Mobile GIS技術(shù)在災(zāi)害數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用＊

徐錫珍

1）成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院，成都 610059

2）北京大學(xué)數(shù)字中國(guó)研究院，北京 100871

Mobile GIS技術(shù)在災(zāi)害數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用＊

徐錫珍1，2）

1）成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院，成都 610059

2）北京大學(xué)數(shù)字中國(guó)研究院，北京 100871

以Mobile GIS相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)，在Windows Mobile 5.0系統(tǒng)下設(shè)計(jì)開發(fā)了“應(yīng)急通”災(zāi)害數(shù)據(jù)采集軟件。采集數(shù)據(jù)包括文字、圖片、音頻、視頻、xml表單。系統(tǒng)通過通訊網(wǎng)絡(luò)及時(shí)向后臺(tái)服務(wù)器發(fā)回所采集的數(shù)據(jù)，滿足基本災(zāi)害數(shù)據(jù)采集需求，能夠?yàn)闉?zāi)害應(yīng)急管理提供決策支持。

Mobile GIS；Windows Mobile；災(zāi)害；應(yīng)急

引言

近年來全球自然災(zāi)害頻發(fā)。2004年的印度洋海嘯、2005年的“卡特里娜”颶風(fēng)、2007年南亞多國(guó)特大洪災(zāi)、2008年中國(guó)汶川地震、2010年的海地地震，以及剛剛于2011年3月11日發(fā)生的日本9級(jí)大地震及其引發(fā)的海嘯和核電站大范圍核泄漏事故，所有這些災(zāi)害無不給人們生命、財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。

我國(guó)近年來也發(fā)生了多起重大自然災(zāi)害，如2008年大雪災(zāi)、汶川大地震、2010年的西南干旱、青海玉樹地震、全國(guó)多地洪澇災(zāi)害、甘肅舟曲等多地的泥石流災(zāi)害等。除自然災(zāi)害外，多種人為因素引起的災(zāi)害也極大威脅著我們生存的環(huán)境，如福建紫金礦業(yè)污染事件、大連輸油管爆炸事件等。

頻發(fā)災(zāi)害事件的應(yīng)急管理對(duì)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集提出了更多更高的要求，如要求采集數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確、附帶地理位置信息并能實(shí)時(shí)傳輸回后臺(tái)指揮中心等。移動(dòng)地理信息系統(tǒng)（Mobile GIS）技術(shù)［1］綜合運(yùn)用了GPS的精確定位技術(shù)、便攜移動(dòng)設(shè)備（如Pocket PC、智能手機(jī)）、移動(dòng)通訊技術(shù)和GIS的空間信息處理能力，使得系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地獲取、存儲(chǔ)、處理、分析和顯示地理相關(guān)信息。基于Mobile GIS技術(shù)的災(zāi)害數(shù)據(jù)采集能夠快速采集災(zāi)情數(shù)據(jù)，為災(zāi)害應(yīng)急管理提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料，支持決策。

1 災(zāi)害數(shù)據(jù)采集需求

災(zāi)害是指給人類和人類賴以生存的環(huán)境造成破壞性影響的事物的總稱，根據(jù)災(zāi)害發(fā)生的原因不同可分為自然災(zāi)害和人為災(zāi)害。自然災(zāi)害又可分為地震、滑坡、旱災(zāi)、洪澇災(zāi)害、農(nóng)作物生物災(zāi)害、森林生物災(zāi)害、海洋災(zāi)害、氣象災(zāi)害等［2］。災(zāi)害信息需要采集的一些共性資料包括：災(zāi)害類型、受災(zāi)地點(diǎn)和區(qū)域、受災(zāi)人數(shù)以及災(zāi)害發(fā)生時(shí)間等。

但各種自然或者人為災(zāi)害，其對(duì)應(yīng)災(zāi)害應(yīng)急管理需要采集的數(shù)據(jù)也各有不同的要求。如地震后災(zāi)害數(shù)據(jù)采集要求采集房屋倒塌情況、人員傷亡情況，而旱澇災(zāi)害需要采集水源情況、飲水措施等。以往某種特定的災(zāi)害數(shù)據(jù)采集終端或終端軟件只能適用于一種或幾種設(shè)計(jì)的災(zāi)害類型數(shù)據(jù)采集［3－4］，不能使用于或者不能快速方便地修改以適用于其他災(zāi)害情況。各級(jí)應(yīng)急管理部門、民政救災(zāi)部門，急切需要一種能適用于多種災(zāi)害情況的移動(dòng)終端采集軟件。

2 Mobile GIS相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 嵌入式操作系統(tǒng)［5］

嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展很快。近年來隨著智能手機(jī)的普及，人們對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的了解也越來越深入。其中微軟公司的Windows Mobile系統(tǒng)、諾基亞公司的Symbian系統(tǒng)、蘋果公司的iOS系統(tǒng)、Google公司的Android系統(tǒng)以及加拿大RIM公司的Blackberry OS系統(tǒng)是比較流行的為民眾所熟知的嵌入式系統(tǒng)。以下列舉幾種適合開發(fā)Mobile GIS軟件的嵌入式操作系統(tǒng)。

嵌入式Linux系統(tǒng)，是將開源Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)裁剪，適用于嵌入式設(shè)備的一種開源操作系統(tǒng)。

OpenMoKo系統(tǒng)［6］，是一個(gè)開源的移動(dòng)通訊平臺(tái)，它支持AGPS、觸屏和GSM數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)。

Windows CE系統(tǒng)，是微軟公司嵌入式、移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ)，采用授權(quán)許可給OEM商，OEM商可適當(dāng)修改、創(chuàng)建第三方應(yīng)用的形式進(jìn)行開發(fā)。

本文中論述的試驗(yàn)系統(tǒng)采用的是Windows Mobile 5.0操作系統(tǒng)，是一款基于Windows CE 5.0內(nèi)核的適用于智能手機(jī)的操作系統(tǒng)。

2.2 嵌入式GIS核心

嵌入式GIS核心是實(shí)現(xiàn)Mobile GIS應(yīng)用的核心。我國(guó)目前在應(yīng)用的主要商業(yè)應(yīng)用軟件有：超圖公司的eSuperMap和ESRI公司的ArcPad。嵌入式GIS核心提供了移動(dòng)端GIS二次開發(fā)的必要功能組件，是一個(gè)GIS基本功能操作的移動(dòng)端核心庫(kù)。

本文中論述的“應(yīng)急通”終端軟件試驗(yàn)系統(tǒng)并未采用上述商業(yè)軟件，而是采用實(shí)驗(yàn)小組研發(fā)的GIS核心底庫(kù)作為基礎(chǔ)。自主開發(fā)的GIS核心庫(kù)主要實(shí)現(xiàn)的功能有矢量格式地圖加載（目前實(shí)現(xiàn)shp格式數(shù)據(jù)加載，正在研發(fā)兼容其它數(shù)據(jù)格式）、數(shù)據(jù)圖層管理（圖層加載、刪減、是否可視可修改等操作）以及工作空間管理等。圖1所示為“應(yīng)急通”終端軟件GIS核心類框架圖。

圖1 GIS核心類框架圖

2.3 移動(dòng)通訊技術(shù)

移動(dòng)通訊技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了第一代模擬式技術(shù)、第二代數(shù)字式技術(shù)，目前正邁入第三代移動(dòng)通訊技術(shù)，支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通訊技術(shù)，國(guó)際電聯(lián)稱之為“IMT—2000”［7］，而民眾和媒體則大都籠統(tǒng)地稱之為“3G”。目前第三代移動(dòng)通訊技術(shù)存在的4種標(biāo)準(zhǔn)分別是CDMA2000、WCDMA、TD－SCDMA、WiMAX。綜合考慮了多種通訊技術(shù)在應(yīng)用面、傳輸速率、開發(fā)技術(shù)難度等情況后，本文論述的“應(yīng)急通”終端軟件試驗(yàn)系統(tǒng)暫未采用第三代移動(dòng)通訊技術(shù)，而是采用了目前相對(duì)技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的第二代（2G）和第三代（3G）移動(dòng)通訊技術(shù)之間的通用無線分組服務(wù)技術(shù)（GPRS，常被描述為2.5G）作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，并?duì)需要傳輸?shù)妮^大數(shù)據(jù)量的文件進(jìn)行了分包形式的處理。

隨著第三代移動(dòng)通訊技術(shù)的發(fā)展，其數(shù)據(jù)傳輸速率將達(dá)到兆/秒級(jí)別，將有效支持目前的語音通話及多媒體數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)用于災(zāi)害數(shù)據(jù)采集軟件將極大提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾始皶r(shí)效性，實(shí)現(xiàn)大型矢量柵格圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2.4 定位技術(shù)

基于移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)主要有：Cell－ID定位技術(shù)、基于到達(dá)角（AOA）定位技術(shù)、基于到達(dá)時(shí)間（TOA）的定位技術(shù)、基于到達(dá)時(shí)間差（TDOA）的定位技術(shù)、基于增強(qiáng)觀測(cè)時(shí)間差（E－OTD）定位技術(shù)以及AGPS定位技術(shù)［8］。

衛(wèi)星定位具有不基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的自定位功能，只要求移動(dòng)設(shè)備終端集成衛(wèi)星定位模塊。目前的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS（Global Navigation Satellite System）包括有美國(guó)的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)、歐盟的Galileo系統(tǒng)以及中國(guó)的北斗（Compass）系統(tǒng)，它是一個(gè)綜合的衛(wèi)星星座系統(tǒng)。其中由于GPS系統(tǒng)技術(shù)成熟、發(fā)展最早、性能穩(wěn)定以及價(jià)格等因素而得到最普遍的應(yīng)用。綜合考慮各種定位技術(shù)的開發(fā)難度、經(jīng)濟(jì)成本等因素，本文論述的“應(yīng)急通”終端軟件試驗(yàn)系統(tǒng)采用了GPS定位技術(shù)，以智能手機(jī)自帶GPS模塊為基礎(chǔ)，利用Windows Mobile 5.0SDK提供的GPSID接口來調(diào)用GPS數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)體系設(shè)計(jì)

整個(gè)“應(yīng)急通”終端軟件試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為3層：基礎(chǔ)層、功能層和應(yīng)用層?；A(chǔ)層主要包括GIS核心、GPS功能、系統(tǒng)設(shè)置、通訊管理等模塊。功能層主要包括圖層控制、數(shù)據(jù)管理、文本、圖片、音頻、視頻、xml表單數(shù)據(jù)采集等模塊。應(yīng)用層包括任務(wù)管理、用戶界面、系統(tǒng)管理等模塊。圖2描述了系統(tǒng)的主要功能及整個(gè)菜單操作流程。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

在“應(yīng)急通”終端軟件系統(tǒng)中可以采集的數(shù)據(jù)包括：表單、文本、圖片、音頻、視頻，分別用NavTable、NavText、NavPhoto、NavRecord、NavVideo來表示（如表1所示）。這些數(shù)據(jù)類型具有兩個(gè)公共的屬性：GPS位置和系統(tǒng)時(shí)間，它記錄了數(shù)據(jù)在被采集時(shí)的空間和時(shí)間信息。

采用用戶自定義xml表單形式，允許用戶根據(jù)采集內(nèi)容在服務(wù)器端定制各種表單模板，導(dǎo)入終端軟件后，在實(shí)際數(shù)據(jù)采集中依此模板快速采集所需數(shù)據(jù)，以適用于多種災(zāi)害數(shù)據(jù)的不同采集需求。

3.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

北京大學(xué)數(shù)字中國(guó)研究院實(shí)驗(yàn)小組依據(jù)以上設(shè)計(jì)框架設(shè)計(jì)開發(fā)了“應(yīng)急通”終端軟件試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于災(zāi)害數(shù)據(jù)的野外移動(dòng)采集與上報(bào)，能夠很好地適用于地震、干旱、洪澇等災(zāi)害災(zāi)情數(shù)據(jù)采集。圖3所示為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面，模擬了西南某地發(fā)生旱災(zāi)后的災(zāi)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)信息采集調(diào)查。

圖2 系統(tǒng)菜單操作流程

表1 “應(yīng)急通”軟件的數(shù)據(jù)類型

4 結(jié)語和建議

基于Mobile GIS技術(shù)，嘗試設(shè)計(jì)了一種Windows Mobile系統(tǒng)下的災(zāi)情數(shù)據(jù)采集終端軟件，實(shí)現(xiàn)包括文本、圖片、音頻、xml表單等多種格式的災(zāi)害數(shù)據(jù)采集，并且基于自定義xml表單數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)多種災(zāi)害類型的數(shù)據(jù)采集要求。

數(shù)據(jù)的發(fā)送方式暫時(shí)采用了GPRS技術(shù)，基本滿足傳輸速率要求。目前3G應(yīng)用發(fā)展很快，結(jié)合應(yīng)用3G網(wǎng)絡(luò)提高數(shù)據(jù)傳輸速率將更有利于災(zāi)害數(shù)據(jù)采集，并可實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的視頻或柵格影像傳輸。

大型災(zāi)害往往帶來極大的破壞性，很可能造成災(zāi)區(qū)各種管網(wǎng)設(shè)施的癱瘓，包括供水管網(wǎng)、供電管網(wǎng)以及有線、無線通訊網(wǎng)絡(luò)。在汶川地震中就暴露了這方面問題。我國(guó)的北斗衛(wèi)星短報(bào)文系統(tǒng)在當(dāng)時(shí)發(fā)揮了很好的作用，災(zāi)害數(shù)據(jù)采集終端的開發(fā)若能集成類似衛(wèi)星通訊功能，將在大災(zāi)大難后起到關(guān)鍵性作用。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面

GNSS衛(wèi)星定位技術(shù)和基于移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)迅速發(fā)展，而且也出現(xiàn)了一些集成定位技術(shù)的定位模塊，定位精度、效果要比單一技術(shù)形式更加優(yōu)化和可靠。當(dāng)然這樣也可能造成定位模塊經(jīng)濟(jì)成本高、體積增大等情況，需要綜合考慮各方面需求權(quán)衡。但集成多種定位技術(shù)的發(fā)展必定會(huì)幫助移動(dòng)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集終端實(shí)現(xiàn)更加精確、穩(wěn)定的定位效果。

本試驗(yàn)系統(tǒng)出于試驗(yàn)?zāi)康乃媒K端為普通的Windows Mobile智能手機(jī)，實(shí)際災(zāi)害數(shù)據(jù)采集終端應(yīng)該經(jīng)過特別設(shè)計(jì)，在硬件方面要滿足防水、抗摔等要求，才更適用于野外條件。

（作者電子信箱，徐錫珍：xuxizhen＠gmail.com）

［1］張海濤.移動(dòng)GIS的地理空間信息分發(fā)和可視化.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，46（3）：67－68

［2］馬宗晉.自然災(zāi)害與減災(zāi)600問答.北京：地震出版社，1990

［3］余豐華，夏躍珍，楊克紅，等.移動(dòng)GIS技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的應(yīng)用研究.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2006，17（2）：102－106

［4］吳雨光，何琳.Mobile GIS在林火應(yīng)急管理系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2010，35（3）：15－18

［5］Mobile Solutions［EB/OL］.http：∥wiki.osgeo.org/wiki/Mobile＿Solutions

［6］Openmoko［EB/OL］.http：∥www.openmoko.com

［7］曹淑敏.IMT－2000技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)向.世界電信，1999，12（4）：20－24

［8］董振寧.無線移動(dòng)位置服務(wù)平臺(tái)的構(gòu)架與應(yīng)用.地理信息世界，2003，1（3）：19－23

Application of Mobile GIS technology to disaster data collection

Xu Xizhen1，2）
1）College of Information Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China
2）Institute of Digital China，Peking University，Beijing 100871，China

The“Navtong”disaster data collection software is designed and developed in Windows Mobile 5.0system，based on the related technologies of Mobile GIS.The collected data include texts，images，audio data，videos and xml forms.The system uses communication networks to send back the collected data to the server.It can basically meet the needs of disaster data collection and provide supports for disaster and emergency management decision－making.

Mobile GIS；Windows Mobile；disaster；emergenc y

PX4，TP319；

A；

10.3969/j.issn.0235－4975.2011.05.008

2011－03－29；

2011－04－13。