基于移動GIS的地球化學野外采集系統的設計與實現

周怡寧,高艷芳,常嬋,張必敏

(1.中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所 自然資源部地球化學探測重點實驗室,河北 廊坊 065000; 2.聯合國教科文組織全球尺度地球化學國際研究中心,河北 廊坊 065000)

0 引言

地球化學野外數據采集是地球化學勘查數據獲取的重要來源。但目前野外采集工作的自動化程度低,傳統的野外采集過程一般在白天進行,野外調查人員往往需要攜帶GPS設備、采樣工具、記錄卡和筆等諸多工具,根據規范要求采集地球化學樣品,并使用手持GPS定點存儲實際采樣點位的信息,記錄各項野外觀測數據,填寫于紙質記錄卡上,傍晚返回駐地后利用Excel等軟件手動電子化。尤其在環境惡劣的區域,工作難度增大、工作效率降低勢必會導致野外工作質量不能達到預期水平。

隨著信息化技術的應用,地球化學野外調查方法也逐漸發生改變。美國、澳大利亞、加拿大等國家在20世紀80年代開始了野外地質數據采集的信息化探索,其中比較有代表性的有澳大利亞的REGMAP填圖系統,加拿大的FieldLog系統以及美國的GeoMapper和ArcPad等系統[1-11]。目前在國內地球化學調查中,奧維地圖、Mobile GIS、高德地圖等GIS軟件使用最為廣泛,可以實現部分在(離)線地圖加載、地圖編輯、導航的功能[12-13],但野外調查的總流程無法在一個軟件或者一套系統中實現,需要在幾個軟件中頻繁切換。因此,一套可以實現野外工作的全流程信息化的系統是每個野外一線人員期盼的工具。

本文綜合移動GIS技術、數據庫等技術,映照地球化學野外調查工作的流程,基于ArcGIS和Android平臺研發了一套涵蓋工作布置、野外采集以及質量檢查等功能的地球化學野外調查軟件?；诖讼到y,野外地質工作者可以綜合利用文字、圖像、視頻等多種多媒體技術,來記錄野外樣品點位信息的采集,更加詳細和客觀地反映采樣點周圍環境的屬性及空間信息。野外信息的智能化錄入方式,減少了野外工作者的室內工作量,省去了人工數字化記錄卡的錯誤率,提高了野外調查信息的質量和精度,同時也提高了成果匯總及資料匯交的效率。

1 地球化學野外樣品調查的工作流程

野外地球化學調查主要可分為前期資料準備(工作布置)、野外采集和室內整理、質量檢查、樣品預處理4部分。按照地球化學調查規范[14-16],在傳統的地球化學野外調查流程中,前期準備工作需要收集項目工區相關的資料,如地形圖、地質圖、高精度遙感解譯影像圖、高程圖、水系圖等圖件。項目組在正式開展野外樣品采集工作之前,需要對攜帶的移動設備進行GPS精度校驗,移動端需在20 min內進行10次GPS的坐標讀取,每次讀取間隔為2 min,并計算出10次坐標的均值、標準差、最大誤差和平均誤差,生成GPS校驗和GPS校驗報告。野外調查工作中需要完成定點、記錄、采樣、拍照的工作,當日樣品采集結束后需填寫樣品交接表;室內資料整理工作需完成采樣數據錄入、照片整理、繪制航跡并生成航跡報告等。質量檢查工作分為自檢、互檢和二、三級質量檢查(室內檢查與野外檢查),自、互檢工作要在每日采集結束后完成,并填寫自、互檢表,檢查率為100%,二、三級質量檢查分為室內檢查和野外檢查,主要涉及對原始資料及野外采樣質量的檢查,并填寫質量檢查系列表格。二級質量檢查主要由項目負責或技術負責組織實施,室內質量檢查率、野外質量檢查率要求分別達到當前總工作量的20%和5%。三級質量檢查由承擔單位組織專家實施,其中野外質量檢查、室內質量檢查率分別為0.5%～1%,5%～10%。以上所有的過程需要集合奧維、Mobile GIS或GPS設備,以及GIS office、Excel等軟件,并且需要配合紙質的圖件和記錄卡來完成。

結合地球化學調查方法技術,將以上工作映射到信息化技術中,需開發一套由數據匯集端和數據收集端兩個子系統組成的系統,以全流程地實現地球化學野外調查的信息化。

2 系統設計

2.1 系統架構

軟件架構是軟件需求和軟件設計的橋梁?，F階段典型的軟件體系結構主要有C/S(客戶機/服務器)和B/S(瀏覽器/服務器)兩種結構[17-18]。C/S架構有交互性強、響應速度塊、安全性強等特點,但需要專門的客戶端安裝程序;B/S架構無需安裝客戶端,用戶可以跨平臺和操作系統訪問服務器,但容易受網絡的限制導致響應速度較慢,安全性不高。兩種架構各有優劣。

根據地球化學野外采集的工作流程和野外工作特征,本系統采用C/S架構,分為桌面端、移動端兩個端元。整個系統的架構如圖1所示,系統主要由5個層面組成,分別為基礎設施層、數據層、平臺層、應用層和表現層。

圖1 系統主要架構Fig.1 Frame of the system

2.2 關鍵技術

2.2.1 安卓開發技術

安卓(Android)是谷歌公司開發的開源移動終端操作系統,是一套真正意義上的開放性的平臺和架構,支持用戶的自定義等擴展模塊,廣泛應用于手機、平板等移動設備。安卓設備在國內市場上有很高的關注度和占有率,且安卓設備體積較小、易于攜帶,適用于野外工作場景。同時安卓系統是移動GIS平臺邏輯最底層的操作系統,開發者可以基于Android SDK 的平臺開發設計出不同種類的應用。安卓系統內置GPS模塊的特點也為此平臺開發野外樣品采集系統奠定了良好的基礎,可以輔助實現GPS定位技術的應用[19-24]。

2.2.2 ArcGIS Runtime SDK

ArcGIS Runtime SDK for Android 是ESRI為Android平臺提供的專門的開發包,支持使用Java 等各語言開發應用程序[25-26]。ArcGIS Runtime SDK for Android包括用于Android Studio的lib-project和用于eclipse等環境的jar函數庫,同時提供了豐富的工具、文檔和示例,使用戶能夠快速使用Java構建移動應用程序。

ArcGIS for Server提供了強大的制圖、地理編碼、地理處理等基礎功能接口,可服務于ArcGIS Runtime for SDK所需的地圖數據加載、基礎地理信息處理、空間分析的功能。通過調用相關服務,用戶可以進行地圖瀏覽、查詢和檢索,使用GPS技術進行定位、導航、幾何計算空間分析以及其他離線功能(包括地圖緩存、離線瀏覽和查看以及地理編碼等)[27-28]。離線環境下,ArcGIS可將基礎數據發布為要素服務,用戶可以從服務器上下載數據并且以Runtime Geodatabase的格式保存,從而滿足大量用戶同時工作的場景,尤其在比較惡劣的環境中,離線地圖、地質圖等數據對地球化學野外樣品采集具有顯著性的作用,這些功能為地球化學野外采集工作提供了強有力的技術保障[29]。

2.2.3 數據庫技術

空間數據庫是移動GIS的數據存儲中心,是GIS應用服務器處理并完成各種功能的數據源,用來管理空間數據及其關系[30-31]。地球化學數據具有時空性和多元性。野外樣品采集數據不僅包括樣品的空間地理信息,還包括樣品的描述信息。除樣品采集信息外,質量檢查以及樣品加工過程的信息也要通過數據庫統一管理。SQLite數據庫作為最流行的開源嵌入式數據庫,具有輕量級、開源、可跨平臺、零配置、不需要用戶進行安裝和管理的優勢[31-32]。本系統嵌入SQLite數據庫,顯著提高了室內工作中數據的存儲和管理的工作效率。

2.3 功能設計

2.3.1 主要功能設計

系統由桌面端和移動端兩個子系統組成,桌面端具有數據準備、數據管理、數據交互等模塊,實現項目配置、數據庫設置、采集任務的管理和數據匯集等功能。移動端用于野外數據的獲取和存儲、文件傳遞和交互,主要應用于野外樣品采集以及二、三級野外質量調查。桌面端和移動端的主要功能如圖2所示。

圖2 桌面端和移動端的主要功能Fig.2 The main functions of desktop and mobile terminals

2.3.2 工作流程設計

映照野外調查的工作流程,結合信息化技術,野外樣品采集系統功能流程設計如下:在項目開展之初,野外調查人員首先使用移動端的GPS校驗功能完成設備校驗并生成GPS校驗表。在桌面端完成項目信息設置,確定方法技術和工作手段,配置項目人員并劃分采樣小組。依據工作布置點,結合交通地形等條件,合理地對各采樣小組進行任務分配,并將采集任務通過數據傳輸功能發送移動端。采樣人員使用移動端獲取采樣任務并開展樣品采集工作,完成采樣記錄卡的填寫、照片記錄等工作,當日采樣工作結束后,可生成自檢表和樣品交接表,最后將采樣結果數據上傳至桌面端;在桌面端進行航跡報告生成、自檢、互檢及數據入庫等室內工作。在質量檢查階段,二、三級質量檢查分為室內檢查和野外檢查,質量檢查基于已采集樣品(已入庫),室內檢查于桌面端進行,檢查采樣記錄卡、照片、航跡等原始資料并填寫室內質量檢查(二、三級)表格,野外質量檢查流程同野外樣品采集類似,需建立野外檢查任務,發送至移動端完成野外質量檢查,并填寫野外質量檢查(二、三級)表格。系統的操作流程如圖3所示。

圖3 系統操作流程Fig.3 System operation flow

2.3.3 關鍵功能設計

1)數據庫設計及數據字典的定義:不同地球化學調查方法技術和工作手段對應不同的采樣記錄卡、自檢表、互檢表以及質量檢查表格。系統依據相關的勘查地球化學規范,梳理各類表格的字段及值,并基于此完成了數據庫設計及數據字典的定義。為滿足系統可以適應不同的地球化學調查方法的需求,系統集成了自定義記錄卡的功能模塊。用戶可以根據項目組的需求,對各類地球化學調查規范中定義的記錄卡進行字段或值的編輯。

2)系統人員權限設計:項目組內部人員管理中,人員角色分為項目負責人、審核人、采樣人等,項目負責人為最高權限。人員權限的設計,一是使得質量檢查工作規范化、流程化。在質量檢查過程中,均需要具有權限的管理人員通過輸入密碼確認以完成檢查工作。二是保證數據庫數據的真實性,在數據庫中進行數據編輯時,需項目負責人提供權限,同時數據庫中存儲數據庫編輯修改記錄,并在系統日志中體現,防止用戶隨意修改野外采集記錄,保證數據的真實性和可靠性。

3)數據傳輸的自動化:①可通過無線傳輸方式實現桌面端和移動端的雙向傳輸。②定向傳輸,不需要用戶手動操作,系統定制了文件到文件的傳輸方式。桌面端可將背景數據、任務分配文件一鍵發送至移動端相應目錄,移動端也可將采樣結果(采樣記錄卡、照片、航跡、自檢表、樣品交接表)上傳至桌面端文件管理目錄下。

4)樣品采集模塊的智能化:基于GIS技術實現對采樣任務的可視化表達,以顏色區分采樣小組,以子圖符號區分樣品點的不同采集狀態;引入百度導航服務實現線路導航功能;采樣記錄卡的定制設計,實現字段的下拉選擇方式,文字內容支持語音輸入;航跡數據的自動記錄及顯示,可實時查看軌跡;設計照片添加水印功能,拍攝即實時標記坐標、樣品號等信息。

5)基于模板定制的數據導出:為滿足部分項目組和部分單位資料匯交的需求,系統設計了基于Word VBA實現采樣記錄卡及檢查表格的模板定制輸出的功能,用戶可以按照規范或自定義的表格將采樣記錄卡等信息輸出并打印為紙質版。

6)屬性結構設計:工作布置點為shp格式的矢量數據,要實現對點位在桌面端和移動端的視圖展示,工作布置點shp文件必須要有經緯度、樣品號等屬性字段。點位可根據不同屬性字段的值在視圖中進行顯示。

3 系統實現

3.1 數據準備階段

項目組進行工作布置,確定采樣點的位置信息和屬性信息結構,設計采樣點位的shp文件。在ArcGIS Runtime SDK的支持下,桌面端系統支持shp矢量數據以及tiff、img等格式的影像數據、地質圖等數據,移動端支持tiff、img、tpk等格式的柵格數據。

3.2 樣品采集階段

3.2.1 室內準備階段

桌面端完成項目、人員、小組信息的配置,對各小組任務分配,再將采集任務傳輸至移動端。為了滿足并適應不同的地球化學調查方法,根據地球化學調查不同方法技術的規范[14-16],系統在項目配置模塊中提供了各類地球化學勘查方法技術及不同采樣介質對應的采樣記錄卡,用戶可根據項目組的需求在系統提供的記錄卡上進行字段和值的調整,充分體現系統的標準性和靈活性(如圖4所示)。

圖4 項目信息、人員、小組信息配置、任務分配和數據傳輸操作界面Fig.4 Project, personnel and group information configuration, task allocation and data transmission interface

3.2.2 野外采集階段

1 )前期準備

按照地球化學調查規范,項目組在正式開始野外樣品采集之前,需要對攜帶的移動設備進行GPS精度校驗,具體方法本文不再贅述。結合信息化的技術,移動端需進行10次GPS的坐標讀取工作,并自動計算出10次的均值、標準差、最大誤差和平均誤差,自動生成GPS校驗表。

2) 野外采集

野外調查人員手持包含采樣任務的移動端前往目標點位采集樣品,于移動端中填寫采樣記錄卡并拍照記錄(如圖5所示)。移動端系統將數據以Excel的格式存儲在本地,結束當天的野外調查后,調查人員將移動端獲取的數據傳輸至桌面端,為了數據的統一管理,數據由桌面端匯集并入庫。在調查過程中,因移動端直接讀取桌面端分配的調查任務,所以樣品號和實際采樣點的經緯度以及日期等信息無需用戶填寫,由系統直接讀取并記錄,保證了調查的精度和準確度。

圖5 野外采集,記錄卡填寫界面Fig.5 Field sampling and sample card filling interface

3.3 質量檢查階段

3.3.1 一級質量檢查

為了便于用戶操作,自檢表格于移動端填寫;利用桌面端可視化性強的特點,互檢于桌面端進行,用戶在互檢時可加載地圖,查看工作布置點和實際采樣點之間的空間位置關系,并填寫互檢表(圖6)。

圖6 互檢操作界面示意Fig.6 Mutual check interface

3.3.2 二、三級質量檢查

在二、三級質量檢查過程中,需要對某階段內已采集樣品開展室內檢查和野外檢查。系統通過對入庫后的樣品進行自定義抽取或隨機抽取,建立檢查任務并完成檢查工作(圖7)。

圖7 室內外質量檢查界面Fig.7 Indoor and outdoor quality check interface

1)室內質量檢查

室內質量檢查工作主要檢查記錄卡的內容完整性、正確性、航跡圖信息、照片、自檢及互檢表格填寫情況,系統基于數據庫技術實現了某樣品的采樣記錄卡、自檢表、互檢表的快速查詢,并基于文件管理方式實現了其所關聯的航跡圖、照片的一鍵查詢及瀏覽,便于檢查人員開展室內質量檢查工作。也可根據需要,通過數據查詢與導出功能將所要檢查樣品的采樣記錄卡、自檢表、互檢表等打印為紙質文檔進行檢查。對室內檢查中存在問題的樣品,可啟用編輯功能對相關問題進行整改。完成室內質量工作后,填寫室內質量檢查表,并存入數據庫中,系統會記錄目前室內已檢查樣品及檢查比例。

2)野外質量檢查

野外檢查主要控制采樣點位的合理性、點位變更的合理性、實際采樣點位和工作布置點位的誤差、采樣物質組成合理性、采樣介質合理性及重量合理性等屬性。系統基于GIS技術可將已采集樣點展示在視圖上,可結合路網信息進行圖上選點,建立野外檢查任務。野外質量檢查工作的流程和樣品采集過程類似,由桌面端生成野外質量檢查任務并發送至移動端,質量檢查人員攜帶移動端前往目標檢查點位進行質量檢查,通過查看采樣記錄卡及野外實地情況,于移動端填寫野外質量檢查表格。

3.4 資料匯交

資料匯交階段是在結束野外調查任務后,項目組將地球化學調查數據庫、采樣點位圖等資料進行匯交的過程。因此,為滿足野外調查原始成果資料匯交的要求,在數據管理等模塊中,用戶可以將野外調查過程中填寫的記錄卡、自檢表、互檢表、室內質量檢查表、野外質量檢查表、航跡圖、GPS校驗報告等信息輸出并打印,如圖8所示。

圖8 數據管理模塊及記錄卡和航跡報告導出模板Fig.8 Data management module,Sample record card and Track report template

4 結論

本文對地球化學野外采集系統的設計以及功能實現進行了探索?；贏rcGIS平臺開發的地球化學野外采集系統,綜合Android平臺及移動GIS技術、數據庫等技術,一定程度上推動了地球化學野外調查的數字化進程?？偨Y如下:

1)系統工作流程遵循地球化學勘查規范的工作流程,涵蓋了從前期準備、樣品采集到質量控制的全過程,采樣記錄卡及相關質量檢查表格依據相關地球化學規范設計,符合地球化學采樣工作規范要求。

2)桌面端實現了項目信息電子化和自動化配置,最大程度可視化了采樣任務分配過程。系統嚴格按照地球化學勘查規范進行質量控制及數據庫管理,為數據匯交奠定了良好基礎。

3)移動端集地圖加載、導航、定位等服務于一體,極大簡化了地球化學野外調查的工作方式;采樣記錄卡的智能化填寫,避免了人工可能帶來的采樣記錄卡的污染、涂抹等問題,同時提高了采樣質量和精度。

4)本系統的研發提高了地球化學野外勘查工作的效率,降低了野外勘查工作的成本,為野外一線工作人員提供了一種全新、高效的工作方式。

5)根據不同用戶的需求和反饋的問題,系統在未來還需要進行結構和功能上的改進;移動端基于安卓平臺開發,軟件的通用性和兼容性會成為考驗軟件的一大難題。