（模式识别与智能系统专业论文）基于嵌入式的农田信息采集系统的设计与实现.pdf

第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 农业是人类生存和发展的基础，农业生产水平也关系到是国民经济的发展水 平。中国是世界上最主要的农业国家，片j 占世界7 的耕地解决了i i i = 界2 2 的人口 的温饱问题。经过2 0 多年的改革和发展，我国农业的发展已进入了一个新的发展 阶段，主要表现在农业综合生产能力大幅度提高，农业抗胍险能力逐步增强。但 随着农业领域国际竞争日趋激烈，我国农业的产业素质和农产品的国际竞争能力 与发达国家相比存在较大的差距，农业高投入低产出的矛盾已经显现。特别是我 国人口众多，人均资源少，更加需要对资源的合理利用，对农业环境的污染进行 有效控制。 实践证明，片面追求高产、单纯依靠大量增加物质和化学品投入、过度消耗 土壤有机质和矿物质养分来提高产量，必将引起土地退化、水土流失、损失物种 多样性，导致生态环境被破坏，环境无法可持续发展。 农业现代化是我国农业发展追求的而且是希望尽早实现的目标，其基本内容 大体包括农业机械技术、农业生物技术和农业生产组织管理等的现代化。现阶段， 农业现代化强调农业生产和生态环境的协调，主要任务是把建立在直接经验和手 工工具基础上的传统农业转变为以现代科学技术、现代工业装备和现代化管理方 法为基础的现代农业。 上世纪9 0 年代以来，随着全球定位系统( g p s ) 、地理信息系统( g i s ) 、遥 感系统( r s ) 、信息软取系统( i g s ) 、决策支持系统( d s s ) 、智能控制系统( i c s ) 等技术研究的迅速发展，一种将现代信息技术、生物技术、农业科学技术和农机 工程装备技术应用于农业生产的“精细农业”，已成为一种新的主要农业生产形 式，它根据开= i 间因素的变化，控制投入，获取最大产量和经济效益的同时保护 农业环境。可以预言，精细农业的应用实践和快速发展，使人类充分挖掘农田最 大的生产潜力、合理利用水肥资源、避免环境污染、大幅度提高农产品产量和品 质成为可能，代表了新时期可持续农业发展的主要方向，将在2 1 世纪初成为推动 我国农业科技革命的重要研究课题。 本章根据当前世界农业发展的趋势，分析了精细农业的现状和我国的实际情 况，结合现有的研究条件提出了本课题的研究内容。 况，结合现有的研究条件提出了本课题的研究内容。 北京工业大学硕士学位论文 1 2 精确农业 1 2 1 精确农业概念 精确农业( p r e c i s i o na g r i c u l t u r e ，p r e c i s i o nf a r m i n g ) ( p a ) ，又称精准农 业，精细农业( 以下不区分“精细”和“精确”) 。其概念是由美国农业学家于 9 0 年代初提出来的。八十年代初国外开始的有关技术思想的早期实践，曾使用过： “s p a t i a l l y v a r i a l b l ec r o pm a n a g e m e n t ”( 空间变量作物管理) 、“p r e s c r i p t i o n a g r i c u l t u r e ”( 处方农业) 等名称”1 。 精确农业是利用重要的作物参数和知识在适当的尺度上优化生产系统管理， 是根据特定地块的作物潜在生产能力控制不同的投入水平( 如肥料、杀虫剂、除 草剂等) 。它利用遥感( r s ) 技术作宏观控制；用g p s 精确定位地面位置；用g i s 将 地面信息( 地形、地貌、作物种类和长势、土壤质地和养分、水分状况等) 迸行储 存，按区内要素的空间变量数据，精确设定最佳耕作、施肥、播种、灌溉、喷药 等多种操作，变传统的粗放经营为精细生产。精准农业不仅可以充分利用资源、 降低不必要的投入、减少环境污染和取得最大的社会经济效益，而且象工业一样， 可望使农产品生产成为可控化、标准化、批量化“1 。 精确农业实践的理论基础是信息论( 包括生物信息论) 、系统论、控制论和 农学理论。精确农业研究发展的驱动力，使作物产量在田间分布的明显时空差异 性。精确农业是信息技术在农业中的应用，是一种以知识为基础的农业管理系统， 其核心是因地制宜，因时制宜。 精确农业要实现三个方面的精确，即定位的精确，精确的确定灌溉、施肥、 杀虫的地点；定量的精确，精确地确定水、肥、杀虫剂的施用量；定时的精确， 精确地确定农作物管理作业的时机。 精确农业包含3 个实施阶段：确定田间管理事件、制定对策和实施对策。精 确农业的核心是对变化因素进行精确管理，变化因素包括：空间因素、时间因素 和预测因素。空间因素反映地域变化：时 x 第l 章绪论 表卜1 所示) ，针对田间不同的土壤环境及其他要素实性变量的物质投入，即“对 症下药”，从而从总体上降低成本。一般来说，经营规模越大，p a 的效益就越明 显，如表卜1 所示。 表卜l 特定规模及相关技术一览表 t 曲1 e 卜1s p e c i f i c a l l ys c a l ea n dt e c h n 0 1 0 9 y 经营规 定位系统 土壤信息图产量圈( 处理小区管理与株管理 模顷方式) 0 1经验与直觉按田间平均值处理按田间平均值作业监控，小型精 处理密；机械作业者的判 断 l 1 0 测量的自动田间内空间分布田间产量分布作业监控，自动化； 化土壤传感器产量传感器机械作业者的判断 1 0 5 0 测量的自动土壤传感器 g p s g p s g i s ，测判自动 化 土壤作图自动化 产量传感器化，自动化机械 g p s 利用 5 0 以上 g p s g p s 土壤传感器 g p s g p s g i s ，测判自动 产量传感器化，高速大型机械控 制 1 2 2 精确农业的技术体系 精确农业技术体系是农学、农业工程、电子与信息科技，管理科学等多种学 科知识的组装集成，其应用研究发展必将带动一批直接面向农业生产者服务的电 子信息高新技术与工程装备技术的研究与开发，对推动我国基于知识和信息的传 统农业现代化，具有深远的战略性意义。目前，国内外对精确农业的研究、大多 利用全球定位系统( g p s ) ，地理信息系统( g i s ) 、遥感技术( r s ) 、农田信息 采集先进传感技术、作物生产管理辅助决策系统和智能变量操作的农业机械。主 要技术包括： 传感技术( s e n s i n g ) 用来采集土壤信息，监视苗情和病、虫、草情以 及产量信息。 遥感技术( r e m o t es e n s i n g r s ) 遥感是用飞行器或人造卫星上装 载的传感器来收集地球表面地物的空间分布信息。它具有广域、快速、可重复对 同一地区获取实践序列信息的特点。r s 在精细农作管理中虽不是直接测量土壤水 第l 章绪论 无任何信息技术( i t ) 组成的传统方式； 管理信息系统( m i s ) 、咨询方式( w h a ti f 阳o d e l ) 和简单机械化； 空间信息技术的充分应用和自动处理：自动数据收集、集成m i s d s s 技术支 持系统 不同的应用水平将包含不同的组成，产生不同的环境和操作效应及达到不同 的经济效果。支持精确农业的专用硬件和设施系统将在不远的将来实现，而相应 的决策支持软件将会得到不断的、长期的开发和完善。随着相应技术的进一步发 展，精确农业将很快从试验应用走向推广应用。 精确农业技术开发路线啪如图卜2 所示： g p s + 传感器设置 带作业监控装 置的机械 差异性的获褥 产量分布 土壤分布 病虫害分布 污染分布 生长管理非均匀性 差异性的描述与解析 空间差异性 时间差异性 预测差异性 机械化技术( 安全+ 环 境) 高速控制位置 高速小区处理 机器视觉应用 信息终端化 最优化算法 产量模型 施肥管理模型 环境保全模型 成本计算 作业计划表 决策支持 图卜2p a 技术开发路线 f i g u r e 卜2p at e c h n 0 1 0 9 y e x p l o i t u r e 精确农业的实施是从准确地记录变异、差异开始的。变异包括空间变异、时 间变异、预测变异。变异的记录内容又包括田间产量、土壤、病虫害、环境污 染以及作物的长势、管理上的变异。变异所分析的内容包括空间、时间、预测以 及图谱分析。其次是农业机械化技术的开发，其内容包括机械的高速定位控制、 可变量控制操作结构、田间农作业监控以及信息终端。最后是决策支持，其内容 包括产量监测，土壤肥力监测，环境污染监测，成本、风险管理及最佳的计算方 法。以上三者有机的结合可构建起传感信息的基础设备。如果搞清楚以上各种变 异，相应的变量控制操作技术即可确立。为了选择出最佳的变量控制操作技术， 还必须要开发出农作物栽培模型、环境保护模型等决策支持系统。在以上技术开 北京工业大学硕士学位论文 据，完成椭球坐标和大地坐标的转化。 2 ) 构建地图显示的g i s 系统。研究g u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e 图形使 用者界面) 系统移植，使用c 语言、和g u i 库开发主程序，显示m a p i n f o 地图数据， 实时接收g p s 数据并在地图中定位。 3 ) 选取一种适合嵌入式系统的小型数据库，对采集信息加以存储、管理， 方便查询或其它调用。 4 ) 结合实际，以土壤水分参数为例，实现属性数据的采集、存储、图形化 的查询功能，实现采集的指导功能。 1 4 论文结构 论文的具体结构如下： 第一章为绪论。介绍了精确农业的概念和国内外的发展现状，提出本课题研 究的目标内容。 第二章具体介绍了系统平台的软硬件结构，本次开发选择的运行环境，总体 的开发过程。 第三章介绍了一款g p s 接收机接收过程中坐标信息字段的解析过程。 第四章分析了m a p i n f o 格式地图的结构，通过了解各个地图文件之间的关系 找到解析矢量地图坐标的方法，最后介绍w g s 坐标到平面坐标的转化的过程。 第五章分析了几种当前流行的g u i ，由于选取了m i i l i g u i ，重点描述了 m i l l i g u i 到a r m 开发板上的移植过程。 第六章分析了选择s q l i t e 作为终端的数据库的原因，并介绍了其对a 胁开 发板的移植过程，和其c 程序上的开发要点。 第七章介绍了嵌入式农田信息采集终端的各种功能及其实现的方法，包括对 属性信息的显示、漫游、决策、数据上传下载的程序设计。 第2 章采集终端平台介绍 第2 章采集终端平台介绍 2 1 嵌入式系统及其在精确农业上的应用 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪。适 用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序 等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器 微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操 作系统软件( 0 s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把 这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着 应用程序编程与硬件的交互作用。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4 个 特点： 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间， 从而使内部的代码和实时内核心的执行时问减少到最低限度。 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化， 而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功 能，同时也有利于软件诊断。 3 ) 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微 处理器。 4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通 信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 甚至| 1w 级。 有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越 紧密。 实施精确农业首先需要准确可靠的农田信息。农田空间差异性信息( 如，水、 有机质、氮、磷、钾等土壤属性信息及籽粒产量、小穗数、生物质产量等相关属 性) 的采集是实施精准农业的首要任务，这些信息数据是农田g i s ( g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 和农业专家系统分析、决策并制定农田变量作业处方的主 要数据源和参数。传统的信息采集方法费钱、费时、费力，随着精准农业科研和 应用示范不断增加的需求，开发方便快捷的农田信息采集系统的需求也更加迫 第2 章采集终端平台介绍 信的控制器包括u s b 主机和设备端，以太网1 0 l o o b a s e t m a c 。其功率管理控制 器提供了各种时钟速度，使单个外设不用时能被关断，在各种应用条件下保持最 低的功耗。对于资料存储，它支持各种c f 卡或其他海量存储。总体上来说 a t 9 1 r m 9 2 0 0 丰富的特性满足采集终端方案的要求。 图2 1 终端功能框架图 f ig i l r e 2 1t e n n i n a lf u n c t i o n 图2 2 采集平台硬件结构图 f i g u r e 2 2t e 珊i n a lh a r d w a r ef r 鲫e 第3 章g p s 定位系统介绍和信息的采集 3 1g p s 的工作原理和特点 g p s 是全球定位系统( g l o b a lp o s n i i n gs y s l e m ) 的英文缩写，是美国国 防部发射的2 4 颗卫星组成的全球定位、导航及授时系统，具有在海、陆、空进行 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。g p s 卫星定位系 统由g p s 卫星嗍、地面控制站和g p s 接收机三部分组成。 g p s 的定位原理是：围绕地球布设一个由2 4 颗卫星组成的空间星座，每颗卫 星不断地播发它当时所处的准确位置和发送时刻。这样在地球上的任何一点， 借助“卫星定位仪”，可以同时收到4 颗以上卫星发出的定位信号，接收机通过 对接收到的每颗卫星的定位信息的解算，便可确定该接收机的位置，从而提供高 精度的三维( 经度、纬度、高度) 定位导航及授时系统，冉利用机内的时钟和电脑， 根据电磁波测距原理，可以迅速、准确地测出自己的所在位置、运动方向和速度， 既实现了定位，又可进行导航。“ g p s 系统的特点有： ( 1 ) 在全球范围内全天候工作，不受天气影响。能为用户提供连续，实时 的三维位置，三维速度和精密时问。g p s 的适应性是实时、自动、全天候、任何 环境、任何气候条件下的定位系统，即白天黑夜、森林峡谷、天晴雨日均可自动 定出观损9 者的空间坐标，还可以指导您到达预定地点或从预定地点返回。 ( 2 ) 定位精度高。单机定位精度优于1 0 米，采用差分定位，精度可达厘米 级和毫米级。 ( 3 ) 功能多，应_ 1 j 广。随着人们对g p s 认识的加深，g p s 不仅在测量，导航， 测速，测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。 ( 4 ) 快速省时高效率。 3 2g p s 信号接收程序的设计 在本文介绍中的农田采集终端中，主要利用g p s 接收机提供的坐标数据作为 一种采样点的属性信息和实时定位的依据两个目的。 一种采样点的属性信息和实时定位的依据两个目的。 北京工业大学硕士学位论文 3 2 1 j u p i t e r ，g p s 0 e m 接收机介绍 对于用户来说，得到坐标的关键的设备就是g p s 接收机。本文采用的是 r o c k w e l l 公司的“j u p i t e r ”g p s 0 e m 接收机具有尺寸小、性能稳定等优良特征。 可方便、自主地开发出各种g p s 应用系统“。它具有如下特点： 极其紧凑的g p s 接收机尺寸：7 1 唧4 1 姗1 1 m m ： 其射频输入为1 5 7 5 4 2 脚z ，范围为一1 3 0 d b w 一1 6 3 d b w ； 具有1 2 个并行卫星轨迹通道，能快速识别和再识别当前位置： 支持真正的n e m a 一0 1 8 3 数据格式； 直接微分的r t c m s c 一1 0 4 数据能动态提供定位精确度； 自适应门限检测，提高微弱信号的检测能力； 基于s a 的静态导航能力； 可以基于s p s 获得最佳导航精确度； 通过串口通讯，用户有很大的操作空间和配置能力； 此外，该接收机可与过去的天线兼容，花费很小；可接收用户通过主串口写 入的初始化数据；具有三种启动方式：热启动、初始化、冷启动；用户可以选择 卫星；用户可以选择卫星表面角；具有可选的r f 连接头：最大测速可达5 0 0 m s ； 工作温度范围为一4 0 + 8 5 。 3 2 2 接收数据的格式 “j u p i t e r ”g p s o e m 接收机具有两种数据格式，一种是二进制方式，另一种 是( 也为a s c i i 码) 方式，可通过随机附带的软件设置选择不同的数据格。选择不 同的数据格式所对应的形式不同，消息长度和内容也不同。二进制方式消息格式 共有3 1 种消息( 其中1 4 种输出消息，1 7 种输入消息) ，每种消息必有一个消息头， 且以“0 x f f 8 l ”开始，数据段可选；n e m a 方式消息格式共有1 1 种消息( 其中7 种 输出消息，4 种输入消息) ，每种消息 x 第3 章g p s 定位系统介绍和信息的采集 表3 1g p r m c 定位语句结构 t a b l e 3 一lg p r 螗cw o r ds t “c t $ g p r m c1 2 3 4 5 6 ，a 3 4 4 4 1 2 3 4 ，n1 3 5 2 1 4 5 6 7 ，e2 2 0 1 9 9母1 0c r l f f i e l d 并12345678 $ g p r m c ：其中$ 字符为所有g p s 语句的起始标志，g p r m c 为地址域值，代表g p s 推荐的最短数据。 编号为1 至8 的字段都是数据字段，每个字段的起始都为一个逗号，表示分隔。 编号为1 的字段代表u t c j i m e 2 4 h ( 2 4 小时) 制的标准时间，格式为“，h 砌 x 北京工业大学硕士学位论文 系统调用先查询c o m 口，再用r e a d 去读就可以避免这种情况，并且当c o m 口有延时 时，程序可以退出，这样就不至于由于c 咖口堵塞，导致程序在r e a d 函数中盲目 的等待。 图3 1 串口解析流程图 f i g u r e 3 1c o mp o r td a t ap 啪i l l g s e l e c t 函数定义如下： i n ts e l e c t ( i n tm a x f d ， f d s e t ：# r e a d f d s ，f d s e t 水w r i t e f d s ，f e s e t 水e x c e p t f d s ， c o n s ts t r u c tt i m e v a l 车t i m e o u t ) ； s e l e c t ( ) 系统调用可以使进程检测同时等待的多个i o 设备，当没有设备准 1 8 第3 章g p s 定位系统介绍和信息的采集 备好时，s e l e c t ( ) 阻塞，其中任一设备准备好时，s e l e c t ( ) 就返回。s e l e c t 的第 一个参数是文件描述符集中要被检测的比特数，这个值必须至少比待检测的最大 文件描述符大1 ；参数r e a d f d s 指定了被读监控的文件描述符集；参数w r i t e f d s 指定了被写监控的文件描述符集；而参数e x c e p t f d s 指定了被例外条件监控的文 件描述符集。参数t i m e o u t 起了定时器的作用：到了指定的时间，无论是否有设 备准备好，都返回调用。 程序中是这样调用的： r e t v a l = s e l e c t ( 1 6 ，r f d s ，n u l l ，n u l l ，t v ) ； i f ( r e t v a l ) a c t u a l r e a d = r e a d ( p o r t s p o r t n o h a n d l e ，b u f ，m a x c n t ) ； 由于g p s 接收机可以每隔一秒发送一次信息，在调用r e a d 函数前调用s e l e c t 时，如果设置控制t i m e v a l 结构的等待时间t v 为1 秒，形成1 秒的定时器，这样就 能保证阻塞时间最长为1 秒。 用r e a d 函数读取g p s 接收机的n m e a 0 1 8 3 格式数据到一个字符数组缓冲区中， 在该缓冲区中截取“$ g p r m c ”为信息头“n ”为结尾的一段字符。 i f ( r e a d s t a r t! = 一1 s t r t e m p 3 + r e a d s l a r t = = r s t r t e m p 4 + r e a d s t a r t = = m ) 接着在这段数组中移动数组指针，并以“，”为标志判断该条信息是否有效， 即格式字段2 为“a ”的情况下，分别得到包含有3 、4 、5 、6 字段的字符串，即经 度、纬度值。通过a t o f 函数将得到的字符串转化为浮点型数，完成解析。 在程序设计中，为了方便调试，重新定义了一个类似p r i n t f 的格式输出函数 n e w p r i n t f 。这个可变参数的函数主要是修改的目标输出对象，即将输出对象变 为串口设备。这种串口输出的p r i n t f 流程图如图3 2 。 下面是s e r i a l _ p u t c 函数的结构。 v o i ds e r i a l p u t c ( c o n s tc h a rc ) i f ( c = = n ) s e r i a 上一p u t c ( r ) ；将n 的回车符转化为串口终端的r ， 以便在终端上能正确地显示“回车”。 c o m w r t ( 1 ，c ，1 ) ； 1 9 北京工业大学硕士学位论文 图3 - 2 n c 帅t f 流程圈 f i g u r e 3 2n e w p r i n t f f l o wc b a n 3 3 农田信息数据的采集 目前有不少农时信息传感器如t d r 农田四参数采集板、s f m 一1 型智能化农田肥 力测定仪等也支持串口的读取，只要知道这些农田传感器串口输出的数据格式， 即可通过前文介绍的串口读取解析获取农田信息。对这些数据的采集和对g p s 数 据的采集类似，在编程上函数可以复用，因为在原理上都是读取串口传来的数据， 存储到数据缓冲区，然后对关键字段予以解析。 如果农田信息传感器有独特的接口，则需要扩展开发板的i o 线，并编写特殊 的接口驱动程序，一般采取字符设备驱动程序即可。 实现过程一般是这样，首先分配主设备号、次设备号，然后注册 f i l e o p e r a t i o n s 结构所描述的“方法”，比较重要的方法有： in t( 丰r e a d ) ( s t r u c ti n o d e 丰，s t r u c tf il e 木， c h a r 木，i n t ) ； 用来从设备中读取数据( 如上文所说的串口驱动中的r e a d ) 。当其为n u l l 指 第3 章g p s 定位系统介绍和信息的采集 针时将引起r e a d 系统调用返回一e i n v a l ( “非法参数”) 。函数返回一个非负值表 示成功的读取了多少字节。 i n t( 木s e l e c t ) ( s t r u c ti n o d e 术，s t r u c tf il e 木， i n t ，s e l e c t t a b l e 术) ： s e l e c t 一般用于程序询问设备是否可读和可写，或是否一个“异常”条件发 生。如果指针为n u l l ，系统假设设备总是可读和可写的，而且没有异常需要处理。 “异常”的具体含义是和设备相关的。返回值告诉系统条件满足( 返回1 ) 或不 满足( 返回0 ) 。 i n t ( 车o p e n ) ( s t r u c ti n o d e 丰， s t r u c tf i l e 幸) ： 尽管这总是操作在设备节点上的第一个操作，然而并不要求驱动程序一定要 声明这个方法。如果该项为n u l l ，设备的打开操作永远成功，但系统不会通知你 的驱动程序。 3 4 本章小结 本章介绍了在农田信息采集过程中如何获得采集点的一种重要属性“坐 标”。本文采用了“j u p i t e r ”g p s 0 e m 接收机，采用串口传输，接收信息为n m e a 格式的字符串，然后通过一系列的软件解析得到其中的经纬度坐标并转化为浮点 型值。 一2 1 第4 章地图信息的获取 第4 章地图信息的获取 国内外有一些比较成熟的g i s 产品，如m a p i n f o 、a r c i n f o ，国内也有 e s u p e r m a p 等等。本文描述的采集终端基于嵌入式开发，也不需要非常全面的g i s 功能。本文中我们采用的是m a p i n f o 地图。m a p i n f o 是面向应用的桌面地图信息 系统，数据组织方式灵活，其格式地图资源比较丰富。在一些农田信息、城市交通 g p s 引导的场合中往往使用一些m a p i n f o 格式的地图。 在l i n u x 平台下，没有其特殊控件的支持，但是可以通过分析m a p i n f o 格式， 构造数据结构，获得矢量地图文件的坐标。 4 1m a p i n f o 公司及其产品 美国m a p i n f o 公司致力于为用户提供先进的数据可视化、信息地图化技术， 并将这些技术与主流业务系统集成，提供完整的解决方案。m a p i n f o 吸取了传统 g i s 系统的精华，并借助于计算机技术的发展，及时将g i s 概念从中大型计算机 的专用工作站上介绍至普通桌面p c 上，开创了崭新桌面地图信息系统。m a p i n f o 公司的主要系列产品有“： 桌面地理信息系统m a p i n f op r o f e s s i o n a l 网络解决方案m a p i n f op r o s e r e v 数据库服务器产品m a p i n f os p a t i a l w a r e m a p i n f oa c ti v e x d e ca 1p h an t 产品m a p i n f op r o f e s s io n a lf o rd e ca 1 p h an t p c 开发工具m a p i n f om a p b a s i c 4 2m 印i n f o 空间数据的拓扑关系模型 空间数据的拓扑关系模型是地理信息系统的基石。当前商用地理信息系统 中，主要采用p o l w r t 结构和“空间实体+ 空间索引”两种模型。m a p i n f o 采用 称作“空间实体+ 空间索引”的的拓扑关系模型。8 0 年代中后期出现的商用地理 信息系统，尤其是桌面地理信息系统大多采用这种方式，包括e s r i 的a r c v i e w 。 而采用p o l y v r t 模型的系统主要是以a r c i n f o 为代表的一些专业g i s 产品。 北京工业大学硕士学位论文 “空间实体+ 空间索引”模型的基础是“空间实体”。空间实体是地理实体 的抽象，主要包括点、线、面三种类型。每个空间实体对象都维护着自己的所有 属性。多个空间实体组成一个图层。 “空间实体+ 空间索引”模型的空间查询功能是通过“空间索引”技术来实 现的。空间索引的目的是对给定的空间坐标，能够以尽快的速度搜索到坐标范围 内的空间对象。m a p i n f o 采用r t r e e 技术将空间实体的最小外接矩形( m b r ) 存 储在索引中，并按从大到小的顺序进行索引搜索。建立了空间索引，就能快速地 进行空间分析了。 相对于，p o l y v r t 的优点是多个不同的对象可以共用相同的结点，节省存储 空间，但由此产生的问题是其结构更加复杂，数据的编辑和维护比较困难。而“空 间实体+ 空间索引”模型虽然会造成公共结点的重复存储，但是其结构化的实体 模型使得对某个对象的更改不会影响到其它对象的定义，从而大大增强了空间数 据的可维护性。 另外，基于p o i v r t 结构的空间数据组织不能被规范为关系模式，而基于 “空间实体+ 空间索引”模型可以规范为“实体一关系”模型，从而可以与关 系数据库系统结合，在关系数据库内实现对空间数据的查询、分析和处理等操作。 4 3m a p i n f o 的数据组织 m a p i n f o 含义是“m a p p i n g + i n f o r m a t i o n ”( 地图十信息) 即：地图对象+ 属 性数据。m a p i n f o 采用双数据库存储模式，即其空间数据与属性数据是分开来存 储的。属性数据存储在关系数据库的若干属性表中，而空间数据则以m a p i n f o 的 自定义格式保存于若干文件中，二者通过一定的索引机制联系起来。为了提高查 询和处理效率，m a p i n f o 采用层次结构对空间数据进行组织，即根据不同的专题 将地图分层( 图层还可以分成若干图幅) ，每个图层存储为若干个基本文件。各 文件之间的关系如图4 1 。 ( 1 ) 属性数据的表结构文件t a b 属性数据表结构文件定义了地图属性数据的表结构，包括字段数、字段名称、 字段类型和字段宽度、索引字段及相应图层的一些关键空间信息描述。t a b 文 件实际上是一个文本文件，可以在写字板中打开观察其内容。 ( 2 ) 属性数据文件d a t 属性数据文件中存放完整的地图属性数据。在文件头之后，为表结构描述， 其后首尾相接地紧跟着各条具体地属性数据记录。 ( 3 ) 交叉索引文件i d 2 4 第4 章地图信息的获取 交叉索引文件记录了地图中每一个空间对象在空间数据文件( m a p ) 中的位 置指针。每四个字节构成一个指针。指针排列的顺序与属性数据文件( d a t ) 中 属性数据记录存放的顺序一致。交叉索引文件实际上是一个空间对象的定位表。 ( 4 ) 空间数据文件姒p 具体包含了各地图对象的空间数据。空间数据包括空间对象的几何类型、坐 标信息和颜色信息等。另外还描述了与该空间对象对应的属性数据记录在属性数 据文件( d a t ) 中的记录号。这样，当用户从地图上查询某一地图对象时，就能 够方便地查到与之相关的属性信息。 t a b 文件d a t 文件 m a p 文件 图4 1m a p i n f o 的文件格式及数据关联机制 f i g u r e 4 1m a p i n f o sf i l es t r u c t u r ea n dd a t a sr e l a t i o n s h i p ( 5 ) 索引文件i n d 索引文件并不是必须的，只有当用户规定了数据库的索引字段后m a p i n f o 才 会自动产生索引文件。索引文件中对应于每个索引字段都有一个索引表。在每个 索引表中，先给出总的数据库记录数目，然后按照索引顺序给出每条属性数据记 录在对应的索引字段处的具体属性数据和该记录在属性文件( d a t ) 及交叉索引 第4 章地图信息的获取 p e n ( 1 ，2 ，0 )该多边形的画笔参数 图4 2m a p i n f o 的索引文件格式及数据关联机制 f i g u r e 4 2m a p i n f o si n df i l es t r u c t u r ea n dd a t a sr a l a t i o n s h i p b r u s h ( 1 ，o ，1 6 7 7 7 2 1 5 )该多边形的画刷参数 c e n t e r4 5 8 7 5 9 5 5 9 52 7 3 3 7 7 1 6 5 9 该区域的中心点坐标t e x t ”3 2 4 ” 文本内容为3 2 4 4 5 8 6 2 0 7 9 3 42 7 3 3 6 3 7 4 2 54 5 8 8 7 6 9 3 3 72 7 3 3 8 0 8 1 8 6 文本的左上角和右下角坐标 f o n t ( ”a r i a l ”，0 ，0 ，9 4 4 5 6 3 1 )字体，及其大小，颜色等 a n g l e1 6 2字体的旋转角度 p 1 i n e3 多点线，3 个顶点 4 5 6 8 0 5 4 9 1 3 2 7 0 9 6 1 0 8 7 2 第一个顶点坐标 4 5 6 8 8 2 3 2 7 72 7 0 9 8 5 5 6 8 3 4 5 7 0 2 4 9 1 4 92 7 0 9 8 1 0 9 7 4 p e n ( 1 ，2 ，o ) l i n e7 6 3 7 1 8 6 1 5 94 0 0 6 8 9 9 9 47 6 3 7 8 1 2 9 1 94 0 0 7 5 2 6 7 直线及其顶点 北京工业大学硕士学位论文 数组的指针f e a 。在o n e f 队中包含特性层的类型，文字信息等等，其中p a r t 指针 指向的o n e p a r t 结构数组又给出了各个部分包含的坐标点的数量和位置信息，x ，y 为w g s 一8 4 坐标值，是经纬度：x 2 ，y 2 为转化后的大地坐标值，以米为单位；r 曲 为该p a r t 在文件中指定的颜色，n o w r g b 为显示过程中使用的当前色。目前，地图 解析出的大部分信息存储在这些结构体中，如果需要存储更完备的地图信息，如 线宽，字体，角度等，可以扩展结构体中的元素。 4 5 高斯投影的坐标转化 2 2 要对坐标系统进行相互转换，首先需要了解坐标系统的定义及其投影方式， 下面做简要介绍。 本文涉及到的转换是在空间直角坐标和平面直角这两种坐标系统间发生的。 空间直角坐标是地表空间实体的位置按严格的数字定义表达成的地理坐标，以经 度和纬度表达，连接地球表面任一点和南极、北极的线称为经线，把经过英国格林 尼治天文台的经线定义为0 。，以西为西经( 0 一1 8 0 。) ，以东为东经( 0 + 1 8 0 。) 。纬度是当地垂线与椭球赤道面的夹角( o 9 0 。) ，赤道以北为北纬， 以南为南纬。以地面某点为原点，在其切平面上建立的平面直角坐标，正北为x 轴，正东为y 轴，这是直角坐标系“。 高斯一克吕格投影是一种横轴等角切椭圆柱投影，它是将一椭圆柱横切于地 球椭球体面与椭球体表面的切线为一经线，投影中将其称为中央经线，然后根据 一定的约束条件即投影条件，将中央经线两侧限定范围内的点投影到椭圆柱面上， 从而得到点的高斯投影。这一投影的几何概念是：假定有一个椭圆柱与地球椭球 体上某一经线相切，其椭圆柱的中心轴位于赤道平面上，而后按等角投影的条件， 将地球椭球体面投影到椭圆柱面上，展开后得此投影，所得的投影中，切经线( 即 中央经线) 和赤道投影成互相垂直的直线，中央经线为纵坐标，赤道为横坐标，其 交点为坐标原点。高斯一克吕格投影具有以下特征： ( 1 ) 中央经线和地球赤道投影成为直线且为投影的对称轴； ( 2 ) 具有等角投影的性质； ( 3 ) 中央经线投影后没有长度变形。 由大地经度l 和纬度b 换算高斯平面坐标x ，y 的公式正算公式。”如下： k = 口( 1 一矿) b + 崩1 8 0 - 岛+ 妇2 b 2 + c + s i i l 似4 - d + s i n 船6 ( 4 1 ) 第4 章地图信息的获取 工碱+ 【扣2 即圳2 露+ 去c o s 4 即彳蝴2 峋2 妣) 4 p 4 ( 4 _ 2 ) + 去c 。s 6 1 瑚“2 7 0 产3 3 0 f 2 n ( 卜u 】 ) ，。5 。+ 【c 。s 占( 三一三。) 异+ 吉c 。s 3 四( 1 一f 2 + 刁2 ) ( 三一三。) 3 露+ ( 4 3 ) 击c 耶- 1 8 “1 4 节2 _ 5 8 吻2 ) ( 三喝) 5 碍】 其中2 南，昂= 只，1 8 0 ，7 2 e 2 c o s 2 b ，f = t 姐曰 口、e 、d 分别椭球长半径、第一和第二偏心率，厶为中央子午线经度。 同理，通过删反投影变换可以由平面坐标( x ，y ) 变换成大地坐标( b ，l ) ： b 2 且一互五砉面_ y 2 + 互葺x 丙彳y 4 ( 5 + 3 哆+ 叩2 9 f 2 刁2 ) 2 m 。n 2 4 m 。n ”、 j 一 一面匆y 6 ( 6 1 + 9 0 产“5 f 4 ) 扛厶+ 志一 ( 4 4 ) 若丙彳备( + z r 2 + 叩2 ) + 。一。， i i _ l ；二：- ( 5 + 2 8 f 2 + 2 4 f 4 + 6 叩2 + 8 f 2 玎2 ) 1 2 0 3 c o s 最、 。 其中， 矗为子午圈曲径半径，表达式为m = ( 1 8 2 ) ( 1 一e 2s i n 2 马) 3 ，骂为纬度 初始值，其表达式为：旦= j c “l e 2 ) ，并需经过多次迭代得到马值： 且= x ( 1 一一) + f s i n 2 置2 彳+ c s i n 4 且4 彳+ d s i i l 6 日6 彳 由上分析可以看出，只要了解m a p i n f o 文件的存储结构与投影变换原理就可 以通过编程实现转化，下边给出正算的示例代码。 v o i dw y l 1 b 2 x y ( d o u b l el ，d o u b l eb ， d o u b l e 冲c x ，d o u b l e 水y ) d o u b l ea 0 = l - 0 0 5 0 5 1 7 7 3 9 ： d o u b l eb 0 = 0 0 0 5 0 6 2 3 7 7 6 4 ： d o u b l ec o = o 0 0 0 0 1 0 6 2 4 5 1 ： d o u b l ed o = 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 8 l ： d o u b l ea = 6 3 7 8 2 4 5 0 ： d o u b l ep o = p i 1 8 0 ： d o u b l ef - 1 2 9 8 3 ： d o u b l ee = s q r t ( o 0 0 6 6 9 3 4 2 1 6 2 2 9 7 ) ； 一3 1 第5 章g u i 显示平台的建立 第5 章g i j i 显示平台的建立 比较目前几个面向实时嵌入式l i n u x 系统的g u i ，目前比较成熟，同时得 到最多开发人员认可的有m i c r 。w i n d o w s 、q t e m b e d d e d 以及m i n i g u i 等三个系 统。最终通过对比选择了m i n i g u i ，由于在本文的嵌入式开发中需要产生a r m 芯片 的可执行代码，所以需要对其进行移植，这样在后续的界面开发中，就可以在a r m 平台上利用它的a p i 函数和消息分发机制。 5 1 几种主流g u i 的比较 5 1 1m i c r o w i n d o w s m i c r o w i n d o w s 是一个典型的基于s e r v e r c l i n e n t 体系结构的g u i 系统。最 底层是面向图形显示和键盘、鼠标或触摸屏的驱动程序；中间层提供底层硬件的 抽象接口，并进行窗口管理；最高层分别提供兼容于xw i n d o w 和e c m aa p l w ( w i n 3 2 子集) 的a p i 。其中使用n a n o x 接口的a p i 与x 接口兼容，但是该接口没有提 供窗口管理，如窗口移动和窗口剪切等高级功能，系统中需要首先启动n a n o x 的s e r v e r 程序n a n o x s e r v e r 和窗口管理程序n a n o w m 。用户程序连接n a n o x 的 s e r v e r 获得自身的窗口绘制操作。使用e c 姒a p l w 编写的应用程序无需 n a n o x s e r v e r 和n a n a w ，可直接运行。 m i c r 侧i n d o w s 提供了相对完善的图形功能和一些高级的特性，如a 1 p h a 混 合、三维支持和t r u e t y p e 字体支持等。该系统为了提高运行速度，也改进了基 于s o c k e t 套接字的x 实现模式，采用了基于消息机制的s e r v e r c l i e n t 传输机 制。m i c r o w i n d o w s 也有一些通用的窗口控件，但其图形引擎存在许多问题，比 如无任何硬件加速能力。 5 1 2q t e m b e d d e d 主要特点是可移植性较好。因为q t 是k d e 等项目使用的g u l 支持库，所以许多 基于q t 的xw i n d o w 程序可以非常方便地移植到q t e m b e d d e d 版本上。因此，自从 q t e m b e d d e d 以g p l 条款发布以来，就有大量的嵌入式l i n u x 开发商转到了 q t e m b e d d e d 系统上，如韩国的m i z i 公司。q t e m b e d d e d 同样是s e r v e r c l i e n t 结 北京工业大学硕