浅析水利移动GIS应用软件开发

李凌霄，谭德宝，张 煜

(长江科学院a.空间信息技术应用研究所;b.流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

地理信息系统(GIS)是用于采集、存储、查询、分析和显示空间要素位置和属性(如地理空间数据)的计算机系统［1］。自20世纪60年代GIS被提出以来，经过多年的发展进步，地理信息系统已经在科研机构、公司企业和政府部门中广泛地应用。

随着移动互联网的飞速发展，人们对地理空间信息的 4A(Anytime，Anywhere，Anybody，Anything)服务需求与日俱增。特别是在水利外业工作中，水情数据的动态性、时效性要求高，水利工作者需要随时随地与GIS进行交互，进行地理、水情数据的实时查询、采集或分析;传统的工作手段(如查看纸质地图和手工记簿等)已经不能很好地满足这样的工作需求。另外，从工作环境的角度来看，基于桌面计算机和有线网络的GIS，需要稳定有线网络连接和电源供应，且便携性较差，较难满足外业工作对移动性和环境适应性的需求。最后，对自身功能而言，传统GIS软件和电脑终端极其依赖历史业务数据，更多地作为单纯的数据库和数据处理终端存在，无法自发地对周边环境进行感知(例如实时感知自身位置、实地采集周围的业务数据)，进而满足外业工作对信息采集和移动办公的要求。

移动GIS作为地理信息系统在移动终端上的实现，是传统桌面GIS在移动终端(如智能手机、平板电脑等)上的延伸和补充。移动终端具备随身携带、随时联网、集成多种传感器的优点。通过编程对设备硬件功能进行合理的调用，运行于移动终端上的移动GIS应用(App)能够很好地满足上述工作需求，弥补水利工作者的传统外业工作手段在环境适应性、工作效率和信息化程度上的缺憾。

2 移动GIS的定义、特点和体系结构

2.1 移动GIS的定义

移动GIS(Mobile GIS)是建立在移动计算环境、有限处理能力的移动终端条件下，提供移动中的、分布式的、随遇性的地理信息服务系统，是一个集GIS，GPS，移动通信 3 大技术于一体的系统［2］。移动GIS是地理信息系统在移动终端(智能手机或平板电脑等)上的实现［3］，可以对空间数据进行可视化和分析，并提供基于位置的服务(Location－Based Service，LBS)和移动位置服务(Mobile Location－Service，MLS)。

2.2 移动GIS的特点

相较于传统桌面级GIS，移动GIS具备如下几个特点［4］。

(1)移动性。移动GIS运行于各种移动终端，与服务端可通过无线通信进行交互，实时获取空间数据，也可以脱离服务器与传输介质的约束独立运行，具有移动性。

(2)动态(实时)性。移动GIS作为一种应用服务系统，能及时地响应用户的请求，实时处理用户环境的时间变化，具有动态(实时)性。

(3)位置依赖性。移动GIS诞生的初衷之一就是基于位置的服务(Location－Based Service，LBS)，其功能与移动终端自身的位置紧密相关。

(4)资源有限性。相较于桌面电脑而言，首先，移动终端依靠电池运行，因此在未接入外置电源的情况下，运行时间有限;其次，移动终端的硬件相较于电脑来说仍不够强劲，计算性能有限;最后，移动终端依靠微型闪存芯片存储数据，常见的存储容量为8～128GB，存储空间有限。

(5)设备多样性。移动GIS的运行终端可以为移动电话、平板电脑或是车载嵌入式设备等;不同厂商生产的设备软硬件不尽相同，这造成了移动终端的多样性。

2.3 移动GIS的体系结构

移动GIS的体系结构包括客户端、服务器、数据源3部分，分别承载在表示层、中间层和数据层之上［5］。如图1 所示。

图1 移动GIS的体系结构Fig.1 Architecture of mobile GIS

具体来说，移动GIS是由移动终端(包括GPS接收器)、无线通讯设施和(云)服务器以及相应软件、数据有机结合而成的集成系统。其中，移动终端负责运行移动GIS软件并响应用户的操作;GPS接收器负责接收卫星定位信号，测定用户的位置并传回移动终端;无线通讯设施负责提供移动终端和(云端)服务器的通讯和数据传输;而(云端)服务器负责复杂空间数据的存储和分析以及响应移动端传来的服务请求。

3 移动GIS在水利业务中的应用需求分析

对水利工作者而言，地理信息系统的应用主要集中于水旱灾情的监测与预警、水资源管理、水环境科研、灾情统计与评估、水利工程设计与施工管理等领域［6］。这些领域均可以借助移动GIS来提升科研信息化程度，从而简化工作流程、提高工作效率。

水利外业工作可以借助移动GIS的优势，极大地提升工作效率。传统的野外观测试验往往依靠纸笔记簿的方式记录数据，效率低下，形式单一，且手工记录容易发生错漏。在内业处理时，调查结果首先要经科研人员逐条录入电脑，而后才能进行相应的预处理、统计分析、导出共享等操作。录入过程不仅缓慢繁琐，同样容易造成条目错漏，这给数据的统计分析引入粗差，带来了不确定性;而且这种作业模式会导致GIS数据难以实时更新，无法满足突发事件快速响应的需要。假如使用移动GIS，可以通过随身携带的移动设备随时随地地记录实测数据，附带上所测数据的经纬度和高程等相关信息，实时上传至云端服务器。在有多台移动终端同时使用时，甚至能够用云端服务器进行多源数据匹配整合，并实时地将经过统计处理的结果分发给现场相关人员，直接进行现场分析、辅助判断和决策，极大简化了传统的外业调查流程，提高了相关工作的效率。

防灾减灾领域同样可以利用移动GIS，及时地掌握灾情动态并做出合理决策。传统获取灾情信息的途径如纸质地图，存在信息量小、时效性差、表现形式单一的问题，难以快速高效地进行数据的查询检索;若使用计算机查询，则要求具备稳定的电源和有线网络链接，且电脑体积较大不易随身携带——尤其对于防灾减灾决策人员而言，他们经常面临着跨区域、大流动的工作环境，对工作手段的时效性、环境适应性要求较高，因此上述查询信息的手段均不是最优选择。通过移动GIS，只要有移动网络连接的地方，就能实时从云端服务器查询并下载相关资料至手中的移动设备，获取所需的信息，例如数据报表、专题地图、时序影像等，从而帮助防灾减灾人员机动地实时掌握灾情动态，为救灾争取宝贵的先机。

综上所述，一个功能完备的移动GIS应用应该具备如下功能:随时随地采集数据并实时上传同步至云端服务器、查询用户自身位置、缩放和漫游电子地图、实时访问和修改云端数据、数据超限报警等。

若将移动GIS的优势和水利工作者的业务流程相结合，在每个人随身携带的手机或者其他移动终端中进行安装移动GIS的应用程序，通过简约直观的操作界面和交互逻辑，便能实现上述功能，提升科研人员的工作效率和科研信息化水平，进而为数字流域管理做出有益的探索。过去由于种种原因，移动GIS未能发挥出其真正的潜力;近年来，随着科学技术的高速发展、高性能移动设备的大幅普及和高速移动网络的广泛覆盖，已让原先制约移动GIS发展应用的桎梏消弭，其充分释放自身的潜力的条件相对成熟。

4 移动GIS应用的常见开发模式

虽然移动GIS这一理念提出较早，但过去由于移动终端(例如Windows Mobile/CE设备)的运算性能孱弱、操作交互笨拙、存储空间狭小、价格昂贵以及2G移动通讯网络的带宽狭窄、资费昂贵等原因，移动GIS的普及和应用一度受到了较大的限制。特别是水利行业，移动GIS的研究和应用较少。近年来，随着计算机、互联网等信息技术快速发展，移动GIS的应用开发具备了良好的硬件和软件基础，进入了一个全新的发展阶段。

4.1 移动GIS应用的开发路线

移动GIS应用的开发路线主要分为自底层的自主开发和二次开发2种。其中二次开发是目前使用最广泛的移动GIS应用开发路线［7］。

4.1.1 自底层的自主开发

自主开发是指不依赖于任何的现成的GIS软件或者组件的开发，GIS功能实现所涉及的一系列算法都由开发者独立设计，并用编程语言在一定操作系统上开发实现。这种开发方式的优点是:可定制性高，不需购买商业性组件，因此开发应用的成本较低，并且具有自主知识产权。但是自主开发对开发者的程序设计能力要求很高、开发周期长、开发难度大。

4.1.2 二次开发

二次开发以现有的移动GIS解决方案，如软件工具、组件等为基础开发移动GIS应用程序。这种开发方式在程序设计过程中会受到界面风格、数据结构、组件功能等方面的限制，但是该开发方式具有巨大的优点:开发平台稳定且提供了大量的基础函数库，对开发人员来说上手快、开发便利，可在较短的时间内开发出功能强大的应用程序。二次开发是移动GIS开发项目中应用最多的开发方法。

4.2 移动GIS应用的软件架构

基于智能移动终端的移动GIS应用可以采用多种开发架构。常见的开发架构主要有3种:本地应用、网络应用和混合应用，以下简要介绍三者的定义和异同。

4.2.1 本地应用

本地应用(Native App－C/S架构)是指专门为某种移动操作系统开发的应用软件。本地应用客户端中包括了界面展现、业务逻辑、数据模型3个部分(MVC设计模式)，并通过网络访问服务器端的各种服务，采用本地开发语言和开发框架进行开发。本地应用的优势是能够使用本地系统提供的所有资源和功能，性能比网络应用和混合应用更加强大，可支持大量要素的渲染和显示;更为重要的是可以离线使用，这对外业工作具有重要意义。本地应用的劣势是需要开发者具备较好的本地开发技能(例如熟悉Objective－C语言和Java语言)，熟悉移动操作系统的开发框架和移动终端的硬件功能;另外，本地应用程序的部署和维护相较于网络应用而言较为繁琐。

4.2.2 网络应用

网络应用(Web App－B/S架构)是一种以网页编程语言(例如HTML，JavaScript和CSS等语言)编写的应用软件。其数据和功能都托管在服务器端，用户通过客户端的网络浏览器来对软件进行载入和运行。其优势是跨平台、部署和维护容易、跟服务器端网络功能结合容易等。国内外有不少移动GIS应用是以网络应用的形式开发的。但网络应用也有其劣势，最大的不足在于网络依赖程度高，一旦失去网络链接，应用功能将受到极大限制。而在水利外业中，网络信号差甚至完全中断的情景时有发生，因此制约了网络应用的适用范围。另一方面，受浏览器权限的限制，网络应用无法自由调用移动终端操作系统的所有应用程序接口(API)，较难实现一些必要功能(如文件的离线存储和读取)，制约了移动GIS应用潜力的发挥。

4.2.3 混合应用

混合应用(Hybrid App)是本地应用和网络应用2种开发架构的结合，例如在本地应用中加入一个Web控件，并从Web上加载内容;更高级的方式包括使用各种跨平台混合开发框架(如PhoneGap，Appcelerator Titanium等)。但GIS相关的混合应用开发技术现在暂未成熟，且学习使用门槛较高，尚未同时具备本地应用和网络应用的优势。

以常用的ArcGIS开发平台为例，比较上述3种开发架构对软件功能实现的影响，具体见表1［8］。

5 水利行业移动GIS开发应用案例

5.1 基于Windows Mobile的水利移动GIS应用

在基于iOS和Android系统的新一代智能移动终端出现之前，市面上流行的主流移动终端平台主要为 Windows Mobile，Symbian 和 PalmOS［9］等，其中在专业应用上Windows Mobile最受欢迎。一些GIS企业为Windows Mobile推出了二次开发平台，例如ESRI公司的 ArcGIS Mobile，MapInfo公司的 XMobile、超图公司的eSuperMap等等。

表1 3种常见软件架构Table 1 Three common software architectures

国内外有很多水利移动GIS应用软件(当时又称嵌入式GIS)均是基于上述平台实现的。

杨州等［10］探讨了一种基于Windows Mobile移动智能终端的移动水情查询系统的原理和方法。该水情查询系统使用.Net技术进行开发，由SQLServer2003提供服务器端数据库支持。它通过处理实时雨水情等基础信息，制作易于查询的雨水情图表，为防灾减灾提供决策支持，以助于防汛的科学指挥。

魏茂盛［11］基于 Windows Mobile 和超图 eSuper－Map，开发了一款针对全国第一次水利普查员的工作需求的移动GIS数据采集软件，实现了数据的采集、编辑、查询和直线导航功能，有效地提高水利普查外业调查的工作效率。

谭兴斌［12］使用了 ArcGIS Mobile SDK，针对水污染数据采集这一实际课题，完成了一个水污染数据采集系统的开发。该移动GIS应用软件运行于Windows Mobile设备上，提出了一个包括数据库系统、GIS服务器系统和移动终端系统3部分的完整的水污染野外数据采集方案，通过移动端软件实现了诸如采集、编辑、同步等功能。

囿于当时的软硬件条件，基于Windows Mobile的移动GIS应用软件在水利应用方面主要为单机作业，无法实现水情数据的实时传输更新和多终端协作同步。实际使用过程中，此类设备上显示矢量地图的速度非常慢，只能进行小数量的编辑，查询和空间分析耗时很长，传输定位坐标或者图片也常常会由于网络的原因不成功，交互体验不友好，类似因素都严重制约了嵌入式GIS的实用性［13］。

2010年10月，微软宣布终止对Windows Mobile的所有技术支持。基于Windows Mobile的移动GIS应用软件也逐渐边缘化并退出历史舞台。

5.2 基于iOS和Android的水利移动GIS应用

自苹果公司发布iPhone智能手机这一标志性事件以来，移动通讯行业和相关硬件制造业得到了飞速发展，以搭载iOS系统(Apple公司)和Android系统(Google公司)的智能手机为代表的新一代移动终端百花齐放般地涌现，它们不仅在计算性能上远远超过过去的Windows Mobile和其他嵌入式设备，电池续航能力和存储空间也大大提升;这些移动终端大都采用了大尺寸高分辨率多点触控屏幕，美观易用，操作流畅;集成了多种传感器，能够实时获取设备的方位信息。可以说，移动互联网和智能设备已经为移动GIS在未来的发展搭建了新的舞台，软硬件环境将不再成为移动GIS的桎梏。

新一代智能终端崛起后，国内外GIS企业也相继发布新的移动GIS开发平台产品，例如ESRI的ArcGIS Runtime SDK for iOS/Android，中地数码的MapGIS Mobile9、超图软件的 SuperMap iMobile for Android/iOS专业移动开发平台等。

新式移动终端和开发平台代表着未来发展方向，但由于历史较短且开发门槛较高，国内基于iOS和Android等新兴移动终端上开发和部署的水利移动GIS软件的研究和应用不多。

孙萍［14］介绍了一种防汛移动助手系统，它基于Android移动操作系统开发，采用无线通讯网络实现与指挥中心Web服务器的数据传输与业务交互;利用GPS采集位置信息，并将位置与业务数据相匹配，实现了水利防汛业务中的前端数据采集与传递以及后端数据处理与分析的一体化，提高了防汛指挥调度的效率。

张鹏［15］基于ArcGIS Server等相关技术，将第一次水利普查成果发布为网络服务(Web Service)以供移动设备联网使用，将水利普查的成果扩延到外业的现场工作中，使大量的外业工作中都可使用水利普查成果数据，由此提高普查成果应用效率，充分发挥水利普查成果作用。

赵杏杏等［16］实验性地设计并开发了基于iOS移动操作系统的移动水利信息App模块。该模块本身采用ArcGIS API for Flex进行设计与开发;并且借助ArcGIS Online公有云GIS平台实现水利信息的云端存储和传输。该模块实现了水利站网的雨情、风情和水情信息的实时查询与展示。

美国的 WebMap Solutions公司［17］开发了一系列移动GIS应用，以满足政府和公司的需求。该公司为新西兰的废水处理厂开发了一款Android平板电脑的移动GIS应用，可在离线模式下对点、线和边的数据进行处理;为澳大利亚的工程公司开发的移动GIS应用可以对偏远地区的拟规划管线的路线进行可视化处理，并查看属性;为英国的环境机构开发的移动GIS应用具备数据采集功能，以协助洪灾灾害评估工作，并且实现了线上线下显示附加影像的功能。

综上可看出移动水利信息 App模块［16］，基于iPhone的防汛掌上通［18］，基于3G的水利移动办公系统［19］，水情信息移动服务系统［20］等，主要专注于水情数据等地理空间数据的查询和可视化;Web Map Solutions公司［17］开发的移动GIS应用在功能上则较为成熟，不仅可以进行水情数据的查询、显示，而且实现了简单的信息采集上传、离线地图等功能。

5.3 当前水利移动GIS应用中普遍存在的问题

(1)对于水利行业而言，移动GIS应用的种类、数量均较少，相关的研究文献也较为缺乏。

(2)现有的关于移动GIS的开发应用研究主要集中于老式设备(Windows Mobile等)，而对于新式设备(iOS，Android等)的开发应用研究较少。

(3)基于网络的应用(Web App)较多，基于本地的应用(Native App)较少。正如前文所说，这些Web应用大都无法离线使用。在信号不稳定的野外，适用性不强，无法很好地满足水利外业工作需求。且Web应用无法充分发挥出移动终端的计算性能和各式传感器功能，这是对宝贵移动计算资源的闲置和浪费。

(4)现有移动GIS应用大都仅实现了空间信息的查询和显示功能，无法对现有的数据进行分析以帮助决策，更别说对云端数据进行编辑和上传同步。

(5)应用界面设计和人机交互方式不够友好，很多仍沿用Windows Mobile风格，存在界面元素拥挤，按钮狭小等弊端;影响了用户体验，阻碍了工作效率的提升。

6 新技术条件下移动GIS应用功能的展望

随着新技术(如云计算、物联网、4G移动通讯等)的不断发展进步，移动GIS可以充分利用这些技术的优势，释放自身的应用潜力。

云计算技术为移动GIS应用提供云端数据服务，例如海量底图、专题数据的存储、业务数据的统计分析等，从而弥补移动终端在计算性能和存储空间上的不足。物联网可为移动GIS应用提供广泛分布的传感器网，并将采集到的数据上传至云端，由云端处理分析后再将数据广播至移动终端，从而扩大移动终端的感知范围。高速4G移动通信网络负责移动GIS客户端和云端的链接通讯，高速网络可以在更短的时间内支持更为详细多样的数据传输，为地理信息服务的实时化提供保障。

这些技术的集成，理论上能够做到一旦有数据更新上传，移动GIS系统下属的所有终端便能实时同步更新。这将极大地简化传统的外业调查流程，提高相关工作的效率，让工作人员更好地把握现场的各项信息，从而做出合适的决策。这对人员分散、信息闭塞的抢险救灾的意义不言而喻;对水情监测人员来说也具有较高价值。

此外，传统的桌面级GIS软件价格昂贵、配置麻烦、操作复杂，不利于一线工作人员，特别是缺乏GIS相关技能和训练的人员的使用。移动GIS软件可通过合理的底层架构和界面交互设计，将复杂、专业的任务融入简约美观而又容易操作的界面，扩大移动GIS的适用范围，进一步释放移动GIS的应用潜力。

综上所述，将移动GIS的优势和水利工作者的工作流程相结合，应该能很好地提升科研人员的工作效率和科研信息化水平，也可为数字流域管理做出有益的探索。

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