1、移动地理信息系统关键技术研究摘要：本文深入研究了移动地理信息系统的嵌入系统、分布式地理信息系统、GPS 定位及 MapXMobile 等关键技术，具有较强的系统性和科学性，供借鉴参考。 关键词：移动地理信息系统；嵌入式系统；GIS；GPS 中图分类号：C922 文献标识码：A 文章编号： 地理信息系统学科是一门结合地理信息科学和计算机科学的交叉型学科。近年来随着社会需求的不断增加，该学科发展迅速，在我们生产生活的各个方面都发挥了巨大的作用。地理信息系统(GIS Geographic Information System)结合计算机、信息科学和地理科学的最新成就，在计算机软件和硬件快速发展的支持
2、下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理、综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供规划、管理、决策和研究所需的信息。本文主要研究移动地理信息系统中的硬件系统和开发环境，内容包括：嵌入式硬件终端、嵌入式操作系统、系统构架和移动 GIS 开发平台。 1 嵌入式系统 1.1 嵌入式系统的定义 根据 IEEE(国际电机工程师协会)的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置” 。该定义主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。 目前国内一个被普遍认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能
3、、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 这个定义上，可从几方面来理解嵌入式系统： (1)嵌入式系统是和具体的应用紧密结合的，根据具体的应用选择不同的嵌入式系统组合，以达到最佳的应用效果，把系统各个部分的作用发挥到最大限度。这一点正是嵌入式系统的意义所在。 (2)嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以，一个嵌入式系统如果要在激烈的竞争中立于不败之地，必须有一个正确的定位。比如着重发展图形界面和多任务管理或是高实时性和高可靠性等独有的特征。 (3)嵌入式系统必须
4、根据应用需求对软硬件进行裁剪，提供满足应用系统的所需要的独特的应用环境。如果能建立相对通用的软硬件基础平台，然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。但是由于需求的多样性，满足所有应用的平台是不存在的，目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有很小的微内核，大部分功能需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减，但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利的进行。这就大大的提高了平台的适应性和开发的效率。 嵌入式系统应具有的特点是：高可靠性；在恶劣的环境或突然断电的情况下，系统仍然能够正常工作；许多嵌入式应用要求实时性，这就要求嵌入式操作系统具有实时处理能力；嵌入式系统和具体应用有机地
5、结合在一起，它的更新换代也是与具体产品同步进行的；嵌入式系统中的软件代码要求高质量、高可靠性，比较核心的代码一般都固化在只读存储器中或闪存中，也就是说软件要求固态化存储，而不是存储在磁盘等载体中。 1.2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统 EOS(Embedded Operating System)是一种用途广泛的系统软件，负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度操作，控制、协调并发活动；它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。随着 Internet 技术的发展、信息家电的普及应用及 EOS 的微型化和专业化，EOS 开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展
6、。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 目前市场上最常见的嵌入式操作系统有 Microsoft 公司的 WindowSCE、3Com 公司下属子公司的 PalmOS、开放源代码的 Linux 嵌入式系统三种。 2 分布式地理信息系统 到目前为止比较常用的 GIS 解决方案是将所需的各部分集中在一起，例如用户的桌面系统，仍然是利用 GIS 解决实际问题的主要有效方法。但是随着人们需求的变化，用户要求更灵活的使用 GIS 处理遇到的多种问题，随着网络和硬件设备的快速发展，分布式 GIS 应运而生，可以很好的满足用户的需求。 2.1 分
7、布式 GIS 的特点 分布式 GIS 有四个重要位置： (1)用户位置和界面，在这个界面上，用户可以得到并使用由 GIS 产生的信息用 U 表示。 (2)用户访问的数据的位置，用 D 表示。按传统的方法，数据先要传到用户的计算机上，然后才能被使用，但是，通过分布式 GIS，用户可以直接从远端数据库和存储设备中访问数据。 (3)存储数据的位置，用 P 表示。 (4)GIS 项目关注区域位置或者目标的位置，用 S 表示。所有的 GIS项目都要对区域进行研究，需要获取研究区域的数据，并利用 GIS 处理这些数据。 在传统的 GIS 中，U、D、P 三个位置是相同的，因为数据及其处理过程都是在用户桌面
8、上完成的。对象可能位于世界上的任何位置，这主要取决于具体的项目。但是分布式 GIS 中 D 和 P 并不需要和 U 相同，并且用户可能位于对象区域 S 内，能够现场观测目标对象。 分布式 GIS 的关键是互操作标准和规范，它包括：对 GIS 数据库中各原型要素(点、线、面等)的相关术语标准化；用于处理地理要素，并使地理数据具有开放式交互格式的地理标识语言，它是 XML 的一种；并使用户从远程自动获取数据的网络服务规范。 2.2 分布式 GIS 的体系结构 分布式 GIS 客户端通过 TCP/IP 连接可将数据从服务器下载到客户端，完成地图的编辑、导航、查询等处理。客户端具体实现这种体系结构时可
9、以采用不同的实现策略。客户端主要有胖客户和瘦客户两种类型。 3 GPS 定位 GPS 是英文 Global Positioning System(全球定位系统)的简称。全球定位系统是一种结合卫星及通讯发展的技术，利用导航卫星进行测时和测距。全球卫星定位系统(简称 GPS)是美国从本世纪 70 年代开始研制，历时 20 余年，耗资 200 亿美元，于 1994 年全面建成。具有海陆空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经过近十年我国测绘等部门的使用表明，全球卫星定位系统以全天候、高精度、自动化、高效益等特点，成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影、运载工具导航和管制、地壳运
10、动测量、工程变形测量、资源勘察、地球动力学等多种学科，取得了好的经济效益和社会效益。 3.1GPS 系统组成 GPS 系统包括三大部分：空间部分GPS 卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS 信号接收机。 (1)GPS 工作卫星及其星座 由 21 颗工作卫星和 3 颗在轨备用卫星组成 GPS 卫星星座。24 颗卫星均匀分布在 6 个轨道平面内，轨道倾角为 55 度，各个轨道平面间相距 60度。每个轨道平面内各颗卫星间的升交角距相差 90 度，一个轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前 30 度。在用 GPS 信号导航定位时，为了了解观测站的三维坐标，必须观测 4 颗
11、 GPS 卫星，称为定位星座。这 4 颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段称为“间隙段” 。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。 GPS 卫星的核心部件是高精度的时钟、导航电文存储器、双频发射和接收机以及微处理器。而对于 GPS 定位成功的关键在于高稳定的频率标准。这种高频率标准由高精度的时钟提供。时钟由地面站校验，其钟差、钟速连同其它信息由地面站注入卫星后，再转发给用户设备。 (2)地面监控系统 对于导航定位来说，GPS 卫星是一动态己知点。卫星的位置是依据卫星发
12、射的星历描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗 GPS 卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否工作正常，以及卫星是否一直沿着预定的轨道运行，都要由地面设备进行检测和控制。地面系统的另一个重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准GPS 系统时间。 (3)GPS 信号接收机 GPS 信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截至角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的 GPS 信号进行交换、放大和处理，以便测量出 GPS 信号从卫星到接收机的传播时间，解译出 GPS 卫星所发出的导航电文，实时的计算出测量站的三维位置。 3.2 坐标系统 在卫星定位中，需
13、要研究建立卫星在其轨道上运动的坐标系，并寻求卫星运动的坐标系与地面点所在的坐标系间的转换。卫星定位中常采用空间直角坐标系及其相应的大地坐标系，一般取地球质心为坐标系的原点。根据坐标轴指向的不同，有两类坐标系，天球坐标系和地球坐标系。地球坐标系随同地球自转，可看作是固定在地球上的坐标系，便于描述地面观测站的空间位置；天球坐标系与地球自转无关，便于描述人造地球卫星的位置。 4 MapXMobile MapXMobile 是专门为开发移动地理信息系统而设计的一种工具，它提供了简单高效的方法，将地图绘制功能嵌入到手持设备中。 MapXMobile 是一组动态链接库(DLL)，通过使用嵌入式 VB 或
14、VC 一开发环境，它能够迅速地与用户程序相结合。例如，MapPXMobile 向应用程序添加强大的地图绘制功能，可以将数据显示为点、饼状图或柱状图；通过使用特定的半径、矩形或特定点的属性来组织数据、执行搜索或选择地图图元，以充分发挥其空间分析功能。 4.1 MapXMobile 的主要功能 MapXMobile 的主要功能包括： (l)使用 MapXMobile 控件。 地理数据将以直观的形式表达给用户，通过创建或编辑地图图元，在地图上显示分析结果。 (2)绘制专题地图。 专题地图是用来分析和表现数据的很有用的方法，它将数据与地图上的每个图元相关联，然后使用颜色编码(或其它样式)来展示数据。通
15、过专题地图的绘制，可以使用颜色编码、点的密度、单独值、分级符号、饼状图或柱状图来表现地理信息数据。 (3)逐层细化地图制作。 通过简单的点击即可查看详细数据。 (4)数据绑定。 地图和属性数据可以来自在其中嵌入了 MapXMobile 的容器，MapXMobile 还提供了来自各种 ODBC 数据源或 DAO 数据源(例如 MS Access)的数据，以及若干不同类型的数据源的绑定。 (5)注释。 提供标注，以突出显示特定数据，并通过添加文本、符号和标签来使地图便于查询和理解。 (6)图层化绘制地图。 通过显示和控制地图图层，用户可以自由地设置图层的显示范围，使其只在地图的预设级别内显示，还可
16、以使用和创建无缝的地图图层以及动态图层、用户图层等。 4.2 数据组织形式 MapXMobile 将其所有基础信息都以 MapInfo 表(Table)的形式组织起来。每张表都是一组 MapInfo 文件，用来在地图上创建一个图层。 所有的 MapInfo 表都包含一下文件： .tab：描述 MapInfo 表的结构，是主要体现数据文件格式的文本文件。 .dat：(.mdb、.aid 或.dbf)描述表格数据。 .map：描述图形对象(如果该表没有任何地图对象，则该文件将不存在)。 .id：将数据与对象相链接，交叉引用(如果该表没有任何地图对象，则该文件将不存在)。 .ind：索引文件。通过索
17、引文件，可以使用 Find 对象搜索地图元素。GeoSet 是由同一地理区域标准 MapInfo 格式地图文件 (.tab)组成的数据集，因袭命名为 GeoSet。GeoSet 可以避免在每次使用地图处理多个图层时，分别打开和显示这些图层所造成的时间消耗。GeoSet 的扩展名为.gst，.gst 是包含有若干元数据关键字的文本文件，决定 MapXMobile显示哪些表以及如何显示。 在打开一个 GeoSet 时，将自动以默认方式显示并打开在该 GeoSet中包含的所有文件，并返回所有的地图图层和设置。开发人员可以更改该默认显示设置以满足自身的要求。GeoSet 的设置包括投影方式、自动标注、缩放图层以及在打开表时的可见性。 参考文献： 1余明，艾廷华.地理信息系统导论M.北京:清华人学出版社，2009 2李斌兵.移动地理信息系统开发技术M.西安:西安电子科技大学出版社，2009. 3建设部发布.全球定位系统城市 GPS 测量规范 (JJS73-97).北京:中国计量出版社，1998
