线时，勘测人员在外业需要在野外找到线路的大概位置及方向；放线后，常常需要明确用地界内的地物与线路的距离或与线路平面位置的关系。系统通过调用Android手机自带的GPS功能简单实现地形图上的实时定位。基本过程：①调用GPSCustomDraw类建立GPS跟踪，做好绘制准备；②使用onLocationChanged函数，实时刷新GPS位置；③调用gps.draw( )绘制GPS点及GPS点标注文字。

3.4 数据存储及处理

系统对数据采集完成之后的空间图形数据以及空间属性信息，可以由内部函数转化为通用的shp格式数据文件，直接传输到桌面端使用，进一步完成数据的分类、整理、统计，满足各专业之间的数据传输和设计软件的数据接口的需要。

4 系统应用

系统在某实际铁路工程外业线调数据采集项目中进行了实验，项目的采集类别包括新建铁路周围的房屋、湖泊、田地等，采集数据包括面积、权属、类型等。系统将dwg格式地形图、铁路中线底图及影像底图，经过数据处理，各类地物要素分层，编辑各个图层的要素属性字段，由于采用离线模式处理地形图数据，无需实时和服务器进行数据的交互。地物图形及属性数据的添加及编辑是利用系统数据采集模块，完成对各类地物的采集、统计工作。基于移动GIS的公(铁)路外业线调数据采集系统在此新建铁路项目的应用，提高了采集的整体效率以及数字化水平。

5 结束语

基于移动GIS技术，本文从公(铁)路外业数据采集项目的实际需求出发，从系统的架构、功能模块、关键技术等方面探讨线调数据采集系统的开发过程及方法，并首次基于移动GIS在Android移动端开发公(铁)路线调数据采集系统，随着交通行业数字化进程的加快，移动GIS在铁路、公路等外业勘测中的应用必然越来越广。

[1]单玉民.浅谈铁路工程外业勘测工作的生产组织[J].中国科技信息,2013(13):79-80.

[2]贺军政，毛奎中，林均玲.基于移动GIS的测绘系统设计与实现[J].测绘工程，2010，19(4)：39-42.

[3]周隽，花向红，涂伟，等.基于移动GIS的小型移动应急平台的设计和实现[J].测绘工程，2008，17(2)：39-42.

[4]孟岩.Android组件模型评析[J].程序员,2008(1):49-51.

[5]H D ZHONG. Solution for the data collection in the field survey based on Mobile and Wireless GIS[C]. International Conference on Geoinformatics,2010(18):5-10.

[6]H J CHEN, K Y XIAO.The design and implementation of the geological data acquisition system based on mobile GIS[C]. International Conference on Geoinformatics,

2011(19):6-12.

[7]W Z SHI, K W KWAN, GEOFFREY SHEA. A dynamic data model for mobile GIS [J]. Computers & Geoscience.2009(35):2210-2221.

[8]成建国.浅析移动计算、移动GIS与移动数据库[J].地理空间信息,2006(3):30-31.

[责任编辑：张德福]

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

湖南省自然科学基金资助项目(02JJ3040)

缪 鹍(1968-)，男，博士，副教授.

P208

：A

：1006-7949(2014)07-0068-04