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1移動GIS的定義、特點和體系結構

1．1移動GIS的特點相較于傳統桌面級GIS，移動GIS具備如下幾個特點［4］。(1)移動性。移動GIS運行于各種移動終端，與服務端可通過無線通信進行交互，實時獲取空間數據，也可以脫離服務器與傳輸介質的約束獨立運行，具有移動性。(2)動態(實時)性。移動GIS作為一種應用服務系統，能及時地響應用戶的請求，實時處理用戶環境的時間變化，具有動態(實時)性。(3)位置依賴性。移動GIS誕生的初衷之一就是基于位置的服務(Location-BasedService，LBS)，其功能與移動終端自身的位置緊密相關。(4)資源有限性。相較于桌面電腦而言，首先，移動終端依靠電池運行，因此在未接入外置電源的情況下，運行時間有限;其次，移動終端的硬件相較于電腦來說仍不夠強勁，計算性能有限;最后，移動終端依靠微型閃存芯片存儲數據，常見的存儲容量為8～128GB，存儲空間有限。(5)設備多樣性。移動GIS的運行終端可以為移動電話、平板電腦或是車載嵌入式設備等;不同廠商生產的設備軟硬件不盡相同，這造成了移動終端的多樣性。

1．2移動GIS的體系結構移動GIS的體系結構包括客戶端、服務器、數據源3部分，分別承載在表示層、中間層和數據層之上。具體來說，移動GIS是由移動終端(包括GPS接收器)、無線通訊設施和(云)服務器以及相應軟件、數據有機結合而成的集成系統。其中，移動終端負責運行移動GIS軟件并響應用戶的操作;GPS接收器負責接收衛星定位信號，測定用戶的位置并傳回移動終端;無線通訊設施負責提供移動終端和(云端)服務器的通訊和數據傳輸;而(云端)服務器負責復雜空間數據的存儲和分析以及響應移動端傳來的服務請求。

2移動GIS在水利業務中的應用需求分析

對水利工作者而言，地理信息系統的應用主要集中于水旱災情的監測與預警、水資源管理、水環境科研、災情統計與評估、水利工程設計與施工管理等領域［6］。這些領域均可以借助移動gis來提升科研信息化程度，從而簡化工作流程、提高工作效率。水利外業工作可以借助移動GIS的優勢，極大地提升工作效率。傳統的野外觀測試驗往往依靠紙筆記簿的方式記錄數據，效率低下，形式單一，且手工記錄容易發生錯漏。在內業處理時，調查結果首先要經科研人員逐條錄入電腦，而后才能進行相應的預處理、統計分析、導出共享等操作。錄入過程不僅緩慢繁瑣，同樣容易造成條目錯漏，這給數據的統計分析引入粗差，帶來了不確定性;而且這種作業模式會導致GIS數據難以實時更新，無法滿足突發事件快速響應的需要。假如使用移動GIS，可以通過隨身攜帶的移動設備隨時隨地地記錄實測數據，附帶上所測數據的經緯度和高程等相關信息，實時上傳至云端服務器。在有多臺移動終端同時使用時，甚至能夠用云端服務器進行多源數據匹配整合，并實時地將經過統計處理的結果分發給現場相關人員，直接進行現場分析、輔助判斷和決策，極大簡化了傳統的外業調查流程，提高了相關工作的效率。防災減災領域同樣可以利用移動GIS，及時地掌握災情動態并做出合理決策。傳統獲取災情信息的途徑如紙質地圖，存在信息量小、時效性差、表現形式單一的問題，難以快速高效地進行數據的查詢檢索;若使用計算機查詢，則要求具備穩定的電源和有線網絡鏈接，且電腦體積較大不易隨身攜帶———尤其對于防災減災決策人員而言，他們經常面臨著跨區域、大流動的工作環境，對工作手段的時效性、環境適應性要求較高，因此上述查詢信息的手段均不是最優選擇。通過移動GIS，只要有移動網絡連接的地方，就能實時從云端服務器查詢并下載相關資料至手中的移動設備，獲取所需的信息，例如數據報表、專題地圖、時序影像等，從而幫助防災減災人員機動地實時掌握災情動態，為救災爭取寶貴的先機。綜上所述，一個功能完備的移動GIS應用應該具備如下功能:隨時隨地采集數據并實時上傳同步至云端服務器、查詢用戶自身位置、縮放和漫游電子地圖、實時訪問和修改云端數據、數據超限報警等。若將移動GIS的優勢和水利工作者的業務流程相結合，在每個人隨身攜帶的手機或者其他移動終端中進行安裝移動GIS的應用程序，通過簡約直觀的操作界面和交互邏輯，便能實現上述功能，提升科研人員的工作效率和科研信息化水平，進而為數字流域管理做出有益的探索。過去由于種種原因，移動GIS未能發揮出其真正的潛力;近年來，隨著科學技術的高速發展、高性能移動設備的大幅普及和高速移動網絡的廣泛覆蓋，已讓原先制約移動GIS發展應用的桎梏消弭，其充分釋放自身的潛力的條件相對成熟。

3移動GIS應用的常見開發模式

雖然移動GIS這一理念提出較早，但過去由于移動終端(例如WindowsMobile/CE設備)的運算性能孱弱、操作交互笨拙、存儲空間狹小、價格昂貴以及2G移動通訊網絡的帶寬狹窄、資費昂貴等原因，移動GIS的普及和應用一度受到了較大的限制。特別是水利行業，移動GIS的研究和應用較少。近年來，隨著計算機、互聯網等信息技術快速發展，移動GIS的應用開發具備了良好的硬件和軟件基礎，進入了一個全新的發展階段。

3．1移動GIS應用的開發路線移動GIS應用的開發路線主要分為自底層的自主開發和二次開發2種。其中二次開發是目前使用最廣泛的移動GIS應用開發路線。

3．1．1自底層的自主開發自主開發是指不依賴于任何的現成的GIS軟件或者組件的開發，GIS功能實現所涉及的一系列算法都由開發者獨立設計，并用編程語言在一定操作系統上開發實現。這種開發方式的優點是:可定制性高，不需購買商業性組件，因此開發應用的成本較低，并且具有自主知識產權。但是自主開發對開發者的程序設計能力要求很高、開發周期長、開發難度大。

3．1．2二次開發二次開發以現有的移動GIS解決方案，如軟件工具、組件等為基礎開發移動GIS應用程序。這種開發方式在程序設計過程中會受到界面風格、數據結構、組件功能等方面的限制，但是該開發方式具有巨大的優點:開發平臺穩定且提供了大量的基礎函數庫，對開發人員來說上手快、開發便利，可在較短的時間內開發出功能強大的應用程序。二次開發是移動GIS開發項目中應用最多的開發方法。

3．2移動GIS應用的軟件架構基于智能移動終端的移動GIS應用可以采用多種開發架構。常見的開發架構主要有3種:本地應用、網絡應用和混合應用，以下簡要介紹三者的定義和異同。

3．2．1本地應用本地應用(NativeApp-C/S架構)是指專門為某種移動操作系統開發的應用軟件。本地應用客戶端中包括了界面展現、業務邏輯、數據模型3個部分(MVC設計模式)，并通過網絡訪問服務器端的各種服務，采用本地開發語言和開發框架進行開發。本地應用的優勢是能夠使用本地系統提供的所有資源和功能，性能比網絡應用和混合應用更加強大，可支持大量要素的渲染和顯示;更為重要的是可以離線使用，這對外業工作具有重要意義。本地應用的劣勢是需要開發者具備較好的本地開發技能(例如熟悉Objective-C語言和Java語言)，熟悉移動操作系統的開發框架和移動終端的硬件功能;另外，本地應用程序的部署和維護相較于網絡應用而言較為繁瑣。

3．2．2網絡應用網絡應用(WebApp-B/S架構)是一種以網頁編程語言(例如HTML，JavaScript和CSS等語言)編寫的應用軟件。其數據和功能都托管在服務器端，用戶通過客戶端的網絡瀏覽器來對軟件進行載入和運行。其優勢是跨平臺、部署和維護容易、跟服務器端網絡功能結合容易等。國內外有不少移動GIS應用是以網絡應用的形式開發的。但網絡應用也有其劣勢，最大的不足在于網絡依賴程度高，一旦失去網絡鏈接，應用功能將受到極大限制。而在水利外業中，網絡信號差甚至完全中斷的情景時有發生，因此制約了網絡應用的適用范圍。另一方面，受瀏覽器權限的限制，網絡應用無法自由調用移動終端操作系統的所有應用程序接口(API)，較難實現一些必要功能(如文件的離線存儲和讀取)，制約了移動GIS應用潛力的發揮。

3．2．3混合應用混合應用(HybridApp)是本地應用和網絡應用2種開發架構的結合，例如在本地應用中加入一個Web控件，并從Web上加載內容;更高級的方式包括使用各種跨平臺混合開發框架(如PhoneGap，Ap-pceleratorTitanium等)。但GIS相關的混合應用開發技術現在暫未成熟，且學習使用門檻較高，尚未同時具備本地應用和網絡應用的優勢。以常用的ArcGIS開發平臺為例，比較上述3種開發架構對軟件功能實現的影響，具體見表1［8］。

4水利行業移動GIS開發應用案例

4．1基于WindowsMobile的水利移動GIS應用在基于iOS和Android系統的新一代智能移動終端出現之前，市面上流行的主流移動終端平臺主要為WindowsMobile，Symbian和PalmOS［9］等，其中在專業應用上WindowsMobile最受歡迎。一些GIS企業為WindowsMobile推出了二次開發平臺，例如ESRI公司的ArcGISMobile，MapInfo公司的XMo-bile、超圖公司的eSuperMap等等。國內外有很多水利移動GIS應用軟件(當時又稱嵌入式GIS)均是基于上述平臺實現的。楊州等［10］探討了一種基于WindowsMobile移動智能終端的移動水情查詢系統的原理和方法。該水情查詢系統使用．Net技術進行開發，由SQLServ-er2003提供服務器端數據庫支持。它通過處理實時雨水情等基礎信息，制作易于查詢的雨水情圖表，為防災減災提供決策支持，以助于防汛的科學指揮。魏茂盛［11］基于WindowsMobile和超圖eSuper-Map，開發了一款針對全國第一次水利普查員的工作需求的移動GIS數據采集軟件，實現了數據的采集、編輯、查詢和直線導航功能，有效地提高水利普查外業調查的工作效率。譚興斌［12］使用了ArcGISMobileSDK，針對水污染數據采集這一實際課題，完成了一個水污染數據采集系統的開發。該移動GIS應用軟件運行于WindowsMobile設備上，提出了一個包括數據庫系統、GIS服務器系統和移動終端系統3部分的完整的水污染野外數據采集方案，通過移動端軟件實現了諸如采集、編輯、同步等功能。囿于當時的軟硬件條件，基于WindowsMobile的移動GIS應用軟件在水利應用方面主要為單機作業，無法實現水情數據的實時傳輸更新和多終端協作同步。實際使用過程中，此類設備上顯示矢量地圖的速度非常慢，只能進行小數量的編輯，查詢和空間分析耗時很長，傳輸定位坐標或者圖片也常常會由于網絡的原因不成功，交互體驗不友好，類似因素都嚴重制約了嵌入式GIS的實用性［13］。2010年10月，微軟宣布終止對WindowsMobile的所有技術支持。基于WindowsMobile的移動GIS應用軟件也逐漸邊緣化并退出歷史舞臺。

4．2基于iOS和Android的水利移動GIS應用自蘋果公司iPhone智能手機這一標志性事件以來，移動通訊行業和相關硬件制造業得到了飛速發展，以搭載iOS系統(Apple公司)和Android系統(ogle公司)的智能手機為代表的新一代移動終端百花齊放般地涌現，它們不僅在計算性能上遠遠超過過去的WindowsMobile和其他嵌入式設備，電池續航能力和存儲空間也大大提升;這些移動終端大都采用了大尺寸高分辨率多點觸控屏幕，美觀易用，操作流暢;集成了多種傳感器，能夠實時獲取設備的方位信息。可以說，移動互聯網和智能設備已經為移動GIS在未來的發展搭建了新的舞臺，軟硬件環境將不再成為移動GIS的桎梏。新一代智能終端崛起后，國內外GIS企業也相繼新的移動GIS開發平臺產品，例如ESRI的ArcGISRuntimeSDKforiOS/Android，中地數碼的MapGISMobile9、超圖軟件的SuperMapiMobileforAndroid/iOS專業移動開發平臺等。新式移動終端和開發平臺代表著未來發展方向，但由于歷史較短且開發門檻較高，國內基于iOS和Android等新興移動終端上開發和部署的水利移動GIS軟件的研究和應用不多。孫萍［14］介紹了一種防汛移動助手系統，它基于Android移動操作系統開發，采用無線通訊網絡實現與指揮中心Web服務器的數據傳輸與業務交互;利用GPS采集位置信息，并將位置與業務數據相匹配，實現了水利防汛業務中的前端數據采集與傳遞以及后端數據處理與分析的一體化，提高了防汛指揮調度的效率。張鵬［15］基于ArcGISServer等相關技術，將第一次水利普查成果為網絡服務(WebService)以供移動設備聯網使用，將水利普查的成果擴延到外業的現場工作中，使大量的外業工作中都可使用水利普查成果數據，由此提高普查成果應用效率，充分發揮水利普查成果作用。趙杏杏等［16］實驗性地設計并開發了基于iOS移動操作系統的移動水利信息App模塊。該模塊本身采用ArcGISAPIforFlex進行設計與開發;并且借助ArcGISOnline公有云GIS平臺實現水利信息的云端存儲和傳輸。該模塊實現了水利站網的雨情、風情和水情信息的實時查詢與展示。美國的WebMapSolutions公司［17］開發了一系列移動GIS應用，以滿足政府和公司的需求。該公司為新西蘭的廢水處理廠開發了一款Android平板電腦的移動GIS應用，可在離線模式下對點、線和邊的數據進行處理;為澳大利亞的工程公司開發的移動GIS應用可以對偏遠地區的擬規劃管線的路線進行可視化處理，并查看屬性;為英國的環境機構開發的移動GIS應用具備數據采集功能，以協助洪災災害評估工作，并且實現了線上線下顯示附加影像的功能。綜上可看出移動水利信息App模塊［16］，基于iPhone的防汛掌上通［18］，基于3G的水利移動辦公系統［19］，水情信息移動服務系統［20］等，主要專注于水情數據等地理空間數據的查詢和可視化;WebMapSolutions公司［17］開發的移動GIS應用在功能上則較為成熟，不僅可以進行水情數據的查詢、顯示，而且實現了簡單的信息采集上傳、離線地圖等功能。

4．3當前水利移動GIS應用中普遍存在的問題(1)對于水利行業而言，移動GIS應用的種類、數量均較少，相關的研究文獻也較為缺乏。(2)現有的關于移動GIS的開發應用研究主要集中于老式設備(WindowsMobile等)，而對于新式設備(iOS，Android等)的開發應用研究較少。(3)基于網絡的應用(WebApp)較多，基于本地的應用(NativeApp)較少。正如前文所說，這些Web應用大都無法離線使用。在信號不穩定的野外，適用性不強，無法很好地滿足水利外業工作需求。且Web應用無法充分發揮出移動終端的計算性能和各式傳感器功能，這是對寶貴移動計算資源的閑置和浪費。(4)現有移動GIS應用大都僅實現了空間信息的查詢和顯示功能，無法對現有的數據進行分析以幫助決策，更別說對云端數據進行編輯和上傳同步。(5)應用界面設計和人機交互方式不夠友好，很多仍沿用WindowsMobile風格，存在界面元素擁擠，按鈕狹小等弊端;影響了用戶體驗，阻礙了工作效率的提升。

5新技術條件下移動GIS應用功能的展望

隨著新技術(如云計算、物聯網、4G移動通訊等)的不斷發展進步，移動GIS可以充分利用這些技術的優勢，釋放自身的應用潛力。云計算技術為移動GIS應用提供云端數據服務，例如海量底圖、專題數據的存儲、業務數據的統計分析等，從而彌補移動終端在計算性能和存儲空間上的不足。物聯網可為移動GIS應用提供廣泛分布的傳感器網，并將采集到的數據上傳至云端，由云端處理分析后再將數據廣播至移動終端，從而擴大移動終端的感知范圍。高速4G移動通信網絡負責移動GIS客戶端和云端的鏈接通訊，高速網絡可以在更短的時間內支持更為詳細多樣的數據傳輸，為地理信息服務的實時化提供保障。這些技術的集成，理論上能夠做到一旦有數據更新上傳，移動GIS系統下屬的所有終端便能實時同步更新。這將極大地簡化傳統的外業調查流程，提高相關工作的效率，讓工作人員更好地把握現場的各項信息，從而做出合適的決策。這對人員分散、信息閉塞的搶險救災的意義不言而喻;對水情監測人員來說也具有較高價值。此外，傳統的桌面級GIS軟件價格昂貴、配置麻煩、操作復雜，不利于一線工作人員，特別是缺乏GIS相關技能和訓練的人員的使用。移動GIS軟件可通過合理的底層架構和界面交互設計，將復雜、專業的任務融入簡約美觀而又容易操作的界面，擴大移動GIS的適用范圍，進一步釋放移動GIS的應用潛力。綜上所述，將移動GIS的優勢和水利工作者的工作流程相結合，應該能很好地提升科研人員的工作效率和科研信息化水平，也可為數字流域管理做出有益的探索。

作者：李凌霄 譚德寶 張煜 單位：長江科學院 空間信息技術應用研究所 流域水資源與生態環境科學湖北省重點實驗室