基于Android的南極人員定位軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孔愛(ài)婷 劉健 余旭

(1廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東廣州510006;2中國(guó)極地研究中心，上海200136)

0 引言

近年來(lái)，各南極考察國(guó)家在南極開(kāi)展了大量的GIS研究活動(dòng)，包括空間數(shù)據(jù)采集和管理、測(cè)繪和制圖等方面［1］。在南極，標(biāo)志性的地物不多，早期在南極探險(xiǎn)的人們通過(guò)觀測(cè)太陽(yáng)和星星來(lái)確定位置，到了20世紀(jì)80年代后期，南極人員普遍采用GPS定位的方法。為了尋找某個(gè)地點(diǎn)，南極考察人員需要耗費(fèi)大量的精力。手機(jī)地圖定位服務(wù)的便攜性和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性可以很好地解決這一問(wèn)題。

現(xiàn)在的智能手機(jī)有著極高的集成性，為在手機(jī)上開(kāi)發(fā)測(cè)繪及地理信息系統(tǒng)(GIS)相關(guān)軟件提供了有利的條件并有著廣闊前景［2］。利用Android平臺(tái)［3］開(kāi)發(fā)手機(jī)地圖定位軟件成為了目前的研究熱點(diǎn)，如:利用Google Map API技術(shù)，開(kāi)發(fā)基于Android手機(jī)平臺(tái)的地圖應(yīng)用［4-5］;通過(guò)調(diào)用已發(fā)布的Arc-GISServer［6］地圖服務(wù)研究實(shí)時(shí)跟蹤和快速準(zhǔn)確的地理定位［7］;采用方向傳感器和GPS模塊，開(kāi)發(fā)野外使用的Android軟件［8］。目前大部分的人員定位軟件主要是以網(wǎng)絡(luò)的方式實(shí)現(xiàn)，不適合在極地考察的南極人員使用。因此，開(kāi)發(fā)適合南極人員使用的移動(dòng)終端地圖定位軟件有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

本文所實(shí)現(xiàn)的南極人員定位軟件基于Android平臺(tái)開(kāi)發(fā)，采用的地圖是經(jīng)過(guò)ArcGIS處理的衛(wèi)星圖像，該手機(jī)軟件可以用來(lái)瀏覽南極中山站和長(zhǎng)城站地圖，并能對(duì)其進(jìn)行放大縮小等漫游操作，同時(shí)具有無(wú)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)定位、電子指南針、導(dǎo)航、位置記錄等功能，滿足了南極用戶基本的手機(jī)地圖定位服務(wù)需求。

1 軟件設(shè)計(jì)

南極人員定位軟件建設(shè)以實(shí)現(xiàn)無(wú)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)定位為目標(biāo)，以 Android為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以ArcGIS插件［9］為基礎(chǔ)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、GPS定位技術(shù)和ArcGIS Server地圖緩存技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地圖瀏覽、定位、電子羅盤、導(dǎo)航、記錄、計(jì)算距離等功能。

1.1 軟硬件環(huán)境

由于南極部分區(qū)域還不具備數(shù)據(jù)訪問(wèn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊環(huán)境，因此在移動(dòng)地理信息框架支撐方面選擇具備離線數(shù)據(jù)支持的輔助方法。軟件采用Arc-GISServer地圖緩存技術(shù)，ArcGIS Runtime SDK for Android v10.1.1插件，以Eclipse作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以安卓手機(jī)Android 4.1.2作為真機(jī)測(cè)試。

1.2 軟件功能設(shè)計(jì)

根據(jù)南極人員出行考察的需要和Android平臺(tái)的特點(diǎn)，南極人員定位軟件設(shè)計(jì)的功能如圖1所示。

圖1 軟件功能整體架構(gòu)Fig.1.Software architecture of functions

(1)底圖切換功能:用戶可以根據(jù)所在位置選擇對(duì)應(yīng)的底圖;

(2)地圖控制:實(shí)現(xiàn)地圖放大、縮小、平移等漫游操作，并提供導(dǎo)航功能;

(3)位置定位:每間隔20 s自動(dòng)更新位置;

(4)記錄功能:標(biāo)記當(dāng)前位置，包括添加和刪除功能;

(5)計(jì)算距離:計(jì)算當(dāng)前位置與記錄位置的距離。

2 軟件開(kāi)發(fā)

軟件的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)包括開(kāi)發(fā)環(huán)境的配置;地圖緩存的生成;定位模式的選擇;記錄位置、電子指南針等功能的開(kāi)發(fā)。

2.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境配置

根據(jù)電腦的操作系統(tǒng)，下載安裝對(duì)應(yīng)軟件，環(huán)境配置過(guò)程如下:(1)安裝JDK 1.6;(2)安裝Eclipse 4.3;(3)安裝SDK并設(shè)置環(huán)境變量;(4)安裝ADT;(5)安裝ArcGIS插件。

2.2 地圖緩存的生成

底圖的設(shè)計(jì)有兩種方案:一是把中山站和長(zhǎng)城站的影像疊加在世界地圖上，優(yōu)點(diǎn)是在空間上呈現(xiàn)無(wú)縫的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是創(chuàng)建后的緩存非常大;二是使用局部區(qū)域底圖，提供選擇底圖功能，優(yōu)點(diǎn)是創(chuàng)建后的緩存大幅減少，缺點(diǎn)是僅限于指定地區(qū)使用。

對(duì)這兩種方案的地圖進(jìn)行緩存切片研究，研究結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，地圖緩存的大小與地圖范圍和緩存比例尺有關(guān)，如果使用方案一，在保證底圖清晰的前提下，切片后的緩存必定很大，這樣會(huì)造成手機(jī)存儲(chǔ)容量的壓力，基于對(duì)比結(jié)果，選擇方案二，這樣既保證了底圖分辨率，也控制了緩存大小。

表1 緩存研究結(jié)果Table 1.The results of cache study

軟件以1∶4 000為最大比例尺，選擇6個(gè)比例級(jí)別，生成地圖緩存，步驟為:(1)對(duì)中山站影像和長(zhǎng)城站影像分別使用ArcMap配置底圖;(2)應(yīng)用ArcGISServer地圖服務(wù)器發(fā)布地圖服務(wù);(3)對(duì)底圖的地圖服務(wù)創(chuàng)建緩存。

2.3 定位模式選擇

手機(jī)定位方式有基站定位、GPS定位、Wifi定位、Assist GPS定位，考慮到南極特殊的地理環(huán)境，本軟件采用不依賴于網(wǎng)絡(luò)的GPS定位這種模式，在地球任何一個(gè)上空無(wú)遮擋的地方只需要同時(shí)接收到四顆或以上的衛(wèi)星信號(hào)就可以獲取經(jīng)緯度。

為了證明定位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)任意兩個(gè)點(diǎn)采用GPS靜態(tài)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，得到這兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，分別是 113°23'18.91″E、23°02'27.43″N和113°23'33.34″E、23°02'06.26″N;使用手機(jī)每隔 20 s獲取這兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，對(duì)獲取的10組數(shù)據(jù)取平均后的坐標(biāo)，分別是 113°23'18.71″E、23°02'27.91″N和113°23'36.51″E、23°02'11.61″N。 從測(cè)試結(jié)果可以看出，手機(jī)GPS與GPS接收機(jī)所獲得的數(shù)據(jù)之差在6″的范圍內(nèi)。手機(jī)GPS定位在空曠環(huán)境中能達(dá)到幾米至幾十米的精度，在一般環(huán)境中能達(dá)到幾十米至幾百米的精度。雖然不能和專業(yè)的接收機(jī)相比，但能夠滿足人員定位的一般需要［10］。

用Android提供的地理位置服務(wù)功能API獲取當(dāng)前的位置。這里主要用到LocationManager和LocationListener功能類進(jìn)行定位實(shí)現(xiàn)，其中Location-Manager提供定位服務(wù)的功能;LocationListener提供定位信息發(fā)生改變時(shí)的回調(diào)功能。

2.4 記錄功能的實(shí)現(xiàn)

由于南極沒(méi)有太多明顯的地物，因此軟件設(shè)計(jì)時(shí)提供記錄當(dāng)前點(diǎn)位置的功能，可以應(yīng)用在如海冰卸貨(記錄冰縫位置)、野外作業(yè)(記錄站點(diǎn)或標(biāo)識(shí)物位置)等情況下。記錄的標(biāo)記采用數(shù)字疊加圖標(biāo)的顯示方式。主要是根據(jù)當(dāng)前的位置信息添加圖標(biāo)和添加按順序的數(shù)字，并保存記錄點(diǎn)的信息。主要用到ArrayList數(shù)組類保存記錄點(diǎn)的信息和TextSymbol文本符號(hào)類型添加按順序的數(shù)字。

2.5 電子指南針的實(shí)現(xiàn)

Android系統(tǒng)可支持多種傳感器類型，本程序主要使用到方向傳感器。用Android提供的API調(diào)用傳感器，這里主要用到SensorManager和SensorEventListener功能類獲取手機(jī)繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角度，再根據(jù)此角度旋轉(zhuǎn)圖標(biāo)，在底圖服務(wù)基礎(chǔ)上疊加此圖標(biāo)。然后設(shè)置一個(gè)監(jiān)聽(tīng)器，利用監(jiān)聽(tīng)接口onSensorChanged來(lái)讀取具體感應(yīng)內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)電子指南針。

2.6 軟件測(cè)試成果

每個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)后，運(yùn)行程序，測(cè)試過(guò)程如表2所示，選取幾個(gè)運(yùn)行畫面如圖2至圖7所示，從測(cè)試結(jié)果可以看出，整體設(shè)計(jì)滿足要求，實(shí)現(xiàn)了選擇底圖功能、顯示離線地圖、GPS定位、添加標(biāo)記、記錄該點(diǎn)位置、電子指南針指向正確、計(jì)算距離、放大、縮小等功能，而且定位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，運(yùn)行流暢。

表2 測(cè)試過(guò)程Table 2.The process of testing

3 關(guān)鍵技術(shù)概述

南極人員定位軟件關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)無(wú)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)定位，加載離線地圖和添加一些輔助功能。

(1)ArcGIS地圖緩存技術(shù) 軟件采用處理后的衛(wèi)星圖像作為底圖，利用ArcGIS Server創(chuàng)建地圖緩存，利用ArcGISLocalTiledLayer類調(diào)用移動(dòng)終端地圖緩存。ArcGIS地圖緩存的主要問(wèn)題是緩存大小與緩存分辨率相矛盾的問(wèn)題，因此采用切換底圖的方法，這樣既保證了地圖的分辨率，又控制了緩存的大小。

(2)投影轉(zhuǎn)換技術(shù) 為了使獲取的位置信息可視化，采用圖形類Graphic對(duì)相關(guān)位置進(jìn)行圖標(biāo)注記和文字注記。由于GPS獲取的位置坐標(biāo)是WGS-84坐標(biāo)系下的大地坐標(biāo)，即用經(jīng)緯度高程(B，L，H)表示的坐標(biāo);地圖使用的是墨卡托投影的直角坐標(biāo)，是用(X，Y)表示的平面坐標(biāo)。因此，在不考慮高程參與轉(zhuǎn)換的前提下，使用ArcGIS Android API提供的GeometryEngine類將GPS獲取的經(jīng)緯度投影到地圖上。

圖2 GPS設(shè)置界面Fig.2.GPS interface settings

圖3 選擇底圖Fig.3.Basemap selection

圖4 記錄位置Fig.4.Position record

圖5 總體效果圖Fig.5.Overall effect diagram

圖6 顯示距離Fig.6.Distance shows

圖7 導(dǎo)航圖Fig.7.Navigation diagram

(3)實(shí)時(shí)定位的優(yōu)化 采用GPS定位時(shí)，由于絕大部分用戶默認(rèn)不開(kāi)啟GPS模塊，因此使用協(xié)助組件之間通訊的類Intent激活GPS設(shè)置界面，從而保證軟件可以獲取衛(wèi)星信號(hào)。由于采用定位監(jiān)聽(tīng)器頻繁地獲取位置信息比較耗電，因此軟件采用RequestLocationUpdates方法，設(shè)置間隔20 s自動(dòng)更新位置信息。

(4)顯示距離 在南極，標(biāo)志性的地物不多，利用經(jīng)緯度計(jì)算當(dāng)前位置與記錄位置的距離，有利于用戶定量分析是否到達(dá)目的地。軟件提供顯示距離和隱藏距離的功能，方便用戶把距離信息與圖上標(biāo)記聯(lián)系起來(lái)且不影響界面的顯示效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合南極特殊的位置特點(diǎn)和地理環(huán)境，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了南極人員定位軟件。該軟件能為南極人員在無(wú)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的通訊盲區(qū)提供實(shí)時(shí)定位與導(dǎo)航功能，為以后開(kāi)發(fā)手機(jī)地圖定位軟件提供了借鑒意義。當(dāng)然，軟件的建立還存在一些問(wèn)題，包括:范圍過(guò)大的地圖會(huì)占用過(guò)多的手機(jī)儲(chǔ)存容量;首次獲取定位數(shù)據(jù)時(shí)間較長(zhǎng)而且比較耗電;功能需要進(jìn)一步完善，比如在有手機(jī)信號(hào)或者網(wǎng)絡(luò)的情況下可以傳送自己的位置等信息，以上問(wèn)題有待于在實(shí)踐過(guò)程中進(jìn)一步將其完善。

致謝數(shù)據(jù)由中國(guó)極地研究中心和中國(guó)南北極數(shù)據(jù)中心“極地科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)(http://www.chinare.org.cn)”提供，謹(jǐn)致謝忱。

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8 Weng Y H， Sun F S， Grigsby JD.GeoTools:An android phone application in geology.Computers&Geosciences，2012，44:24-30.

9 吳泳鋒.ArcGISAPI for Android案例教程［2011-02-22］.http://www.doc88.com/p-59896798582.html.

10 謝翔，荊昊，郭際明.室內(nèi)環(huán)境下手機(jī)GPS定位精度研究.測(cè)繪通報(bào)，2012，(8):95-98.