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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)。

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。

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。

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。

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。

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]。

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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