（大地测量学与测量工程专业论文）基于林业系统的嵌入式GIS的研发.pdf

论文题目：基于林业系统的嵌入式g i s 的研发 专业：大地测量学与测量工程 硕士生：邱金清( 签名) 指导教师：陈晓宁( 签名) 摘要 嵌入式地理信息系统以其独特的技术、优良的品质、成功的工程应用，被称为“地 理信息系统行业中的新的里程碑”。它的一系列新产品将传统的纸制化数据采集及成图 转向成数字化采集及成图，实现了方便快速获取野外数据及存储海量数据的革命性飞 跃，正在引领地理信息系统领域领导性的技术潮流。我国是一个少森林国家，森林资源 对国家经济发展具有重要意义，但森林资源调查方法比较落后，如何探索和研究出适用 在森林资源调查领域的嵌入式地理信息系统，成为当前的热点问题。 本文阐述了国内森林资源调查的普遍特点，论述了森林资源调查的普遍需求，详细 阐述了基于林业系统的嵌入式地理信息系统的组成，阐述了系统数据采集模块的设计原 理及方法；分析了森林资源野调查的数据格式及特点，提出了如何存储海量数据的方法， 研究了数据库访问技术，利用a d o 技术实现了海量数据的快速有效存储；研究了属性 数据的快速查找原理及方法，利用索引文件技术实现了属性数据的快速查找功能；研究 了栅格图像压缩原理，提出了“瓦片金字塔”模型，采用“金字塔压缩原理实现了以 栅格图像为底图的快速压缩；研究了传统的a r c g i s 及m a p l n f o 数据格式，结合系统的数 据格式特点，用已编辑的矢量图形数据成功转化为传统的a r c g i s ( 即s h a p e ) 及m a p l n f o ( 虽 1 m i f ) 格式。 在上述研究的基础上，根据本文确定的系统数据采集模块的设计原理及图像处理方 法，分别设计实现了属性数据显示与存储模块及地图显示与编辑模块，为我国林业资源 调查系统提供了一个高效方便的数字化系统模块，对林业嵌入式地理信息系统研发与应 用有一定的指导意义 关键词：嵌入式地理信息系统；海量数据存储；图像压缩；图形编辑；森林调查 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h er e s e a r c ha n de x p l o i t a t i o no ft h ee m b e d d e dg i sb a s e do n f o r e s t r ys y s t e m s p e c i a l t y ：g e o d e s ya n ds u r v e y i n ge n g i n e e r i n g n a m e：q i uj i n q i n g i n s t r u c t o r ：c h e nx i a o n i n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) t h ee m b e d d e dg i si sn a m e d 嬲t h em i l e s t o n eo fg i sf i e l df o ri t s e x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea n ds u c c e s s f u l e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h e u n i q u et e c h n i q u e ， p a p e r - b a s e d d a t a c o l l e c t i o na n dm a p p i n gw a sc o n v e a e dt od i g i t i z e do n e sb yt h en e wp r o d u c t i o no fe m b e d d e d g i s a n dt h ee m b e d d e dg i sc a na c q u i r ef i e l dd a t aq u i c k l ya n ds t o r el a r g en u m b e r so fd a t a s o ，t h ee m b e d d e dg i si sar e v o l u t i o na n d i tl e a d sat r e n do fg i s t e c h n o l o g y o u rc o u n t r yh a sa f e wf o r e s t ，t h ef o r e s tr e s o u r c e sh a v et h e i m p o r t a n tm e a n i n gt o t h es t a t e e c o n o m y d e v e l o p m e n t ，a n dt h ef o r e s tr e s o u r c e si n v e s t i g a t i o nm e t h o di sa l s oq u i t eb a c k w a r d ，h o wt o e x p l o r ea n de x c o g i t a t eap r e f e c tt e c h n i q u em e t h o di ne n g i n e e r i n gf i e l d s ，e s p e c i a l l yi nf i e l d so f f o r e s tr e s o u r c e sa n dl a n dr e s o u r c e s ，a r et h eh o t s p o tp r o b l e m s t h i sa r t i c l ee l a b o r a t e dt h ed o m e s t i cf o r e s tr e s o u r c e si n v e s t i g a t i o n su n i v e r s a lc h a r a c t e r i s t i c ，a n de l a b o r a t e dt h ef o r e s tr e s o u r c e si n v e s t i g a t i o nu n i v e r s a ld e m a n d ，a n de l a b o r a t e di n d e t a i lb a s e do nt h ef o r e s t r ys y s t e m se m b e d d e dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m sc o m p o s i t i o n ， e l a b o r a t e dt h es y s t e md a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ep r i n c i p l eo fd e s i g na n dt h em e t h o d ；i th a s a n a l y z e dt h ef o r e s tr e s o u r c e sw i l di n v e s t i g a t i o nd a t af o r m a ta n dt h ec h a r a c t e r i s t i c ，p r o p o s e d h o wt os a v et h em a s sd a t at h em e t h o d ，a n dh a ss t u d i e dt h ed a t a b a s ev i s i tt e c h n o l o g y , h a s r e a l i z e dt h em a s sd a t af a s te f f e c t i v em e m o r yu s i n gt h ea d ot e c h n o l o g y ；i th a ss t u d i e dt h e a t t r i b u t ed a t aq u i c kl o o kp r i n c i p l ea n dt h em e t h o d ，h a sr e a l i z e dt h ea t t r i b u t ed a t aq u i c kl o o k f u n c t i o nu s i n gt h ei n d e xf i l et e c h n o l o g y ；i th a ss t u d i e dt h eg r i di m a g e c o m p r -e s s i o n p r i n c i p l e ，p r o p o s e d t i l ep y r a m i d ”t h em o d e l ，t h ec o m p r e s s i o np r i n c i p l eh a sr e a l i z e du s i n g p y r a m i d t a k et h eg r i di m a g ea st h eb a s em a pf a s tc o m p r e s s i o n ；i th a ss t u d i e dt r a d i t i o n a l a r c g i sa n d t h em a p l n f od a t af o r m a t ，u n i o ns y s t e m sd a t af o r m a tc h a r a c t e r i s t i c ，w i t ht h ev e c t o r g r a p h i cd a t as u c c e s sw h i c he d i t st r a n s f o r m e da st r a d i t i o n a la r c g i s ( i e s h a p e ) a n dm a p l n f o ( i e m i f ) t h ef o r m i na b o v er e s e a r c hf o u n d a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h i sa r t i c l ed e f i n i t es y s t e md a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ep r i n c i p l eo fd e s i g na n di m a g e r yp r o c e s s i n gm e t h o d ，t h ed i s t i n c t i o nd e s i g nh a sr e a l i z e d t h ea t t r i b u t ed a t ad e m o n s t r a t i o na n dt h es t o r a g em o d u l ea n dt h em a pd e m o n s t r a t i o na n dt h e e d i t i o nm o d u l e ，i th a sp r o v i d e dah i g h l ye f f e c t i v ec o n v e n i e n c ed i g i t i z e ds y s t e mm o d u l ef o r0 - d rc o u n t r yf o r e s t r yr e s o u r c e si n v e s t i g a t i o ns y s t e m ，a n dh a sc e r t a i ng u i d i n gs e n s et ot h ef o r e _ s t r ye m b e d d e dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta n d t h ea p p l i c a t i o n k e y w o r d s：t h ee m b e d d e dg i s s t o r a g em a s sd a t ac o m p r e s si m a g e e d i t o rg r a p h i c sf o r e s ts u r v e y r e s e a r c ht y p e ：a p p l i c a t i o ns t u d y 娄料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名瓢互日期： f 一 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：指导教师签名： 缈年，月驴日 1 绪论 1 1 研究背景 1 绪论 1 计算机技术和地理信息系统的飞速发展 地理信息系统( g i s ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是一种基于计算机的工具，它 可以对在地球上存在的东西和发生的事件进行成图和分析【1 j 。地理信息系统技术把地图 这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作( 例如查询和统计分析等) 集 成在一起1 2 j 。这种能力使地理信息系统与其他信息系统相区别，从而使其在广泛的公众 和个人企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值。我们当今面 临世界的最主要的挑战是人口过多，环境污染，森林破坏，自然疾病等等，这些都 与地理因素有关。不论是从事一种新的职业，还是寻找生长香蕉的最合适的土壤，或是 为救护车计算最佳的行车路线，这些本地问题也都有地理因素。地图制作和地理分析已 不是新鲜事，但地理信息系统执行这些任务比传统的手工方法更好更快。而且，在地理 信息系统技术出现之前，只有很少的人具有利用地理信息来帮助做出决定和解决问题的 能力【3 j1 4 1 。今天，地理信息系统已是一个全球拥有数十万的人员和数十亿美元的产业。 地理信息系统已在全世界的中学、学院、大学里被讲授。在每个领域里的专家不断地意 识到按地理的观点来思考和工作所带来的优越性【5 j 。 地理信息系统的发展已经经历了六十年代开拓发展阶段、七十年代巩固阶段、八十 年代突破阶段和九十年代社会化应用四个阶段。近年来地理信息系统技术得以迅速发 展，其主要的原动力来自日益广泛的应用领域对地理信息系统不断提出的要求；另一方 面，计算机科学的飞速发展也为地理信息系统提供了先进的工具和手段【6 】。许多计算机 领域的新技术，如面向对象技术、三维技术、图像处理和人工智能技术都可应用到地理 信息系统中，这些因素都促使了地理信息系统的飞速发展r 7 】1 8 】。 2 嵌入式技术及系统的发展 所谓嵌入式开发技术是指以在应用程序中嵌入由其他程序所提供的数据或对象的 方法获得特定功能的程序设计方法。由于这种嵌入是通过窗口嵌入技术和程序进程之间 的数据通信技术来实现的，可以使两个不同的程序完全“无缝”地集成到一起，因此所开 发的应用程序与普通程序看来并没有什么区别。使用嵌入式技术的地理信息系统应用程 序与为其提供支持的地理信息系统系统之间是一种并行的同时运行关系，在功能上不受 任何限制，可以象正常程序一样使用操作系统所提供的一切资源【9 】【1 0 】【l l 】。 嵌入式系统的含义在于结合微处理器或微控制器的系统电路与其专属的软件，来达 到系统操作效率的最高化。它是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行 西安科技大学硕士学位论文 业的具体应用相结合的产物，是硬件与软件的综合体。这一点就决定了它必定是一个技 术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统包括嵌入式设备 和嵌入式操作系统，近年来，随着计算机技术、半导体技术和电子技术的飞跃发展以及 嵌入式操作系统的不断完善，嵌入式系统取得了飞速的发展【1 3 】【1 4 】。 3 p d a 的迅速发展 p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n c e ) ，即个人数字助理，是一种轻巧的上设备，有处理 器、存储器，带或不带键盘，手写输入，有线或无线通讯。现在国内外的几十家生产掌 上电脑的厂商都相继推出了自己的产品，各种无线连接设备也都相继推出。目前，掌上 电脑的比较好的配置为：采用p o c k e tp c2 0 0 2 操作系统、1 2 8 m b 6 4 m br a m 和 4 8 m b 3 2 m br o m 、4 0 0 m bi n t e l 专用处理器和t f tl c d 液晶屏幕，6 4 k 色，3 2 0 * 2 4 0 的分辨率等。c o m p a q 的p a q 3 9 7 0 3 9 5 0 、t o s h i b a 的e 7 4 0 和g e n i oe 5 5 0 g x 都是 交高端产品的代表。这些都在硬件上解决了嵌入式地理信息系统所要求的轻便性、大容 量内存、强扩展功能及方便的通信功能等方面的问题。 4 深圳职业技术学院研制成功“带电子地图的掌上卫星导航定位仪” 2 0 0 1 年1 2 月深圳职业技术学院3 s 研究中心将基于掌上电脑的嵌入式开发作为重 点科技攻关项目立项，经过一年多的研究，在国内首先研制成功“带电子地图的掌上卫 星导航定位仪”。2 0 0 3 年1 月1 5 日，在北京通过鉴定，技术水平国内领先。该仪器在鉴 定后，针对森林资源调查领域进行定制开发和市场化运作，目前己先后被广西、湖南、 广东、内蒙、吉林、黑龙江等地的林业部门采用，取得了一定的经济效益。大家普遍认 为该产品非常新颖，确实解决了森林资源调查的诸多问题，但在一些方面尚存在一定缺 陷，需要尽快解决。同时，项目组在推广的过程中发现，对不同省份，资源调查的规程 不同，需要的功能也小有差别；即使是同一省份的不同生产单位，功能需求也不尽相同； 不同行业之间的差别更大。基本上对每个用户，项目组都要对程序进行修改以满足他们 的需求，要投入大量的人力来开发和维护，严重制约了产品的大范围推广使用。本系统 拟开发的嵌入式g i s 平台在解决现有缺陷的同时，提供了用户进行二次开发的手段，增 强了系统的功能，极大地拓展了产品的应用范围，使之不仅能方便地用于林业，也可用 于国土、农业、水利、交通、军事等与地理位置有关的其它各种领域。 1 2 嵌入式地理信息系统的国内外现状 鉴于嵌入式系统自身的特殊性和复杂性，首先对于嵌入式地理信息系统的功能划分 与概念确定就是个比较重要的问题，因为这涉及到需要开发、研究一个具有什么功能的 系统。由于国内外嵌入式地理信息系统研究都处于起步阶段，所以这方面依然有待深入 研究。 在该领域国内外都处于刚起步不久的研究阶段，国内的主要产品有超图公司的 2 1 绪论 e s u p e r m a p 、中地公司的m a p g i s 和灵图的s m a r t i n h a n d ，国外也有些产品，具有代表性 的是e s r i 的a r c p a d 。 这些产品包括二次开发工具都是在w i n d o w sc e 平台下运行和开发的。基于 w i n d o w sc e 平台的优势是开发比较容易，开发周期短，把运行于p cw i n d o w s 下的程 序进行一些删减、修改就可以比较容易地移植到w i n d o w sc e 平台下，w i n d o w s 平台和 w i n d o w sc e 平台下的许多函数和类库基本是相同和相似的。此外，w i n d o w s 现在p c 市场的绝对优势占有率和影响力是许多公司采用w i n d o w sc e 平台开发嵌入式地理信息 系统的重要原因。表1 1 为几个国内外主流嵌入式地理信息系统的主要功能特点对比分 析表。 表1 1 国内外常见主流嵌入式地理信息系统功能特点对比 产品名称支持操作系统产品公司功能主要特点 以类库方式提供的嵌入式 地图显示及操作g i s 开发机制，二次开发能 功能；分析与地图力强；实现了g i s 与g p s w i n d o w sc e 北京超图地 量算功能；g p s 功技术的融合，可以实时接收 e s u p e r m a p c e n e t n t 理信息技术 能；数据维护功g p s 数据；精简内核心，运 能；多种查询功用时站用资源少，速度快， 2 0 0 0 x p 9 x 等有限公司 能；专题地图制作可以在各种高低端的嵌入 功能；多种地图投式设备中运行；提供精简的 影功能。 p m f ( p o r t a b l em a p f i l e ) 文件 格式，支持压缩和加密。 精练的内核和高浏览速度， 北京灵图软 地理信息夯询功 近1 0 倍的数据压缩比，运 s m r t i n h a n dw i n d o w sc e 件技术有限 能；定位与导航功 行是零内存占用；g p s 导 能；无线互连功 航、事实定位；m i d 无线通 公司讯功能向服务中心申请兴 能。 趣点查询、路况信息、最佳 路径导引等服务。 具有二次开发能力的嵌入 鹰眼功能；地图无式g i s 开发平台：空间数据 武汉中地信 级缩放、复位；更压缩存储，空间数据的管理 m a p g i 孓一 w i n d o w sc e 息工程有限 新点、线、面、网高效快速，可与通片jg i s 数 e m b e d d e d的可视化查询显 据相互转换；浏览的属性数 公司 示及图形与属性据包括数值型、非数值型， 互查；图形编辑。如地图、动态图像等多媒体 属性。 地图缩放和漫游 w i n d o w sc e e s r i ( 美国环 查询数据；g p s 支持s h a p e f i l e 、m r s i d 、 w i n d o w s 导航；i n t e m e t 数 j p e g 、p n g 、a r c i m s 、 a r c p a d 境系统研究w i n d o w sb i t m a p 影像服务， s e r v e r 2 0 0 0 2 0 0据无线下载；支持 3 协会1与e s r i 其他桌面产品很好 行业标准的矢量 地集成，提供制图功能。 和栅格影像显示。 西安科技大学硕士学位论文 现阶段，由于各种产品都存在着一些技术上的缺陷，在国内市场上应用不多。超图 公司的e s u p e r m a p ，对于栅格数据，显示效率一般，支持的格式少；对于矢量数据，它 的显示速度慢，地图编辑功能少，定位与导航功能一般，属性自定义的数据类型少，没 有地理编码及无线下载上传功能。至于e s r i 的a r c p a d ，对于栅格数据，它的显示效率 一般，矢量数据显示速度一般，而且不支持国内的地理信息系统格式，定位与导航功能 一般，无地理编码功能且支持属性自定义数据类型少。 值得一提的是，随着微型嵌入式技术的迅猛发展，其产品也已深入到人们生活的每 个角落，制造工业、过程控制、通讯、交通、航空航天、军事装备等都成为嵌入式技术 的应用领域。与此同时，在嵌入式技术的基础上，随着网络通讯技术、移动计算技术、 微型嵌入式、微型r t o s ( r e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 及地理信息系统技术的 发展，嵌入式地理信息系统软件的运行和开发平台得到了相应的发展，嵌入式地理信息 系统技术也开始得到广泛的应用。嵌入式地理信息系统( 或称“移动地理信息系统”) ，是 新一代地理信息系统发展的代表方向之一，它是运行在嵌入式计算机系统上高度浓缩、 高度精简的地理信息系统软件系统。嵌入式计算机系统是隐藏在各种装置、产品和系统 ( 如掌上电脑、机顶盒、车载盒、手机等信息电器) 之中的一种软硬件高度专业化的特定 计算机系统，是计算机技术发展到后p c 时代或信息电器时代的产物，是导航、定位、 地图查询和空间数据检索的一种理想解决方案。嵌入式地理信息系统是微型嵌入式系统 在空间信息中的一种应用。微型嵌入式系统是以应用为中心、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、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的微型专用 计算机系统。嵌入式地理信息系统，即把一个优化的地理信息系统数据引擎嵌入到小型 移动设备上，占用内存非常小，但具有很强的数据分析和显示表达功能，可以使用空间 点击以及s q l 进行数据检索与查询。嵌入式地理信息系统软件由于平台的特殊性，使 得嵌入式地理信息系统软件的特征与普通的地理信息系统软件相比有着明显不同：嵌入 式地理信息系统软件要求固态化存储、软件代码的高质量和高可靠性、系统的高时实性 等。 1 3 嵌入式地理信息系统在资源调查领域中的应用 嵌入式地理信息系统可以用在任何资源调查领域中，进而得到海量的野外数据及矢 量图形，从而提取用户所敢兴趣的数据及图形，为用户出图奠定了有利可靠的基础。嵌 入式地理信息系统，特别适于大规模、高难度及高复杂度的资源调查项目。它的应用领 域包括林业、国土、建筑业、军工、军事、石化、医学、水利、能源、电力、交通、机 械、影视、教学、科研、汽车、公安等。另外，它所采集的属性数据还可进行各种后处 理工作，所以在目标的分析、目标决策等方面可以找到它的用途。除此之外，嵌入式地 理信息系统还可以应用与导航、定位、目标寻找、目标查询等领域，可以说，嵌入式地 4 1 绪论 理信息系统的应用只受想象力的约束【l 5 j 1 6 】。 嵌入式地理信息系统又称“移动式”地理信息系统，它可深入到任何复杂的现场环 境及空间中进行野外数据采集、图形编辑及定位导航，并直接将各种大型的、复杂的、 不规则、标准或非标准等实体或实景的空间数据完整的采集到电脑中，进而快速对该场 地进行分析决策【j7 1 。 嵌入式地理信息系统与传统的地理信息系统相比较主要有以下几点不同： ( 1 ) 野外数据的采集方式：在传统的地理信息系统中，野外数据的采集和编辑一直 是地理信息系统中一项耗时且容易出错的工作。取全、取准原始可靠数据是各类资源调 查中野外数据采集主要要求之一【l8 1 。其数据采集的内容包括空间定位信息、涉及一个或 多个专业的大量文字描述信息以及表示各类资源现象空间形态的点、线、面空间信息， 所涉及的种类多、内容复杂、信息量大，受人为因素的影响大，所以这种几十年如一日 的野外记录本手写记录的工作方式越来越不适应信息时代的要求，野外地理数据的获取 一般借助于纸质地图，通过在纸质地图上草绘，并在笔记罩记录标示来实现，内业处理 是，野外编辑的数据通过编码手工输入到地理信息系统数据库中，致使地理信息系统数 据不能经常更新或者不够精确，最终影响地理信息系统分析和决策结果的可靠性。近来 移动技术的发展使得地理信息系统信息应用于野外数据采集成为可能【1 9 】。嵌入式地理信 息系统应用于野外数据采集有其无可比拟的优势。基于嵌入式地理信息系统的资源野外 数据采集系统，是集电子手簿和笔记本电脑优点于一身的新型系统，具有便于携带，易 于掌握的特点，可以改变传统的地理信息系统中所需要的野外数据的采集方式。它可以 将数据以数字地图的形式存储在小巧且功能强大的移动设备里，可获取批量地理信息。 用户可以在移动设备数据库中添加实时信息，通过应用现时性好、精度高的空间数据， 有效的进行分析和决策，从而大大的提高了工作的质量和效率。 ( 2 ) 目标查找方式：传统的地理信息系统能对图形进行编辑、删除及修改等功能， 对属性数据进行处理和分析，但对于野外目标点的查询然无法实现，在传统的地理信息 系统工作的方式中，这两个过程往往分开独立的，用户一般通过经验、地形图或手持 g p s 等方式对目标进行定位或查找。而嵌入式地理信息系统集地理信息系统与g p s 及 电子罗盘于一体，这对目标的查找提供了方便有利的条件，尤其对林业“二类”调查中的 边界实n ( n n 边界实测就是对地理信息系统中所够绘的面或边进行核对并修改) 提供了 更方便的工作方法。 嵌入式地理信息系统相比传统地理信息心头的优势，在工程领域的应用中体现得尤 为突出，在国内外的工程应用中，嵌入式地理信息系统发挥着它操作方便性、易携带性、 数据准确精准及高效的技术优势，为工程的顺利开展和实施提供了便利【2 0 】。 西安科技大学硕士学位论文 1 3 1 基于栅格图像为底图的矢量图形的勾绘 嵌入式地理信息系统和普通的地理信息系统一样，同样可以以栅格图像为底图，进 行矢量图形的勾绘操作，包括点图形、线图形、面图形的勾绘，通过勾绘矢量图形来确 定该图形所包含的属性数据，最后统计成图。如图1 1 所示，以栅格图像( 遥感图像) 为 底图，勾绘面图形和线图形。 自i 么? o ? 黪她日f 露卜自l 厶? o ? 鳓确x 日 e l - ( a )( b ) 图1 1( a ) 面图形的勾绘( b ) 线图形的勾绘 1 3 2 基于以配准的遥感图像为底图的定位模式 目标的寻找或定位通常是野外数据采集过程的必要环节。获得当前点的大地坐标或 平面坐标及高程也是野外数据采集过程中一项难得到的数据，嵌入式g i s 这一项工作来 得更轻松些，嵌入式g i s 集一般g i s 和g p s 与一体，直接可以获得当前点的坐标及高 程，如图1 2 所示，定位当前点及获得当前点坐标及高程的g p s 卫星模拟图。如图1 3 所示，目标点与当前点的距离和方向。 6 1 绪论 多彳溶；隧， 麓墨，苓 一1 7 i 一。11。：- 3 8 4 9 4 5 01 e2 4 9 8 9 6 9 n 缩放：1 0 0 1 2 米 ! ll 型i 文件地圈属性导航调查差分 且 曝| i | ! j 一口口口口口口口口口瓣 卫星状况l 罗盘导航i 纵断面图1 文件地图属性导航调查差分睡i ( a )( b ) 图1 2 ( a ) 定位到当前点( b ) 该点的g p s 甲星图 雹国国圈圆 当前方位：正北偏东南1 6 62 8 度 目标方位： 正北偏西北2 9 0 “度 距离目标：4 t 1 1 米 定位精度： 66 米 前进蘧度： 51 米秒 1 3 3 林业系统的应用 文件地图属性导航调查差分、匿l 图i 3电子罗盘动态导航图 对于林业资源保护，是国家的重点工作，保护森林发展林业，是减少自然灾害，改 善生态环境、解决全球气候变暖的重要措施。林业资源的调查是一项艰巨、复杂的工作， 它涉及面广，在以往的林业资源调查中，都是纸制工作，需要耗费大量的人力和财力， 工作效率极为低下，而且调查结果的可靠性差。嵌入式g i s 弥补原来纸制工作的缺陷， 能够快速有效的对某一地点属性数据进行调查。国内有很多成功的应用实例，如：宁夏 市森林资源调查( 如图1 4 ) 等。 7 西安科技大学硕士学位论文 文件地图属，t i 导航调查差分 曦| 翟 毛釉i f 锄 总体名 吉林省 i 样地号 3 0 2 1 形状 1 菱形 l 面识g q0 0 6 纵坐标 o l 祸坐标 0 1 a - - g 嘶 24 硎 v i 图幅号疆暇掰黜 卫片号 11 2 5 1 一了9 4 圈啊j 矗e 瑶嗍j 日 一行砬高稿 31 2 5 1 一9 1 2 41 2 5 l 一9 2 1 地方 v i 林业51 2 5 l 一9 8 1 因子1i 因子2l 因子3i 因子4i 因子5i b i _ l 上 文件地图属一t i 导航调查差分曛l 图1 4 宁夏市森林资源调查属性数据 1 3 4 其它方面的应用 嵌入式g i s 还可以应用于其他许多领域，比如车辆导航、车辆和人员( 公安、消防、 银行、出租等) 的调度、监控、城市交通管理、野外作业、旅游探险等方面都有着良好 的应用前景，可以作为警务通、河务通等行业专用设备。例如，2 0 0 3 年5 月抗“非典” 期间，嵌入式g i s 为数据采集和移动指挥平台，在河南省“基于g i s 的s a r s 预警决策 指挥系统”中得到了应用，发挥了良好的社会效益。 1 4 本课题来源与本文研究的意义 1 4 1 本课题来源 本论文是在申请并获得“嵌入式地理信息系统( g i s ) 平台的研究与丌发项目”科研项 目课题下开展，受深圳市科技局和深圳职业技术学院开放基金资助并依托以下项目及实 验而完成的： ( 1 ) 深圳普泰科技有限公司3 s 事业部完成的“带电子地图的掌上卫星导航定位仪” 及“基于p d a 的掌上森林资源调查仪”项目； ( 2 ) 深圳市林业局进行的“国家森林资源二类调查实验”。 固 1 绪论 1 4 2 本文研究的意义 该科研项目研制的流程如图1 5 所示，目前已经取得了阶段性的成果，完成了嵌入 式地理信息系统属性数据的存储及转换工作。 本文在“带电子地图的掌上卫星导航定位仪”研制成功的基础上进一步展开研究，论 文在栅格底图压缩技术、属性数据及空间数据的获取、存储及转换技术和嵌入式地理信 息系统应用等方面都做了探讨和研究，研究意义如下： ( 1 ) 在以栅格图像为底图的压缩技术方面：研究了栅格图像的存储模式，主要讨论 和研究了栅格图像压缩技术方法，比如如何将一幅几十兆或几百兆的遥感图像或其他栅 格图像压缩成几兆或者小于几兆的栅格图像，这也为嵌入式地理信息系统中矢量图形的 编辑及数据获取打下了基础。 同时研究其他图像压缩技术原理和方法，为本系统软件开发有借鉴和指导作用。 ( 2 ) 在海量数据存储方面：嵌入式地理信息系统在硬件方面的配置远远不如台式机， 尤其在处理器速度、内存大小及存储卡大小方面尤为突出，本文主要研究和讨论了如何 在有限的资源内快速有效的存储海量的数据，并且如何在海量的数据当中如何有效快速 的查询用户感兴趣的数据。这为嵌入式地理信息系统中的属性数据获取这一模块打下了 基础。 ( 3 ) 在嵌入式地理信息系统应用方面：嵌入式地理信息系统应用广泛，本文着重讨 论了嵌入式地理信息系统在工程领域的应用，并选取具有重要意义的资源保护来探讨和 研究，并成功将嵌入式地理信息系统应用在林业资源中。一方面，通过本系统在深圳市 林业局有益尝试，研究相应的方法、技术和理论，本系统可以应用在今后林业资源调查 领域，包括林业调查中的一类调查、二类调查及造林核查等方面，对我国的林业资源调 查具有重要意义。另一方面，通过本系统在其他行业有益尝试，本系统可用于一般的导 航及定位系统中，而且对其他行业的数据采集功能效果与本系统在林业资源调查中功能 效果一致，比如在国土资源调查中，对我国的国土资源调查展开工作有重要意义。 9 西安科技大学硕士学位论文 图1 5 嵌入式地理信息系统的制框架图 1 5 论文组织 本论文共五章，论文组织如下： 第一章，主要对嵌入式地理信息系统的发展及其在工程领域的应用做了概述。首先 介绍了本论文选题的背景，分析归纳了嵌入式地理信息系统在国内外的研究现状，并对 现在嵌入式地理信息系统在工程领域的应用做了相应的分析研究，总结了本文所做的工 作及其研究意义。 第二章，主要分析研究了森林资源调查数据采集模块设计原理。归纳并分析了森林 资源调查的需求及特点，对森林资源调查数据采集模块进行了分析设计，在此基础上， 提出了基于森林资源调查数据采集模块的概要设计及详细设计。 第三章，重点研究了基于森林资源调的嵌入式g i s 实现过程。分析嵌入式g i s 的 运行环境、开发环境，对常见的数据库开发技术做了相应的比较，在此基础上，对基于 森林资源调的嵌入式g i s 的矢量图形编辑及海量数据存储进行了编码实现，达到了常见 1 0 1 绪论 嵌入式g i s 所达到的效果。 第四章，重点研究了嵌入式g i s 中影像的准备及数据的转换。分析了嵌入式g i s 中对影像数据的压缩方法以及数据的转换的方法，对影像数据的压缩及数据成果的转换 进行了编码实现，达到了常见嵌入式g i s 所达到的效果。 第五章，对全文总结，并对嵌入式g i s 的未来发展及其应用的拓展作了展望。 西安科技大学硕士学位论文 2 基于森林资源调查数据采集模块分析与设计 2 1 森林资源调查的特征及需求分析 要设计一个适用于多省甚至多国森林资源调查数据采集系统，必须对不同地区森 林资源调查各自的特点与可以结合的共同点进行分析，找出他们的共同需求和内在联 系。 2 1 1 森林资源调查的普遍特点 在森林资源调查体系中，由于各类调查的对象范围和目的的不同，用户的需求以及 所采用的方法、技术方案和所提供成果的详细程度也各不相同。 ( 1 ) 各类森林资源调查的概述 森林资源调查的种类繁多，由于篇幅原因，就不对所有森林资源调查一一进行详述。 下文中将主要以森林资源连续清查( 一类调查) 和森林资源规划设计调查( - - 类调查) 为例 展开说明。 国家森林资源连续清查( 简称一类清查) 是以掌握宏观森林资源现状与动态为目的、 以省为单位，利用固定样地为主，进行定期复查的森林资源调查方法“而森林资源规划 设计调查，( 简称二类调查) 是以国有林业局( 场) 、自然保护区、森林公园等森林经营单 位或县级行政区域为调查单位，以满足森林经营方案、总体设计、林业区划与规划设计 需要而进行的资源调查。 一类清查的成果是反映全国和各省森林资源与生态状况，制定和调整林业方针政 策、规划、计划、监督检查各地森林资源消长任期目标责任制的重要依据，它的任务是 定期、准确查清全国和各省森林资源的数量、质量及其消长动态，掌握森林生态系统的 现状和变化趋势，对森林资源与生态状况进行综合评价，二类调查的成果是建立或更新 森林资源档案、制定森林采伐限额、进行林业工程规划设计和森林资源管理的基础，也 是制定区域国民经济发展规划和林业发展规划、实行森林生态效益补偿和森林资源资产 化管理、指导和规划森林科学经营的重要依据。它的任务是查清森林、林地和林木资源 的种类、数量、质量与分布，客观反映调查区域自然、社会经济条件，综合分析与评价 森林资源与经营管理现状，提出对森林资源培育保护与利用意见( 国家森林资源调查技 术规定，2 0 0 6 ) 。 一类调查的主要内容包括反映森林资源基本状况的地理空间因子，如地理坐标、地 形地貌、海拔等；土地和林木权属，如土地利用类型与面积、立地条件、植被盖度等； 林分因子，如森林类型、林种、蓄积量、树种、林龄、树高、胸径、郁闭度、森林更新 1 2 2 基于森林资源调查数据采集模块分析与设计 等；动态变化因子，如森林生长量、枯损量、采伐量等。起母体主要是从宏观上掌握森 林资源的现状和变化，在一般情况下，不要求落实n 4 , 地块，也不进行森林区划。当前 大都采用以固定样地为基础的连续抽样方法。固定样地不仅可以直接提供有关林分及但 株树木生长和消亡方面的信息，而已由于它本身是一种有多次测定的样本单元，因此可 以根据两期以至多期的抽样调查结果，对森林资源的现状，尤其是对森林资源的变化做 出更为有效的抽样评估。 二类调查的主要内容包括森林经营单位的境界线、各类林地面积、各类森林、林木 蓄积、与森林资源有关的自然地理环境和生态环境因素、森林经营条件、前期主要经营 措施与经营成效，以及通过专项调查获取的森林生长量和消耗量、森林土壤、森林更新、 病虫害等。它首先对林业基层企业进行区划，包括营林区及林班或分场，其中林班是二 类调查的资源统计单位；然后以适用的地图依据按区划的林班，设计调查方案和进行的 路线；其资源调查主要是在划分小班的同时进行的目测与实测，小班调查内容、项目可 根据需要和实际情况而定，一般调查重点是蓄积量；调查完成后主要成果必须满足编制 经营方案以及林业区划或总体设计所需资料的要求，主要包括：地类面积、森林面积、 用材林近成过熟林组成，树种蓄积，人工及四旁树、经济林、竹林等资源数据和林相图、 森林分布图等资料( 森林资源规划设计调查主要技术规定，2 0 0 6 ) 。 由上文叙述可知：一类调查的单位是样地，而二类调查的单位是小班。一类调查的 总体资源是由样地资料分类扩大、合计得到。而二类调查的总体资源是由小班资料逐级 汇总得到，它们的调查单位和总体资料的获得方法都是不一样的。然而我们也可以看到， 虽然这两类调查存在很大的差异，但是其总的目的都是查清森林资源，它们在技术标准 中的许多因子的名称和内容都是一致的，而且它们的调查过程也有很大的类似性。 实际上，除了一类调查和二类调查以外，我国现有的森林资源调查种类繁多，还包 括林业基层生产单位为满足伐区设计、造林设计和抚育采伐设计而进行的三类调查以及 其他相关的专题调查( o n 荒漠化、湿地、野生动植物、森林病虫害以及森林防火可燃物 资源调查等) 。不同省区的调查差异很大，然而通过分析总结，它们同一类调查和二类 调查一样，仍旧存在许多共同的需求( 如需要对调查进行定位、需要使用调查地图以及 用到类似的调查因子类型等等) 。 ( 2 ) 调查特征的总结 通过上面对各类森林资源调查的概括，我们可以总结得知森林资源调查有以下几个 特点： 调查的数据量庞大且数据类型复杂。以二类调查来说，起单个小班的调查因子 即可达到几十项，而小班的数量本身就非常客观，与此同时，除了需要调查大量非空间 因子的属性数据外，还包括了图形图象等空间数据，对于各个不同的资源调查，随着调 查对象的不一致，其空间尺度也会发生改变，需要准备的材料也会有所不同。 1 3 西安科技大学硕士学位论文 调查的涉及的范围广大而且条件极为复杂。不管是一类调查、二类调查或者三 类调查，调查的