嵌入式GIS数据采集与导航系统设计技术与功能陈颖彪.docx

1、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+技术进行了嵌入式数据采集与导航系统的设计开发。文章首先对嵌入式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,重点分析了及技术体系,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,对主要开发接口进行了分

2、析描述。另结合+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数据接收及移动数据终端处理等功能。在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、数据模型及影像压缩技术是系统实现的技术关键。通过-+结合嵌入式开发工具,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

3、义和理论参考价值。关键词:嵌入式;数据采集;导航系统;嵌入式+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接收器(或其他定位系统)、电子地图、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

4、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,是传统数据采集和空间数据建库过程。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

5、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。在的几何数据采集中,如果几何数据已存在于其他的或专题数据库中,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,通常与无关,属性数据在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

6、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

7、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的应用迅速普及,消费电子、计算机、通信(3)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

8、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之外,但随着的发展以及-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。根据无线承载网络的不同,移动接入技术

9、可分为两类:一类是移动通信网技术,如2,2.5,3等;另一类是无线局域网()技术,如移动。目前的移动服务,多采用第一类移动接入技术(2/2.5),提供的服务也主要受制于其低带宽(2的传输速率为9.6,2.5的为40)。即将到来的3时代,移动终端以车速移动时,传输速率为144,室外静止或步行时速率为384,而室内则高达2。对于第二类移动接入技术,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,约束移动服务的“瓶颈”将会被逐渐解决。移动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(,)类似/,以标记语言和脚本语言处理网页。基于移动中广泛应用的标准(如,/,等

10、),提供一个对空中接口和无线设备独立的移动全面解决方案。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-,等嵌入式操作系统。广泛地支持2,3等移动网络。随着移动通信和网络技术的发展以及协议的不断完善,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(,)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。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。(-)的出现,将短信的内容扩展到多媒体信息。是按照3和有关多媒体信息的标准开发的新业务。

11、在移动通信网络(2.5/3)的支持下,以为载体可以传送视频、图片、声音和文字等。3基于嵌入式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,是开发嵌入式应用、前端产品和位置服务()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软件开发平台,其可以全面满足各类嵌入式应用的需要,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应用系统,如电子地图、车载导航产品、机顶盒

12、电子地图等。与国内外同类嵌入式电子地图类产品相比,是当前市场第一款真正意义的嵌入式开发平台。目前市场上的嵌入式产品主要为嵌入式应用,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-在提供强大功能同时,给予了用户开发自己专用嵌入式系统的方便。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及技术体系分析使用4的编程,采用静态链接的方式,系统结构以类为单位组织,主要分为数据引擎、地图显示、路径分析、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):在中,是类库中一个核心的类,负责工作空间的打开、创建、保存、

13、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):地图窗口管理器,与用户的交互都是通过它来实现。(3):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。目前支持两种数据源:2和,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):数据集基类,是矢量数据集-、栅格数据集和链接数据集的父类。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):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

14、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):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,它可以由和得到。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):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

15、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11万15万、125万、1100万和1400万。其中11万和15万数字地图是存储城市数据,125万是存储省(区)数据,1100万和1400万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

16、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,专门为其设计出两种数据存储格式,即2和()。2文件是()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;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影像压缩技术(),是超图公司在5.0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

17、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,压缩算法具有压缩比较高、解压缩速度特别快的特点,采用了在原来标准的压缩算法的基础上,改进的压缩算法,使得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,算法集成了该技术,与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

18、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,的地图数据跟其他一般矢量图的区别,就在于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矢量数据发布及客户端访问.3图4使用浏览压缩影像.44.2数据管理与地图量算数据的管理在系列中,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56所示,地图

19、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.5图6图层管理功能.64.3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: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78

20、)。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.7634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

21、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、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.9持

22、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数据接收及移动数据终端功能信号的接收中,通过串口直接接收从装置得到的信息,或通过无线网等接收中心发送来的实时信息,快速显示动态目标(点)的经纬度信息,以确定工作是否正常。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数据点终端接收.106355期陈颖彪等:嵌入式数据采集与导航系统设计技术与功能5结语在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

23、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、数据模型及影像压缩技术是系统实现的技术关键,通过-+,结合嵌入式开发工具,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。参考文献1汪永红,解云虹.车辆导航系统实现中的关键技术.测绘科学技术学报,2007,24(12):3740.2陈颖彪,谢宏宇,张喜辉.基于异构跨平台技术的软件原型设计与开发.测绘通报,2007,53(6):2327.3屈晓晖,庄大方.无线通信技术在预警领域中的应用模式.地球信息科学,2007,9(3):2833.4王方雄,吴边等.移

24、动的体系结构与关键技术.测绘与空间地理信息,2007,30(6):1218.2陈飞翔,谢忠,周治武.嵌入式的研究与开发.计算机与现代化,2003,(3):3438.3翟战强,蔡少华.基于掌上电脑的车载自导航系统研究与实现,测绘通报,2003,48(11):3742.4李超岭,邱丽华.野外资源信息数字化采集技术研究.福州大学学报(自然科学版),2001,29(8):4247.5张强,王仁礼,陈天泽.基于平台的嵌入式开发与应用.测绘学院学报,2003, (6):3542.6张时煌,方裕.微型嵌入式软件平台的重要意义及发展动态.中国图象图形学报,2001,6(9):1218.7郭晓东,陈定君,刘积仁

25、等.基于模拟的嵌入式系统开发环境.东北大学学报(自然科学版),1999,20(3):2834.8杨海军,邵全琴.空间分析技术在地理数据处理中的应用研究.地球信息科学,2007,9(5):7075.9胡泽明,岳春生等.嵌入式多比例尺地图数据混合组织模型设计.信息工程大学学报,2007,8(4):493496.10刘石锦,陈颖彪.基于组件的广东省农用地分等定汇总管理系统设计与实现.广州大学学报,2007,6(4):6470.11陈颖彪,千庆兰,陈健飞.基于技术的城市3维景观动态仿真技术研究.中国图象图形学报,2008,13(1):176183.12胡春霞,徐寿成.基于移动终端的空间数据库快速更新技术研究.测绘通报,2006,52(8):2127.13张书亮,吴宇等.网络及其内容体系和应用分析.地球信息科学,2007,9(2):4348.14沈永增,姚俊杰等.基于嵌入式电子地图的导航最优路径规划.浙江工业大学学报,2008,36(2):181185.15郭小龙.基于的嵌入式移动系统应用研究与开发.地理空间信息,2007,5(4):1923.