基于Android系统的地质认识实习移动教学平台设计

苏妮娜, 宋 璠

(1. 中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580； 2. 海洋国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 山东 青岛 266071)

新泰—蒙阴地区位于山东省中南部的新泰市和蒙阴县境内,地貌上是一处位于蒙山北坡串珠状低山丘陵与莲花山至孟良崮中低山区之间,向北西方向展宽、南东方向收敛的楔形盆地[1-2]。盆地长约75 km,平均宽约5 km,区内地层发育齐全,太古宇、古生界、中生界、新生界均有出露,岩浆岩、变质岩、沉积岩种类丰富,其中古生界、中生界的沉积序列发育较完整,褶曲、断裂等构造现象典型,长期以来被作为山东省各大高校及研究院所地质认识实习的首选地点。然而,随着近年来新泰市城镇化建设的加速推进,野外地质露头遭到了一定程度的破坏,实习队每年都需要提前预备一些新的观测点。在带队实习过程中,受到地形、天气以及观测点熟悉程度等多方面的影响,容易出现迷路或漏掉观测点等情况。此外,新开辟的观测点往往教学场地有限,导致部分学生不能看清地质现象或听清讲解。为了解决这些问题,基于智能手机Android系统下的百度地图APP,开发了一套地质认识实习移动教学平台,在平台中设计了地形图与地质图浏览、路线设计与管理、观测点定位与导航、教学知识点查询等功能,提高了野外地质认识实习的教学效果。

1 平台设计技术方案

Android系统是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统,主要使用于智能手机等移动设备,由美国Google公司和开放手机联盟领导及开发[3]。该系统使用Activity、Intent、Service、Android UI、SQLite、多线程以及系统调用等技术,通过系统提供的传感器监听器,向用户提供周围环境的传感数据,如GPS数据等[4-5]。百度地图SDK是一套基于Android 4.0及以上版本设备的应用程序接口,该套接口免费对外开放且无使用次数的限制。使用者通过调用百度地图SDK接口,能够轻松访问该地图的服务和数据,开发定位准确、功能丰富的地图类应用程序[6]。

本套移动教学平台基于百度地图Android SDK进行开发设计,在背景地图上叠加显示图层,将预先选定的露头观测点放入叠加图层进行显示,并且设置与百度地图APP一致的操作方法进行使用。由于卫星图像和野外地质露头等图像数据更新速度较慢,每年在正式带队实习前由几名经验丰富的教师踏勘并更新图像数据即可,简化了系统的数据库管理流程。用户仅需选择浏览与编辑各类图层、观测点标记及其信息录入等,即可实现数据库的操作管理。在实习过程中,观测点的导航与定位由移动设备的GPS与移动上网功能协同完成,其定位的速度与准确度能够满足实习需要。

2 模块设计与系统特点

2.1 模块划分

依据新泰—蒙阴地区地质认识实习的目标与要求,该移动教学平台构建了4个主要功能模块和1个系统帮助模块(见图1)。用户可以通过地图管理功能在百度地图背景图层上叠加地质露头显示图层,对实习区及观测点位置的地形地貌、出露地层情况等进行预览学习；地图校正功能能够设置不同地区E-W向与S-N向的偏移量,用以校正实习路线中各观测点坐标和百度地图之间的系统误差,提升露头观测的准确度；路线管理功能允许用户设计、加载、编辑实习路线,可以根据不同的实习要求以及环境条件及时调整、优化实习方案；观测点管理是该平台的核心功能模块,用户可以使用该功能进行观测点位置读取、露头照片浏览、知识点学习与编辑等,在实习前后以及实习过程中便于用户随时浏览学习,解决了学生不能看清或听清知识要点的问题,同时模块中设置的提示功能能够帮助教师避免遗漏观测点。

图1 平台模块划分方案

2.2 观测点数据库

在整个野外地质实习的过程中,地质露头观测点是最重要的对象。由于观测点每年都会受到不同程度的破坏,因此观测点数据库的更新与维护是整个移动教学平台数据库管理中的重点工作。为了准确显示各个露头观测点的地理位置及其相关的特征,本套移动教学平台中构建了观测点数据库(结构见表1),以便后期因观测点改变而对平台进行各项完善工作。

表1 移动平台观测点数据库结构表

观测点的经纬度坐标使用GPS采集获取,采用WGS84坐标系进行记录。在进行实习路线与观测点加载时,为了确保与实习区的地形图能够准确叠加,所有加载的图像数据在叠加显示时需要转换为百度地图的坐标系统(bd09ll),转换的源代码如图2所示。

2.3 系统特点

本套教学系统基于百度地图Android SDK进行开发,采用Java语言编写,并使用Android虚拟机进行调试。使用过程中,需要先下载对应版本的lib库并且引用其中的so与jar文件,经过官网授权密钥后方可正常运行。由于百度地图Android SDK提供的所有服务均为免费使用[7],所以本系统无接口使用次数限制,能够满足大量用户同时在线使用。移动教学平台采用功能模块化组建,按照不同功能、不同操作任务和不同层次体系运行,有效提升了系统的稳定性。平台开发完成后,经多款常用型号的手机测试,证实了该系统在华为荣耀8、小米5S、oppoA73、vivoV3等大学生常用机型下运行流畅。图3所示为该平台地图管理与路线管理模块的运行界面。

图3 新泰—蒙阴地区地质实习移动教学平台界面

3 主要功能

针对新泰—蒙阴地区地质认识实习的特点,结合近年来实习师生反馈的实际问题,本套移动教学平台构建了4大功能模块,其中全面辅助野外实习的功能主要包括3个方面。

3.1 实习区预览与路线导航

与同类型应用程序相比,Android系统下的百度地图具有覆盖范围广、地图信息全、操作简便等优点,尤其是百度地图为用户提供的智能路线规划、智能导航、实时路况等方面优势明显[8-9]。该平台基于百度地图SDK在手机上实时显示野外地形图,并利用GPS功能快速测算地理坐标,用户通过查询浏览、比例缩放、定位等能够及时了解实习区的当前状况。带队教师可根据实习要求规划好实习路线,在实习过程中可全程启用系统导航信息,按照预定的路线与教学地点行进,避免由道路施工、环境因素造成的迷路等情况。例如实习区内横山村—碗窑头路线中,村庄建设修路改道频繁,实习队经常会在村庄里迷路而错过观测点,借助移动教学平台的卫星地图浏览与路线导航功能能够有效提高野外实习的教学质量。

3.2 观测点定位及实时数据浏览

地质露头观测点的教学环节是野外地质实习的核心工作,其定位的准确性直接影响着野外工作效率。百度地图能够调用World View-Ⅱ等卫星所获取的高分辨率遥感影像数据,用户可在路线踏勘阶段将最新的观测点坐标、图像、地质特点等数据录入至该移动教学平台中,并将平台APP及数据库提前分发给实习学生,在正式实习过程中便于寻找观测点，并可随时调用该观测点的相关教学信息。由于该平台的观测点数据库结构及其后续的维护管理工作都十分简单,实习教师只需根据每年按照实习目标对实习路线和观测点进行调整、补充等操作,在手机平台上即可轻松完成。值得一提的是,由于炸山采石、修路、种植农作物等人工活动,新泰—蒙阴地区的地质露头每年都受到一定程度的破坏,实习队长有必要在每年实习之前及时更新系统数据库,确保移动教学平台与实习区地质情况保持一致。图4所示为新泰—蒙阴地区盘车沟—分水岭—盘古庄实习路线的主要观测点及其知识要点。

图4 盘车沟—分水岭—盘古庄实习路线主要观测点

3.3 实习过程跟踪评价

野外实习过程中经常会出现部分观测点没有充足时间去讲解学习的情况,这是由个别观测点停留时间过长、教学环节设计不当、环境因素以及人员体力不足等多方面原因造成[10]。因此,对实习进度进行整体追踪与评价,有助于教师对各实习路线教学进程的宏观把控,对每个观测点的教学活动进行合理分配,提升野外教学质量。该移动教学平台内设置了实习过程跟踪评价功能,通过将智能手机的计步系统与路线管理模块的计时功能结合,以曲线方式全程记录并分析一个完整的实习路径,实现了野外实习定量化管理。

4 应用效果评价

该地质实习移动教学平台开发完成以来,先后于2016年、2017年暑期参加新泰—蒙阴地区地质认识实习的部分班级进行试用。通过对近200名学生问卷调研统计表明,有90%的学生使用了该平台并一致认为功能实用、操作简便,能够有效激发学生的学习兴趣并提供了知识点预习、复习等帮助。带队教师认为该平台能够切实优化野外实习的路线方案、准确定位地质观测点,并在复杂地貌及恶劣天气下运行稳定,极大地改善了野外实习的教学效果。

通过使用该移动教学平台辅助野外实习,近2年新泰—蒙阴地区地质认识实习的效率明显得到提升,以往经常发生的迷路、绕弯路、遗漏观测点等现象已基本杜绝。以行进路线最长的盘车沟—分水岭—盘古庄路线为例,该路线自新泰市汶南镇盘车沟村西侧分水岭出发,沿路大致向东行进至盘古庄村西到达终点,路程全长大约6 km(见图4)。该路线中生界地层超覆不整合在上石炭统太原组之上,各类典型的碎屑岩及其沉积现象出露良好,共设置了7处观测点。近年来汶南镇炸山采石修路较频繁导致观测点1河流相砂岩、观测点3深湖泥岩受到严重破坏,无法建立起正常的沉积序列。2016年实习教师针对该问题提前踏勘寻找到了出露良好的地层,并将相关数据加载至该教学平台中(见图4)。在近2年实习过程中,实习队利用该平台准确定位了上述教学观测点,并借助其丰富的观测点数据库,建立了该地区系统的沉积相演化序列,顺利完成了实习任务。

5 结语

应用于新泰—蒙阴地区地质认识实习的辅助教学平台基于智能手机Android系统开发,将百度地图SDK、GPS导航定位、移动上网、Java编程等技术有机结合,充分发挥了百度地图覆盖范围广、遥感影像清晰

的优势,并将野外地质实习的观测点位置与教学资料联系起来,极大地提高了野外实践教学的效率。随着智能手机的性能快速提升,今后将逐步完善平台的数据库及功能模块,考虑将构造等高线、地层边界线、地层岩性等信息加载到数据库中,并叠加显示至观测点图层上。通过不断完善至成熟后,可逐步将该移动教学平台推广应用至秦皇岛、巢湖等地区的野外地质实习中,以及类似灵山岛、大珠山等地质公园旅游路线设计、景点介绍等领域中。