柳開弘+王學(xué)文

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.161

摘 要：為了提高現(xiàn)有土地面積測量方法效率，并為之提供一種操作簡單、易于普及的方法，該文提出一種基于Android平臺智能手機的土地面積測量軟件開發(fā)。該軟件一方面設(shè)計了手持GPS面積測量的改良方案，利用球面多邊形角盈計算其面積避免了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的誤差，并且能自動采集GPS樣本信息然后進行計算；一方面又利用百度地圖接口，設(shè)計出利用高清衛(wèi)星圖像對樣本區(qū)域邊界勾勒并測量的方法，對于邊界清晰的區(qū)域可不用到實地測量。實際測量結(jié)果表明，該軟件可以滿足林業(yè)上對林地測量或其他工程測繪水平面積的精度要求。

關(guān)鍵詞：面積測量 Android軟件開發(fā) 全球定位系統(tǒng)（GPS）

中圖分類號：TP311.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（b）-0161-05

第四代移動通訊技術(shù)（4G）為移動設(shè)備帶來了更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，也為計算機網(wǎng)路與電信網(wǎng)絡(luò)的融合提供了支持。隨著4G網(wǎng)絡(luò)的大范圍普及，移動設(shè)備終端不僅是通訊網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備終端，也將成為互聯(lián)網(wǎng)的終端。因此，移動終端設(shè)備的應(yīng)用和需求擁有龐大的發(fā)展空間。美國谷歌公司為此于2008年9月23日推出了一款基于Linux的自由及開放源代碼的操作系統(tǒng)——Android。其在硬件上融合了多種傳感器，如電子羅盤、重力感應(yīng)、光線感應(yīng)、陀螺儀、GPS等，并且為其提供了應(yīng)用層的調(diào)用接口，使得Android軟件開發(fā)者可以便捷地調(diào)用這些傳感器來開發(fā)各種功能的軟件。

另一方面，利用GPS（全球定位系統(tǒng)簡稱）測量面積，是目前林地測量及其他工程測繪上普遍使用的方法。利用GPS的定位功能，在指定區(qū)域即可獲得該區(qū)域各點的GPS地理坐標(biāo)，經(jīng)過對多個點的地理坐標(biāo)采集處理，可以計算出對應(yīng)的面積。但是，傳統(tǒng)的GPS接收機功耗高、體積龐大、購置成本比較高。而且，在操作和使用方面需要經(jīng)過專業(yè)的學(xué)習(xí)與培訓(xùn)。因此，傳統(tǒng)的GPS面積測量難以在普通民用得以普及。而選擇在Android平臺上開發(fā)測面積APP，一方面，由于Android設(shè)備的普及，大部分人都擁有Android設(shè)備，并且其集成了高性能GPS模塊，使得GPS面積測量可以方便、快捷、便攜而且成本大大降低；另一方面，利用Android平臺的開放性優(yōu)勢及設(shè)備的性能優(yōu)勢，使GPS面積測量應(yīng)用接入百度地圖開放平臺，衛(wèi)星地圖、矢量地圖等可視化操作大大降低了用戶的學(xué)習(xí)成本，使得農(nóng)民朋友們也可以輕松地使用上GPS面積測量。

1 傳統(tǒng)面積測量方法

（1）用皮尺或測繩人工丈量距離，用面積計算公式計算地塊面積。

（2）用羅盤儀、經(jīng)緯儀等儀器測量距離，然后計算面積。羅盤儀或經(jīng)緯儀測量即按照羅盤儀或經(jīng)緯儀閉合導(dǎo)線方法，即定邊界點為測點，測定兩個變量即測距和測角（方位角），要求相鄰點之間必須通視，斜距的傾斜角超過5°時要水平校正，山地測量的閉合差應(yīng)小于1/150，平地測量的閉合差應(yīng)小于1/200[1]。再利用距離和角度把測點展繪到圖紙上，再把相鄰點用直線連接起來，然后利用電子求積儀計算面積；或者是利用數(shù)方格紙法計算面積（根據(jù)比例尺把圖紙面積換算成實際面積）。

（3）用GPS測量面積，GPS是（全球定位系統(tǒng)）的簡稱。測量時，持GPS接收機沿地塊邊界繞行一周，即可得到被測地塊的面積。

（4）利用全站儀測定地塊面積，先用獨立坐標(biāo)假定測站點坐標(biāo)，安置全站儀，利用假定的測站點坐標(biāo)設(shè)置測站，利用角度定后視的方法，再拿棱鏡繞著邊界走一圈，全站儀瞄準(zhǔn)棱鏡邊測邊記錄點的坐標(biāo)。在儀器里，計算面積有兩種方法：一種是直接在儀器里利用面積求算功能求算面積；另一種是利用SD卡導(dǎo)出數(shù)據(jù)，利用插件轉(zhuǎn)換X、Y坐標(biāo)，最后利用CASS9.2軟件求算地塊面積。

2 當(dāng)前面積測繪存在的問題

對于測量工作人員來說，當(dāng)前的測量方式雖然已達到測量要求的精確度，但是亦存在許多的問題。第一，當(dāng)前的測量方法都必須到現(xiàn)場進行測量，工作量大，野外作業(yè)辛苦，人力物力消耗都很大，特別是林業(yè)部門要測量林地面積時交通不便，要走到現(xiàn)場都需要花費很多時間，測量的山頭地塊有樹木遮擋視線，也會給測繪帶來更多的困難。第二，當(dāng)前測量方式的工作效率不夠高，而且多人協(xié)作上比較麻煩，需要花費很多時間對數(shù)據(jù)進行處理。

對于普通民眾特別是農(nóng)民朋友來說，用皮尺或羅盤儀等比較傳統(tǒng)的方式一方面精準(zhǔn)度難以達到要求，一方面也需要花費大量的人力；而先進的測量方式又需要購置專業(yè)的設(shè)備以及需要經(jīng)過相應(yīng)的培訓(xùn)，因此當(dāng)前的面積測繪方法難以在普通民眾上普及。

3 開發(fā)應(yīng)用軟件

根據(jù)以上存在的問題，筆者在學(xué)習(xí)計算機編程時就考慮如何依托現(xiàn)今科技發(fā)達的手段，開發(fā)出一種既可以為一線測繪人員帶來便利又能滿足工作項目的精度要求，并且在使用操作上大大簡化使得在一般民用上得以普及推廣的面積測量軟件系統(tǒng)。

文中所設(shè)計的基于Android平臺與智能手機的GPS面積測量軟件系統(tǒng)構(gòu)成上大體可分為3個部分：Android操作系統(tǒng)、百度地圖SDK、Bmob后端云。

3.1 Android操作系統(tǒng)

基于Linux開發(fā)出的Android操作系統(tǒng)的最大特點就是開源，系統(tǒng)功能齊全，使用穩(wěn)定。Andorid系統(tǒng)架構(gòu)采用分層思想，與它的操作系統(tǒng)架構(gòu)十分相似。Android的系統(tǒng)架構(gòu)可以分為4個部分，即：Linux內(nèi)核層、Android運行庫、應(yīng)用框架層、應(yīng)用程序?qū)覽2]。此次開發(fā)的軟件就是在應(yīng)用程序?qū)由线M行的開發(fā)，其在應(yīng)用框架中提供了眾多的組件以及接口，使我們可以對GPS進行集成開發(fā)。

3.2 百度地圖SDK

百度地圖SDK是一套基于Android 2.1及以上版本設(shè)備的應(yīng)用程序接口。開發(fā)者可以使用該接口開發(fā)適用于iOS或Android系統(tǒng)移動設(shè)備的地圖應(yīng)用，通過調(diào)用該接口，輕松訪問百度地圖的數(shù)據(jù)和服務(wù)，構(gòu)建功能豐富、交互性強的地圖類應(yīng)用程序[3]。

百度地圖SDK在同類服務(wù)中具有巨大優(yōu)勢，其整體框架清晰合理，接口設(shè)計符合開發(fā)者使用邏輯，各方面設(shè)計人性化、規(guī)范化；在性能上進行了多方面優(yōu)化處理，使得使用過程中CPU占用率、內(nèi)存等方面系統(tǒng)資源占用率低；并且，百度地圖SDK還提供了高精度定位接口，其通過GPS、基站、WiFi聯(lián)合定位的高精準(zhǔn)定位方法，適用于室內(nèi)、室外多種定位場景，具有出色的定位性能——定位精度高、覆蓋率廣、網(wǎng)絡(luò)定位請求流量小、定位速度快，其高精度定位模式定位成功率高達99.5%。百度地圖SDK為文章所設(shè)計軟件的可視化操作及高精度定位功能提供了重要支持。

3.3 Bmob后端云

Bomb后端云是由比目網(wǎng)絡(luò)科技提供的一體化網(wǎng)絡(luò)后端服務(wù)平臺，利用其提供的SDK，在APP中進行調(diào)用，便可以很方便地進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的儲存和下載以及云端數(shù)據(jù)庫的編輯。

Bmob云數(shù)據(jù)庫支持String、Number、Boolean、Date、Array等常用的數(shù)據(jù)類型[4]，為文章所設(shè)計軟件的云端同步功能提供了重要支持。

4 軟件總體設(shè)計

4.1 開發(fā)環(huán)境配置

此次開發(fā)使用了Android Studio作為軟件開發(fā)平臺，開發(fā)語言為Java，使用Android 6.0 SDK。

實際測量所使用的Android智能終端為：小米 Redmi 3S。配置為驍龍430 8核處理器4×1.4GHz+4×1.1GHz，2GB LPDDR3內(nèi)存，采用Android 6.0.1系統(tǒng)。全面支持GPS、AGPS、GLONASS、北斗定位4大定位系統(tǒng)，為該次軟件開發(fā)調(diào)試提供了很好的硬件測試環(huán)境。

4.2 百度地圖配置

該次開發(fā)基于百度地圖SDK v4.0.0，首先配置百度地圖圖層mMapView.getMap（）；該次開發(fā)中，為了提高用戶的可視化操作體驗，提供了矢量地圖BaiduMap.MAP_TYPE_NORMAL，以及衛(wèi)星地圖BaiduMap.MAP_TYPE_SATELLITE，供用戶選擇。

百度地圖定位功能的實現(xiàn)主要使用BMapManager、MapView、LocationClient、LocationData、LocationClientOption、MyLocationOverlay這6類。BMapManager這類作用在整個地圖的生命周期中，程序開發(fā)的時候要先對其進行初始化操作；MapView作用在展示地圖界面；LocationClient為定位服務(wù)的客戶端。宿主程序在客戶端聲明此類，并調(diào)用它；LocationData作用于接收定位所得的數(shù)據(jù)參數(shù)；MyLocationOverlay則作用于顯示當(dāng)前位置。

4.3 測繪功能的實現(xiàn)

在該程序中，將主要提供兩種測繪方式，分別為勾勒邊界法和手持設(shè)備移動法。

4.3.1 勾勒邊界法

該方法建議配合高清衛(wèi)星圖像進行直觀的操作，用戶在地圖圖層上需要設(shè)點的位置進行點擊，便可以放置一個錨點，錨點可以確認所需測量多邊形的一個頂點，然后由多個頂點構(gòu)成所需測量的區(qū)域。放置錨點的設(shè)計放置在地圖點擊響應(yīng)事件bdMap.setOnMapClickListener中，在里面的onMapClick函數(shù)中，配置一個BitmapDescriptor對象并且放置在點擊事件傳入的LatLng坐標(biāo)上，使之實現(xiàn)點擊地圖即可放置一個錨點。BitmapDescriptor對象具有長按拖動功能，用戶可以在錨點放置完畢后再進行相應(yīng)的調(diào)整適配。當(dāng)錨點的位置最后放置完畢后，通過BitmapDescriptor的點擊事件，確定所測量區(qū)域的頂點，使用DotOptions來配置各個頂點。并且將所有頂點所對應(yīng)的經(jīng)緯度LatLng依次添加進path數(shù)組中，用于接下來的數(shù)據(jù)處理。

4.3.2 手持設(shè)備移動法

該方法用戶可以手持設(shè)備對所需測量區(qū)域邊緣行走一圈，便可在地圖圖層中繪出該區(qū)域的大致輪廓。該方法實現(xiàn)方法為，配置一個TimerTas抽象類，設(shè)定好事件時間任務(wù)并且相隔5 s觸發(fā)（如行動速度較快則相應(yīng)降低觸發(fā)時間以保證精確度。在每個時間任務(wù)里，獲取當(dāng)前的經(jīng)緯度LatLng，然后配置DotOptions作為所測量區(qū)域的頂點，并且將當(dāng)前的經(jīng)緯度LatLng添加進path數(shù)組中，用于接下來的數(shù)據(jù)處理。

4.4 計算區(qū)域面積算法

4.4.1 球體幾何簡介

球體幾何的產(chǎn)生是因為對歐幾里得的《幾何原本》的第五公設(shè)提出異議而產(chǎn)生的新的幾何，因此，對球體表面多邊形的計算也與歐幾里得幾何不同[5]。球面多邊形就是封閉的球面折線，在球面多邊形中，各個劣大圓弧稱為球面多邊形的邊；相鄰兩邊的公共端點稱為球面多邊形的頂點；以相鄰兩邊的公共端點（即球面多邊形的頂點）為頂點、相鄰兩邊所在大圓弧為邊的球面角稱為球面多邊形的角。具有3條邊的球面多邊形稱為球面三角形；具有n條邊的球面多邊形稱為球面n邊形。球面多邊形的面積公式是球面幾何的基本公式之一，其可用下面公式計算：S=eR2，式中R為球半徑，e為球面多邊形的球面角盈（即球面多邊形的內(nèi)角和與其相應(yīng)的平面多邊形內(nèi)角和的差值）。亦可化為如下公式：

其中，S為所求球面多邊形面積，R為球體半徑，δ為球面多邊形的球面內(nèi)角和，n為該多邊形的邊數(shù)。

4.4.2 面積計算算法設(shè)計

坐標(biāo)兩兩之間可構(gòu)成一個向量，筆者首先設(shè)計一個以經(jīng)緯度為坐標(biāo)參數(shù)表示的向量的方位角函數(shù)。對于球體幾何來說，假定當(dāng)前兩點的坐標(biāo)經(jīng)緯度分別是（λ1，φ1）和（λ2，φ2），則其經(jīng)度差值為?φ。已知atan2為方位角函數(shù)，那么可得到球體幾何中通過兩點經(jīng)緯度計算其構(gòu)成向量的方位角公式：

在程序設(shè)計中，筆者將其設(shè)計為Vector函數(shù)，參數(shù)為兩個坐標(biāo)的值，返回計算出的方位角。其主要代碼如下：

double angle =-Math.atan2（Math.sin（lon1 - lon2）*Math.cos（lat2），Math.cos（lat1）*Math.sin（lat2）-Math.sin（lat1）*Math.cos（lat2）*Math.cos（lon1 - lon2））；

其次，設(shè)計內(nèi)角函數(shù)Angle，依次傳入3個坐標(biāo)，從幾何角度上，3個有序坐標(biāo)前兩者與后兩者分別組成向量，形成夾角。那么形成向量的過程中調(diào)用上述的Vector函數(shù)計算該向量的方位角，然后將兩個返回的方位角相減，得到兩向量夾角，即其中一個內(nèi)角，主要代碼設(shè)計如下：

double vector21 = Vector（p2， p1）；

double vector23 = Vector（p2， p3）；

double angle = vector21 - vector23；

最后，設(shè)計總的球面多邊形面積計算函數(shù)Spherical PolygonArea，傳入處理后的坐標(biāo)數(shù)組，循環(huán)分別取出3個坐標(biāo)值傳入Angle函數(shù)中并求和，最終根據(jù)公式計算出總的面積。主要代碼設(shè)計如下：

for （int i = 0； i < points.size（）； ++i） {

int j = （i + 1） % points.size（）； int k = （i + 2） % points.size（）；

totalAngle += Angle（points.get（i）， points.get（j）， points.get（k））； }

double planarTotalAngle = （points.size（） - 2） * 180.0； double OverAngle = totalAngle - planar-TotalAngle；

return OverAngle * radiansUnit * earthRadi-usMeters * earthRadiusMeters；

4.4.3 GPS誤差處理

偏移點可定義為該GPS測量點精度與平均測量精度相差很大的數(shù)據(jù)點，對于樣本方差來說，這些點對其影響最大。由于外界因素或氣候不佳等原因影響，會對GPS傳感器造成干擾，從而產(chǎn)生了GPS測量偏移點，無法保證所有的數(shù)據(jù)均在理想范圍內(nèi)。那么，對于這些有偏差的值，我們可以選擇從數(shù)據(jù)中剔除。

對于誤差點的判斷算法，筆者根據(jù)Haversine公式設(shè)計了誤差判別算法。該公式由James Andrew于1805年首次提出，給定球體上兩點之間的經(jīng)緯度即可算出該兩點之間的大圓距離，該公式如下：

其中，hav表達式為

假設(shè)在一次測量中，從點A移動到點B，這兩點的經(jīng)緯度分別為A（Lat，Lng1），B（Lat2，Lng2）。那么，設(shè)ΔLat=Lat2-Lat2、ΔLng=Lng2-Lng2。根據(jù)Haversine公式，化為兩坐標(biāo)點球面距離的算式

其中，R為地球半徑，d為所求距離。

根據(jù)上述公式，只需要統(tǒng)計出手持設(shè)備移動測量方式的GPS采樣間隔時間（默認為5 s）所能移動的距離值。

根據(jù)上述統(tǒng)計，得到行走5 s所移動的距離值范圍在2～10 m之間，取上一次定位得到的經(jīng)緯度LatLng與該次定位獲取的經(jīng)緯度LatLng值進行運算，得到的d值若大于10 m或小于2 m則可選擇刪除。

4.5 云同步功能實現(xiàn)

在該軟件的設(shè)計中，通過Bmob后端云服務(wù)，實現(xiàn)了對路徑測量的云端保存以及還原，為測量任務(wù)的保存以及多人協(xié)作測量提供了支持。

4.5.1 云數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計

在工程新建一個數(shù)據(jù)對象Model_User，其為繼承自BmobUser的子類，并對應(yīng)于Bmob后臺的一個數(shù)據(jù)表，在表的主要設(shè)計中，objectId為每條記錄在數(shù)據(jù)表中的唯一標(biāo)識，添加記錄時自動生成。username與password為用戶設(shè)定。Path用于儲存測量區(qū)域邊角節(jié)點列表。

4.5.2 云同步功能設(shè)計

在云同步功能啟用之前，需要用戶進行注冊或登陸，新建Model_User對象bu2，通過調(diào)用bu2.login（new SaveListener（）{}方法進行登陸，并把登陸后回調(diào)的Model_User對象通過（（App）getApplication（））.model_User=model_user方法進行傳遞。當(dāng)用戶通過手動勾勒邊界法或手持設(shè)備移動法對所需測量區(qū)域邊緣進行勾勒后，啟用云端上傳功能，調(diào)用BmobUser類內(nèi)的update函數(shù)，上傳當(dāng)前勾勒的邊緣節(jié)點path。相應(yīng)的，通過調(diào)用BmobQuery類的getObject函數(shù)，可下載之前上傳的節(jié)點。

5 軟件使用效果

5.1 軟件使用測試

筆者以標(biāo)準(zhǔn)足球場（面積為7 140 m2）作為參考，使用該軟件進行對比測量。

5.1.1 勾勒邊界法

此方法主要適用于非實地考察情況，把軟件切換至衛(wèi)星地圖，在地圖上拖至此次測量的樣本區(qū)域——廣西梧州高中足球場。從衛(wèi)星地圖上看到樣本區(qū)域的邊界輪廓十分清晰。適合于樣本區(qū)域邊界勾勒。經(jīng)過軟件勾勒并計算后，得到的面積值約為7 229.64 m2，與標(biāo)準(zhǔn)值7 140 m2相比，誤差為1.2%。

5.1.2 手持設(shè)備移動測量

此方法與傳統(tǒng)GPS測量方法相似，此方法測量樣本為桂林電子科技大學(xué)足球場，打開該軟件的自動測量功能，然后圍繞該足球場行走一圈，從矢量地圖上可以看到GPS采樣數(shù)據(jù)形成的輪廓。

使用手持設(shè)備移動測量方法對樣本進行5次測量，得到的測量值及偏差如表3所示，測量精度均超過95%，達到了滿足林業(yè)上對林地測量或其他工程測繪水平面積的精度要求。

5.2 軟件使用效果對比

經(jīng)過測試使用后，與傳統(tǒng)測量面積方法對比：（1）用皮尺或測繩人工丈量距離，用面積計算公式計算地塊面積的方法最耗時間，效率最低。（2）用羅盤儀、經(jīng)緯儀等儀器測量距離，然后計算面積這種方法在測量面積比較大時與第一種方法比較效率會比較高些。（3）GPS的成本是羅盤儀的1/10，工效則是羅盤儀的10倍?？梢姴捎肎PS比前兩種方法都省時、省力、省費用，是林業(yè)企業(yè)降低成本提高經(jīng)濟效益的有效途徑，現(xiàn)在在林地測量上還普遍使用。（4）利用全站儀測定地塊面積，它是在電子經(jīng)緯儀的基礎(chǔ)上增加了電子測距的功能，使得儀器不僅能夠測角，而且也能測距，并且測量的距離長、時間短、精度高，智能化程度高，功能強大，操作方便，并可為用戶量身定制測量程序，滿足各種專業(yè)測量和工程測量的需求，這在工程測繪制圖這方面普遍使用。但該方法人力成本較大，需要專業(yè)人員進行操作，不適于民用推廣。

筆者所開發(fā)的手機測面積軟件，在實際測量效果中，精度可達到95%以上，可滿足林業(yè)上對林地測量或其他工程測繪水平面積的精度要求。而且操作簡單，安裝在普通智能手機中使用，大大節(jié)約了成本，不需要專門數(shù)據(jù)處理，由軟件直接得出測量結(jié)果，大大提高了效率。因此在市場上具有很強的推廣應(yīng)用價值，前景廣闊。

6 總結(jié)與展望

6.1 總結(jié)

文章針對現(xiàn)有的土地測量方法的不足之處，并且結(jié)合目前Android平臺的巨大優(yōu)勢，提出了基于Andorid平臺GPS面積測量APP開發(fā)方案。該軟件提供了手持設(shè)備移動測量和手動勾勒邊界兩種不同的方法供用戶選擇，彌補了現(xiàn)有GPS測量方式單一的缺陷。在手持設(shè)備移動測量方法中，利用球面多邊形的角盈計算面積，最大程度地避免了在經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的誤差，然后通過Haversine公式設(shè)計了偏移點處理方法，使得在數(shù)據(jù)處理上保證了準(zhǔn)確度。并且，手持設(shè)備移動測量法相比于傳統(tǒng)手持GPS測量法，還集成了百度地圖接口，在可視化矢量地圖中看到GPS邊界采樣點的位置。在手動勾勒邊界法中，利用百度地圖提供的高清衛(wèi)星地圖，對區(qū)域邊界清晰的區(qū)域直接在GPS衛(wèi)星地圖上對其邊界進行勾勒計算，免去了人工到達現(xiàn)場的工作。在上述測繪方法完成過程中，該軟件還支持云端保存及同步，使得面積測量工作可以保存至云端或與他人協(xié)作。隨著云端平臺的發(fā)展，面積測量行業(yè)數(shù)據(jù)共享并上傳至云端平臺是測繪數(shù)字化必然發(fā)展的趨勢。

6.2 展望

由于時間和個人能力有限，文章對Android平臺GPS面積測量APP開發(fā)的理解和分析還不夠深入，系統(tǒng)功能也有待完善。Android是一個擁有巨大潛力的平臺，結(jié)合現(xiàn)在非常熱門的云計算能力，基于Android平臺的GPS面積測量APP在未來可演變?yōu)橹煌ㄟ^Android進行數(shù)據(jù)的采樣，然后將所收集到的數(shù)據(jù)全部上傳至云端服務(wù)器進行運算處理，強大的云運算能力可將采集到的數(shù)據(jù)進行多次的分析優(yōu)化，為最終面積運算結(jié)果提供更高的精準(zhǔn)度。

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