基于Android人工影响天气智能终端的研制与应用
湖北农业科学2013年收稿日期：2012－04－17
基金项目：气象无线传感网系统关键设备与信息处理平台开发项目（BE2011195）；江苏省科技厅资助项目
作者简介：池文羽（1987－），男，江苏苏州人，硕士，主要从事移动设备在气象上的应用研究，（电话）151********（电子信箱）chi8wenyu＠163．com 。
人工影响天气工作经过几代人的不懈努力在许多省、市、区已经成为一项常规业务服务社会。发展至今的人工影响天气作业已朝着信息多元化迈进，终端作业指令也从单纯的文字信息指挥逐渐向图像视频化融合。在实际人工影响天气作业中，由于作业终端系统集成度不够高，现场操作过程中操作繁琐、作业指令不合理、天气数据滞后、直观性差等因素严重制约了人工影响天气作业的科学性和有效性。在人工影响天气作业智能终端系统的研制过程中［1］，湖北［2］、广东［3］等地都进行了大量的工作，但是这些工作都没有系统地对作业指令简化、终端移动轨迹实时回传［4］、矢量栅格数据快速显示［5］、流畅的视频直播［6－9］、自适应网络带宽［10］等功能进行很
好的集成，这也是人影作业智能终端当前研发的热点内容之一。目前，新型的Android 系统智能终端都具备了大尺寸触摸屏、GPS 、3G 、WIFI 、摄像头、大容量存储卡等多种设备，有的甚至还有温度、光感、湿度等多种传感器，系统编程扩展功能也日趋完善，选择其作为智能终端硬件比较合适。结合自主开发的多功能服务器平台，形成一个集中、统一、数字化的人工影响天气作业通信系统，实现智能终端和远程中心指挥端之间高效、及时、稳定的信息交互，有利于提高人影作业的经济和社会效益。
1
系统结构
整个系统平台主要由远程中心指挥端、Android
基于Android 人工影响天气智能终端的研制与应用
池文羽，周
杰，杜景林
（南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京
210044）
摘要：为了快速、准确地实现对人工影响天气作业的响应，建立了一种基于Android 的智能移动作业终端系统，详细介绍了该系统的总体框架、主要功能、操作流程，并重点围绕基本指令信息收发、移动GIS 平台应用、视频传输应用3个方面，分别就其中的一些关键技术点如自适应心跳包、矢量栅格数据的传输及显示、终端GIS 坐标转换、视频编码器的裁剪和优化、流媒体传输优化及差错控制进行了阐述。初步试验结果表明，该系统的特点及优势均较明显。
关键词：人工影响天气；作业指挥；Android ；移动GIS ；H．264中图分类号：TP18
文献标识码：A
文章编号：0439－8114（2013）04－0940-04
Design and Implementation of Weather Modification Intelligent Terminal Based on
Android
CHI Wen－yu ，ZHOU Jie ，DU Jing－lin
（College of Electronic ＆Information Engineering ，Nanjing University of Information Science ＆Technology ，Nanjing 210044，China ）
Abstract ：In order to realize the response of artificial weather modification conveniently and accurately ，a intelligent mobile terminal based on Android was proposed．The overall frame ，main function and operation process of the system was intro-duced in detail．Meanwhile ，some of the key technology of sending and receiving of basic instructions ，application of mobile GIS platform ，video information transmission ，such as self－adaptive heartbeat bag ，raster data transmission and display ，ter-minal GIS coordinate transformation ，cutting and optimization of video encoder ，stream media transmission optimization and error control were emphasized．The result of preliminary application tests showed that the features and superiorities of this system were all obvious．
Key words ：weather modification ；operation command ；Android ；mobile GIS ；H．264
第52卷第4期
2013年2月
湖北农业科学
H ubei A gricultural S ciences Vol．52No.4
Feb ．，2013
第4
期智能终端等组成。智能终端通过3G 链路实现与远程中心指挥端的信息交互，终端通过自定义协议接收经中转服务器转发的作业指令。中心指挥端把处理好的最新的雷达回波截图和云图等气象数据上传至GIS 服务器，智能终端通过移动GIS 平台浏览服务器上的实时天气图况。通过终端的摄像头获取现场实时作业情况，利用H．264标准压缩编码成适合无线网络传输的码流，再通过RTP ／RTCP 协议打包上传至中心流媒体服务器，远程指挥端通过访问流媒体服务器观看现场作业。Android 智能终端信息传输结构如图1所示。
1．1客户端功能框架
该智能终端系统以自主设计的多功能服务器
平台为支撑，采用客户机／服务器结构，使用3G 传输方式实现终端和远程中心指挥端的信息交互。该系统采用MVC 架构设计分为图形界面、逻辑处理和数据管理3层，采用Java 语言编程，为增加系统的扩展性和后期维护性，对系统功能进行模块化设计，核心系统包括指令信息收发模块、移动GIS 模块和视频通信模块。
1．2客户端系统操作流程
人工影响天气终端系统所有源代码编译生成
后形成一个．APK 格式文件，这也是该系统的安装文件。在终端安装后系统的操作流程如图2所示。
2
系统功能设计
图1
Android 智能终端信息传输结构
图2用户系统操作流程
开启摄像头远程视频传输
开始
作业信息收发
系统自动
选择模块移动GIS
从数据流中取一个指令
有效指令字？
是否查看？
启动GIS 指挥作业指令
等待定位
未启动未定位
检测GPS 状态已启动
已定位
经纬度行车速度
作业参数
作业短信
主动请求作业
发送自动应答包
是
是
否
否
GIS 地图
是否授权？
测边距、修改要素
导航查询雷达卫星图
有
是
无
否
检测3G 信号状态
启动远程视频？
视频直播
系统参数设置
多功能服务器平台
远程中心指挥端
结束
池文羽等：基于Android 人工影响天气智能终端的研制与应用941
湖北农业科学2013年
2．1Android 智能终端功能设计
2．1．1
指令信息收发模块设计
为了确保气象数
据传输的安全性，远程中心指挥端与作业终端交互信息时，中心指挥端先把作业指令发送到指令中转服务器上，然后再通过中转服务器将作业指令转发到相关的终端作业点上，并用报警声提示。还可以对中心指挥端下发的历史作业信息进行本地数据库查询删除或者上传至远程数据库备份。为了使指挥端确定发送的作业指令已经被作业终端收到且查看，对已查看的作业指令会自动响应一个应答包给指挥端。在现场根据经验发现如果有合适的作业时间，此时终端主动向指挥端发起作业请求。实时获取GPS 定位信息（经度、纬度、行车速度），定时发送回远程中心指挥端并在地图上动态显示作业点运动轨迹。当指挥中心对各作业点终端点名时，可以通过手写数字签名进行回复，从而有效防止其他人员的代写。指令信息收发操作界面如图3所示。
2．1．2移动GIS 平台模块设计智能终端可以浏
览存储在ArcGIS Server 服务器中的全省GIS 地图、地理信息（包括乡镇一级及以上的行政区划、乡镇一级及以上的公路、水系图等）。依托服务端快速的信息处理决策，Android 终端可以及时地浏览服务端的最新雷达图、卫星云图、风速、降水量等气象数据。终端的GPS 能够利用GIS 地图定位显示自身位置，点击作业定位点的图标还可查阅最新作业信息。在终端GIS 地图上不仅能对各种地名和行车路径进行查找，还可以在授权的状态下重新采集坐标数据的功能，它能够在不改变实体属性信息的前提下对几何坐标的数据进行更改，并将修改的地图信息上传至GIS 服务器。智能终端实现了一些桌面
GIS 的编辑功能，如删除、移动、添加节点等功能，并
提供了多边形圈定擦除，减少了重复采集的工作量。移动GIS 平台界面如图4所示。
2．1．3视频传输模块设计3G 网络的信道特性决
定必须采用高效的编码算法才能保证视频信号的稳定传输，而H．264标准具有很好的压缩率和图像质量，且H．264的码流结构网络适应性强，能够很好地适应无线网络的应用，本研究的H．264编码器采用对开源的FFMPEG 多媒体库进行精简和优化，裁剪分离出核心代码进行移植。传输流媒体协议采用开源的JRTPLIB 库。在开发中要实现比较流畅的直播，首先，根据不同的网络状态自动对视频流进行不同码率的压缩编码，然后将视频数据的采集和编码放在两个独立的线程中以实现采集和编码的并行运行，可以有效降低延迟。在使用JRTPLIB 进行流媒体传输之前，先实例化生成一个RTP 会话，并对其进行初始化等一系列操作，然后设置好视频服务器IP 地址及端口就可以进行流媒体传输了，传输过程的控制部分由RTCP 完成，它能实时监控数据
状态，提供堵塞控制，保证一定的服务质量。视频采集传输流程如图5所示。
2．2服务器端功能设计
多功能服务器端主要由指令中转服务器、Ar-
cGIS Server 服务器、数据库服务器、流媒体服务器
等组成，实现的基本功能主要有以下4个方面。
1）指令中转服务器位于指挥中心有固定公网IP 地址的服务器上，是Android 终端与中心指挥端
交互指令作业信息的中转站，完成了对作业点终端的初始登入识别，对终端发送心跳包响应连接，对作业信息的转发。智能终端连接到中转服务器后，中转服务器向智能终端发送4字节的随机数挑战码，接下来终端根据约定的算法计算出4字节的响应码，中转服务器对该响应码进行验证，判断是否正确，若正确无误则向指挥中心发送确认码并让指挥中心成功登录，若响应码错误则强行断开TCP 连接。
终端作业点以向中转服务器不定时发送检测包
图3基本指令信息收发操作界面
图4
移动GIS 平台界面
942
第4期（下转第948页）
图5视频采集传输流程
开启摄像头
开始获取设备信息与图像信息初始化采集分辨率、颜色模式、帧状态创建编码线程
采集视频帧数据
是否终止视频采集
否关闭视频编码线程
关闭视频设备
结束
设置最大包的大小
创建RTPSession （）
设置本地端口设置时间戳单位视频数据的编码添加目的地地址发送数据包
是否还有数据包需要发送是
销毁RTPSession （）
结束
的方式检测3G 通信网络性能，通过超时计数实时了解终端是否在线，掉线后自动重连。
2）GIS 服务器存储着全省的GIS 地图、雷达回波数据和卫星云图等数据。智能终端通过REST 接口发送URL 请求，就可以接收来自ArcGIS Server 响应的多种格式数据，比如图片、KMZ 、JSON 和HTML 等，并能够接收来自授权作业点对GIS 地图
要素的添加、编辑和地理处理服务。
3）数据库服务器存储着全省市县作业点编号、
操作人员、联系方式、空域区间、风速、实况雨量、气象站及智能终端上传的作业指令等信息。
4）视频服务器首先对由智能终端上传的视频
信号进行压缩并存储在数据缓冲区，然后将媒体数据调度到解码器中，将媒体数据转化成可以播放的数据流。最后远程指挥端点与某一个智能终端作业点建立视频连接，终端响应后就可以进行现场直播了。视频服务器还可以对终端的主动视频请求（包括指挥端的同意和拒绝响应）、视频连接和断开的时间等信息进行日志记录。
3
系统的特点
①安全性。作业指令传输采用自定义的指令通
信协议，通过应用自适应心跳包大大降低了在差信号情况下发生的丢包问题。②共享性。Android 智能终端可以利用移动GIS 地图进行距离和面积测量，空间、属性查询，要素识别编辑。③快速性。依靠自
主研发的指挥端决策系统可以让最新的雷达图、卫星云图、常规天气预报等及时在终端浏览到。④自适应性。直播中能够根据网络状态自动调整视频流的码率和压缩比来提高流畅性。⑤便捷性。Android 智能终端操作采用一体化手指触屏完成，系统设计也对触摸体感进行了优化。⑥稳定性。Android 智能终端功能设备的高度集成性，相对于笔记本外接扩展设备大大增强了信息传输的稳定性。
4
智能终端的关键技术
4．1
Android 端自适应心跳包机制
野外作业信号不稳定，无线信息传输可能会因
经常掉线而丢失，如果心跳包等待时间设置得过短则遇到网络堵塞时容易引起误判，为此本系统设计了自适应心跳包，通过在运行时检测网络往返时延的方式来设置心跳包相应的最大等待时间。在这种方法中，智能终端发送心跳包时取得本机的当前时间，指令中转服务器响应心跳包后返回响应包给终端再次取得本机系统时间，并计算前后二者时间的差值，从而得到最近一次传输的往返时延，通过将最近8次的往返时延取平均值作为心跳包响应的速度，经过计算后，心跳包响应的速度能比较好地适应无线网络的动态变化。
4．2矢量栅格数据的传输与显示
智能终端移动GIS 与ArcGIS Server 服务器通
过灵活的REST 接口连接，与传统的SOAP （简单对象访问协议）相比大大提高了系统的可伸缩性。在终端显示方面采用动态地图和缓存地图混合的方式，动态地图是由服务器时时刻刻发送请求来形成，可提高灵活性；而缓存地图是从缓存中预创建瓦片来形成地图，能加快对服务器的访问速度。
4．3终端GIS 的坐标转换
从服务器接收到的数据是在WGS84经纬度坐
标系统上的，而在实际操作中终端用户需要采集平面坐标系统数据，所以必须将收到的WGS84经纬度坐标转换成使用平面直角坐标系，通过准确输入两个坐标系在转换时用到的7个转换参数（x 、y 、z 轴的旋转角度和坐标平移量，投影比例尺差），就可以实现相互转换。
4．4视频编码器的裁剪与优化
作业直播所用的编码器是从FFMPEG 库中以
H．264编码器为原型移植出来的，底层采用JNI 与上层Java 接口连接。在FFMPEG 中先要去掉与H．264编码器无关和编码过程中用不到或者重复使用
的变量，比如数据结构的优化、冗余函数模块的删
池文羽等：基于Android 人工影响天气智能终端的研制与应用943
湖北农业科学2013年（上接第943页）
除。由于FFMPEG是一个庞大的源代码复杂的开源解决方案，找到本系统需要的代码是一件艰巨繁杂的工作。
4．5流媒体传输优化与差错控制
无线信道资源非常有限，而且多媒体（尤其是视频）包含的数据量很大，所以必须在信源端对信息进行适当的压缩。在智能终端直播中，根据网络带宽变化情况，自动对摄像头获得的视频流进行不同码率的调整以此来提高流畅性。为减轻传输中信道差错对指挥端解码质量的影响，该系统采用基于编码器的差错控制，在编码时增加了一个宏块重排序过程，其遵循的原则是：每个数据包包含22个宏块，这些宏块应处于不同的行列上，相邻位置的宏块打包距离为6以上，这样传输过程中即使连续6个丢包，丢失的宏块也不会相邻，大大提升了指挥端解码恢复的效果。
5小结
研究对人工影响天气智能终端系统进行了集成创新的设计，并在三星P1000平板电脑上实现了上述设计的功能，通过以上功能的优化集成使整体操作过程得到了简化，作业指令得到了合理优化，作业参考数据得到了最及时准确的更新。目前，在江苏省人工影响天气办公室（人影办）的作业车辆开始配置了此智能终端，并局部投入了运行，如2011年的一次人影作业时，现场作业点出现了有利的作业机会，人影指挥中心向终端快速发送了一系列作业信息，作业点人员调用实时雷达回波图像判断上空云系达到催化指标，对该云系进行了一次增雨作业，消耗火箭弹3枚，作业8min后开始降雨，经测量，3h单位面积降雨达22mm，有效缓解了当地旱情，同时降温达4℃。中心指挥端通过终端视频直播功能直观地观看体验了现场效果。Android智能终端的应用显著提高了现场的作业响应能力，下一步将完善调整实际中的一些细节问题，并且最终实现推广的业务化。
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（责任编辑田宇曦）
3结语
在节约与集约利用土地、新农村建设以及寻找耕地补充途径的背景下，农村居民点整理成为当前的热点问题，学术界从各个角度对农村居民点进行研究［7］。对于闲置宅基地的处理目前也形成了各种处理模式。本研究所提出的农村闲置宅基地信息管理模式主要是为了为各种处理模式提供必要的信息支持，减少不必要的重复过程，从而降低在宅基地处理过程中对闲置宅基地信息调查的成本。该制度也能为土地管理主体提供管理决策咨询，提高政府在处理闲置宅基地过程中的效率，促进当今中国实现农村宅基地的全局性管理的进程。同时，该制度也是实现在处理宅基地过程中政务公开的一个重要保障，使得农户的利益诉求在农村宅基地的集约化管理中得到充分的体现。
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（责任编辑田宇曦）
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