_基于移动GIS的野外地质数据采集系统的设计

收稿日期:2003-12-17;修订日期:2004-04-16 作者简介:余丰华(1976-),男,河南信阳人,硕士研究生,主要研究方向:地理信息系统、计算机辅助绘图.

文章编号:1001-9081(2004)06Z -0082-02

基于移动GIS 的野外地质数据采集系统的设计

余丰华,吴冲龙,刘　刚

(中国地质大学资源学院,湖北武汉430074)

摘　要:探讨了使用ArcPad 作为二次开发平台,以ArcPad Application Builder (ArcPad Studio )作为

开发工具,对掌上机的GI S 进行系统定制及功能增强的可行性,使其成为野外地质数据采集的得力工具。

关键词:移动GI S ;掌上机;野外地质数据采集;多S 集成;ArcP AD 中图分类号:TP311.52 文献标识码:A

1　引言

传统的野外地质数据的采集方式是使用野薄记录,由于

记录内容随意、记录格式不规范及野外的使用不方便等缺点,难以满足地学定量化和地矿信息化的要求。目前野外地质数据采集过程中引入了便携机,这对于传统意义上的野外数据采集方式来说具有十分重要的意义。它能把现代计算机信息处理技术由室内转向野外,直接到野外采集数据,野外工作者可以直接利用文字、声音、图像等多媒体技术来多方位地描述野外地质点的信息。这些技术不仅简化了野外数据的采集方式,而且利用多种手段采集到的地质点信息,能够更加客观详实地反映其属性及空间信息,同时使数据录入标准化,减轻了室内的工作量。野外采集的地质数据经过很少修改就可以进入室内主数据库中。

然而,便携机使用受制于野外工作环境,地形条件、气候条件、室外光线的影响显著,而且便携机耗电量大,不利于野外长期工作。这就为掌上机的应用提供了空间,

掌上图1　野外区域地质数据属性数据采集模型

机重量轻(0.2kg )、体积小(手掌大小)、能耗低、连续工作时间长(十个多小时)、机构紧凑,抗寒、抗震性能都显著地优于便携式机[1]。因此,要实现野外地质数据采集的全程计算机化,基于基于掌上机的移动GIS 是一个有益的补充。

掌上机在野外地质数据采集方面的独特优势,使它更加适合复杂地质条件下的野外数据采集,为数据采集提供了新的发展空间。随着掌上机性价比的提高,硬件上已经具备了在野外使用的条件。而开发一套基于掌上机的能兼顾室内外地质数据采集与处理的GIS 成为目前数字化填图过程中面临的一个难题。由于掌上机的内部构造和台式机及便携机截然不同,它采用WinCE 嵌入式的操作系统[2],所有的文件被保存在内存(RAM )中,受存储大小的影响,采用更加精简的文件存储结构,运算形式也比较特殊,对程序的要求极为苛刻(面向硬件设备),在台式机上开发的软件移植到掌上机上一般无法运行。

基于掌上机的GIS 软件在地质数据采集领域的应用是新的尝试,在国内外都受到了高度的重视。我国在这方面的研

究目前尚处于起始阶段,能够在实际中应用的软件很少,中国地质调查局开发的数字填图系统R GMap 是典型的代表。本系统将通过对ArcPad 的二次开发来实现。

ArcPad 是ESRI 公司开发的可运行于掌上机上的小型通用地理信息系统平台,能够进行移动制图和简单的GIS 应用,它是一个野外数据采集前端,通过手持和移动设备为野外用户提供数据访问、制图及GIS 分析和GPS 集成功能。它支持符合业界标准的矢量地图和栅格影像(MrSID )的显示,能够同其他ER SI 桌面GIS 产品,如ArcGIS 实现数据的顺畅传输。ArcPad 提供了二次开发工具ArcPad Application Builder ,采用VB S 、XML 开发语言(扩展开发采用eMbedded Visual C ++),在ArcPad 的基础上进行。用户根据自己的野外地质数据采集模型,对系统界面及功能进行定制开发。这种开发方式优点在于它充分利用了ArcPad 提供的现有功能及底层函数。通过对系统的重新定制,开发出适合自己的野外地质数据采集系统。

2　系统研究思路及开发目标

本系统是某课题的野外数据采集模块。按照地矿点源信息系统[8]的设计思想,该系统核心是点源主体数据库。系统要实现界面与数据库之间数据的交流,实现野外地质空间数据和属性数据的完整采集,通过定制特殊的数据采集界面,把属性数据与空间数据库的前端与后端分离[6],使地质点的属性信息、空间信息及其他相关描述信息能够以形文件、文本文件和DBF 数据库文件的形式保存到计算机的存储介质中,并

第24卷2004年6月

计算机应用Computer Applications

Vol .24June ,2004

能够导入到室内计算机中进行后期处理,或者能生成一个或多个地质信息的描述性文件,整理加工后再进行处理。依照

传统的地质数据采集方法建立野外数据采集模型如下:通过对野外地质数据采集模型[1]的分析,对于野外数据采集系统,其数据采集项目应包括:地层、岩石、构造、多媒体、以及其他方面的信息(图1),这些项目通过定制的数据采集界面间接实现对数据库的操作,完成数据库的添加、修改、查询等功能。这些记录项目以传统的野外记录标准化野薄为基础,使用GIS 的理论与方法对其重新进行解释。同时充分利用掌上机上已经集成的录音、绘图等多媒体功能,选择地质点作为最基本的研究单位,有针对性地开展工作,采取由点到线、由线到面及最终成图的数据采集方法。

通过对系统以上问题的分析,选择合适的开发软件就能够设计开发出一套能在掌上机上运行、适合野外工作特点、采用多“S ”技术集成、能够实现对野外地质点属性数据及空间数据有效采集的移动GIS 系统。为计算机辅助区域地质填图及国土资源调查的信息化提供一种全新的手段。

系统开发采用在掌上机的GIS 软件ArcPad 的基础上,使用ArcPad Application Builder 进行二次开发,通过创建新的工具条、设计野外流数据的采集表[4]

、利用脚本文件建立ArcPad 内部实体间的联系、开发扩展功能来接受新的文件格式及GPS 数据等对其进行定制和功能增强。具体来说,主要解决的问题和要达到的目的为:

1)研究移动GIS 环境下野外地质数据采集的工作流程利用现代化的移动设备及移动GIS 技术,可以将传统的野外地质数据采集的手工记录形式进行改进,这同样意味着要对传统的野外地质数据采集的工作流程进行改进,使之更加符合野外地质数据采集计算机化的要求

。

图2　野外地质信息采集与处理工作流程

2)研究和改进地质模型和数字化填图数据模型

地质模型的研究是系统设计的基础,通过对野外地质数据采集模型的研究,可以把系统开发的工作条理化,弄清楚要采集哪些地质信息。数字化填图数据模型是利用移动GIS 技术,实现野外地质模型的计算机表示。

3)研究野外地质点空间数据及属性数据的采集模型在野外地质信息的采集中,存在着信息的保存问题,野外地质点空间数据及属性数据的采集模型就是要解决这一问题。一般来说,这些信息要以数据库文件的格式存储,但也应该考虑野外地质信息的描述性文字、多媒体信息的管理

。

图3　移动GIS 的多“S ”集成技术

4)体现多“S ”集成技术

移动GIS 是基于GIS 、RS 、GPS 的多“S ”集成及WinCE 、便携设备、无线传输技术的一体化野外数据采集系统[3]

。掌上机为系统提供硬件支持,RS 可以为系统提供高分辨率的野外地质底图,GPS 为系统提供空间坐标实时自动获取的手段,

GIS 能够进行必要的数据分析和查询。移动GIS 是以掌上机、便携机、GPS 、数码设备、DBS 、GIS 等为硬件和软件支撑的一个全新的数据采集系统。

5)基于掌上机的野外录入界面的优化和设计

系统开发的成功与否及其在今后的应用价值与用户界面密切相关。对界面进行优化设计的目的是为了简化操作,使系统满足不同层次用户的要求,更加适合野外地质数据的采集。

3　系统的实现

本系统的任务是要完成野外地质点属性数据和空间数据的表示与采集。野外地质填图是按路线进行的,对于某个工作区,可以有多条填图路线,在每一条线上存在多个典型的地质点,构成了点线面的结构。

ArcPad 是通过工程文件(＊.apm )的形式管理文件的,这些文件包括我们的工作图层及辅助图层。在一个工程中可以添加多个具有相同坐标体系的点、线层文件来管理野外采集的点线地质数据。它们之间既相互独立又相互联系,一方面它们各自以一系列文件的形式被保存;另一方面,由于它们具有相同的坐标体系,可以在同一工程文件中使用。这种结构标准可以方便用户的定制开发及对各个层所涉及的空间数据及属性数据的管理。

基于上述观点,采用填图区域用工程文件、地质路线用线图层、地质数据采集点(包括取样点)用点图层来进行管理。在ArcPad 中,这些采集到的属性信息被保存在数据库(dbf 格式)中,空间信息则以形文件(shp 格式)的形式被保存,声音、图像等不方便存放到数据库中的多媒体信息,则以单独的声音、图像文件保存,这种处理方式能保证信息的完整性。在数据采集的过程中,由于用户采集数据项相对比较固定,用户可以通过对数据的采集格式进行设置,用户直接通过友好的输入界面录入数据即可,具体的数据保存入库由系统来完成。

随着现在多媒体手段在地质行业的使用,用户希望这些信息数据也能够在属性数据库中得到有效的表达,但在基于掌上机的GIS 系统中,我们不得不考虑的来自硬件设备的问题,如存储结构、存储介质的信息容量等,在数据存储时应该采用灵活的方式进行。对于能够用数据库结构来限定的信息,尽可能将其保存在数据库中,而对于那些描述性的或多媒体信息,像工作区概况、岩石特性的描述等就可以采用文本文件格式存储;声音的采集可以通过掌上机上的麦克风得到;图像信息可以用数码相机采集。但应该在数据库中创建相应的字段来将这些文件的存储路径表示出来。在室内数据整理时,再将这些信息通过数据库中的对应关系还原出来。

对于掌上机运行的WinCE 操作系统而言,一般文字采用软键盘输入,新版的则支持屏幕汉字书写自动识别技术。不管以哪种方式,信息的录入速度都是比较低的。在对系统采集对话框界面的定制过程中应充分地考虑到一些特定属性的设置问题,尽量使用列表框,将用户可能用到的信息直接显示在列表框中供用户选择;还可以采用数据字典技术,将地质信息的描述内容做成模板,当用户使用时,可以直接将模板上的信息调入,使用户不经修改或经过很少修改就可以完成野外地质信息的录入,同时可以规范用户的数据输入,避免了描述信息的混乱,有利于数据的管理及日后资料的整理。另外,还要灵活使用GPS 进行野外定点。ArcPad 提供了遵循NMEA

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