基于Android的野外地質(zhì)教學(xué)輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

央金卓瑪，張 華

1.西藏大學(xué) 工學(xué)院，西藏 拉薩 850000；2.浙江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310027

野外地質(zhì)實(shí)習(xí)是地質(zhì)類專業(yè)十分重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)。通過實(shí)踐不僅能讓學(xué)生加深對(duì)書本所學(xué)知識(shí)的理解，而且能為今后步入工作崗位從事野外工作打下一定基礎(chǔ)。在當(dāng)前“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，高等教育面臨著巨大的沖擊和挑戰(zhàn)。在這樣的環(huán)境下，地質(zhì)與電子信息平臺(tái)的結(jié)合，是電子信息技術(shù)在地質(zhì)領(lǐng)域的一種新的應(yīng)用方向[1-6]。從行業(yè)角度來看，這種應(yīng)用已經(jīng)十分普遍而且成功，但從教學(xué)角度來說，野外地質(zhì)教學(xué)的信息化目前還處在探索階段。全國地質(zhì)類專業(yè)學(xué)生野外實(shí)習(xí)普遍沿用傳統(tǒng)的調(diào)查方法，將野外觀測(cè)到的地質(zhì)現(xiàn)象及相關(guān)數(shù)據(jù)等用圖表、文字的形式記錄在紙質(zhì)的野外記錄本上，這大大限制了野外地質(zhì)數(shù)據(jù)采集、管理的效率，同時(shí)也增加了后期數(shù)據(jù)整理和分析的工作量[7-10]。

現(xiàn)在學(xué)生獲取信息的方式發(fā)生了極大的轉(zhuǎn)變，更喜歡利用碎片化的時(shí)間來了解自己感興趣的內(nèi)容，而且?guī)缀趺课淮髮W(xué)生人手一個(gè)智能手機(jī)，如果能充分利用這一優(yōu)勢(shì)，適當(dāng)改變地質(zhì)野外教學(xué)方式和手段，無疑能極大促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

基于以上原因，本文采用Android開發(fā)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)野外地質(zhì)數(shù)據(jù)移動(dòng)端數(shù)字化操作，使學(xué)生能夠在野外快速準(zhǔn)確地采集并存儲(chǔ)地質(zhì)相關(guān)信息，降低后期數(shù)據(jù)錄入、轉(zhuǎn)換以及分析整理等工作量。該系統(tǒng)主要用于點(diǎn)位信息錄入、產(chǎn)狀測(cè)量、軌跡顯示、虛擬記錄本、常用資料查詢、系數(shù)計(jì)算、地形圖疊加及地質(zhì)現(xiàn)象點(diǎn)預(yù)覽、天氣查看等，具有高效、便攜和可移動(dòng)的特點(diǎn)，它將信息的采集、存儲(chǔ)、查詢、導(dǎo)出以圖、文、聲、像的形式綜合立體展示，做到了空間數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)和多媒體屬性數(shù)據(jù)的一體化，軟件操作簡(jiǎn)單、易學(xué)。

一、 技術(shù)方案

Android是Google公司開發(fā)的完全開放源代碼的移動(dòng)終端操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用Activity、Intent、Service、Android UI、SQLite、多線程以及系統(tǒng)調(diào)用等技術(shù)，通過系統(tǒng)提供的傳感器監(jiān)聽器，向用戶提供周圍環(huán)境的傳感器數(shù)據(jù)[11]。本軟件基于Android操作系統(tǒng)開發(fā)，界面友好、功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)便，能在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)地圖—導(dǎo)航、定位、產(chǎn)狀測(cè)量、天氣查看、地質(zhì)現(xiàn)象點(diǎn)展示、地形圖疊加等一系列功能。其中地圖服務(wù)、天氣服務(wù)分別基于百度SDK與和風(fēng)天氣SDK的調(diào)用實(shí)現(xiàn)。百度地圖SDK是為開發(fā)者免費(fèi)提供的一套基于百度地圖服務(wù)的移動(dòng)端應(yīng)用接口，提供基本地圖展現(xiàn)、搜索、定位、地圖縮放平移操作、疊加圖層管理、路線規(guī)劃等功能，為移動(dòng)設(shè)備端的地圖應(yīng)用開發(fā)者提供便利。和風(fēng)天氣SDK專為移動(dòng)端設(shè)計(jì)的天氣相關(guān)數(shù)據(jù)接口，擁有API接口全部功能，服務(wù)范圍覆蓋全國，提供常規(guī)數(shù)據(jù)和高精度天氣數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、PM2.5、日出日落時(shí)間等，同時(shí)節(jié)省50%網(wǎng)絡(luò)流量，適合快速在Andorid應(yīng)用中集成天氣數(shù)據(jù)服務(wù)，有助于帶隊(duì)教師提前規(guī)劃野外作業(yè)。除這兩項(xiàng)功能外，本文系統(tǒng)其他功能均基于Android自帶的傳感器和系統(tǒng)調(diào)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)，無須更多插件[12]。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1．系統(tǒng)模塊劃分

本軟件在Android Studio平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)，主要功能模塊有7個(gè)，如圖1所示。其中地圖瀏覽模塊支持在線地圖與離線地圖兩種模式，離線地圖數(shù)據(jù)默認(rèn)存儲(chǔ)在安卓手機(jī)/sdcard/BaiduMapSDK文件夾下[13-14]。點(diǎn)位記錄支持圖文信息記錄，與記錄時(shí)間一一對(duì)應(yīng)，按時(shí)間先后順序存放。常用資料以圖文的形式展示地質(zhì)野外實(shí)習(xí)中可能用到的知識(shí)，學(xué)生在野外沒有把握時(shí)可隨時(shí)搜索查看。系數(shù)計(jì)算主要應(yīng)用于在野外快速獲取數(shù)據(jù)結(jié)果。如滑坡最大距離和速度計(jì)算、泥石流堆積扇面積計(jì)算等，用戶只需輸入相關(guān)地質(zhì)參數(shù)，軟件會(huì)給出最終結(jié)果，有效避免了野外手工計(jì)算的麻煩和人為操作過程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。天氣查看模塊支持三日內(nèi)天氣預(yù)覽，便于野外工作計(jì)劃的提前制定。路線預(yù)覽主要包括野外地質(zhì)現(xiàn)象點(diǎn)預(yù)覽和地形圖疊加兩部分內(nèi)容，通過軟件可提前查看地質(zhì)現(xiàn)象點(diǎn)的位置及相關(guān)圖片信息。產(chǎn)狀測(cè)量主要通過手機(jī)自帶傳感器，可實(shí)現(xiàn)走向、傾向、傾角的測(cè)量。

2． 關(guān)鍵技術(shù)

本軟件采用Java語言編寫，小米6真機(jī)進(jìn)行調(diào)試，其中地圖操作部分使用百度地圖SDK完成，天氣操作部分使用和風(fēng)天氣SDK完成。百度地圖SDK的使用要求開發(fā)者在申請(qǐng)開發(fā)密鑰，將申請(qǐng)的密鑰輸入到安卓工程權(quán)限文件的正確位置，并在Android工程中引用lib相關(guān)文件，才可正常使用地圖功能。而和風(fēng)天氣SDK的使用相對(duì)簡(jiǎn)單，僅需要申請(qǐng)開發(fā)密鑰，不需要在工程中添加本地lib文件。SDK的調(diào)用可大大節(jié)約成本和時(shí)間，開發(fā)者無需訪問源碼或理解內(nèi)部工作機(jī)制的細(xì)節(jié)。

在整個(gè)開發(fā)過程中，地質(zhì)現(xiàn)象點(diǎn)與地形圖疊加功能的實(shí)現(xiàn)最為復(fù)雜，也最易出錯(cuò)，因?yàn)橥ǔＪ褂肳GS84坐標(biāo)系記錄GPS采集的坐標(biāo)經(jīng)緯度，而百度地圖的坐標(biāo)系統(tǒng)存在一定偏移量，故在地圖上添加覆蓋物或需精準(zhǔn)定位的操作時(shí)，其經(jīng)緯度均需加上一定偏移量，核心代碼如下：

//原始坐標(biāo)為 LatiPoint，LongPoint，偏移量分別為LatShift，LongShift

LatLng New Point＝ newLat Lng（LatiPoint+LatShift，LongPoint+ LongShift）。

地形圖疊加功能的實(shí)現(xiàn)過程也較為復(fù)雜，首先需要估算地形圖對(duì)應(yīng)的百度地圖顯示等級(jí)，可簡(jiǎn)單理解為百度地圖比例尺與地形圖比例尺最為接近時(shí)的顯示等級(jí)，然后通過切圖軟件將地形圖圖片切割為256256瓦片圖，本文使用軟件為TileCutter，最后實(shí)現(xiàn)地形圖的疊加顯示。

3． 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

本軟件所涉及的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要針對(duì)野外地質(zhì)現(xiàn)象點(diǎn)的相關(guān)信息，其結(jié)果如表1所示：

圖 1 功能模塊劃分

表 1 地質(zhì)現(xiàn)象點(diǎn)信息表結(jié)構(gòu)

其中時(shí)間數(shù)據(jù)在無法明確數(shù)據(jù)采集時(shí)間時(shí)可為空，其他時(shí)候默認(rèn)不為空。

三、 主要功能界面

系統(tǒng)開發(fā)完成后，經(jīng)多臺(tái)Android手機(jī)實(shí)際測(cè)試，本系統(tǒng)可以順利地在小米、華為、聯(lián)想、中興、魅族、三星等手機(jī)平臺(tái)下運(yùn)行，且反應(yīng)速度快，系統(tǒng)定位準(zhǔn)確，操作簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)。圖2～圖4為小米6真機(jī)上測(cè)試的主要功能界面展示。

圖2所示為離線地圖及路線預(yù)覽功能界面，圖2a為離線地圖界面，本系統(tǒng)支持全國范圍離線地圖下載，因此即使在無網(wǎng)絡(luò)情況下依然可以實(shí)現(xiàn)地圖導(dǎo)航，這一功能在崇山峻嶺的西藏尤為適用。圖2b、圖2c為路線預(yù)覽功能界面，可實(shí)現(xiàn)自定義地形圖及點(diǎn)狀覆蓋物的疊加，在各地質(zhì)現(xiàn)象的點(diǎn)位添加了圖片覆蓋物，點(diǎn)擊后可查看該地質(zhì)點(diǎn)的圖文信息介紹，據(jù)此學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)野外實(shí)習(xí)內(nèi)容的準(zhǔn)確預(yù)習(xí)。

圖3所示為天氣查看及虛擬記錄本功能界面，圖3a為天氣查看界面，可以查看未來三天的天氣狀況，主要數(shù)據(jù)包括溫度、濕度、日出及日落時(shí)間等。圖3b、圖3c為虛擬記錄本功能界面，實(shí)時(shí)記錄地質(zhì)點(diǎn)位圖文信息，并按時(shí)間順序排序，方便查看，同時(shí)拍照功能和錄音功能可實(shí)現(xiàn)信息多元化錄入，實(shí)現(xiàn)了野外點(diǎn)位信息的綜合立體展示。

圖4所示為產(chǎn)狀測(cè)量及常用資料查詢功能界面，圖4a為產(chǎn)狀測(cè)量界面圖，調(diào)用安卓手機(jī)自帶的傳感器，可以實(shí)現(xiàn)傾向、傾角數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)量。經(jīng)過在野外的多次實(shí)地測(cè)試，和羅盤（哈爾濱光學(xué)儀器廠dqy-1型號(hào)）實(shí)際測(cè)量的傾向誤差小于3°，傾角誤差小于5°。圖4b、圖4c為常用資料查詢功能界面，內(nèi)容包括地質(zhì)野外實(shí)習(xí)點(diǎn)位介紹，三大巖類野外初步鑒定方法，羅盤基本原理及使用方法、常用參數(shù)和公式,以及滑坡、崩塌、泥石流地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查表等野外可能用到的知識(shí)點(diǎn)，以彌補(bǔ)人工記憶的不確定性。除此之外，這一模塊還具有自主編輯功能，學(xué)生可根據(jù)自己的需要隨時(shí)進(jìn)行內(nèi)容的增減，方便在野外快速查看。

圖2 系統(tǒng)離線地圖及路線預(yù)覽部分界面

圖 3 系統(tǒng)天氣查看及虛擬記錄本功能界面

圖 4 系統(tǒng)產(chǎn)狀測(cè)量及常用資料查詢功能部分界面

四、 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

2018年該系統(tǒng)成功應(yīng)用于西藏大學(xué)資源勘查工程專業(yè)地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，通過前期的不斷測(cè)試和后續(xù)的系統(tǒng)調(diào)試，該APP在野外環(huán)境中表現(xiàn)良好，尤其是在西藏艱苦惡劣的自然環(huán)境下，天氣預(yù)報(bào)、路線導(dǎo)航、數(shù)據(jù)錄入和導(dǎo)出等各項(xiàng)功能運(yùn)行穩(wěn)定，受到帶隊(duì)教師和學(xué)生們的一致好評(píng)。學(xué)生通過該軟件能夠隨時(shí)隨地輕松實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，極大地激發(fā)了大家學(xué)習(xí)的熱情。同時(shí)，數(shù)據(jù)的導(dǎo)出功能節(jié)省了學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入和資料整理的時(shí)間，避免了人工出現(xiàn)的低級(jí)錯(cuò)誤，提高了實(shí)習(xí)效率。

五、結(jié)語

基于Android平臺(tái)研發(fā)設(shè)計(jì)的主要應(yīng)用于地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)的野外地質(zhì)教學(xué)系統(tǒng)模塊豐富，功能完善，運(yùn)行穩(wěn)定。今后，在此APP基礎(chǔ)上根據(jù)需要對(duì)內(nèi)容稍作調(diào)整，則可以應(yīng)用于地質(zhì)專業(yè)其他野外實(shí)習(xí)，以及西藏大學(xué)校土木工程、交通工程等專業(yè)的地質(zhì)基礎(chǔ)實(shí)習(xí)，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。在科技的迅猛發(fā)展的今天，對(duì)于高校教學(xué)方式尤其是地質(zhì)專業(yè)等較為傳統(tǒng)的理工專業(yè)教學(xué)方式提出了巨大挑戰(zhàn)，同時(shí)也是十分難得的機(jī)遇，相信經(jīng)過幾年的發(fā)展，未來我們對(duì)VR、AI等技術(shù)在地質(zhì)課堂的普遍應(yīng)用充滿期待[15-16]。