（地图学与地理信息系统专业论文）基于arcpad的北京公路维护数据采集系统的设计与实现.pdf

摘要 基于a r c p a d 的北京公路维护数据采集系统设计与实现 摘要 公路作为交通基础设施之一，直接关系到国民经济的发展。近年来，中国公路建 设的迅猛发展，公路管理水平己远远不能适应公路建设发展的需要。将g i s 技术应用 于我国的公路建设和管理中，是推进公路建设现代化信息化的重要手段之一。为了推 进公路管理维护的需要，降低数据采集的成本，提高数据收集的工作效率和公路维护 数据采集的精度。笔者基于a r c p a d a p p l i c a t i o nb r o i d e r 7 0 开发了北京公路维护数据采 集系统。 本文是从理论和技术角度利用北京公路维护数据采集系统，介绍了如何实现基于 a r e p a d 的移动地理信系统在公路数据采集等方面的应用。如何通过开发公路数据采集 系统来实现公路维护数据的快速收集，以便提高公路维护数据采集的效率与精度，提 高数据的发布速度，从而提高公路维护和保养的效率。 该系统能为地理信息系统领域充分应用移动计算技术提供开发经验。软件产品通 过增添模块还能够初步应用于各种基于位置的服务系统，如车载导航、国土资源调查 和公共信息服务等领域。 本文在介绍嵌入式地理信息系统及移动地理信息基础、移动定位和g p s 等技术 的基础上，结合对公路维护业务的分析，使用v b r i p t 和e v c + + 开发了数据采集系 统，实现了路况照相与公路维护数据的采集、修改、传输等一般公路数据采集功能。 关键词：公路维护g p s 接口地理信息系统嵌入式g i s 移动g i s 数据采集 模块 a b s l r a e t a b s t r a c t r o a d ，a so n eo ft h e 恤m s p o r ti n f r a s t r u c t u r e ，d i r e c t l yc a 3 n c c l n st h ed e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m i c s i nr e c e n ty e a r s ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to fr o a de o u s t r u c t i o n ，i nc h i n a h a sm a d et h em a n a g e m e n tl e v e l ，u n a b l et om e e tt h en e e do fd e v e l o p m e n to ft h er o a d a p p l y i n gg i st e c h n i q u et ot h er o a dc o n s t r u c t i o na n dr o a dm a n a g e m e n ti sah i g h - e f f i c i e n t a n di m p o r t a n tf o u n d a t i o nw o r k s ， i t i so ft h ei m p o r t a n tm e a n st op r o m o t et h e m o d e r n i z a t i o na n di n f o r m a t i o no fh i g h w a yc o n s t r u c t i o n i no r d e rt oi m p r o v eh i g h w a ym a i n t e n a n c e 。r e d u c et h ec o s to fd a t a - e o u e c t i o n , i m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo fd a t a - c o l l e c t i o na n dt h ep r e c i s i o no ft h eh i g h w a ym a i n t e n a n c ed a m ， b e i j i n gh i g h w a ym a i n t e n a n c e - d a t ac o l l e c t i o ns y s t e mw a sd e v e l o p e do nt h eb a s i so fa r c p a d a p p l i c a t i o nb u i l d e r 7 f r o mat e c h n i c a la n dt h e o r e t i c a lp e r s p e c t i v e ，t i l i sp a p 盯d e s e d b e dh o wt of u l l y u s e dm o b i l eg i sw h i c hi sb a s e do na r c p a di nh i g h w a yd a t ac o l l e c t i o n ，t h r o u g ht h e d e v e l o p m e n to fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw ec a nr a p i d l ya c h i e v et h ed a t aa b o u t t h eh i g h w a y m a i n t e n a n c e a n di tc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c y ，a c c u r a c ya n di t ss p e e do ft h ed a t a c o l l e c t i o n 、t h e r e f o r e ，i tc a l li m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo f h i g h w a yn j l a i n t c n a n c ea n dr e p a i r s t h es y s t e mc a np r o v i d ed e v e l o p i n ge x p e r i e n c et h a th o wt ou s em o b i l ec o m p u t i n g i n t h eg i sf i e l d ，t h r o u g ht h ea d d i t i o n a lm o d u l e ss o f t w a r ep r o d u c t s ，i tc a na l s ob ea p p l i e dt o t h ei n i t i a ll o c a t i o n - b a s e ds e r v i c e s s u c h 舔v e h i c l en a v i g a t i o n , l a n ds u r v e y sa n dp u b l i c i n f o r m a t i o ns e l “c c sa n do t h e rf i e l d s o nt h eb a s i so ft h ei n t r o d u c t i o n ，t h i sp a p e ri so fg i sa n dm o b i l eg i sf o u n d a t i o n m o b i l ep o s i t i o n i n ga n dg p st e c h n o l o g y , a n da l s oc o m b i n e st h eh i g h w a ym a i n t e n a n c e b u s i n e s s i td e v e l o p sad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mu s i n gv b s e r i p ta n de v c + + t h es y s t e m i m p l e m e n t st h eg e n e r a ld a t aa c q u i s i t i o nf u n c t i o n s ，s u c ha st r a f f i cp h o t o g r a p h y , t h eh i g h w a y d a t aa c q u i s i t i o n , t h ed a t ar e v i s i o n , a n do t h e rh i g h w a yd a t at r a n s m i s s i o n k e y w o r d s ：m a i n t e n a n c eo fh i g h w a y s g p si n t e r f a c e g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m e m b e d d e dg i sm o b i l e g l sd a t ac o l l e c t i o n m o d u l e 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作 及取得的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：塑：毖盏日期：碹 ! z 主 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有 权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校 图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索有权 将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后适用本规 定 学位论文作者签名：矛3 、镌i 易导师签名：名疆隽 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 公路是一个连续的对象，分布在地球的表面，它不仅是空间的实体、网络型的实 体，而且是与地理位置、地理环境密切相关的实体“1 。其在国家经济和人们生活中发 挥着重要作用。它是沟通不同地域之间物流、能量流以及价值流的连接器。公路交通 运营状况是否良好直接影响着经济建设的正常运行。 但是，随着公路交通运输的发展，交通拥挤、道路阻塞、道路破坏严重以及交通 事故频繁发生等问题越来越严重地困扰着世界各大城市。因此，如何对交通进行有效 的管理和维护是公路系统中一个极为重要的问题。 交通管理是指在一定的环境条件下，综合运用行政、经济、法律、技术等方法， 为提高公路利用生态、经济、社会效益，维护在交通运营状况良好，监督公路利用， 而进行的计划、组织、调查、控制等综合性活动。 随着计算机科学与技术的快速发展，2 1 世纪真正步入了数字信息时代。1 9 9 8 年1 月3 1 日，美国前副总统戈尔在“数字地球认识2 1 世纪我们这颗星球”的报告中 提出“数字地球”的概念，绘出了信息时代人类在地球上生存、工作、学习和生活的 时代特征。在“数字地球”的影响带动下，数字化的脚步加快，并随着3 s ( g i s ，r s ，g p s ) 技术的应用。“数字城市”己经成为了国内信息发展的热门，各级政府部门积极投入 到信息化建设进程中。现在地理信息系统已经应用在许多领域和部门之中，例如在国 土资源管理、交通旅游、通信网络、安全保障、水利电力、电子政务等都有广泛的应 用。如今信息化的数字产品与信息系统无所不在，很明显给予了人们极大的便利，丰 富了人们的生活，同时反过来又加快了信息技术本身的应用与发展啪1 。特别是近年来， 在一些组织和研究人员的推动下，以及社会发展需求的情况下，地理信息技术也得到 了蓬勃发展，现在地理信息中出现了形形色色的新技术，如c o m g i s ，w e b g i s 、分布 式g i s ，m o b i i e g i s 、三维g i s 等，使得地理信息系统应用更加广泛。随着计算机技术、 通信网络技术、特别是地理信息系统的发展与广泛应用，给公路管理实施信息化管理 增添了新活力，极大的提高了公路管理部门的工作效率。现在，在中国，国家级范围 内各种公路数据库已基本建成，全国公路现状调查基本完成，公路系统信息化的管理 正处于蓬勃发展的阶段。 第一章绪论 1 2 研究背景 1 9 6 3 年加拿大地理信息系统( c g i s ) 诞生以来，经过多年来的发展，传统的g i s 技术已经成熟。现在，g i s 技术已经广泛应用于城市规划、设施管理、资源勘察、灾 害防护等行业中，其在国民生活中发挥着重要的作用啪。 进入2 0 世纪9 0 年代，伴随着互联网( i n t e r n e t ) 技术的发展，地理信息系统和互 联网的结合产生了网络地理信息系统( w e b g i s ) ，w e b g i s 改变了人们对空间信息的获 取、共享、发布与分析的手段与方式，其是一种在互联网上运行的地理信息系统，也 可以说是一种基于w e b 的地理信息系统。其不仅为全球用户提供分布式地理信息数据， 而且还提供分布式地理信息处理与分析的工具。w e b g i s 利用优越的网络向用户提供超 媒体、交互式、分布式的空间信息，显现出传统g i s 所不具有的优势。随着时代的发 展和技术的更新，基于个人电脑的地理信息系统在很多情况已经不能满足人们的需 求。无论是个人、企业还是行业用户都希望能够在移动中得到信息支持( 特别是地理 信息) ，以有效地进行数据共享与获取。 掌上电脑( p d a ) 等嵌入式设备的出现和发展，为g i s 的发展带来了契机。掌上电 脑的移动性及便携性，为嵌入式g i s 提供了良好的支持。1 。由于世界信息中的8 0 都 是与空间信息有关的，移动用户对空间位置尤其敏感，而移动g i s 服务正是以空间位 置为核心的信息服务，这预示着嵌入式移动技术和以空间位置为核心的信息服务的结 合是g i s 应用发展的必然趋势，并且两者都将在这一结合中找到自己全新的发展空间。 针对这个应用焦点，国内外许多学者就有关移动环境下的地理信息系统进行了许 多相关研究。因而现在基于嵌入式的移动g i s 已成为g i s 研究的重要应用领域之一， 有关掌上电脑的嵌入式g i s 也是国内外研究的热点之一。现在已经可以通过手机或 p d a 等嵌入式设备结合g p s 定位向个人提供随时随地的位置业务，不仅可以知道用户 在哪里，可以随时查询位置附近的属性信息，而且可以利用手机结合嵌入式g i s 来进 行数据采集工作。这种数据采集工作是传统数据采集工作所不能比拟，其工作效率是 传统数据采集工作的几倍，甚至十几倍。因此嵌入式6 i s 可以给人们的日常生活和专 业应用带来极大的方便，而且有着巨大的市场潜力。由于嵌入式g i s 市场巨大，因此 竞争非常激烈，国外的g i s 巨头纷纷投入巨资开发自己的嵌入式g i s 产品，国内也有 近十家企业进行相关产品的开发工作。 在国际g i s 行业，m a p i n f o ，a u t o d e s k ，e s r i 和i n t e r g r a p h 四大公司站在m o b i l e g i s 技术的前沿。 2 第一章绪论 ( 1 ) 美国m a p l n f o 公司推出m a p xm o b i l e m a p xm o b i l e 是为移动用户提供的解决方案。m a p xm o b i l e 可以允许客户把嵌入 的地图数据带到他所在的位置，从而实现移动g i s 。m a p xm o b i l e 可以通过p o c k e tp c 中的g p s 设置来显示坐标，开发者可以在应用程序中使用叠加，缓冲，相交，擦除等 功能来处理点，线，面等对象，返回结果。用户可以利用m a p xm o b i l e 方便地实现地 图的缩放，漫游，选择，测距，图层控制，导航等功能。 ( 2 ) a u t o d e s k 公司提供了a u t o d e s ko n s i t e 的“移动访问”模块嗍 o n s i t e 是专为移动应用开发的，其可以通过j a v as e r v e r l e t 将野外作业队员的 请求传递到中心地图数据库，将返回的定位结果数据目标经过改编以适应小的移动屏 幕，但仍然维持结果的智能性、交互性和与相关属性数据及数据库的连接。 o n s i t e 的客户端包括笔触式用户界面设备，通常是移动掌上设备。o n s i t e 不 是简单传送平面栅格影像，而是传输矢量数据及其相关数据，用户可以查询、拉伸、 修改、标注地图，然后可以与中心数据库同步改变。 ( 3 ) e s r i 提供了a r c g i s 软件产品a r c p a 矿1 a r c g i s 是全套商业解决方案，是可伸缩的，包括：a r c l n f o ，a r c e d i t o r ，a r c v i e w 的高端桌面计算机用户，和使用a r c i m s ，a r c g i s s e r v e r 的w e b g i s 用户。a r c p a d 支持 多种数据接口，如s h p ，b m p ，j p g ，c a d r g 等矢量、栅格地图，不需要转换。a r c p a d 与g p s 集成可支持野外作业人员的无线定位、实时通信和大容量数据库访问，以获得 业务所需信息。 ( 4 ) i n t e r g r a p h 建立自己的移动g i s 解决方案一i n t e l l i w h e r e m i n t e l l i w h e r e 功能着重于无线通信和l b s 的工业应用。i n t e l l i w h e r e 解决方案 体系提供用户实时、基于位置的信息服务以满足设备与数据的独立。这个解决方案具 有开放性、可伸缩性，它与g e o m e d i a 技术相辅相成，特别是g e o m e d i a 的网络企业 ( w e b e n t e r p r i s e ) 产品更是如此，g e o m e d i a 使用无线应用协议( w a p ) 提供地图和基于位 置的信息服务。i n t e l l i w h e r e 允许用户利用移动设备搜索、检索、操作和交互生活信 息，仅像短消息( s m s ) 一样简单。这个产品可以传送和接收与指定地域相关的属性信 息，如当前位置、相关其他位置等。 3 第一章绪论 目前，在国内p d a 产品以及基于p d a 的g i s 技术也发展迅速，一方面是由于硬件 技术的发展和成熟，另一方面是国内的嵌入式软件开发也已起步，逐步形成一些产品。 如： 1 、北京灵图软件技术有限公司推出的在移动信息设备上提供地理信息以及位置 信息服务的s m a r t l n h a n d 软件产品。“。 2 、北京慧图公司也推出一种可运行于掌上电脑、进行移动制图和g i s 应用的野 外地质数据采集系统- t o p m a pc e g e n i u s 。 3 、北京超图开发出地理信息系统开发平台- e s u p e r m a p 嘲。 4 、台湾英瑞得信息公司设计出支持g p s 全球卫星定位系统专用软件“w a l k m a p 地图随身走” 总之，各个行业和社会对移动空间信息的需求促进了嵌入式g i s 的发展。嵌入式 技术与g i s 技术的结合，已经成为2 1 世纪信息产业新的经济增长点。嵌入式地理信 息应用是当前地理信息技术发展的一个热点，可广泛应用于军事、测绘、医疗、汽车 导航等领域瞰1 。 随着经济的发展和公路管理系统信息化的发展，以及现有公路的维护工作的日益 繁重。嵌入式g i s 在公路方面的应用也开始日益频繁。 在应用地理信息系统方面，国外的公路系统已经取得了大约几十年的经验。加拿 大的a l b e r t 省建立了公路养护地理信息系统，使用专用检测车，定期检测路面平整 度和损坏程度等指标，由车载g p s 准确地定位测点，并且利用嵌入式地理信息系统， 测得数据后，立即传输到公路养护地理信息系统，由系统自动生成路段养护报告。美 国、日本、瑞士等国相继研制了本国的公路地理信息系统和公路地理信息采集系统， 应用于公路的日常管理，取得了良好的社会经济效益。 而对于我国来说，很多地方目前成功开发的公路地理信息系统有北京市公路管理 信息系统、四川省公路地理信息系统、陕西省公路地理信息系统、国道主干线管理信 息系统、广深高速公路养护管理信息系统，河南省公路地理信息系统等。但是对于维 护公路和采集数据的嵌入式地理信息系统，还没有得到很好的发展和应用。所以很多 地方公路的维护数据还是通过人工来记录和采集。 4 第一章绪论 1 3 公路数据收集系统的发展方向 目前，i n t e r n e t 的飞速发展，使万维网( w o r l dw i d ew e b 简称w 唧或w e b ) 成为 高效的全球性信息发布渠道。w e b g i s 是i n t e r n e t 技术与g i s 相结合的产物o 】。g i s 通过w w 功能得以扩展，真正成为一种大众使用的工具。使公路地理信息系统得到飞 速发展。但是对于公路维护数据采集，我国家还存在着一定的差距。今后数据采集应 该利用嵌入式地理信息系统为工具，开发公路数据采集系统，并且和公路地理信息发 布系统结合，来提高公路管理和维护的效率和精度。 利用嵌入式地理信息系统采集数据有如下几个优势： 1 、降低了数据采集的成本，提高数据采集的工作效率。 2 、利用g p s 定位，提高了公路数据采集的精度。 3 、利用数据传输协议，提高了数据的更新速度。 4 、提高了数据的专业化处理能力。 总之，随着嵌入式g i s 软硬件平台、移动定位技术、无线通信互联技术等相关技 术以及数据采集需要的不断发展，嵌入式g i s 在公路方面的应用将进一步拓展和完善。 1 4 论文的研究目的、意义和内容 1 4 1 论文研究的目的和意义 本论文的意义在于将移动地理信息系统应用到传统的空间信息服务中，这将革命 性的改变传统的基于位置的服务机制，实现不受任何时间和空间局限的互动，最终根 本性地改变人与数字世界、人与真实世界的交互方式，为任何基于空间的作业系统如 导航、数字战场、野外采样、物流管理、智能交通、旅游、娱乐等提供全新的作业模 式。 本论文从理论和技术角度，来实现嵌入式地理信系统在公路维护数据采集等方面 的应用。通过开发公路维护数据采集系统来实现公路数据的快速采集，以便提高公路 数据采集的效率，精度，提高数据的发布速度，从而提高公路维护和保养的效率。 该系统为在地理信息领域应用移动计算技术提供开发经验。软件产品通过增添模 第一章绪论 块还能够初步应用于各种基于位置的服务系统，如车载导航、国土调查和公共信息服 务等领域。 1 4 2 论文研究内容 本文以“北京市公路维护数据采集系统”为例，从公路交通维护对空间信息的采 集方面来探讨嵌入式g i s 在公路交通行业中的应用，对嵌入式地理信息系统的理论和 方法进行了比较全面的研究。本文在对嵌入式地理信息系统及相关的x m l 、扩展模块 技术和g p s 技术的介绍的基础上，结合对公路维护的业务的分析，使用v b s c r i p t 和 e v c + + 开发了公路维护数据采集系统，实现了路况取照、数据采集、数据传输、数据 下载、系统初始化等功能。 本文主要研究了以下几个方面的问题： 1 、使用v b s c r i p t 技术以及a r c p a da p p l i c a t i o nb u i l d e r 7 0 如何开发维护数 据采集模块、数据传输、数据下载等模块。 2 、如何利用e v c + + 来开发a r c p a d 扩展，来实现路况取照，并集成于a r c p a d 事 件中。 3 、如何开发数据传输模块并保证数据传输的稳定性。 4 、如何利用a r c p a da p p l i c a t i o nb u i l d e r 7 0 来开发系统以及如何利用a r c x m l 来定制系统，实现图形化晃面开发和a r c x m l 语言定制的结合。 6 第二章相关技术综述 第二章相关技术综述 移动地理信息系统涉及了很多技术，本章对一些相关技术做了概述。 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统是以嵌入式计算机为技术核心，软硬件可裁减的，适用于对功能、可 靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。1 。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及特定的应 用程序等四部分组成，是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”：用于实现对其它 设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统应具有以下特点：要求高可靠性：在恶劣的环境或突然断电的情况下， 要求系统仍然能够正常工作：许多嵌入式应用要求实时处理能力，这就要求嵌入式操 作系统( e o s ) 具有实时处理能力：嵌入式系统中的软件代码要求高质量、高可靠性，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。 2 1 1 嵌入式处理器 从硬件方面来讲，嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器“。嵌入 式计算机可以分成下面几类：嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) n 1 1 。 1 、嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的c p u ，在应用中，一般是 将微处理器装配在专门设计的电路板上，在母板上只保留和嵌入式相关的功能即可， 这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。目前的嵌入式处理器主要包 括：p o w e r p c ，m o t o r o l a6 8 0 0 0 ，a r m 系列等等。 2 、嵌入式微控制器又称为单片机，它将c p u 、存储器( 少量的r a m ，r o m 或两者都 有) 和其它外设封装在同一片集成电路里。常见的有8 0 5 1 0 。 3 、嵌入式d s p 专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算提高编译效率和执 行速度。在数字滤波、f f t 、谱分析、图像处理的分析等领域，d s p 正在大量进入嵌入 式市场。 7 第二章相关技术综述 2 1 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 种类有一百种以上，代表性的产 品有以下几种： 1 w i n d o w sc e w i n d o w sc e 是一种紧凑、高效、可伸缩的操作系统。主要面向各种嵌入式系统和 产品。它具有多线程、多任务、完全抢点式的特点，是专门为各种有很严格资源限制 的硬件系统设计的n 2 1 。它的模块化设计使嵌入式系统和应用开发者能够方便地定制以 适应一系列不同的产品。w i n d o w sc e 操作系统包括以下主要模块： ( 1 ) 内核模块，支持进程和线程处理及内存管理等基本服务。 ( 2 ) 内核系统接口模块，允许应用软件访问操作系统。 ( 3 ) 文件系统模块，支持持久稳固的信息存储。 ( 4 ) 图形窗口和事件子系统模块，控制图形和w i n d o w s 相关的图形用户界面； ( 5 ) 通信模块，允许同其他设备进行信息交换。 w i n d o w sc e 支持多种外设和网络系统，包括键盘、鼠标、触摸屏、串行口、以 太网卡、调制解调器、u s b 设备、单频设备、并行口、打印机和存储设备“”。w i n d o w s c e 支持超过1 0 0 0 个常用的m i c r o s o f tw i n 3 2a p i 和一些附加的编程接口，可用于开 发应用程序。这些接口包括c o m 、m f c 、a t l 等。此外，w i n d o w sc e 支持用于管理时间 关键任务响应的实时处理；各种串行通信和网络通信技术，包括支持u s b ；为w i n d o w s c e 用户提供w e b 服务的移动频道；用于进程间通信的a u t o m a t i o n 和其他方法；还支 持管理可安装设备等可选组件。 对于w i n d o w sc e 而言，原始设备制造商( o e m ) 能开发硬件适配层o a l ( o e m a d a p t a t i o nl a y e r ) ，其他开发者可以开发内部驱动程序、可安装驱动程序及运行在 嵌入式设备上的应用程序。独立软件提供商i s v ( i n d e p e n d e n ts o f t w a r ev e n d o r ) 能独 立于硬件平台开发应用软件，其是： ( 1 ) 3 2 位多线程、多任务、完全抑占式的操作系统。 ( 2 ) 强大的图像显示功能支持，用户能定制完全自己风格的操作界面。 ( 3 ) 支持大部分w i n 3 2a p i ，使得基于其他w i n d o w s 的应用程序地方便的移植到 8 第二章相关技术综述 题。 w i n d o w sc e 上。 ( 4 ) 体积小，并能够从r o m 直接启动，无需硬盘，不存在系统崩溃和病毒感染问 w i n d o w sc e 是为便携式电脑设计的新型平台。它提供w i n d o w s 操作系统的坚实子 集。同时，微软公司为w i n d o w sc e 的开发提供了一套完整且功能强大的系列工具， 从硬件调试到软件开发都为用户提供了方便。 2 嵌入式l i n u x 这是嵌入式操作系统的一个新成员，其最大的特点是开放源代码并且遵循g p l 协议，在近一年多以来成为研究热点，嵌入式l i n u x 和普通l i n u x 并无本质区别，p c 上用到的硬件嵌入式l i n u x 几乎都支持。而且各种硬件的驱动程序源代码都可以得到， 为用户编写自己专有硬件的驱动程序带来很大方便“”。 2 1 3 嵌入式系统的特点 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用，嵌入式c p u 与通用型的最大不同就是嵌入式 c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度 高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌 入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，和网络的耦合也越来越紧密。 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与各个行业的具体 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、资金密集、高度分散、 不断创新的知识集成系统。 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在 同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞 争力。 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步 进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 5 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯 片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 9 第二章相关技术综述 6 ) 嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对 其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发1 2 6 】。 2 2 移动定位技术以及无线通信技术 目前，移动定位技术主要有两种方式：一种是g p s 定位方式，一种是g s m 定位方式。 2 2 1g p s 定位方式 g p s 系统包括三大部分：空间部分g p s 卫星星座：地面控制部分一地面监控系统 用户设备部分g p s 信号接收机“”。 g p s 系统的空间部分由2 1 颗卫星组成，均匀分布在6 个轨道面上，地面高度为 2 0 0 0 0 余公里，轨道倾角为5 5 度，扁心率约为0 ，周期约为1 2 小时，卫星向地面发 射两个波段的载波信号，载波信号频率分别为1 5 7 5 4 4 2 兆赫兹( l 1 波段) 和1 2 2 7 6 兆赫兹( l 2 波段) 。卫星上安装了精度很高的原子钟，以确保频率的稳定性，在载波 上调制有表示卫星位置的广播星历，用于测距的c a 码和p 码，以及其它系统信息， 能在全球范围内，向任意多用户提供高精度的、全天候的、连续的、实时的三维测速、 三维定位和授时。g p s 系统的控制部分由设在美国本土上的5 个监控站组成，这些站 不间断地对g p s 卫星进行观测，并将计算和预报的信息由注入站对卫星信息更新。 g p s 的基本工作原理是通过g p s 接收机接收g p s 卫星发射的导航电文，获得必要 的导航信息及观测量，再经数据处理，从而完成导航和定位工作。按照用户接收机在 作业中所处的状态，定位方法可以分为静态定位和动态定位。静态定位是在定位过程 中，接收机的位置是固定的，处于静止状态。反之，动态定位即在定位过程中接收机 天线处于运动状态”1 。考虑到空间数据采集的作业效率和作业环境，动态定位是最适 合的作业方式。动态定位包括三种方式：( 1 ) 单机定位：单机定位对g p s 接收机要求较 低，操作简单，但定位精度较低，适用于对精度要求不高的国土资源调查等。( 2 ) 事 后差分：事后差分作业时要求至少有一个坐标已知的基准站，一个或多个流动站进行 数据采集。这种方式的优点是对接收机的要求不高，精度能满足1 ：5 万乃至1 ：2 5 万地图比例尺的要求。其缺点是野外作业时需要设置基准站，结果的实时性差。适用 于对精度有一定要求，实时性要求不是很高的应用。( 3 ) 实时差分( r t d ) 与实时动态 ( r t k ) ：两者对接收机的要求相对较高。r t d 的精度与事后差分的精度相当，r t k 的精 度可达到厘米级。两者在作业时都需要基准站，其最大优点在于实时性，可以在野外 得到定位结果乃至成图r t d r t k 适用于实时性要求较高或工期要求较紧的应用嘲1 。 1 0 第二章相关技术综述 2 2 2 g s m 定位方式 利用手机进行g s m 定位的方式有多种。如c e l li d 、c e l li d + t a 、e - o t d 、及a - g p s 技术等，也有的手机采用c g i + t a 定位技术( 基站蜂窝扇区定位方法之一) 。其中， c e l l _ i d 定位技术是目前在无线网络中应用最广泛的定位技术。这种技术不需要对手 机或网络做较大的改动，因此能够在现有手机的基础上构造位置查找系统。它通过采 集移动平台所处的小区识别号( c e l l _ i d 号) 来确定用户的位置。只要系统能够采集 到移动平台所在小区基站在地图上的地理位置，以及小区的覆盖半径，则当移动平台 在所处小区注册后系统就会知道移动平台处于哪- - d 区。这种技术的定位精度取决于 所在小区的半径，如在北京市区，基站密度较高，其定位精度可达到2 0 0 m 左右；而 在郊区，基站密度较低，其定位精度只能达至卜2 k m 。这种技术实现简单，投入成本 小，只需分别现有网络或手机作适当的改动( 改动不大) ，就可实现定位功能【1 6 】。 2 2 3g p s 与g s m 定位技术对比以及两者结合的混合定位 利用g p s 接收机定位，可直接获取位置的经纬度坐标且精度较高，定位刷新速度 快，每秒都可获得数据。但也存在问题，如定位需四颗以上的卫星，g p s 天线不能遮 挡。而在城市区间及建筑物内很难满足或根本不能满足g p s 信号接收的基本要求，难 以实现定位。 g s i 定位精度比g p s 定位精度低，不能实时产生位置信息，需g s m 网络的支持 等。但其采用g s m 蜂窝小区技术，不存在遮挡或信号隔离问题，这样只要手机有信号 的地方都能进行定位。由于g p s 与g s m 各有优缺点，从而产生g p s 与g s m 相结合 的定位方法。这又有多种实现技术，如成都网景公司采用的g p s 定位方法，其基本思 想是通过在卫星信号接收效果较好的位置上设置若干参考g p s 接收机，并利用g s m 网把接收到的辅助g p s 信号发给手机，同时配有g p s 计算晶片的手机根据g s m 网传 来的g p s 定位数据计算手机位置。这种方法将g p s 与g s m 网结合，实现一种精度 高、定位快速的方式辅助g p s 定位。a - g p s 方案可以提供最高的定位精度，定 位精度在1 0 米以内。另一种如思奇特公司采用的g p s 与g s m 相结合的定位方法为 g p s n g s m 终端正常情况下工作在g p s 定位方式，终端内部具备监测g p s 定位状态的 处理机制，并对其进行分析，确定是否能够定位。在确认不能定位的情况下，系统自 动转入g s m 定位方式，通过g s m 网络确定终端的位置“”。 2 2 4 无线通信技术 无线通信技术在各行业各领域的应用越来越广泛。无线通信技术给人们带来的影 第二章相关技术综述 响是无可争议的，目前国内的移动用户已突破3 亿，已深深的影响了人们的生活方式。 无线通信术，可谓推陈出新。广大的用户需求浪潮把无线产业强劲的推向新的高度， 移动通信业正经历着从2 g 向3 g 、4 g 发展的大潮。现在简单介绍几种无线通信技术。 1 、8 0 2 1 l b 无线网 由于无线网络的风行，越来越多人在笔记本电脑上使用p c m c i a 界面的无线网络 卡上网。同样的，如果p d a 具有p c m c i a 的扩充能力( 内建或透过背匣) ，也就具有无 线上网的能力。但是p c m c i a 不太适合掌上型的装置，所以8 0 2 1l b 的c f 卡也就出 现在市面上。不过，无线网络卡需要在有基地台( a c c e s sp o i n t ) 的环境下才能发挥作 用，因此通常在特定的场合才能利用无线网络卡上网，例如：办公室、机场、咖啡馆 等。 2 、g s m g p r s c d m am o d e m 由于无线网络卡必须在特定的地点或场所才能透过基地台上网，因此消费者对于 透过手机模组上网的方式也就多了一份期待。只要p d a 具有手机模组功能，除了可以 将p d a 当作手机使用之外，还可以通过该模组在能接收到手机讯号的地方上网，扩大 了无线上网的范围。 3 、蓝牙 蓝牙是一种替代技术，可以在3 尺以内使用无线电波传送数据。蓝牙的数据传输 可以穿透墙壁、口袋和公文包。当然，要在近距离( 一米以内) 连接设备，用户也可以 创建红外连接“”由于蓝牙模组的体积越来越小，因此p d a 内建蓝牙模组的机种在未 来也越来越多。透过具有蓝牙功能的手机，再加上g s m 或g p r s 的服务，p d a 就能轻易 的连上网络。因为蓝牙并没有方向性，因此即使手机放在包里或口袋里，只要在合理 的收讯范围内，p d a 和手机都可以维持连线的状态。 “蓝牙”技术的实质内容是指通用型无线信号传输接口及其操控软件的公开标 准。它诞生的目的是要将通信和计算机技术进一步整合，其终极理想是使不同厂家生 产的便携式硬件能够在无线连接的情况h ，在近距范围具有交互信息和交叉操作的可 能性。 4 、红外线 第二章相关技术综述 因为红外线是大部分的p d a 都具备的基本功能，因此透过具有红外线功能的手机， 再加上g s m 或g p r s 的服务，p d a 就能连上网络。这是最简单但也是最不方便的无线上 网方式，因为红外线是具有方向性。也就是说，使用者必须将手机及p d a 以一定的角 度摆放在一起，如此让无线上网的方式变的有点绑手绑脚。 很明显的，手持式的行动装置及无线通讯产品两者的结合将是未来市场的趋势。 未来的p d a 也将朝着无线通讯的方向发展。 2 3 嵌入式地理信息系统( e m b e d d e dg i s ) 2 3 1 嵌入式地理信息系统的概念 地理信息系统与嵌入式技术的结合形成了嵌入式地理信息系统。嵌入式g i s 就是 在嵌入式设备上运行的g i s ，是系统设计与开发层次上的应用，是一个软硬件结合的 系统。它与一般的g i s 不同，由于它是运行在资源紧缺的嵌入式设备上，因此嵌入式 g i s 应用程序必须考虑如何合理利用资源，尽量减少资源的消耗，包括c p u 运算量、 内存和外存的消耗，尽可能地提高效率哺1 。嵌入式g i s 主要特点是“可裁剪”性，包 括数据格式的裁剪、功能裁剪和数据裁剪。不同的用户对兴趣点的要求不同，裁剪可 顾及兴趣点内容的精确性、完整性，不同的应用级别，嵌入式g i s 的功能也有所不同。 也就是说，嵌入式地理信息系统( e m b e d d e dg i s ) 是运行在p d a 掌上电脑、手机、 机顶盒等嵌入式设备上的g i s ，是g i s 与新兴嵌入式硬件相结合的一个产物，是集成 g i s 功能的嵌入式系统产品，是原有的g i s 领域的分支与延伸、补充与发展，是系统 设计与开发层次上的应用，是一个软硬件混合的系统，它是导航、定位、地图查询和 空间数据管理的一种理想解决方案。 2 3 2 嵌入式g i s 的特点 嵌入式g i s 主要特点是“可裁剪”性，包括数据格式的剪裁、功能剪裁和数据剪 裁。不同的用户对兴趣点的要求不同，裁剪可顾及兴趣点内容的精确性、完整性。如 个人移动导航系统所用的数字地图就可以很简单，数据内容只需要道路、地标、水体 和分界线信息即可，不需要其它诸如植被、等高线等层次，也不必包含拓扑信息。功 能上只要求浏览、卫星定位和简单的查询，不必要g i s 中复杂的空间分析功能。数据 内容也要作剪裁，道路和地标信息要求详细，其它信息都做一定的简化，这样可以节 省容量和提高速度。剪裁的工作在“移动地图集成工具”环境中完成，包括地图数据 格式转换和预处理。 第二章相关技术综述 2 4 移动地理信息系统 国际g i s 界将基于移动智能终端平台的g i s + g p s + 无线互联网一体化的研究称为 “移动g i s 。( m o b i l eg i s ) 。 事实上，移动g i s 也就是面向移动计算环境的g i s 系统，移动g i s ( m o b i l e g i s ，m g i s ) 是建立在移动计算环境、有限处理能力的移动终端条件下，提供移动中的、 分布式的、随机性的移动地理信息服务的g i s 。它使g i s 呈现由室内工作站和桌面