（通信与信息系统专业论文）内存嵌入式数据库在gisgps系统中的应用研究.pdf

摘要 摘要 随着信息技术的发展，3 s 技术已影响到社会生活的各个方面。其中g i s g p s 技术更是应用开发的热点。 本文将g p s 、g i s 技术与内存嵌入式数据库技术有机结合，应用于g i s g p s 系统，创新地提出了以e x t r e m e d b 为中心的后台数据库管理空间数据和属性数 据，来满足g i s g p s 系统对实时性、可靠性、可嵌入性的更高要求。实验中以 内存嵌入式数据库e x t r 鲫e d b 为中心建立了数据模型，实现了对矢量数据、属 性数据以及控制对象的g p s 信息的管理，详细论述了基于e x t r 鲫e d b 的开发过 程并给出了程序；在q n x 平台上实现了二维矢量地图显示，简单的几何关系分 析和路径搜索；针对g 硼i n g p s 2 5 板开发了相应的g p s 数据接口；将本系统和 传统g i s g p s 系统进行了对比分析，总结了本系统的优势和局限性，最后提出 了需进一步研究的内容。 关键字：g p sg i s 内存嵌入式数据库实时性 a b s 臼a c t a b s t r a c t 晰l ht h er a p i dd c v e 】o p m e mo f i n ：f o l _ n l a t i o n 船c h n o l o g x3 st e c h n 0 1 0 9 ) rh a sb e e n l l s e d 丽d e l yn o 啪d a y s g i s - g p ss y s t e mi so o f t l l eh o t s p o t sf b r 印p l i c a t i 毗 t h i sp a p e rd i s c i l s s e s 也ea p p l i c g 血mo fi n m 伽r yc 玎曲e d d c dd a 倒b a s ei n g i s ( 诤ss y s t 锄i ns o m eg i s g p ss y s t c m s ，e s p e c i a l l yi ns o m e 卸舾m a t i o ns y s t e m s ， w ew a n ti tt ob ce 解i e rf b r 锄b e d d e da p p l i c a t i o n h a v ef a s t 盱s p o n a i l dh i g h 删h b i l i 劬mo r d e rt 0m e e tt l l e r 。q u e g c s ，i nt h i se x p e r i m e n t ，an e wm 印s ) ，s t e m h a sb c e nf 0 岫d e d ，璐i n gi n - m e m o r ye n l b e d d e dd a t a b a e ) 【眦m c d b 勰t l l e b a c k g 舢n dd a 士a ：b a s e t h ed a t a b 船em 卸旧g e sl h ev e c f o rd a t a ，越晡b u t ed a t a ，p i c t u r e 胁a n dt h eg p si n f c 毗m t i o no ft b eo b i e c tw ec o m r 0 1 t h i sp a p e rd i s c l l s s 路t h e d e s i g no f t h em a pd a t a _ b a i nd e t a i l 锄d 昏v e st h e u r c ec o d e t h es y g t e mc 弛h o w 2 d i l m 璐i o nv e c t e rm a po nq n xp l a 怕皿，d 0s 锄es i n l p l ep a 山s c a f c h i 】唱觚d g e o m 耐c a la n a l y s i s 断仃a c i 【so f m eo b j e c t s i na d d i t i 吗趾i n t e r 位e f o r g p s 纰 h 船b e e nm a d e ，l l s i i l gq 咖mg p s 2 50 e m a f i e rt h 矾l cp a p c rg i v e sa c o m p a r i n f o rb o t h1 h eg i s - g p s 鲫赡mw h i c h 璐e s 讲凼啮r yd a l 切b a s e 趾dt h eo n el l s i i l g i n - m 锄o r ye m b e d d 。dd a t a b a ，粕矗l y s et l l e i ra d v 卸t a g e s 锄dd i s a d v a n t a g e s mt h e c t l d ，i t 西v 鼯s o m ea d v i c e 血i m p m v 啪e ma n df 1 1 m 】时r e s e a r c h k e y w o r d ：g p s ，g i s ，i n m e m o r y 即1 b e d d e dd a 乜l b a ，r e a i t i m e 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：有丹 枷口年r 月二7 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年 月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 由副8 _ ；2 l 芏( 最妖5 砧w 少丁e 掣) 秘磷1 0 年( 最长1 0 啦。可少于1 率 撬謇翁苹 鑫藩黪攀。匿多子秘攀 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：肖丹 妒年j 月刁日 第一章绪论 第一章绪论 第一节引言 现在人类的社会越来越信息化，正进入一个以计算机、网络、通信为标志 的信息时代。2 1 世纪以来，信息技术的重点己由技术转向信息本身。信息的采 集、处理、表达以及应用正成为当前研究的主流，数据库技术，数据挖掘技术 等都得到了很大的发展，3 s 系统正是在这样的背景下提出的。3 s 技术即遥感技 术r s ( r e m o t es e n s i n g ) ，全球定位系统g p s ( g 1 0 b a lp o s i t i o n i n gs y s t 鲫) ， 地理信息系统g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r 眦t i o ns y s t e m ) 的简称。它是以r s 技 术、g p s 技术和g i s 技术为主，同时融合了网络技术、通信技术等而形成的， 集信息采集、信息处理、信息应用的一项综合技术。 3 s 技术是建立数字地球，信息高速公路所需的高新技术，无论在军事领域 还是在商用，民用领域都有广泛的应用。海湾战争时期，美军的决策，调度以 及现代化武器离不开3 s 技术的应用：g p s 提供全天侯三维坐标，三维速度和 时间信息，海陆空的多种系统和装备都采用g p s ，如飞机、直升机、导弹发射 架及导弹，仅为空军就提供了4 0 0 0 套g p s 设备和近1 0 0 0 套附加装置，使部队 可以实时精确定位和快速反应；r s 应用主要是依靠一组位于椭圆形低地轨道的 k h - l l 卫星，提供海湾地区的重叠覆盖和高清晰度的远红外线影像；基于g i s 技术的“联动战略系统( j o t s ) ”采用大屏幕显示器、工作站、绘图机等硬件 和数字高程及地形数据，数字化栅格图像，构成了综合数据合成，控制与显示 的完整的战区管理系统。在民用方面，g p s 技术在交通、石油、地质、测绘、 环境等方面，r s 技术在资源环境、气象、防灾减灾、道路工程勘测等方面， g i s 技术在市政工程、移动通讯、规划管理、交通调度等方面都得到了广泛的 应用。9 0 年代初美国对g i s 数据需求量年增长率达到3 5 。1 9 9 4 年4 月，由 美3 0 多所著名大学、国家高新技术项目署和美国自然科学基金会联合提出，经 美政府批准，成立了“国家空间数据基础设施”( n a 虹o n a ls p a l i a ld a t a i n 如s 劬l c 乜】r e n s d i ) 计划。基于3 s 技术的地理空间数据的处理是实现n u 的“瓶 颈”问题。我国的g p s 技术应用也开始进入民用化和商业化；r s 技术应用位 第一章绪论 于世界先进水平；g i s 技术正应用在大中城市的u i s ( u 咕i q l l i t o l l sm f o r m a t i o n s o c i e t y ) 建设中。我国九五科技规划中将3 s 技术列为国家1 5 项重中之重的高 新技术发展项目忆 1 2 1 国外研究现状 第二节国内外研究概况 g p s 卫星定位的研究，可以追溯到上个世纪7 0 年代。为了满足军事上对连 续实时三维导航的需要，美国国防部开始研究建立新一代的卫星导航系统，即 “授时与测距导航系统全球定位系统( n a v i g a t i o ns y s t e mt i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) ”，通常称为全球定位系统( g p s ) 。在此之前， 美国已投入使用的卫星定位系统为“海军导航卫星系统”，简称n n s s ( n a v y n a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ) 。同期，前苏联也建立了c i c a d a 的卫星导航系 统。现阶段，欧洲伽利略导航卫星系统也在建设完善中。 g i s 系统的产生也有相当长的历史了。电子计算机发明之后，人们用计算 机来对大量的遥感、地形数据进行收集、处理，取代了原本由人来进行的工作， 使其变得更方便、更可靠，并促成了现代意义上的g i s 系统的诞生。1 9 5 6 年， 奥地利测绘部门首先利用电子计算机建立了地籍数据库。1 9 6 3 年，加拿大测量 学家r f t o m l i n s o n 首先提出了地理信息这一术语，并在1 9 7 1 年建立了世界上 第一个g i s 加拿大地理信息系统。稍后，美国哈佛大学研究出了s y m a p 系 统软件。6 0 年代，美国建立了城市和区域信息协会( u r i s a ) ，州信息系统全国 协会( n a s i s ) 。国际地理联合会( i g u ) 也于1 9 6 8 年设立了地理数据收集和处 理委员会( c g d s p ) 。此期间由于计算机成本、性能缘故，使得g i s 使用范围非 常有限。在2 0 世纪8 0 年代之后，计算机的成本大为降低，并且图形系统得以 完善，使g i s 系统得到了极大的发展。至于g i s g p s 系统，以及与移动计算的 结合，则更晚一些时候才进入蓬勃发展的时期【2 】。 国外的g i s 软件已经相当成熟，具有代表性的有a r c i n f o 、m a p i n f o 、 g e n a 姒p ，s p a n s ，e r d a s ，m i c r o s t a t i o n 等，传统的数据库厂商也推出了针对 空间数据对象的扩展，如o r a c l e 公司的0 r a c l es p a t i a l 等。g p s 普及之后， 大部分g i s 软件也开发了g p s 的应用接口以及基于嵌入式应用的版本。 第一章绪论 1 2 2 国内研究现状 上世纪8 0 年代，我国的一些院校和科研单位开始研究g p s 技术。8 0 年代 中期，引进了g p s 接收机。经过多年的研究和发展，我国己将g p s 技术应用于 大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测绘等各个方面，并建成了北京、 武汉、上海、西安、拉萨、乌鲁木齐等多个永久g p s 跟踪站，为建立我国自主 的广域差分g p s ( a g d g p s ) 系统，参与全球导航卫星系统( g n s s ) 和g p s 增强 系统( w a s s ) 作准备。另外，我国自主研发的北斗导航系统，2 0 0 1 年立项通过 评审，2 0 0 2 年底完成系统研制，通过验收评审。2 0 0 3 年5 月第三颗“北斗一号” 卫星发射成功，运营平台也已开通团。 我国的g i s 研究起步较晚，7 0 年代末才提出开展g i s 研究的建议。8 0 年代 后，完成了技术引进、数据规范和标准的研究，在理论探索、实验技术、软件 开发、系统建立等方面取得了一些突破和进展。9 0 年代后，我国成立了“中国 g i s 协会”，其后又成立了“中国g i s 技术应用协会”。现在，我国已经制定了 国家地理信息系统规范，解决了信息共享和系统兼容的问题。另外，涌现出一 批如北京超图地理信息技术有限公司、武汉中地信息工程有限公司、北京灵图 软件技术有限公司等专业公司，开发出较为成熟的国产g i s 软件，具代表性的 有m a p g i s 、g e o s t a r 、s u p e r m a p 、m a p e n g i n e 等，基于嵌入式系统的应用，也有 s m a r t g u i d e r 、e s u p e r m a p 等软件。 第三节本课题的研究意义 现今g p s 技术已相当成熟并在多个领域得到广泛应用，g i s 系统也渐渐开 始影响我们的日常生活和工作。另一方面，g i s 技术是着眼于海量数据的存储 和处理，在诸如移动计算、实时计算、嵌入式应用等领域，人们对它的实时性、 健壮性、可嵌入性有了更高的要求。 传统的g i s g p s 系统虽然已经大量用于车载导航、交通调度、目标监控等 领域，但在基于地理数据的自动控制方面，尤其是目标高速移动的条件下( 数 据高速更新) ，应用颇受限制。分析其原因，主要是由于当前广泛应用的g i s 系 统为了处理海量数据一般采用基于空间索引的动态数据载入方式，这种方法虽 然解决了数据量大的问题，但也降低了实时性，使系统响应时间无法完全达到 第一章绪论 自动控制的要求，在数据量较小的情况下，系统开支依然很大。为减小系统开 支，满足实时性的要求，在一些小型系统中，开发者不使用后台的g i s 数据库， 将空间数据直接载入内存，采用自定义的方法来访问，但是这样做又失去了数 据库查询、检索、管理上的优势，加大了开发难度，在存在多个访问连接时， 共享数据段的控制的可靠性难以得到保证。 本文试图将内存嵌入式数据库技术引入到传统的g i s g p s 系统中，来解决 上述矛盾，即在小数据量的条件下，建立以内存嵌入式数据库为中心的后台数 据库管理空间数据和属性数据，既满足了实时性要求，也提高了系统可靠性， 降低了开发难度。虽然系统存储、处理数据量较小，然而系统反应速度远高于 传统g i s g p s 系统，特别适用于实时性、可嵌入性要求比较高，数据交换量大 的移动系统，如自动车辆控制等方面。 第四节本文的研究内容与作者完成的工作 当前大多数g i s 数据库系统是基于磁盘文件系统的，因此有利于海量数据 的存储处理，而在速度及运行开支方面，较之内存式数据库颇有不足。本论文 的创新之处就是结合内存嵌入式实时数据库技术，建立以e x t r e m e d b 为中心的 后台数据库管理空间数据和属性数据研究，满足g i s - g p s 系统对实时性、可靠 性、可嵌入性的更高要求。本文主要讨论了基于内存嵌入式数据库e x t r e m e d b 的g i s 数据库建立、连接、管理以及地图模型的建立与应用。 论文首先对国内外的g p s 、g i s 应用研究情况做了简单介绍，然后对嵌入式 技术以及g i s g p s 系统中的一些关键性技术进行说明，重点介绍了本次实验使 用的内存嵌入式数据库e x t r e m e d b 的相关信息，包括性能、特点、设计思想与 开发过程等。第三部分设计了实验系统主要功能模块，以e x t r e m e d b 为中心， 进行了实验地图数据库的设计。在第四部分给出各个功能模块的具体实现。最 后对实验结果进行了分析，总结了实验中的问题，提出进一步研究的设想。 完成工作主要有：数据库方面，空间数据对象和属性数据对象的建立、读 取和关联，分层影像数据存储和访问，对象g p s 定位信息存储；二维矢量地图 的显示；对历史路径的简单分析；基于d i j k s t r a 算法的路径搜索；基于g p s 2 5 板的g p s 模块设计和软件接口等。 第二章内存嵌入式数据库与g i s g p s 系统 第二章内存嵌入式数据库与g i s g p s 系统 第一节嵌入式技术概述 自第一台电子计算机问世以来，电子计算机的发展经历了电子管，晶体管， 集成电路，大规模集成电路，超大规模集成电路等阶段。由于实际应用的需要， 当前的计算机系统的发展，正呈现一种两极化的态势：一个方向是发展高速度， 大容量，高性能的超级计算机系统，另一个方向是发展稳定可靠，低能耗，低 成本，体积小的嵌入式系统。后者在我们的生活中正变得越来越常见。例如， 手机、家电、交通工具、办公设备等等，都有嵌入式系统的影子。1 9 9 9 年，美 国著名的未来学家尼葛洛旁帝曾预言，4 到5 年后嵌入式智能( 电脑) 工具将 是继p c 与因特网之后最伟大的发明。无疑，这一预言已经被证实。 一般认为，嵌入式系统是指：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬 件可裁剪，适应应用系统对功能，可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用 计算机系统。 和通用型计算机系统相比，嵌入式系统有自己的特点：它通常是面向特定 应用的。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。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。嵌入式系统本身不具备自举开发能力，必须有一 套开发工具和环境才能进行开发。 嵌入式系统硬件的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，全世界嵌入式处 理器的品种己超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有2 0 多个系列。根据处理器的结 构和功能等要素，可以将嵌入式计算机分为嵌入式微处理器( e 肝u ，e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o r ) ，嵌入式微控制器( m c u ，m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) ，嵌入式 d s p 处理器( e d s p ，e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，嵌入式片上系统 ( s o c ，s y s t e m0 1 1c h i p ) 等【3 】。 嵌入式软件主要分为嵌入式操作系统软件、嵌入式支撑软件和应用软件。 其中，支撑软件是用于帮助和支持软件开发的软件，通常包括数据库和开发工 第二章内存嵌入式数据库与g i s g p s 系统 具，其中以数据库最为重要。另外，不是所有的嵌入式系统，都需要运行嵌入 式操作系统。一些简单的嵌入式系统，例如单片机系统，通常运行的是用户自 行开发的管理程序。这种系统的特点是比较简单，但通常不能处理过于复杂的 事务，二次开发和程序升级都相对麻烦一些，并且通用性比较差。 所谓嵌入式实时数据库( r t d b s ) ，是指可在嵌入式设备中独立运行的一种 数据库系统，用以处理大量的、时效性强且有严格时序的数据，它以高可靠性、 高实时性和高信息吞吐量为目标。常见的企业级的数据库，如0 r a c l e 、s y b a s e 难以在实时嵌入环境下发挥作用1 4 】。 图2 1 嵌入式实时数据库框图【4 】 一般认为，嵌入式实时数据库从本质上说是一个内存数据库，是由一个应 第二章内存嵌入式数据库与g 1 s g p s 系统 用程序管理的内存缓冲池，即可供多个实时任务共同使用的共享数据区。嵌入 式实时数据库原理见图2 1 。 第二节内存嵌入式实时数据库e x t r e m d b 嘲1 6 l 现代的智能设备，要求更为成熟的数据存储技术，能满足更有效、更复杂 的数据访问。相对于p c 等几乎有无限存储空间的计算机系统来说，嵌入式系 统的存储空间有限，而且其应用的领域决定了它需要更高的实时性、可靠性， 以及易嵌入，耗用资源小等特性。这些要求也是传统数据库软件，如s q l s e n ，盯， o m c l e 等不能满足的。m c 0 断e c t 公司的内存嵌入式数据库e x 呻m e d b 正是为满 足上述特殊要求而诞生的。 2 2 1 性能及特点 e x t r e m e d b 可用于多种操作系统平台，包括嵌入式系统、实时操作系统、 桌面操作系统，如v x w o r k s 、q n x 、l i n u x 、w i n d 0 w $ 等。啪b j e c t 公司强调的 e x t r e m e d b 的三个特点是小、快、可靠。 由于文件的i o 操作开销巨大，是影响基于磁盘文件的数据库性能的主要 因素。因此，基于磁盘文件的数据库，通过使用内存和c p u 操作指令来替换文 件i o 操作进行优化。内存式数据库不必考虑磁盘的i o 操作，可以通过减少 c p u 指令和充分利用已有的空间来存储更多的数据，同时也剔除了与缓存管理、 文件管理相关的复杂逻辑，减小了代码尺寸，去除了数据块的多个冗余拷贝， 使得运行e x t r 鲫e d b 所需开销远少于基于磁盘文件的数据库。e x t r e m e d b 引进 的额外开销不但非常低，而且这些开销在应用程序中是可控制的，数据层也提 供了对对象的压缩。数据库运行中仅保持极小的必要的堆空间，在某些配置上， 运行只需要不到l k 的堆空间。在资源紧凑的系统中，e x t r 鲫e d b 基本内存开销 仅在6 0 k 到1 0 0 k 左右。 由于内存的访问速度大大高于磁盘，内存数据库先天上就有速度上的优势。 另一方面，e x t r e m e d b 与宿主语言紧密结合，显著的缩短了应用程序和数据之 间的编码路径，减少了c p u 指令，提高了性能。在当前的硬件条件下，e x t r 鲫e d b 的读事务在纳秒级，写事务只需几微秒。在p e n t i 岫4 2 4 g 姗z 的台式机上， 第二章内存嵌入式数据库与g i s g p s 系统 测试结果见表2 1 。 表2 1e x t r 朗e 吣性能测试数据阴 操作对象数耗费时间( m s )每对象平均耗费时间( u s ) 插入 1 0 0 0 0 03 1 53 2 树创建 l o o o o o2 7 l2 7 哈希搜索 1 0 0 0 0 06 3o 6 树搜索 l o o o o o2 7 12 7 顺序搜索 1 0 0 0 0 03 00 3 删除树 2 查找删除 1 0 0 0 0 03 2 13 2 数据库提供了同步和异步事件触发机制，使实时事件响应变得可控。 e x t r 鲫e d bh a ( h i g ha v a i l a b i l i t y ) 通过附加功能扩展了数据库的核心编程接 口，保证了主数据库和一个或多个备用数据库之间的数据维护。另外，在一些 嵌入式系统中，为避免内存泄漏引起系统失效，不允许进行动态内存分配，而 e x t r e m e d b 不进行动态内存分配。这些都提高了系统的可靠性。 因此e x t r e m e d b 使用的范围主要是对实时性和可靠性要求比较高，有大量 高速小数据量交换的工业控制、电信、金融、交通等领域，具体的应用有机顶 盒、i p 路由器、电力控制、飞机控制等。 2 2 2 设计思想 计算机诞生后，为了存储管理大量数据，并从数据中提取有价值的信息作 为行动决策的依据，人们需要计算机能进行数据处理。数据处理是指对各种形 式的数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护，是现代计算机应用中的 一个重要的组成部分。历史上，数据处理技术主要经历了人工管理阶段，文件 系统阶段，数据库系统阶段嗍。而数据库系统的发展，又主要经历了三个阶段， 分别采用不同的数据库模型，即层次模型，网络模型和关系模型。 层次模型数据库，数据按照严格的父子关系来组织，数据库的查找总是从 根节点开始，下行至左分支或右分支进行搜索。使用层次模型的数据库代表是 m m 公司的口m s 数据库。 网络模型数据库，扩展了严格的父子关系，是层次模型的发展，一条父记 录可以拥有多个子记录，子记录也可拥有多个父记录。数据库的查找可以从任 第二章内存嵌入式数据库与g l s g p s 系统 何节点开始。 上述两种模型的数据库是通过数据库地址来实现记录关系的，数据库地址 能与磁盘或缓存中的精确位置对应。所以这类数据库的速度很快。但是，其主 要缺点是改变数据库的结构十分困难。因为指针被存放在记录中，只要改变一 条关联，记录结构就不得不改变。另一个缺点是，在进行数据库浏览时必须对 所在路径进行跟踪，这加大了程序的复杂性。 第三种，也是现今运用最为广泛的数据库模型是关系模型。e f c o d d 于1 9 7 6 年发表了“关于大型共享数据库的关系模型”论文，首先概述了关系数据模型 和原理。在关系数据库中，表成为最重要的概念。所有的数据都被描述成单一 的表格型数据结构( 关系) ，记录闻的关系通过索弓i 来实现，不再通过指针。这 样，关系维护信息和数据之间得以分离，使改变关联，进而改变数据库结构变 得相对简单。其缺点是系统需要额外的开销来维护索引，因此性能比上述两种 数据库要低。当前大部分商用数据库都采用了关系模型，如微软的s q ls e r v e r 、 i b m 的d b 2 、o 鼬蛇l e 、s a s e 、h f o r m i ) 【等【3 】。 e x 呦l e d b 不同于上述数据库，它采用了面向对象的数据库模型。目前尚 无面向对象数据库的统一标准。和其他类型数据库一样，它提供了各种数据类 型，对象标识，索引及检索方法等，但是它并非将数据库与程序分离开来，而 是将数据库和程序本身绑定在一起。事实上，可以简单的认为e ) ( 扛e m e d b 提供 的是对已有开发语言的一个扩展，可以与多种宿主语言( 包括c ，c 抖，j a v a 等) 紧密耦合。开发中，程序员只需设计好数据库范式文件，通过e x 嘲n e d b 提供的范式编译器编译后，在程序中就能直接调用数据库的方法。这种方式使 得开发数据库程序的时候十分灵活。另外，紧密集成宿主语言消除了额外的代 码层，使程序维持极小的代码体积，这在资源有限的嵌入式系统中是相当有意 义的。因此d 胁潍e d b 适用于大量高速的小规模数据量的操作。而在此之前， 在性能要求严格的嵌入式系统中，数据管理的大量工作，是由系统开发者自己 开发程序完成的。这不仅加大了开发人员的工作量，而且系统的可靠性也得不 到保证。 2 2 3 开发流程 基于e x t r e 鹏d 8 的数据库应用程序采用范式编译器产生的a p i 对数据库进 第二章内存嵌入式数据库与g i s g p s 系统 行存储管理，这不同于提供静态的标准a p i 的数据库产品。在那些产品中，对 用户来说，数据库操作的”i 往往是不可见的。用户通过间接的语句( 如s q l ) 来进行数据库操作。在e x t r e m e d b 中，数据库a p i 对用户是开放的，提供给用 户使用，并且是可以定制的。这些都是通过数据库范式文件来定义的。数据库 范式文件由用户编写，设定了数据库的属性，记录，索引等各个必要的信息。 图2 2e x t r e m e 肺开发流程图 大致开发流程见图2 2 ，可以看到，通过范式编译器将数据库范式文件编 译成相应的数据库接口文件之后，接下来的开发就和普通的c 程序开发一致了。 使用数据库a p l 只需包含接口头文件，并且链接相应的库即可。 第三节g i s _ g p s 系统 2 3 1g p s 系统9 1 g p s 系统的原理是利用g p s 卫星发射测距信号码和载波，用户通过接收机 第二章内存嵌入式数据库与g i s g p s 系统 接收信号，测量卫星和接收机之间距离，计算出自身位置坐标、方位、速度、 海拔等信息。 g p s 系统由3 部分组成：g p s 空间部分、地面监控部分和用户设备部分。组 成结构见图2 3 。 图2 3g p s 系统组成结构图 空间部分主要由2 4 颗g p s 卫星组成。这些卫星分布在6 个轨道面上，轨道 平均高度为2 0 2 2 2 千米。卫星轨道面与赤道面的相对倾角约为5 5 4 ，卫星运行 周期为1 1 小时5 8 分。卫星分布保证了在地球上任何时刻、任何地点至少有4 颗卫星在地平线上( 最多可达1 1 颗) ，用户可以接收卫星信号，测算经纬度、 海拔以及时间。 地面监控系统由5 个地面站组成。其中一个主控站，设在美国联合空间执 行中心( c s o c ) ，主要任务是协调管理地面监控系统，测算卫星星历，钟差等修 正参数，提供g p s 系统的时间基准，调整偏离轨道的卫星，启用备用卫星等。 三个注入站，分别设在印度洋，南大西洋和南太平洋的岛屿上，任务是在主控 站的控制下将星历、钟差、导航电文和其他控制指令注入到相应的卫星系统中。 主控站和注入站都兼有监测站功能，加上设在夏威夷的监控站，总共5 个，主 要对g p s 卫星进行连续观测，采集数据和监测卫星工作状况，将数据传送至主 控站【1 0 1 。 用户接收机通过接收多颗卫星的信号计算出自身位置。主要由g p s 接收硬 件和数据处理软件，微处理机及终端设备等部分组成。g p s 的软件部分主要作 第二章内存嵌入式数据库与g i s g p s 系统 用是对观测数据进行加工，以获得精密定位结果。现在的手持g p s 系统以及车 辆导航系统中，g p s 和电子地图、g i s 系统紧密结合。因此地图显示、用户界面、 信息查询、路径搜索等也成为实用的g p s 系统软件的必要功能。g p s 接收机硬 件，一般包括主机、天线和电源，主要功能是接收g p s 卫星发射的信号，根据 接收的信号不同，可分为c a 码、p 码和y 码等不同的系统。接收机硬件基本 构成框图见图2 4 。 图2 4g p s 接收机硬件基本构成框图 g p s 卫星发射的信号包括3 种信号分量：载波、测距码和数据码。 数据码采用伪噪声码进行调制，生成p 码和c a 码。其中p 码频率为 1 0 2 3 州z ，美国禁止提供该码给民间用户，其接收机价格昂贵，但优点是能对 电离层折射误差进行修正，码速高，抗噪声性能好，定位精度高。c a 码频率 为1 0 2 3 删z 。由于单频c a 码受到s a ( 为降低精度人为插入的干扰) ，因此一 般单机定位精度为l o o 米，采用d g p s 差分工作方式精度可达1 0 米( 现在定位精 度已有提高) o 。， 。 测距码是调制在载波上的5 0 h z 的低频数据信号，用户利用测距码可计算出 当卫星发射测距信号时卫星所在位置。 g p s 使用的载波有两种：载波l 1 为1 5 4 5 4 2 删z ，载波l 2 为1 5 4 5 6 0 姗z 。 数据流和两种伪随机码分别以同相和正交方式调制在l 1 载波上，在l 2 载波上 第二章内存嵌入式数据库与g i s g p s 系统 只用p 码进行调制。用户可利用载波相位信息进行精确的大地测量，利用载波 频率也可获得精确的速度信息【l l 】。 2 3 2g l s g p s 系统 g i s g p s 是2 1 世纪的研究热点之一。一方面，g p s 和g i s 结合，普及了 它的应用，使其不只是停留在大地测量领域；另一方面，与g p s 结合也提高 g i s 的动态分析能力。g i s g p s 系统广泛应用的几个系统是车载导航系统、智 能交通监测系统、自动控制系统等。这些系统的基本思想都是利用g p s 模块接 收卫星信号，计算出接收机的动态位置，同时结合g i s 系统实现对地图等空间 数据对象的存储、查询、分析等功甜“。 车载导航系统的多运行于小型的嵌入式平台之上，提供定位、导航、测速， 电子地图等多种功能。系统本身存储电子地图和其他地理信息，系统扩展可以 通过下载新的地图包和数据来实现，也有的系统通过额外的数据卡来扩展。 图2 5 车载设备的组成1 1 3 】 交通监测系统要复杂一些，主要由监控目标和监控中心两部分组成。监控 目标部分主要是自主的g p s 定位系统，类似于车载导航系统，但额外增加了与 监控中心部分的连接，可以与监控中心交换信息并接受监控中心的控制。监控 中心设有中心数据库，可以对所有的监控目标信息，如车辆种类，车辆识别号 第二章内存嵌入式数据库与g i s g p s 系统 码等进行管理和调度，并通过无线网络与监控目标连接，获取监控目标的位置 和状态，在电子地图上显示各个目标的运动轨迹，实现对目标的实时监控【1 3 】。 车载设备和监控中心部分的组成分别见图2 5 和图2 6 。 图2 6 监控中心的组成 本实验中采用的系统结构类似于上述监控中心结构，但数据库部分采用内 存实时数据库实现空间数据管理，且未涉及无线数据交换部分。 第三章基于d ：仃e m e d b 的地图系统设计 第三章基于e x t r e m e d b 的地图系统设计 一个基本的地图系统需要包括几个组成部分：矢量图形系统，用于管理空 间坐标数据；数据库管理系统，用于管理属性数据；以及实现矢量图形系统和 数据库管理系统双向连接系统和空间分析功能等。由于内存数据库的特殊性， 在本系统中，空间坐标数据也保存在数据库中，数据库一旦运行就独立于磁盘 文件系统之外。另外附加了g p s 定位数据的存储。 第一节系统模块设计 该地图模型按照功能划分，可以分成数据库模块、显示模块、信息查询模 块、g p s 定位模块、控制模块、通信模块、空间分析模块等。系统功能模块划 分见图3 1 。 数据库模块。读取】皿l 文件形式的矢量图形信息和属性信息，建立空间数 据数据库和属性数据库；读取分层的格式地图，用于栅格地图显示。负责维护 到数据库的多个连接，并且接收g p s 信息，更新各个监控对象位置信息，维护 对象的历史轨迹数据等。 显示模块。主要实现功能是从数据库获取矢量图形信息和属性信息，进行 坐标转换，显示矢量地图、多尺度的栅格地图，以及相应地理标志的名称、标 注等属性信息。 g p s 定位模块。接收g p s 卫星信号，计算监控对象当前的位置信息，将数 据发送至控制机。 控制模块。负责判断监控对象当前位置，根据不同的状态转入控制逻辑。 通信模块。多个监控对象与控制的连接可以用g s m 短信息来实现。本实验 中利用串口实现监控对象和控制端之间位置信息以及控制信息的交换。 空间分析模块。用于矢量间的空间几何关系分析，如线面的几何关系，区 域的覆盖，重叠关系，路径搜索等。 第三章基于e x t r e m e 【 b 的地图系统设计 3 2 1 空间对象 图3 1 系统功能模块的划分 第二节数据组织 空间对象可分为简单空间对象和复合空间对象，其中复合空间对象是由一 1 6 第三章基于e x n _ e l m e d b 的地图系统设计 个或多个简单空间对象组成的。目前o g c ( o p e ng i sc o n s o r t i 岫) 组织提出的 一些标准具有相当大的影响力，其中也包括了空间几何对象的定义的标注。 g e 0 e t r y 的类层次结构见图3 2 ，与本实验有关的几个对象为1 4 】： 图3 2g e o e t r y 类层次结构图嗍 夺g e 伽e t r y 是几何对象层次模型的根类，它是一个抽象类( 不可实例化) 。 在二维的坐标空间中，g e o m e t r y 的可实例化子类被限制定义为零维、一维、 二维几何对象。所有可实例化的几何对象都包括了其边界的定义。 夺p o i n t 是零维的几何对象，表示空间中一个单个的位置信息。p o i n t 对象包 括x 坐标值和y 坐标值，点的边界是一个空集。本实验中利用自定义的 l o c a t i o n 结构，只是简单存储了坐标对，并未涉及到边界问题。 c u r v e 是一维的几何对象，通常作为一序列点来存储。它有子类 l i n e s t r i n g 。 l i n e s t r i n g ，l i n e ，l i n e a r r i n gl i n e s t r i n g 是c u r v e 的子类，它在两点之 间采用了线性插值，每对连续的点都是一条线段。l i n e 是只有2 个点的 l i n e s t r i n g 。l i n e a r r i n g 是一个闭合的，简单的( 任意2 条边都不相交) 的l i n e s t r i n g 。本实验中没有定义单独的c u r v e 类及其子类，而是使用自 定义了p l i n e 多段线类，其数据成员包含了坐标对序列。 p o l y g o n 是平面的s u r f a c e 有一个外圈和o 个或多个内圈。每个内圈被认 为是p o l y g o n 的一个“岛”。在本实验中所定义的p o l y g o n 是简单属性的， 第三章基于c x 仃绷e d b 的地图系统设计 闭合折线包围的一块区域并不包含岛。因此形式上定义类似于l i n e a r r i n g ， 但p 0 1 y g o n 是二维的对象，且具有可填充属性。 3 2 2 空间数据结构和组织 空间数据主要分为矢量结构和栅格结构两大类。在矢量结构中，地理现象 被抽象成为点、线、面来表达。矢量结构的空间对象与要表达的地理现象之间 具有一定的对应关系。在栅格结构中，空间被规则的划分为栅格。地理现象的 位置和状态使用它们占据的栅格行列号来定义的。表3 1 列出了二者的优缺点。 表3 1 矢量数据模型与栅格数据模型比较( 边馥苓，1 9 9 6 ) 栅格数据模型 矢量数据模型 数据结构简单 提供更严格的数据结构 优 叠加操作易实现，更有效提供有效的拓扑编码，因而对需要拓扑 点 能有效表达空间可变性信息的操作更有效，如网络分析 栅格图像便于做图像的有效增强图形输出美观，接近手绘 数据结构不严密不紧凑，需用压缩技术解决 比栅格数据结构复杂 缺 这个问题叠加操作没有栅格有效 难以表达拓扑关系表达空间变化性能差 点 图形输出不美观，线条有锯齿，需用增加栅不能像数字图像那样做增强处理 格数据来克服，但会增加数据文件 实践中广泛采用的还有一种栅格一矢量一体化数据模型，结合了二者的优 点，具有更好的空间分析能力，而且容易实现r s 与g i s 的一体化。 矢量数据模型通过记录坐标的方式表达空间对象。根据记录方式的不同， 又有几种模型：1 1 4 】 夺s p a g h e t t i 模型( 无拓扑关系) 这种模型仅记录空间对象位置和属性信息， 不记录它的拓扑关系。它用坐标或坐标序列将点、线、面对象分开记录。 这种模型编码容易直观，数字化操作简单，但相邻公共边界数字化两次， 造成数据冗余，可能出现重叠或裂缝，且缺少拓扑关系。， ， 夺点位字典法( 无拓扑关系) 这种模型是对上面s p a g h e t t i 模型的改进。它 只存储点的坐标并赋予每个点一个i d 号，而其余线、面对象都是用i d 号 序列来表示。这种模型避免了坐标数据重复储存，消除了多边形边界裂隙， 但仍缺少拓扑关系。 第三章基于e x n m e d b 的地图系统设计 夺有拓扑关系的矢量模型的实现方法有很多。它将矢量数据抽象为点( 节点) 。 线( 链、弧段、边) 、多边形三种要素，主要表示了关联和邻接两种基本空 间关系。其优点是数据结构紧凑，数据冗余小，拓扑关系明晰，利于拓扑 查询和分析，但对单个对象的操作效率低，难以表达复杂的空间对象，局 部更新困难。 本实验中使用矢量结构，点位字典模型来存储空间数据，对象主要是点、 线、面( 基于多边形) 等简单几何实体。数据库存储点的实际坐标，对于线段 和多边形，仅存储相应点序列的i d 号。另外，分开存储弧段一节点的拓扑关系， 不涉及多边形等面的关联和邻接关系。在实验中实现了简单的连通性检查、路 径搜索等功能。 3 2 3 影像数据组织 影像数据是一般是由多个小图块组成的，用来显示高分辨率的地理图像， 地形地貌等。如果是多分辨率影像数据库，还需要在统一的空间参照下根据不 同分辨率建立影像金字塔。金字塔层次结构中包含多个数据层，金字塔的最底 层存储最高分辨率的数据，越往上层，数据的分辨率越低，金字塔的最顶层则 存储满足用户需要的最低分辨率的数据。这样处理增加了一部分冗余数据量， 但加快了实时显示速度。 影像金字塔的建立有两种方式：如果源数据本身就是多分辨率的，则可以 直接建立不同的图像工程数据，自动构建影像数据金字塔；如果只有基础层( 即 最底层) 的影像数据，上层可以根据相应的比例尺从下层抽取数据来构建影像 金字塔。目前多数系统采用这种方式1 1 4 】。 为演示影像数据，本实验中采用前一种方式组织影像数据