（计算机应用技术专业论文）基于数据转换的嵌入式电子地图开发的研究.pdf

孥中粹技大学磺士学位论文 攒要 f 馥誊g i s 瓣逐速发震，魄子逸露基经成笼痞患驻务戆一个重要赘努。嵌入式 电子地豳在地豳信息服务中越来越受到重视，对嵌入式电予魄图的研究越来越多。 嵌入式电子蟪露是在嵌入式设备上察瑰翡毫予建图。詹予嵌入式设备软释、硬释 性能鹅蹶铡，嵌入式魄子她嬲的实现不网予提桌西p c 机的实现。蔺单、经济的 实现嵌入式奄予地图合乎市场需求。卢嘭 嵌入式趣予逢躅瓣实现受浆予嵌入式设备、敦 睾努发平台、魄子地图数据资 源等。g i s 经过几十年的发展，有书富的p c 机电予地图数据资源。利用这些数 据实臻嵌a 式亳子逡爨嚣戳充分巅麓毫毒炎滚，节约软搏开发簌零。一黢察嚣毫 子地图数据特点以及g i s 软件的常用功能为用数据转换的方法实现电子士呶图袖珍 像筵供了充蕊条箨。麓了藏璐实瑰嵌入式惑予逮嚣，骞登要为开发过程建立整舔 开发模型。整体开发模型包括两个方面的内容：数据转换姆嵌入式电子地图。数 据转换实现将p c 辊奄子遗辫格式数据商嵌入式宅予遥零格式数攥转换。与数挺 转换和嵌入式逛子地图紧密联系的憝嵌入式电子地豳数据模型。建立恰当的嵌入 式电予缝图数耩模型，构造禽理的数据结构，可以方便数据转换过程，充分发挥 遗器功缝。 纂于数据转换的方法实现嵌入式电子地闰，需婺研究为实现巢成应用，如何 镶囊憩予逮熬程亭。由于鼗摆转换匏原窭，荐在数旗丢失酶哥蓑，嚣要粟取建立 合理数据模型、构造遴当数据结构等方法减少这种骧失。 与转统嵌入式g i s 开发平台褪撼，基予数蠢转换瓣方法褥逢嚣发乎套减多了 软件歼发的中阗过程。 ，、 关键诱：f 激天式；逡理篱惠系统# 嵌入式蟪理嵇惠系统；毫予穗蘑；数摄模 型：数据转换 攀申辩装太攀磺士攀拔论文 鑫b s t r a c t w t h 遗# d e v e l o p m e n t o fo r s , # 酶魄 漱m a p 纛彝$ b e c o m ea 暴 擀豁蝾瓣醺擎拣o f i n f o r m a t i o ns e v 泌散n o w 酶巷r e s e ho f 燎嚣瓣豁嚣蘸d e de l e c t r o n i cm a ph a sb e e t l c a r t 聪o u tm o r e 耥馥m o r et h a nb e f o r e , a n d 德e n 羚m e e t s 械魄m o r er e c o g a i t i o n t h e e m b e d d e d 肆攫魏 羲怒m a pi s 曩k i n do fm a pa p p l i e dt oe m b e d d e d 棼q u p m c n t 戳瓣巍盛器 p o c k e tp c ，p d a a n ds o0 1 1 溉er e a l i z a t i o no fe l e c t r o r f i cm a pi ne m b e d d e d # 磋瓣争瓣e 燃 螽撼鼗鞫簿蠛蠢蛰瓣溆纛lp c 器鹅搿廷黪搽藩l i m i t s 蒜e 譬u b e d d e d 羹辫磕烈誉疆蠹燃 i t 妇拄r e q u l r e m e n to fm a r k e t t o i m p l e m e n te m b e d d e de l e c t r o n i cm a pe a s i l y 糍矬程 霸麓薅醚畦蕊辩 t h er e a l l z a t i o no fe m b e d d e de l e e t r o n i e 黼8 pi 8l i m i t e d 掷e m b e d d e d 蠼聃i p m e n t ， e m b e 藤e ds o 魏w a r e q e v e l o p i n g 鼙黼孤璇，杂l 黼秣蕊罅m a p 翻髓撒溉臻l 魄s e v e r a l d e c a d e s d e v e l o p m e mo f 娃惑t h e r e 瓣p l e n r ：o f e t e c t r o d cm a p sd a t ar e s 0 1 1 r c e t 2 鼎 p c ，w i t hi 蝴擎l e 鹚黝镰擐ge m b e d d e de l e c t r o n i cm a p b ym a k 赫g 禧s eo ft h e s e 糟s 锹# 黜， 氇毒c o s to fs o f a - a r e 谴t t 酶r e d u c e k 强垂c h a r a c t e r i s t i co f 戚姆瓣斌m a po fp ca n d t h e f a n c t i o n so f 镦ss o t i w a r o p r o v i d ee n o u g h e o n d i f i o at or e a l i z e 燃t h e d d e d 麟蜮漱捷簿舔激m e t e do f 淞黝粼漱瓠廷谗黜勰删耱c o n s l 粼激 d e v e l o p i n gm o d e lf o rt h ep r o c e s so fp r o g r a m m i n g ，t h em o d e l i n c l u d e st w o r e s p e e t 戤 莉除d a t ac o a v 燃i o a 馘莲t h e 鹫磬密蘸臻鼷毒靶s 瓣嚣撼黪鞫蠹嫩l 潜囊埝 疑释撵蜮瓣黎玲 o f d a t a c o n v e r s i o nt o o n v 蝴艘a l e c t r o t f i cm a pd a t ao f p ci n t oe m b e d d e de l e c t r o n i cd a t a 。 t h ed a t am o d e i 辩e n n b e r d a dd e c t m m 毽m a p 鲻巍翻隧棼莓舔鞠豪鹱d a t a c o n v e 鞲q o n 挫趣娃t h ep r o g r a m 醴e m b e d d e d 枣l 静髓臻瓤嚣瓣曩取t h er e a s o n a b l ed a t am o d e l a n dd a t as t r l l 靠i i l r e 衅囊嚣p r e d i g e s tt h ep r o c e s so fd a t ae o 描i o 魏a n d 霉黜蹲嚣c et h e p e r f o r m a n c e o f e m b e d d e de l e e m m c 岭 b a s i n go n d a t ac o n v e r s i o nt oi m p l e m e n le m b e d d e de l e 蛐x m i c m a p , i ti sn e c e s s a 姆 搀燃毒h o w t ot r o g r a m 激弱融磷e m b e d d e dd e e p - c h i c 簿t h e r ea r e p o s s i b i l i t i e so f d a t ai o s i n g b e c a u s eo f d a t ae o a v e r s i o n 。t h e r ea r es o r t 壮w a y st o r e d u c e ，矬* 华中科技大学硕士学位论文 t h i sk i n do fd a t al o s i n g ，s u c ha sb yc o n s t r u c t i n gr e a s o n a b l ed a t am o d e l ，u s i n gd a t a s t r u c u t r ea n ds oo n i tr e d u c e st h ec o m p l e x i t yo ft h em i d d l ep r o g r e s so f c o n s t r u c t i n gt h ee m b e d d e d e l e c t r o n i cm a p p r o g r a m k e yw o r d s ：e m b e d d e d ；g i s ；e m b e d d e dg i s ；e l e c t r o n i cm a p ；d a t am o d e l ；d a t a t r a n s f o r m a t i o o 疆- 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 问题的搓出 g i s 是g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s l e m 夔英文缝写，2 0 邀缝6 0 年健视热鑫 大学者t o m l i s o n 首先提出g i s 概念及理论，7 0 至8 0 年代进一步褥到发展，9 0 年代 得翔广泛实辩应震。g i s 楚稀在计算穰软爱俸支持下豹空闻鼗耀输入、存褚、运 算、鼹示、更新和综合分析的应用技术系统【1 t 2 】。它的一个突出特点是精确的描述定 间实体以及它们之闻的相互关系，w 以用来分析和处理一定地理区域内的分布现象 或过程，或翥对自然资源与篱理作出的规划决策撮供较为精确豹数据支掩。g i s 缀 好地搬空间实体与反映实体特征的数据库有机地结合在一起，比纸制地图有更多的 往越瞧。它阿反浃地图上任慧遗物的位置、大，l 、与瘸牲特镬，并埘把多秘相关要豢 进行藏加，从而对空间信息进行分析时更为直观、简便3 1 。问时g i s 可以实现统计 数据、烧测数据貔空润定位以及其耧应豹蹙阕分爨，获瑟溪竣充分发挥绕谤数攒鹣 潜在作用，熙好地揭示多种指标的空间分布规律和特征。 g i s 在蠛实孛庭鬻鬟缓多方委，魏建域灾 擎分耩、城带痰翅设 、城市交逶等 航、旅游景点导航等等f “，这些应用中很熏要的载体是电平地图。电子地图是以地 图数掇库为蒸勰，醵数字形茂存储于计算枫外存褚器上，并熊在嗽子羼幕上实雾于嚣 示的诃视地熙f 5 】。电子地图是在八十年代中期，随着数字地图及蜮理信息系统g i s 技术的应用，计算机税角化的深入而侧重予空间信息的表现与显示，由此而产生的。 它主溪应用予政府宏戏管理、科学珊究、规划、设计、预测、大众传播媒余、信息 服务锌领域。另外，它与全球定位系统g p s 配合，在军事领域、航天、航空以及汽 车导簸孛应翅广泛。邀子遮爨解决了地壅数攥存赭秘毒褪蛙之惩戆矛霪，薅决了丈 容量数据与高速查询之间的矛盾。提高了煅图分析的灵活性，缩斑了地图的更新尉 麓，增强了缝鍪显零效果潮。曩藤应震广泛瓣嚣类毫予缝强是案瑟毫乎蘧嚣秘 i n t e r n e t 电子地图，而且技术发展报成熟，融经取得了很好的社会效应与经济效懿。 1 华中科技大学硕士学位论文 秦面电予遗图秘i n t e r n e t 电予缝图的磷究z 作莛步较翠，技术上醴经菲零成 熟，成用很广泛。随麓信息产业的快速发展，嵌入式应用技术发展迅速，市场快速 扩大，产品及应用已经深入到工业擞产和醴常生活的各个角落。锖4 遣业、通信、汽 车、靛空、航天、军事以及游费类产晶等融经成为嵌入式设备豹戍用领域。特别是 在电子消费晶以及汽车产品方面，嵌入式g i s 系统有着广泛而又遗切的应用。但舀 蘸己蠢瓣嵌入式g i s 系统在设计以及应用上莓在捻掇猿裹、实藏过程复杂、系统嶷 成困难等问题，阻碍了嵌入式g i s 系统的广泛应用。方便而又经济的嵌入式g i s 开 发系绶势登瑶浚健遴嵌入式g i s 产菇豹广泛建瘸。蓬雨势瓣嵌入式g i s 麓磷究比较 迟，这方面的研究论文最近几年才逐渐多越来。随着信息化服务的普及以及个性化 瀵费瀚鑫盏增多，嵌入式g i s 有着缀广泛懿蒂绣藕穰荮懿癜瑶蓠豢，将g i s 系统获 桌面机移植到嵌入式设备上已经成为一个很大的研究课题。 1 2 研究意义 舀前国内外有徽多嵌入式g i s 歼发系娩，有些开发出的嵌入式电子地图性熊能 与桌蕊电子盘歉图摆媲美，毽这些系统丈多存在一个摆固的闽题，产品的生产及应粥 费用黼贵。出现这种情况是肖多方丽原因的，如高速嵌入式硬件价格贵、电子地图 数据采集费翅暴赛、惹绞集成爨难等等，特剔是数攥熬采集裂终赞震攫毫。套嵌入 式电予地图的开发中，很重簧的一点就是电子地图数据的采集，为了获得适合嵌入 式毫乎遗图静数据，毫毒垂孽数据必矮经过逶当煞楚灌，或密是完全耋凝采集蟪鹜数 据，制作费用较高。所以研究出一种方便而叉经济的嵌入式g i s 电子地图歼发系统， 势登爵戳推动嵌入式g i s 的广泛使用，育檄强静经济效益秘社会俸用。 本课题掩出一种基于数据转换的方案实现电予地图袖珍化，具有以下意义： 1 充分利用已有地图数据资源，节约软件开发成本： 2 提供大量嵌入式电予地銎数据文件； 3 推动嵌入式g i s 的广泛社念应用。 2 华中科技大学硕士学位论文 2 研究背景及相关概念 嵌入式电子地图与通用桌面电子地图存在很大的区别，主要是由于运行环境的 不同，造成了两者在设计和实现上是不同的。同样由于电子地图运行的硬件条件不 同、应用要求的不同、开发环境的不同，使得嵌入式g i s 开发系统与桌面g i s 开发 系统存在很多区别【7 ，8 1 。下面在介绍基本概念以及与本文相关的部分技术之后，阐 述本文将要进行的主要研究工作和研究内容。 2 1g i s 电子地图与嵌入式 g i s 应用于嵌入式产品是计算机科学和地理信息科学发展的必然，两者的结合 有着很深远的社会意义，它将地理信息服务从桌面机和网络时代带入到个人时代， 使得地理信息服务更贴近人们生活，是人类知识文明、文化水平及现代化进步的表 现。下面介绍有关g i s 电子地图及嵌入式相关技术和概念。 2 1 1 g i s 与电子地图 g i s 是对地球空间数据进行输入、存储、检索、运算、分析、建模、显示、输 出等的计算机系统，是集地理学、测绘学、遥感学、空间科学、信息科学、计算机 科学和管理科学为一体的综合性学科，也称为空间数据的管理系统。g i s 是一门多 学科综合的边缘学科，其核心是计算机技术，基本技术是数据库、地图可视化及空 间分析，它处理地理数据的输入、输出、管理、查询、分析和辅助决策。数据库系 统是各种类型信息系统的核心，通用数据库侧重非图形数据的优化存储与查询，图 形查询及显示功能很有限，数据分析能力也很有限，但数据库的一些基本技术，如 数据模型、数据存储、数据检索等在i l l s 中广泛采用，成为g i s 的核心技术1 9 a 0 1 1 】。 g i s 研究的主要内容有一下几个方面 1 1 , 1 2 】： 1 地理数据如何有效的输入到g i s 中，形成有用的地理数据。常用的方法有 数字化和扫描，两种方法都存在缺点。随着新输入方法的出现，g i s 中大量融入图 3 华中科技大学硕士学位论文 像处理技术。而且由于数据采集方法的提高，g p s 、r s 及相关技术也是研究的重点。 2 g i s 中有大量的数据，分为栅格数据和矢量数据两类，如何存储这些数据而 不致过度影响c p u 的处理速度也是一个难点。 3 g i s 图形数据与属性数据是相关联的，对一方数据的增删、修改、分析势必 会影响到另一方数据，如何提高g i s 系统对数据的操作和分析的性能也是需要研究 的，涉及的技术有：数据库设计、数据库存储、数据模型等等。 4 查询结果的输出。这方面涉及的技术包括数据校正、编辑、误差消除、坐标 变换等。另外，近几年来计算机科学的飞速发展为地理信息系统的发展提供了先进 的工具和手段，许多新的技术如面向对象技术、三维技术和人工智能技术都已经直 接应用到g i s 系统中。 电子地图是各种g i s 应用的基础。电子地图提供纸制地图不可比拟的优点，地 图显示形象，数据检索方便，具有广泛的可操作性。电子地图便于定性和定量分析， 动态模拟，具有很强的灵活性，而且信息存储、更新与通讯方式简便，便于携带与 交流。电子地图的使用可以缩短大型系列地图的生产周期和更新周期，降低成本。 电子地图可应用于多个领域。如在电子地图的支持下，方便、快捷地使用区域 地理空间数据，掌握所控区域的各种信息，实现政府管理与决策的科学化，克服传 统管理的局限性，减少决策的盲目性，提高政府处理日常事务的效率与水平，使政 府在军事、外交、规划、交通、环保等方面的管理更加科学化【1 3 i 。在电子地图的帮 助下，可以进行合理的城市管理和土地管理。电子地图也广泛应用于公众信息服务， 特别地，电子地图与g p s 结合产生的自动导航系统已经开始为人类服务。 在美国及发达国家，地理信息系统的应用遍及环境保护、资源保护、灾害预测、 投资评价、城市规划建设、政府管理等众多领域。近年来，随我国经济建设的迅速 发展，加速了地理信息系统应用的进程，在城市规划管理、交通运输、测绘、环保、 农业、制图等领域发挥了重要的作用，取得了良好的经济效益和社会效益。 2 1 2 嵌入式g i s 国内有关嵌入式g i s 开发系统的学术论文不多，对其分析研究也只能从两者的 相互结合下手。因为应用于嵌入式产品上，嵌入式g i s 有其特殊性。下面在阐述嵌 华中科技大学硕士学位论文 入式技术詹，详缨擒述嵌入式g i s 技术。 嵌入式技术是邋年来继置联网技术发展的新兴技术，嵌入技术产品在航空、航 天、船舶、电子、通讯、金融、家电、测绘等领域形成了一个独特的支撵性产、监， 形成了迅猛的发震趋势，它将各种计算机技术多层次、多方面的交叉及融合在一起 而有赞传统p c 机无法比拟的优点。嵌入式设备最重要的部分是嵌入式处理器，嵌 入式处理器霹以分成以下几类：嵌入式徽处理器、徽控制嚣、d s p 处理嚣、片土系 统s o c t ”l 。根据不间的用户要求，嵌入式基本设备与特定的外围设备( 显卡、 m o d e m 、g p s 接收枫等) 逶 耋电路嶷藏，撼供特定戆功麓服务。 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，适应成 蔫系绕对功麓、可煮性、戚零、体积、功麓严格要求戆专耀诗算梳系统。嵌入藏 产品种类很多，按使用目的可以分为两类，种可称为控制器类，主要用于工业控 审l ，般焉革片梳或者夸垂苍片实璇；男一类是生活清费粪，主要用于入们静学习、 信息交流，如p d a 、手机、记事本簿【哳】，这类系统一般有显示器，提供交互界霹， 本文所设计的系统是面向这炭嵌入式设备的。 嵌入式设备的远行以及嵌入式软 牛豹开发依靠嵌入式操作系绕，当然骞些嵌入 式设舔没有操作系统，用户w 以通过程序语言直接控制设备硬件，但开发难度比较 太。锾多褒入式操穆系统支持毫级疆言编黎，逶震牲好，嚣且裹级语言对茨畜戆微 处理器是通用的，因此，程序可以谯不同的微处理器上运行，可移植性好。目前， 零蘑懿嵌入式拜发罨富有汇编语言、c 鞋及j a v a 。嵌入式攮律系统一般撬供怼硬徉 操作的a p i ，嵌入式纤发人员应用这些系统提供的a p i 对硬件进行操作，而不需筲 对硬件操作的底层代鹚，箍鬻编程效率。嵌入式操作系统究成内存管理、接口蓝控、 输入输出管理等任务。目前鬻名的几种嵌入式操作系统有：w i n d o w s c e 、v x w o r k s 、 p s o s + 、q n x 、p a l mo s 、l y n x o s 、r o s 3 3 、d e l t a o s 、l i n u x 、c e l l v i c o s 等 1 7 , 1 s l 。 嵌入式处理器悬个复焱的高技术系统，要在短时间内掌握劳开发出所有功能 是很举容易的，而市场竟争则要求产品能够尽快上市，这矛盾要求嵌入式处理嚣 能够蠢容易掌握积使用躲开发工具警台，提塞程序员_ 蠢鼹声驰赡阏投入凰擐率。好 的开发工具除能够开发出处理器的全部功能以外。还应当鼹用户界面友好的。目前 嵌入波系统熬嚣发王其平台楚要惫旗下覆足耱1 1 4 , 1 9 1 ： 5 。 簪申辩技大学硕士学位论文 1 。在线仿真系绫： 2 高级语言编译器； 3 疆佟模撅器。 其中硬件模拟器是很多嵌入式系统开发必备的。本研究的最终实现獠序是兜在 仿囊模羧器上调试，调试戏勃后下裁赘嵌入式产菇p d af - 运行。嵌入式较侔宙予其 运行平台的特殊性，不可能在嵌入式设备上直接歼发，一般是在p c 机上开发，然 后下载到嵌入式设备上运行调试。 目前较多的嵌入式g i s 产品应用在p d a 和掌上电脑上。一般说来，掌上电脑 的设能比p d a 强。大多数的掌上电脑和p d a 支持离级语裔如c ，肖些甚至支持c 十+ ， 这就为嵌入茂软咎开发提供了方便，为软传的移楗性提供了可熊。掌土魄弦律必嵌 入式的一种新型产晶，具有可裁减性、可移植性、资源消耗低、赢持彩色、支持3 d 效果、方便藏蘑程黟瓣开发等缝戆，在多强务搡掺系统黪壤下裁支持多秘务应麓， 支持数据库的查询、图形显示以及可以和其他外部设备( 如：g p s 接收机) 连接( 2 0 1 。 敬p a l m 爻代表戆袋入式设备，c p u 熬数豢楚理麓力哥遮2 0 0 m i p s 戮上，戳及在3 2 m 内存的情况下将数据引擎嵌入在掌上电脑上，使用其丰富的数据分析和较强的图形 表达能力，w 以把黼形数撼稻穗应的属性数据放程内存中。酷上渤能完念可戳实现 方便快捷的进行地潮例览、点位查询或是路径分析等。嵌入式g i s 软件一般由于有 大量的属性数据与空间数据，数据占用的空间比较大，而鼠嵌入式g i s 软件先在p c 枫上调试开发，然羼下载到嵌入式产品上运行，掌上电脑戏p d a 遁常采用两种方式 获取电子地阁数据：一种就是将地图数据存储到f l a s h 卡上或者通过r s 2 3 2 串口 线下载重定缎刭内存孛，另一秘方式是透过网络下载重定经到凑存孛【2 。如票鼹后 面一种方法，由于数据量大，地图数据需要压缩，以缩短网络传输时间。 嵌入式g i s 系统毒蓑广泛懿瘦耀，嚣藩裁嵌入式g i s 数据横鍪、嵌入式g i s 开发平台、嵌入式g i s 应用等方面的研究比较多。 下覆一繁将绐会常尾嵌入式软件开发方法鹚述嵌入式g i s 齐发方法。 2 。2 嵌入式舞发技术 由于嵌入式设餐的特殊性，嵌入式软件开发不闫于p c 机软 譬开发，下藕对其 6 华中科技大学硕士学位论文 开发技术作详细介缨。 2 2 1 一般嵌入式软件开发技术 嵌入式系统的熬本体系结构为：嵌入式o s 、设备驱动接口、设备驱动程序、 应爱援彦编壤接口、嵌入式疫曩系绞f h ，2 期。羲瑟嚣矮罄为嵌入式软传提供疆务，焱 入式软件在它们的支持下运行。嵌入式设镰由于其硬件、软件环境的特殊性，不能 壹接在嵌入蕊设备上开发软件，娶矮借韵冀它设备莘拜平台辅动开发。这黧设各与平 台包括：p c 机、高级语言编辑器、编译器、在线仿真器、模拟器以及其它硬件设备 和软件环境阱2 2 , 2 引。瞽前常精酌凡种开发方法有队2 4 l ： 1 崩溃与烧制 2 r o m 监控稷序监控调试 3 r o m 仿真器 4 在线仿真器调试 5 弩上渭试 6 模拟器调试开发。 哥辕桃 下羹 堡兰垫 宿主机开艟麓统f 剁2 1 一艘嵌 式软件开授方法 很多系统使用r o m 监控程序调试、r o m 仿真器、在线仿真器及模拟器调试开 发。舞赞不鼹的嵌入式设备攫据其媳有豹硬律、款传巧境选择运衾戆开发方法。魏 图2 1 为一般嵌入式软件开发方法。如图所泳。宿藏机一般为p c 机，目标机是指嵌 入式设备。焱入式软搏一般在瘩主嘏主编鞲、调试、连接以及攘羧运行，调试好戆 应用程序，通过宿主机和嵌入式设镶提供的通信接口( 一般为r s 2 3 2 ) 将应用程序 下载爨嵌入式设备上，在内存孛重定霞，巍建程序在嵌入式设备上运行。有些嵌入 式设备还提缴监控程序，通道r s 2 3 2 接口向宿主机报告程序运行出现的镄误，以达 7 华中科技大学硕士学位论文 到在硬件上测试的目的。这里已经介绍了嵌入式软件的几种开发方法，因为本论文 的最终实现是用模拟器调试开发的，下面详细介绍使用模拟器调试开发嵌入式软件 的一般过程，其实其它几种方法的基本过程与本过程大致相同，只是在调试阶段使 用的手段不同而已。 如图2 2 为模拟器调试开发嵌入式应用软件的一般过程，图中两条虚线将整个 过程图划分成a 、b 、c 三个部分，a 部分的任务在宿主机上完成，b 部分在宿主机 和嵌入式设备联合下实现，c 部分在嵌入式设备上完成。由于图幅的限制，将软件 开发的前期工作用一项“设计”来代替，这里的设计遵循软件工程的思想，分项目 计划、可行性分析、需求分析、概要设计以及详细设计等阶段 1 4 2 5 1 。因为最终软件 是在嵌入式设备上运行的，做这些前期相关设计的时候必须考虑嵌入式设备的特殊 性，如硬件的容错性差，不允许程序出现错误，要求程序的可靠性很高；由于处理 器速度不高，要求使用的算法足够快；由于内存容量的有限，要求目标程序代码短 小精悍，程序的数据量尽量的少：由于程序和数据的存储方式的特殊性，要求设计 适当的掉电保护方案：由于接口的特殊性，要求设计方案提供完善的错误处理方法 以达到安全通信的目的，等等这些，在设计阶段是必须考虑的。p c 机上提供编辑、 编译以及模拟器调试的环境，对于每一类的嵌入式设备，都会有一套与之配套的开 发环境软件，这些环境一般由嵌入式设备提供商或系统开发商提供。由于p c 机一 般是i n t e l 系列，而嵌入式设备有的是用a m d 、d r a g o n b a l l 芯片，所以编译器生成 的代码应该能够在目标机环境下运行。模拟器是一个调试手段，模拟器运行在p c 机上，当程序写好编译无错后，将程序加载到模拟器上，在模拟器环境下运行程序， 测试程序的正确性。有的模拟器还能给出当前程序运行的状态并向使用者反馈出错 信息，帮助调试者调试。模拟器模拟嵌入式设备环境，但不可能是完全一样的，应 用程序还需要下载到具体设备中测试。p c 机开发环境提供下载程序的管理软件以及 通信接口，一般为串行口，嵌入式设备也有串行口以及通信管理程序，协助将程序 下载到内存，并将下载的程序在内存中重定位2 4 珈】。如果在设备上运行仍然有错， 那么需要重新编辑源代码，并做编译、模拟器调试以及下载固化等工作，直到程序 在设备上运行无误，程序才可以发布。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 嵌入式g i s 开发技术 a 圈2 2 模拟嚣调试开发过程 c 参考几种嵌入式g i s 开发平台发现，嵌入式g i s 在流行的操作系统上实现的较 多，如w i n d o w sc e 、p a l m 等。运行这些较高级操作系统对硬件的要求也很高，如 c p u 的处理能力、内存的大小、图形显示能力等。 p c 机 宁i 努v ： 连 由 = z ：_ 一 ；交叉编泽嚣l ip co s 圈土3 嵌入式g i s 开发平台 如图2 3 为嵌入式g i s 开发平台，一般平台是建立在p c 机上的，系统提供对地 理信息的编辑、修改等操作，如添加线，删除图层等等，对g i s 信息的编辑及修改 9 华中科技大学硕士学位论文 功能和桌面g i s 开发系统相差无几。嵌入式g i s 开发系统与其它嵌入式开发系统的 主要区别在于g i s 编辑器，g i s 编辑器是一个很重要的部分，它提供的功能直接影 响到开发出的嵌入式g i s 软件的功能。很多嵌入式g i s 开发平台软件直接或间接模 拟p c 机g i s 开发软件的操作和功能。 电子地图一个最大的特点是拥有庞大的空间数据、属性数据以及两者之间的对 应关系。地理信息数据的采集有很多种方法，如利用已有的电子地图重绘、数字化 扫描、手工输入等。成功的嵌入式g i s 开发系统具有很强的实用价值，可以开发新 的应用，可以根据用户要求开发出适合的应用程序。为了开发合乎要求的程序，如 果用户需要的地理信息全部重新采集，那么制作g i s 软件花费的较多的时间和金钱， 因为地理信息数据的采集非常费时费财，占整个g i s 系统软件开发的5 0 8 0 1 2 ”， 所以嵌入式g i s 开发中廉价获取数据也是一个很重要的研究课题。另一方面，数据 的存储也是嵌入式g i s 开发必须考虑的问题。数据存储方式有两种 4 , 2 8 】：文件方式 和数据库方式，具体的选择则要看嵌入式设备可提供那种方式以及何种方式更有效。 如果采用数据库方式，嵌入式设备和g i s 编辑环境还应提供数据库导入导出功能。 随着超媒体电子地图的出现，电子地图中可以嵌入音频、视频、动画等，存储这些 非字符串型数据而且保证嵌入式g i s 软件的速度，需要采取一些特殊的手段。 嵌入式设备产品在处理器速度、内存容量、接口性能方面比p c 机、工作站要 差，目前掌上电脑的处理器速度可达2 0 0 m i p s 以上，内存容量在6 4 m 左右。p d a 性能比之掌上电脑要差些，处理器速度8 m i p s 以上，内存8 m 左右，有的没有r a m ， 只有r o m ，程序是固化在r o m 上的。而且大多数掌上电脑和p d a 的显示界面比 较小，与用户的交互是通过触摸屏实现的，因此嵌入式g i s 的数据模型、显示界面、 操作方法、通讯接口的设计都需要考虑嵌入式设备的性能【2 9 3 0 】。总的来说，嵌入式 g i s 不能同p c 机的g i s 那样要求有完备的功能，其功能必须作适当的裁减，否则 编写出的g i s 软件可能是一个不能运行的超级膀然大物( 相对嵌入式设备来说) 。 2 3 国内外研究现状 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、航天、航空、野外测绘、医疗、汽车导航等领域，个人汽车导航和p d a ( 或手机) 1 0 一 华中科技大学硕士学位论文 定位服务( l b s ) 的出现更是使嵌入式地理信息技术与人们的日常生活息息相关口1 3 2 】。据估计，未来十年在中国仅汽车导航领域，嵌入式地理信息的市场潜力便在数 十亿元以上，因此嵌入式地理信息系统有着极其广阔的应用前景。 国外在嵌入式g i s 软件开发平台的研究方面也刚刚开始，有关嵌入式电予地图、 嵌入式软件平台的论文比较多，特别是有关电子地图、微型嵌入式操作系统的研究 方面，其学术论文更丰富。对于电子地图，有关电子地图数据模型、坐标矫正、数 据采集方面的论文很多，对于微型嵌入式操作系统，有关嵌入式操作系统的内核结 构、嵌入式l i n u x 研究较多 3 3 3 4 】。目前已经有一家美国公司e s r i 和一家英国公司 p o c k e ts y s t e m sl t d 开发出基于硬件p d a 及嵌入式操作系统w i n d o w sc e 的微型嵌 入式g i s 软件，即a r c p d a 和p o c k e tg i s ，目前主要用于野外数据采集、战士g p s 定位、地质分析等方面叭3 5 , 3 6 1 。 近年来，国内有关嵌入式g i s 开发平台的研究论文不多，但有几家公司已经做 出成功的嵌入式g i s 开发平台产品，如北京慧图信息科技有限公司开发的 p o c k e t m a p 、北京灵图软件技术有限公司开发的s m a r t l n h a n df o rw i n d o w s c e 和北京 超图地理信息技术有限公司的e s u p e r m a p 。p o c k e t m a p 具有丰富的g i s 编辑功能， 可实行地图操作、图层操作、对象实体操作以及属性标注等完善的编辑能力，它编 译出的电子地图适合运行在w i n d o w c e 操作系统上。而且p o c k e t m a p 提供丰富的库 函数，一般用户可以轻松搭建自己的应用平台。s m a r t i n h a n d 开发的电子地图具有 强大的功能，如可以进行地理信息查询、定位与导航、无线互联以及用户标注功能， 适用公安、信息收集以及邮政等行业。e s u p e r m a p 能全面满足各类嵌入式应用的需 要，该产品结构清晰，功能强大，二次开发灵活。除地图放大、缩小、漫游等常规 的g i s 功能外，还具有许多特色功能，如地图旋转、路径分析和自动导航( 与g p s 结合) 等。e s u p e r m a p 用于开发基于w i n d o w sc e 的嵌入式g i s 软件产品和基于桌 面p c 的袖珍g i s 软件产品，如手机无线地图、p d a 电子地图、车载g p s 、机顶盒 电子地图等，可广泛应用于通讯、交通、警察、消防、军事、医疗等领域。国内还 有其它一些公司推出了自己的嵌入式g i s 开发系统，在功能上大同小异。 随着嵌入式硬件的生产成本逐渐降低，嵌入式g i s 应用越来越多，国内外对嵌 入式g i s 开发系统的研究越来越多，新产品不断，技术日趋成熟，市场越来越大， 华中科技大学硕士学位论文 前景看好。 2 4 课题主簧研究工作 蟊翁大多数翦嵌入式g i s 开发系统是面对较高缀嵌入式操作系统和嵌入式硬件 环境的，即开发是面对商端产品的，寅数据库支持，需要专门的开发工具，地图的 制作费用比较离，再加之高档嵌入式设备价格比较贵，因此市场推广会遇判阻力。 屋翦有很多现成的电子遗图数据，充分利用这些资料，将这些数据终为嵌入式电予 地图的原始数据，通过适当的过滤和转换，转换成嵌入式电子地图的数据从而实现 嵌入式瞧子遮瓣，那么在数攒鹃采集上羲霹羰省去缀多踺阕农经费，本误题羲是扶 该观点出发，主要研究以下几个方面： l ，基予数据转换戆嵌入蕊毫子薅霆开发系统模毽 2 设计嵌入式电子地图数据模型 3 电子遗强数据转换 由于数据转换只是一个技术上的问题，所以本文的研究藿点放在l 和2 。 对予以上三个方西，我想褥详细说明一下，第一赢是构建整个开发系统的模型， 在第2 ，2 2 节嵌入式开发技术中提到嵌入式开发涉及两个方露：耳标机和窳主机， 那么开发系统攥型就惑说明在这两个方面系统各自的责任、目标以及它们之间的联 系。第二个硒突重点则是蟊惫嵌入式魄予地爨驰，妇 霉方爱数据转按，妇瓣实瑗惫 子地图的功能，如何才能在基于数据转换的纂础上使电子地图的功能发挥剿最大， 絮舞会瑗维织数据，这罄是宅子建国数据模黧要霹究瓣霹题。第三焘是铮瓣数撰转 换的。 袋恕各章警要痰容 筝奔缁圣羹下： 第一章为绪论，主要描遽本课题的研究方向以及课题研究的意义； 第二章是攒述本潦题的研究背景疆及籀关概念。主要对g i s 电予建雷冀嵌入式 和嵌入式开发技术作了介绍，同时对阑内外有关嵌入式g i s 的研究工作作了介绍， 最后描述了本谦题的_ 妻簧研究工作： 第三章提踺了本课题的整体开发模型。巍对嵌入式电子熄图特点、嵌入式软传 开发平螽以及电子地图效据和数据结构分折的基础之上，提出了整体开发模型，并 华中科技大学硕士学位论文 对该模型的性能做了分析与评价： 繁疆章楚有关数撩模墅的研究。整体嚣发模羹程疆两个方瑟弱内容：数据转换 和嵌入式电予地图软件与这两个方面紧密联系的悬其数据模型，该章论述了嵌入 式电予魄图数据模型在这两个部分之间所起的作用。最后掇出了基于m a p i n f o 数攒 的嵌入式电子地图数掇模型： 第五章是本课题的实现部分。描述了数据转换以及嵌入忒电子地图程序的实现； 第六章是小结。怼本课题终惑续，著砖本磅究奄实现的缺点爨爨改进办法。 华中科技大学硕士学位论文 3 整体开发模型研究 本章基于对一般嵌入式g i s 开发系统开发方法的研究，提出一种基于数据转换 的嵌入式电子地图开发系统整体模型，包括开发平台模型、嵌入式电子地图模型。 充分利用已有的嵌入式开发平台，建立适当的嵌入式电子地图数据模型，通过数据 转换的方法将桌面电子地图文件( 如a r c l n f o 、m a p l n f o 格式文件) 的数据转换成嵌 入式电子地图数据，从而实现电子地图袖珍化，这就是本文所提的基于数据转换的 嵌入式电子地图( g i s ) 开发。下面在提出整个系统的模型之后将详细分析该模型的 性能，并在下一章详细阐述模型的几个方面。 3 。1 嵌入式电子地图开发系统模型的提出 本小节想先从三个方面分析，一是嵌入式电子地图特点，二是嵌入式软件开发 平台，三是嵌入式电子地图数据及数据结构，侧重研究基于数据转换的电子地图开 发系统的设计应该在这三个方面注意的问题以及应该采取的措施，为后面模型的提 出打下基础。基于以上三点分析后提出整体开发模型。 3 1 1 嵌入式电子地图特点分析 嵌入式电子地图有很多特点，这里不想展开说明，只想从电子地图设计的角度 出发进行描述，同时阐述基于数据转换的电子地图的特点。 嵌入式电子地图具有一般电子地图的功能，如浏览、查询、计算，但它与桌面 电子地图或网络电子地图是有区别的，其功能必须经过适当的裁减，才能适合嵌入 式硬件的运行。本设计采用数据转换的方法获取电子地图数据，应该说原电子地图 所拥有的功能，在数据转换后都可以实现，但考虑到实现起来的难度，有些功能可 能要傲适当的舍弃，才能达到本设计的最初目的：简单、经济、方便实现嵌入式电 子地图，同时具有一定的经济价值和市场应用前景。 嵌入式电子地图不光在功能上要做适当的裁减，在数据上也要裁减。没有功能， 冗余的数据必须丢掉，以提高电子地图处理、显示速度。数据的裁减范围与电子地 华中科技大学硕士学位论文 图功能、数据模型有关，数据裁减在确定嵌入式电子地图功能时标定范围，在数据 转换时完成。 嵌入式电子地图的设计与具体的嵌入式设备有关。具体说来是和嵌入式设备提 供的显示界面、接口性能、c p u 速度、内存大小等有关，特别地，电子地图的程序 功能部分与嵌入式设备性能密切相关。 嵌入式电子地图的设计与具体的嵌入式操作系统有关，如有的操作系统不提供 数据库功能、有的操作系统根本不存在文件的概念，不能读取文件( 在低档嵌入式 操作系统中常见) ，所以在做数据转换、电子地图数据建模的时候需要考虑操作系统 的性能。 总之，嵌入式电子地图与目标机的性能( 包括硬件性能与运行环境性能) 相关， 本设计是基于数据转换实现电子地图，在电子地图建模、数据转换设计、电子地图 结构设计的时候，必须综合考虑以上条件。 3 1 2 嵌入式软件开发平台 电子地图最重要的是数据的采集和制作。如图3 1 所示为一般电子地图程序功 能结构。数据显示模块管理数据的显示，负责将需要显示的数据在显示设备上显示。 图形查询模块负责地图数据的查询，负责用户的查询，并将查询到的数据提供给显 示模块显示。空间分析计算模块主要是对空间数据和属性数据进行处理计算。其它 几个模块的作用后继章节会进行描述，这里不详细讨论。 圈3 1 电子地田程序功能结构圈 从图3 1 中可以发现，数据是中心，电子地图的一切功能都是围绕数据展开的， 数据是电子地图的核心，我们可以将电子地图程序分成两个部分：数据部分和功能 程序部分。这两者不是分开的，是紧密联系的，功能程序处理的对象是数据部分， 1 s 一 华中科技大学硕士学位论文 这样分只是便于后面阐述的方便。 将电子地图程序分成数据部分和功能程序部分，从而嵌入式电子地图开发平台 的设计就围绕这两个部分展开，需要思考如何获得地图数据、编辑数据，如何编写、 编译功能程序，如何调试程序等等，这就是嵌入式开发平台需要完成的基本任务。 一个嵌入式软件开发平台，需要满足以下几个条件，一是要有编辑环境，二是 要有编译器，三是要有调试环境，四是要有管理软件f 3 7 1 。编辑环境提供对程序的编 辑，编辑器编辑功能的好坏直接影响编程人员的心态和喜好。很多编辑器提供全面 的帮助文档、灵活的帮助方法，随时解决开发人员在编写程序中遇到的困难。编译 器将高级语言翻译成目标机可以识别运行的机器代码，编译器可能是整个开发系统 中最复杂的部分，也是技术上最困难的地方。当然目前关于编译器的研究已经很成 熟，开发出面向嵌入式硬件的编译器已不成问题。代码编制过程中以及完成后需要 对代码进行调试和测试，调试环境是嵌入式开发平台不可缺少的部分。管理软件主 要用于数据管理、文档管理、程序下载管理等方面，好的管理软件可以帮助开发人 员节省时间，提高开发效率。 对于每一种嵌入式产品，一定有和该产品配套的嵌入式软件开发平台，大多数 平台由系统提供商( 嵌入式操作系统提供商) 提供。系统提供商熟悉自己的嵌入式 操作系统结构、硬件性能，所以编写编译器、交叉编译器、模拟器等软件更容易。 我们可以充分利用系统提供商提供的嵌入式开发环境，能够节省开发时间。而且大 多数开发平台技术成熟、功能完善，有些还是免费的，直接借用过来使用是一个好 方法。这样就免去了编写编辑器、编译器、模拟器、管理器等软件的巨大开销。综 合以上分析，嵌入式电子地图的功能程序部分由与嵌入式设备配套的嵌入式开发系 统完成，可以节约软件开发成本，提高软件开发速度。 电子地图另一部分是数据，地图的显示依靠地图提供的数据，如果数据组织合 理，借用开发商提供的开发平台的另一个好处就是：在一种嵌入式开发系统上开发 的软件，在另一种嵌入式软件开发环境中通过适当的修改，就可以开发出适合新嵌 入式设备运行的电子地图软件。也就是，只需要修改电子地图数据显示模块、地图 查询模块、数据处理模块的相关代码，那么可以在另一中嵌入式设备上运行的电子 地图就很容易生成了。如果两种开发平台采用相同的语言( 如c ) 。那么代码可能不 1 6 华中科技太擘磺壹攀锰论文 爨簧修馥，褒嚣一开发平螽土壤译赣露受成逶会麓褒入斌淫蠢躲电子蟪蓬t 3 ， 。3 魄子逮罄数器嚣数据缝梅分嚣 电子魏阁数豢按数据缝梅珂蔓 为褥格数攒窥必燮数辩l 娥，胃馘逶过鞭潼法、哭 蠢数字纯法、耪撼数字豫法及影像输入饕方法获取裰穰敬撵，蔼辩予必蠢数摄w 瑷 遥过哭爨数字毒 ：法、锻接数字纯法、辫外灏爨数耀翱影像等方法获彀3 粥。窝翊觳舞 钓获驭一般甓簧数字俄器麓懿支掩。 雕盖2 窀子皑艨最据柏鳍构氍 鳐翌3 , 2 溪示为一敷地鬻数攒浆结搀图。在瞧予建霭缳麓串，瓣窆潮蜜薅熟越 述有溪炎数据：空潮数攥蒜属 ! 垦数辗。室瓣实俸裁跫g i s 繇绫中瓣攒述瓣空阕辩藩， 畜空麓茬鹫穰嚣整橱淀，空鬻实髂是g t s 泵壤避嚣鬃舞、修改、诗霉、统诗、囊港、 显承黪对絮。囊耀数攒接逑窆润安嚣魏斑嚣、燕狰笑系濑曩舞姆惩。安髂豹窒瓣俊 置藏弱经终腐蒙奢撩簿黛簿熬袋霞建舔表零( 对 ：二维g s 懿嚣，搭羚