嵌入式GIS数据采集与导航系统设计技术与功能陈颖彪.docx
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嵌入式GIS数据采集与导航系统设计技术与功能陈颖彪
嵌入式GIS数据采集与导航系统设计技术与功能
陈颖彪,千庆兰,陈健飞
(广州大学地理科学学院,广州 510006)
摘要:
嵌入式GIS软件是一个主要技术发展的新方向。
目前,在国内外得到广泛的应用,本文以北京超图地理
信息技术有限公司的eSuperMapGIS+EmbeddedVisualC++技术进行了嵌入式GIS数据采集与导航系统的设计
开发。
文章首先对嵌入式GIS数据采集与导航系统的实现作了分析,指出移动计算、嵌入式技术及移动接入与
访问技术是系统实现的关键技术。
在系统设计中,重点分析了EVC及eSuperMapGIS技术体系,并对矢量数据
分层组织方法、空间数据显示比例控制、数据模型及SIT影像压缩技术做了具体的分析。
在此基础上,结合应
用系统开发,对EVC主要开发接口进行了分析描述。
另结合eSuperMapGIS+EmbeddedVisualC++技术进行了
原型系统的设计开发,实现了地图显示和浏览功能、地图数据管理与地图量算、属性管理与查询功能、对象编
辑与移动目标计算、最佳路径分析与轨迹回放及GPS数据接收及移动数据终端处理等功能。
在GIS数据采集与
导航系统开发中,移动计算、嵌入式技术及移动接入与访问技术是系统实现的关键技术。
在系统设计中,矢量
数据分层组织方法、空间数据显示比例控制、数据模型及SIT影像压缩技术是系统实现的技术关键。
通过Mi-
crosofteMbeddedC++结合SuperMap嵌入式GIS开发工具,对解决上述关键技术提供了有效解决方法。
通过本
案例开发实践,我们认为研发一套实用、方便、有针对性的工具软件十分重要。
该软件系统对车载导航、军事
应用、公安消防等方面的应用具有重要的实践意义和理论参考价值。
关键词:
嵌入式GIS;数据采集;导航系统;WindowCE;嵌入式C++
1 引言
随着科技的发展,移动技术的不断成熟,定
位导航的广泛应用,开辟了一个重要的新兴市场。
据欧盟预测,到2008年左右,定位导航服务占据
卫星定位应用的70%。
随着社会信息化发展的不
断深入,车辆对车载信息设备的需求也越来越迫
切,通过车载信息设备向客户提供越来越多的综
合信息服务将是社会信息化的一个组成部分,是
一个很有发展前途的新领域。
车辆导航系统是指
通过在车辆上安装GPS接收器(或其他定位系统)
、电子地图、LCD荧屏等软硬件设备,将车辆的
实时位置与相关路线显示出来,以供驾驶者进行
地点查询、最佳行车路线选择以及行车导航等功
能,并可根据实时交通资讯调整行车路线和估计
到达目的地时间的系统。
它能提高交通的安全水
平、提高交通设施的利用率、减少交通阻塞、增
加交通的机动性。
现在,车辆导航系统作为智能
交通系统的重要组成部分,已经成为当今社会研
究的一个热门方向[1]。
而在开发车辆导航系统中,
嵌入式数据采集与导航系统是GPS定位系统实现
的基础,因此深入研究其前端数据采集技术与集
成方法具有重要理论意义和应用价值。
2 数据采集与导航系统的关键技术
应用分析
2.1 传统空间数据采集处理过程
将空间实体的几何数据和属性数据输入到地
理数据库中,是传统GIS数据采集和空间数据建
库过程。
GIS需要输入两方面的数据,即几何数据
与属性数据。
至于拓扑数据一般可在已有的几何
数据基础上,按需要“挖掘”生成[2]。
对此需进
行三方面的工作,即:
几何数据的采集;属性数据的采集;几何数据与属性数据的连接。
在GIS的几何数据采集中,如果几何数据已
存在于其他的GIS或专题数据库中,那么只要经
过转换装载即可;对于由测量仪器获取的几何数
据,只要把测量仪器的数据传输进入数据库即可,
测量仪器如何获取数据的方法和过程,通常与GIS
无关,属性数据在GIS中是空间数据的组成部
分[2]。
为了把空间实体的几何数据与属性数据联
系起来,必须在几何数据与属性数据之间有一公
共标识符,标识符可以在输入几何数据或属性数
据时手工输入,也可以由系统自动生成(如用顺
序号代表标识符)。
只有当几何数据与属性数据有
一共同的数据项时,才能将几何数据与属性数据
自动地连接起来;当几何数据或属性数据没有公
共标识码时,只有通过人机交互的方法,如选取
一个空间实体,再指定其对应的属性数据表来确
定两者之间的关系,同时自动生成公共标识码。
2.2 嵌入式GIS数据采集与导航系统关键技术
(1)移动计算技术
移动计算是一种新型的技术,它使得计算机
或其他信息设备在没有与固定的物理连接设备相
连的情况下能够传输数据。
移动计算的作用在于
将有用、准确、及时的信息与中央信息系统相互
作用,分担中央信息系统的计算压力,使有用、
准确、及时的信息能提供给在任何时间、任何地
点需要它的任何用户[3]。
移动计算的发展克服了
有线网络接入的局限性,提高了数据信息接入的
普遍性,使其能够吸引更多的用户,大大提高了
数据通信覆盖的人群比例,从而将更有效地推动
电子信息化的发展;由于移动计算使得管理者和
移动的工作人员都能够更及时、准确地掌握有关
的信息,从而能够提高部门与企业的管理和决策
效率。
移动计算的发展克服了有线网络接入的局限
性,提高了数据信息接入的普遍性,使其能够吸
引更多的用户,大大提高了数据通信覆盖的人群
比例,从而将更有效地推动电子信息化的发展;
由于移动计算使得管理者和移动的工作人员都能
够更及时、准确地掌握有关的信息,从而能够提
高部门与企业的管理和决策效率。
(2)微型嵌入式技术
多媒体技术与Internet的应用迅速普及,消费
电子、计算机、通信(3C)一体化趋势日趋明显,
嵌入式技术再度成为一个研究热点[4]。
纵观嵌入
式技术的发展,大致经历了以下4个阶段:
第1
阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系
统,同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的
功能;第2阶段是以嵌入式CPU为基础,以简单
操作系统为核心的嵌入式系统;第3阶段是以嵌
入式操作系统为标志的嵌入式系统;第4阶段是
以Internet为标志的嵌入式系统,这是一个正在迅
速发展的阶段。
目前,大多数嵌入式系统还孤立
于Internet之外,但随着Internet的发展以及Inter-
net技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密
切,嵌入式设备与Internet的结合将代表着嵌入式
技术的真正未来。
(3)移动接入与访问技术
移动接入技术移动无线网络是移动GIS的客
户端与服务器端进行通讯与数据交互的网络运行
平台。
移动用户摆脱了线缆和位置的束缚,能以
多种方式接入移动Internet。
根据无线承载网络的
不同,移动接入技术可分为两类:
一类是移动通
信网技术,如2G,2.5G,3G等;另一类是无线
局域网(WLAN)技术,如移动IP。
目前的移动
GIS服务,多采用第一类移动接入技术(2G/
2.5G),提供的服务也主要受制于其低带宽(2G
的传输速率为9.6Kbps,2.5G的为40Kbps)。
即
将到来的3G时代,移动终端以车速移动时,传输
速率为144Kbps,室外静止或步行时速率为
384Kbps,而室内则高达2Mbps。
对于第二类移动
接入技术,WLAN目前正处于高速发展阶段。
可
以预见,随着无线网络接入技术的发展,约束移
动GIS服务的“瓶颈”将会被逐渐解决。
移动Internet的访问方案目前流行的主要有两
种:
无线应用协议和短消息服务。
无线应用协议
(WAP,WirelessApplicationProtocol)类似TCP/
IP,以标记语言WML和脚本语言WMLScript处
理WAP网页。
WAP基于移动Internet中广泛应用
的标准(如HTTP,TCP/IP,XML等),提供一
个对空中接口和无线设备独立的移动Internet全面
解决方案。
WAP作为一种全球开放的无线通信协
议,支持现有及未来的任何操作系统,包括Win-
dowsMobile,PalmOS等嵌入式操作系统。
WAP
广泛地支持2G,3G等移动网络。
随着移动通信和
网络技术的发展以及WAP协议的不断完善,WAP将会成为移动通信领域内提供统一平台服务的主
要技术[5]。
短消息业务(SMS,ShortMessagingService)
为移动用户提供了一种简单实用、功能丰富的文
字信息交互平台,传输的文本信息最大长度是140
个字节。
SMS只利用信令信道就可完成用户终端
业务,并可与话音等业务同时进行,实现移动用
户和网络之间的双向寻呼功能,是一种适合于移
动电话的功能。
MMS(MultimediaMessagingServ-
ice)的出现,将短信的内容扩展到多媒体信息。
MMS是按照3GPP和WAP有关多媒体信息的标准
开发的新业务。
MMS在移动通信网络(2.5G/3G)
的支持下,以WAP为载体可以传送视频、图片、
声音和文字等。
3 基于eSuperMap嵌入式GIS数据采
集与导航系统设计
3.1 嵌入式地理信息系统
嵌入式GIS功能强大,性能卓越,可广泛应
用于通讯、测量、交通、军事、消防、医疗等多
种领域,是开发嵌入式GIS应用、GPS前端产品
和位置服务(LBS)的理想选择[6]。
本系统开发采用北京超图地理信息技术有限
公司推出的eSuperMap软件开发平台,其可以全面
满足各类嵌入式GIS应用的需要,该产品结构清
晰,功能强大,二次开发灵活。
除地图放大、缩
小、漫游等常规的GIS功能外,还具有许多特色
功能,例如地图旋转、路径分析和自动导航等。
二次开发商或最终用户可以用它快速构建具有自
己特色的GIS应用系统,如PDA电子地图、车载
GPS导航产品、机顶盒电子地图等。
与国内外同类嵌入式电子地图类产品相比,
eSuperMap是当前市场第一款真正意义的嵌入式
GIS开发平台。
目前市场上的嵌入式GIS产品主要
为GIS嵌入式应用,功能不强的同时,且用户不
能进行自己的扩充和定制,相对这些应用eSuper-
Map在提供强大GIS功能同时,给予了用户开发
自己专用嵌入式GIS系统的方便。
eSuperMap还具
有占用资源少、运行速度快、适应硬件范围广等
众多优点[7]。
3.2 EVC及eSuperMap技术体系分析
使用EVC4的MFC编程,采用静态链接的方
式,系统结构以类为单位组织,eSuperMap主要分
为数据引擎、地图显示、路径分析、GPS、导航等
几个主要模块。
类结构图列出了一些主要的类,
及它们之间的主要关系(如图1所示)。
使用到的主要类包括:
(1)CseWorkSpace:
在eSuperMap中,CSeWorkSpace是eSuperMap类库
中一个核心的类,负责工作空间的打开、创建、
保存、关闭等,并分别管理数据源、地图和资源
(包括线型库和符号库)。
(2)CseMapWnd:
地图
窗口管理器,与用户的交互都是通过它来实现。
(3)CseDataSource:
一个数据源可以包括若干数
据集,通过数据源可以对其包含的数据集进行管
理。
eSuperMap目前支持两种数据源:
PM2和
PMR,其中前者可以进行读写操作,后者则是只
读型,适合运行时使用,数据读取效率比较高。
(4)CseDataset:
数据集基类,是矢量数据集CSe-
DatasetVector、栅格数据集CSeDatasetRaster和链接
数据集CSeDatasetLink的父类。
它存储数据集的一
些基本信息,如数据集的类型、名字、范围、描
述信息等。
(5)CseDatasetVector:
矢量数据集,
由多个几何对象集合组成。
数据包括几何数据和
属性数据。
数据集都有坐标范围的,矢量数据集
中,坐标的范围尤其重要,进行检索、索引等操
作时都要用到数据集的坐标范围,如果数据集的
坐标范围不正确,则检索出来的实体就不一定准
确,所以,当出现这种情况,就应该重新计算数
据集的范围,然后对数据集重建索引。
矢量数据
集中,除了系统默认的属性字段,还可以创建自
定义的属性字段,用以存放附加的属性信息。
对
于不再需要的自定义字段,也可以把它从数据集
中删除。
(6)CseLayer:
图层,用于存储地图有关
显示的属性,比如显示状态、显示风格、专题图
等,它可以由CSeMapDef和CSeMapWnd得到。
图
层与数据集既有区别,又有联系,数据集添加到
地图中就成为一个图层。
(7)CseMapDef:
地图的
定义类,包括地图的一些基本信息和操作,主要
由以下几方面来描述:
地图的名字、地图的中心
点、地图的比例尺、地图的旋转角度、地图的背
景风格以及组成地图的图层。
3.3 矢量数据组织与模型
在系统数据组织方面,根据数据分层组织的
需要,确定了5种比例尺地图数据包括1∶1万
1∶5万、1∶25万、1∶100万和1∶400万。
其中
1∶1万和1∶5万数字地图是存储城市数据,1∶25
万是存储省(区)数据,1∶100万和1∶400万是存
储全国范围的数据。
这样就可以组成一个从全国
范围到某个城市区域内的各种详细程度的交通地
图数据。
经过试验,这种结构能够满足车载导航
系统的需求。
在数据集层次划分上,一个数据集
分成若干个图幅,一个图幅又按矩形分块方式划
分成若干个逻辑数据块。
每个数据块包含若干地
理要素层,每一要素层包括一组在地理意义上相
关的地理要素。
每个要素层之间在数据组织和结
构上相对独立,数据更新、查询、分析和显示等
操作以要素层为基本单位来执行[8,9]。
根据嵌入式设备资源紧缺的特点,eSuperMap
专门为其设计出两种数据存储格式,即PM2和
PMR(PortableMapRuntimeFile)。
PM2文件是
PMF(PortableMapFile)的升级版本,改进了数据
的存储方式和空间索引方式,支持数据编辑;
PMR是为不需要编辑的数据应用量身定做的,数
据存储、空间索引都是根据数据只读的特点进行
设计,数据引擎性能高,内存占用少,这两种数
据文件紧凑,逻辑结构清晰,方便管理,不依赖
于任何数据库技术,可移植性强,而且PMR是适
用于运行时使用的数据文件,数据访问的效率比
传统的组织方式有了更大的提高。
3.4 SIT影像压缩技术
SuperMapSIT(SuperMapImageTower),是超
图公司在SuperMapGIS5.0版本里新推出的一种
全新栅格及影像文件存储格式。
它集成多种影像
处理技术,不仅能大幅度压缩影像数据,并能够
以极快的速度读取显示,很好地解决超大型影像
数据的快速浏览显示速度慢的问题。
在众多的影
像压缩算法中,DCT压缩算法具有压缩比较高、
解压缩速度特别快的特点,SuperMapSIT采用了在
原来标准的DCT压缩算法的基础上,改进的DCT
压缩算法,使得SuperMapSIT在保持解压缩速度
特别快的优点之同时,进一步提高了压缩比。
同
样,影像金字塔技术是目前各软件处理海量影像
必须采用的技术,SIT算法集成了该技术,与DCT
压缩技术的共同作用下,在影像压缩及快速还原
显示上具有更强的综合优势[10]。
4 嵌入式GIS数据采集与导航系统
主要功能
4.1 地图显示和浏览功能
地图显示和浏览是GIS系统的一个基本功能,
完善的图形操作功能如放大、缩小、漫游,地图
显示、根据比例尺动态切换图层的显示状态等,
地图图层的管理,包括调整图层的顺序、图层的
可见、可编辑、可捕捉等属性以及删除图层;属
性查看,GIS的地图数据跟其他一般矢量图的区
别,就在于GIS地图的一般包含属性数据,在本
系统中可以方便查看每个地图对象的属性,并可
以修改某个属性的值[11]。
图3 eSuperMap矢量数据发布及客户端访问
Fig.3 VectordatadistributionofeSuperMapand
terminalaccess
图4 使用eSuperMap浏览SIT压缩影像
Fig.4 SITimagecompresseddisplayofeSuperMap
4.2 数据管理与地图量算
数据的管理在SuperMap系列中,GIS数据的
管理是按照工作空间※数据源※数据集的关系存
储的,在eSuperMap中也是一样。
所以,本系统的
数据管理主要也是对这三种对象的操作,其功能
主要包括:
新建工作空间、保存工作空间;新建
数据源、打开已有数据源、删除数据源;新建数
据集、删除数据集,新建数据源、新建数据集如
图5~6所示,地图量算功能方面,运算包括点、
线、面实体缓冲区分析,距离和面积量算[10]。
图5 主要功能管理界面
Fig.5Managementinterfaceofmainfunction
图6 图层管理功能
Fig.6 Layermanagementfunction
4.3 属性管理与查询功能
在野外数据采集中,常用的操作也就是属性
数据的添加、删除、修改等,针对这种情况,本
系统在该功能上提供工具栏查看属性和菜单调用,
尽量做到方便、快捷,以提高工作的效率[12]。
功
能明细如下:
看对象属性;修改对象属性的值;
属性字段的添加、删除;修改字段名、类型、数
据长度。
方便、多元的查询组合,可以使用户快速地
在复杂的地图窗口中找出所需的数据或地图对象、
对象定位等。
本系统中查询方式有五种:
SQL查
询:
根据属性条件查询实体;范围查询;缓冲区
查询;范围组合查询;缓冲区组合查询(图
7~8)。
通过在图上点击图对象,查询显示属性信
息;根据属性条件查询图上实体目标;根据空间条件
查询图上实体,如某一区域范围内的单位、道路等。
图7 图查属性
Fig.7 MapQueryAttribute
634地球信息科学 2008年
4.4 对象编辑功能与移动目标显示
对象编辑功能,也就是对地图元素的编辑。
地图元素属于几何数据,它跟属性数据一起构成
空间数据的主体,它在整个的GIS数据采集中占
有比较重要的地位。
由于地图对象的编辑对屏幕
分辨率等的要求比较高,所以,在PDA上实现该
功能只能作为一个辅助,主要的地图对象编辑应
该在PC机上进行比较好,但在野外数据采集中,
也会碰到必须使用该功能的情况[13]。
所以,考虑
到系统功能的完整,对这方面还是做了较多的设
计,尽可能地在有限的硬件条件下使用户更好、
更方便地工作。
该部分功能主要包括:
添加点对
象;添加面对象;添加线对象;添加文本对象;
编辑文本对象;删除对象;移动对象;添加节点;
编辑节点;删除节点,图所示节点的对象编辑
(图9)。
同时针对移动运动目标,在状态栏不断给出所
处位置的相关信息,如速度、方向、地图视野范
围、时间,及与GSM、GPRSGPS的连接状态等。
4.5 最佳路径分析与轨迹回放
通过点击屏幕或输入地名,确定起点(或以
当前GPS定位信息为起点)和终点,进行起点到
终点的路径运算,并将所通过的道路高亮显示在
地图上,轨迹显示、存储、历史轨迹回放显示功能
可跟踪时可存储行驶轨迹并可回放显示,并可设
置图形旋转功能,按照司机开车的习惯,可始终保
图9 对象编辑
Fig.9 ObjectEditor
持行驶车方向指向上方,地图随运行方向任意角
度旋转,也可指定任意角度旋转地图。
4.6 GPS数据接收及移动数据终端功能
GPS信号的接收中,通过串口直接接收从GPS
装置得到的信息,或通过无线网等接收中心发送
来的GPS实时信息,快速显示动态目标(GPS点)
的经纬度信息,以确定GPS工作是否正常。
记录
运动轨迹到本地简化的数据库中,移动数据终端的
功能:
可以通过无线传输系统访问和下载存储在远
程监控中心的地图数据[14,15]。
对各种数据可进行查
询提交,从监控中心获取所需要的结果(图10)。
图10 GPS数据点终端接收
Fig.10 GPSDatasetPointTerminalReceiver
6355期陈颖彪等:
嵌入式GIS数据采集与导航系统设计技术与功能
5 结语
在GIS数据采集与导航系统开发中,移动计
算、嵌入式技术及移动接入与访问技术是系统实
现的关键技术,在系统设计中,矢量数据分层组
织方法、空间数据显示比例控制、数据模型及SIT
影像压缩技术是系统实现的技术关键,通过Mi-
crosofteMbeddedC++,结合SuperMap嵌入式GIS
开发工具,对解决上述关键技术的提供了有效解
决方法,通过上述的开发实践,我们认为研发一
套实用、方便,有针对性的工具软件十分重要。
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