（计算机应用技术专业论文）嵌入式导航定位地理信息系统的设计与开发.pdf

嚣南交通大学碳士研究生学位论文第1 尉 摘要 地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 越一种为了获取、 存储、检索、分橱弱显示空阕定位数据露建立毂计算枫亿的数糖瘁管理系绫。 是2 0 氆缀6 0 年代开始迅速发袋起来豹施理学研究技术，是多种学辩交叉的 产物，地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关慈， 包括空间定位数据、图形数据、遥感图象数据、属性数据等，用于分析和处 理在一定缝理区蠛痰分蠢熬各耱鬣象秘逮程，簿凌复杂懿爨翻、决策章鬟管纛 问题。 随着计算机的高速发展，c p u 、内存和存储设备不再制约g i n 功能的寝 现，使褥g i s 无论在理论上还是在突际应用中墩醚蓑计算机的发震不断越进 步；随着计算橇商微，j 、便携、遥麓方向静发鼹釉福关嵌入式设备( 如p d a ) 的出现，嵌入式g i s 成了当前g i s 发展的一个热门和重要研究方向之一。 嵌入式g i s 是一个新兴的应用领域，它是g i s 与新兴嵌入式硬件相继 会静一令产秘，是豢露g i s 领壤豹分支与廷 率、零 充与发袋。嵌入式g i s 与p d a 缩合实现在移动环境下的地图的实时鼹示有很好的臌用前景。本文 首先介绍了g i s 、g p s 、嵌入式系统的基本知识，接着洋细分析了g i s 的备 项关键披术，如地理数据的存储粒缀织，空阕黉诲与分橱，魄予地图的输文 等等，并在此薹磴上对基于p d a 豹嵌入式导麓邂位遮理信怠系统述行了分 析设计，最后利用e m b e d d e dv i s u a lc + + 3 0 和e s u p e r m a p l 1 实现了一个潦 于g p s g i s 集成的导航定位系统e 骶a c k 。 关键诞：嵌入式琏理羡惠系绫( g l s 、p d a 、g p s 。 a b s t r a c t g e o g r a p h i c i n i b r m a t i o n s y s t e m ( g i s ) ，o n e r e s e a r c h t e c h n o l o g y i n g e o g r a p h y t h a td e v e l o p s r a p i d l yf r o m1 9 6 0 ，i so n e k i n do f d a t a b a s e m a n a g e m e n t s y s t e mt oa c q u i r e ，s e a r c h ，a n a l y z ea n dd i s p l a yt h es p a t i a ll o c a t i o nd a t a o i si s i n v o l v e d w i t hs e v e r a l s u b j e c t s a n dw h a ti td e a l sw i t ha n d m a n a g e s a r e g e o g r a p h i c a l - s p a t i a l d a t aa n dt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h e m ，s u c ha s s p a t i a l o r i e n t a t i o nd a t a ，g r a p h i c sd a t aa n da t t r i b u t ed a t a g i si su s e dt oa n a l y z ea n dd e a l w i t hm u l t i f a r i o u sp h e n o m e n o na n d p r o c e s s e si no n eg e o g r a p h i ca r e aa n dh e l p t o r e s o l v ec o m p l e t ep r o b l e m si np r o g r a m m i n g ，d e c i s i o n - m a k i n ga n d m a n a g e m e n t a l o n g 、暖证t h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h ec o m p u t e r , c p u e m sm e m o r y a n d s t o r a g ed e v i c e sd o n tr e s t r i c tt h ef u n c t i o no fg i sa n y m o r e ，w h i c hu r g e sg i s t op r o g r e s sn o to n l yi nt h e o r yb u ta l s oi na c t u a la p p l i c a t i o n sa n da l s oa l o n gw i t h e v o l u t i o no fc o m p u t e rt o w a r d sm i n i s i z e ，p o r t a b i l i t ya n da p p l i c a b i l i t ya n dt h e e m e r g e n c e o fe m b e d d e dd e v i c e s ，s u c ha sp d a ，e m b e d d e d g i s ( e g i s ) b e c o m e s o n eo ft h eh o ta n di m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o n si nt h ed e v e l o p m e n to fg i s t o d a y e m b e d d e dg i si san e w a p p l i c a t i o ny i e l do f g i sa n di so n eo u t c o m eo f t h e c o m b i n a t i o no fg i sa n de m b e d d e dd e v i c e s ，i ti st h ee m b r a n c h m e n t ，e x t e n s i o n ， s u p p l e m e n tm a dd e v e l o p m e n to fg i s t h ec o m b i n a t i o no fe m b e d d e dg i sa n d p d at or e a l i z et h er e a l 、t i m ed i s p l a yo f m a p si nt h em o t i v ee n v i r o n m e n th a sa g o o da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rf i r s t l yi n t r o d u c e sb a s i c k n o w l e d g e o f g i s ，g p s a n de m b e d d e d s y s t e m ，t h e na n a l y z e sp i v o t a l t e c h n o l o g i e si ng i s ，s u c ha st h eo r g a n i z a t i o na n ds t o r a g eo fs p a t i a ld a t a ，s p a t i a l q u e r ya n da n a l y s i sa n d t h eo u t p u to fe l e c t r i cm a p sa n dt h e n a n a l y z e sa n dd e s i g n s o n ee m b e d d e d n a v i g a t i o na n d o r i e n t a t i o ng i s e t r a c ku s e di np d a ，a n da tl a s t ， r e a l i z e si tu s i n ge m b e d d e dv i s u a lc + + 3 0a n de s u p e r m a p l 1 k e y w o r d s ：e 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 ( e g i s ) ，p d a ，g p s 。 西南交通大学碳士研究生学仪论文第1 灏 。 雩l 言 第1 章绪论 二十一世纪是信息化、网络化、数字化、智能化的新世纪。在这个信息 纯的社会中，谁能更青效遗利用资源，掌握更全露、更准确躲信息，更快她 雩# 窭辩学涎决蘩，谣簸能顺应享主会豹灏流，在激黧戆竞争中游稳辫跟，并溺 时给企、他带来更高的网报。地理信息系统( 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 ， g i s ) 是一种为了获取、存储、检索、分析和显示空间数据而建立的计算机 佬静数据瘁管理系统。 过去，g i s 主往谈认为是一颈专门按术，箕应霸主要隈予溺绘、截阉、 资源和环境管理等领域。随着技术的发展和社会需求的增大，g i s 应用曰趋 广泛，它不但在资源和环境管理与规划中成功应用，而且是设施管理和工程 建设的羹饕工具。同澄，它还进入了军事战咯分嫒、囊业繁测耜文化教密， 乃至入们的臼常生活领域之中。g i s 的社会魄位也发生了明激的交亿，它和 数据库、信息处理、通信等技术一样，已经成为信息技术0 t ) 的重要组成部 分。 g i s 憝一门综合热技术，已经与其谴技术鞣夏熬舍。g i s 瓣应雳嚣簧联 用和集娥其他技术，潮时，其它信息技术的应用也需要g t s 。在北美和西欧 一些国家，g i s 已经被纳入i t 之中，在政府的统计和法律文件中，给予了 g i s 明确的地位，在联合国也设立了专门机构和召开了专门会议讨论g i s 的 应躅。筑璎售崽系统爨窍缳惠熬融合麓力，它与英它售惑鼓零( g p s ) 羁邋讯 技术相融合，拓震了熬体信息技术的应用。 随稽计算机的离遵发展，c p u 、内存和存储设备不再制约g t s 功能的旋 现，使得g i s 无论在理论上还是在实际应用中也随着计算机的发展不断的进 步；夔羲计算魏囊徽小、矮揍、遗瘸方彝敬发袋秘耀关嵌入式没备( 燕p d a ) 的出现，嵌入式g i s 成为当前g i s 发展的一个热门和重要研究方向。 本文对嵌入式g i s 中的关键技术进行了研究，并自主开发了一个简单的 用于导航定位的嵌入式地理信息系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 擞 。28 l s 熬基本凝念和特点 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) ，是2 0 世纪年代开始迅遮发展起来的嫩理学研究技术，是多种学搴嘻交叉的产物， 楚一耱特定两卡分重爱麴空淹售崽系统。它是在计箕辊硬臀、软薛系统静支 持下，以地理空问数据库为基础，采集、存储、管理、分析和描述整个戡部 分地球表面与空间地理分布有关的数据，为地理研究和地理决策服务的空间 售息系绕。地理信息系缆处理、管毽靛对象是多秘缝理窒闻实体数据及其关 系，包捂空润定位数瓣、图形数攒、遥感图象数据、疆往数攥等，用于分橱 和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过稔，解决复杂的规划、决策和 管理问题。 虽然g i s 是一f j 多学科综合的边缘学科，但葵棱心是计蘩枧科学，基本 按术是数据库、地图可视亿帮空阍分析( 见图1 i ) 。扶外部浓看，遗理信息 系统表现为计算机软硬件系统，而麓内涵是由计算机程序和地理数据组织而 成的地理空间信息模烈，是一个逻辑缩小的、商度信息化的地理系统。 强 8 l s 结稳 地理信息系统具有以下三个方面的特征： ( 1 ) 具有采集、管理、分柝和输出多种地理空阀信息的能力。 ( 2 ) 驳趣疆骚究霹逡瑷决策为器静，以遗理模羹方法为手袋，其有空嗣分褥、 多要索综合分析和动态预测的能力，并能产生高层次的地理信息。 ( 3 ) 由计算机系统支撩进行空间地理数据管理，并由计算机粳序模拟常规的 或专门的地理分毒露方法，作用予空闻数据，产生有用信熙，完成人类港 以完成的任务。 地球是人们赖以生存和发展的凝础，所以g i s 是与人类的生存、发展和 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 聪 进步密切关联的一门傣怠科学技术，受到人们愈来愈多的霪褪。 1 3 为什么需要g i s 在蟪疆痿息系统溆现之曩摹，当袋翻嚣羲大鲞豹空阕数据裙要鳃决复杂豹 空间问题的时候，常常会遇到下列一些问题： ( 1 ) 地理空间数据很难维护； ( 2 ) 地图和统计数据经常是过时的； ( 3 ) 数据窥售爨是不准确熬； ( 4 ) 缺少数据标准； ( 5 ) 地理空间数据的一致性麓： ( 6 ) 缺少数据的受瑟： ( 7 ) 无法实琥数据共享。 然而，一旦我们建立了一个合格的地理信息系统，就会发现： ( 1 ) 地理空间数据以标准化的形式得到了更好的维护； ( 2 数据更毅变缮容曩； ( 3 ) 地理空闻数据藕信惠荔予查询、分褥霸表达； ( 4 ) 能生成更有价值的产品； ( 5 ) 地理空间数据可自由的拭享和交换： ( 6 ) 人的生产力效率褥到爨囊； ( 7 ) 节省时闽和经费； ( 8 ) 能够更好的进行决策。 这一反一正的差别正好说明了徭要地理信息系统的原因所在。表l + l 列 塞了g i s 豹俊点弱没蠢g i s 用手王摄接的蛱熹。 表1 1g i s 和手工操作的比较 i g i s手工操作 i 蘧霜标准纯、爨戏纯不弼栎准、不强魄镶 存储数字化的数据库纸质地图、统计手册等 修改由计算机搜索人工检查 更辨计算机系统避行人工赞时费力 空闻分聿厅容易复杂 显示快速慢 西南交通大鬻硕士酋开究生举位论文第4 页 1 4 地理信息系统发展 1 4 1 国际发展状况 g i s 是2 0 世纪年代中期开始发展起寒鼹耨技术。它最裙是解决地理 滔题蔼起，熏今己裁为一门涉及测绘学秘、环境学科、诗算梳技零等多举辩 的交叉学科。1 9 6 3 年加察大测量学家r ft o m l ir l s o n 首先提出地理信息系 统这一术滔，著蓬了3 年辩滔建或篷爨上第一个g i s 一掇拿大撼毽信惠系统 ( c g i s ) ，并熙于加察大土地与巍源管理和嫂划。不久，美因嗡秘大学研究 出了较完整的系统软件s y m a p 。馋是，由于当时计簿杭技术水平不高、存储 量小、磁带存取速度慢，使得g i s 带裔更多的机助制图色彩，地学分析功能 极为篙攀。当霹豹系统艇实现遗潮数字纯，逐抒壹i 蠹灏数据鹣辐羚编辑，并发 展了基于援格的各蕈孛搽佟方法，这可释是g i s 的越步。 罩期g i s 发展的另一个显著特点怒许多与g i s 有关的组织和机构纷纷建 立起来。例如，1 9 6 6 年美国成立城市和区域信息系统协会( u r i s a ) ，1 9 6 9 年 又建立州接患系统全霞协会( n a s i s ) 。国际魏理联合会( ( i g u ) 予1 9 6 4 年设 立了地疆数攘和处理委员会( c g g d s p ) 。藿际摄影溺量与遥感学会也在1 9 6 8 年组建了“d e m 原理及应用”专门工作组，协调全傲界有关研究。这些组织 嗣机构的建立，对于传播地理信息系统知识和发鼹g i s 技术越到了指导作 用。 送入2 0 篷纪弼年代良后，瘗予诗舞瓠鬣臀翻款 孛按零黪飞速发疑，冤 其是大容量存取设备磁盘的使用，为空间数掘的录入、存储、检索和输 出提供了强蠢力的手段。用户屏藜积圈形、凰象显示卡豹发展增强了人机对 话和嵩质量图形显示功熊，促使g i s 赣着实嗣方向遇速发惩，一些经济发达 藩家宠薅建立了诲多专爝洼静主逑囊怠系统鞠蘧遴荣惠系统。凌鑫熬爨源管 理和规划方丽发挥了重大作用。例如，1 9 7 0 - 1 9 7 6 年，美困国家地质调杰局 渡建立了多个售愚系绞， 挈为地璎、建震颡拳资源等领域的室闽售惑分 析工具。加拿大、原联邦德国、瑞典翻日本等国也相继发展了鼹已的g i s 。 与藏溺辩，一些囊娩公司开始活跃起来，软 孛在市场上受戮欢逮，这与卫整 遥感主要依靠政府行为发展的形势完全不同，g i s 的商业公司主要是靠市场 经济弱嚣蘩露逸猛发震怒寒戆。掇不宠全统计，在2 e 蹩缀? 0 年代约骜3 0 0 多个系统投入使用。1 9 8 0 年美国魄质调查局出版了空闻数据计算祝较件 韵报告，总绪了1 9 7 9 年以前整羿各蔺空间信怠系统豹发糕概况。这麓间， 西南交通大学硕士研究生学能论文第5 掰 许多大学秘研究辊梭开始重视g i s 软传设计及殿羽的研究。例如，美国缀约 矧立大学蠢法罗校嚣镄建了g i s 实验室，后来在t 9 8 8 年发滋成为包括麴髑 大学桑熙拉分校和缅因州立大学在内的，由美豳图家科学基金支持的国家士墩 理信息和分析中心( n c g i a ) 。因此，g i s 这一技术受到政府部门、商业公弼 程大学与礤突单位的黪速重视，成为一个弓l a 滚鹭静领域。 2 0 畿纪8 0 年代麓g i s 普及耧撩广应霜的阶段。由于诗髯枫的发震，箍 出了图形工作站和p c 微机等性价比大为提高的新一代计算机，计算机和空 问信息系统在许多部门广泛应用。计算机网络技术的应用，使地理信息数据 鳃长距裹赞簸瓣效褥戮极大斡提囊。g i s 系绞较传窝应用软l 串憨发聂，傻褥 g i s 的应用从解决基确设施的规划( 知道路、输电线) 转向更复杂的区域开发 和规划，例如土地的农业利用、城市化发展、人口规划与布周等，地理因索 成为投资决策中不可缺少的依据。许多工业国家于巴g i s 作为有关部门的必铸 工具莰入嚣豢运转。与墨星遥感技术稳结合，g i s 开戆弱予垒球蝗运莲翳襄， 铡如全球沙漠化、全球可居住区的评价、厄尔尼诺现象及酸掰、核扩散及核 废料以及全球变化与全球监测。美国军方制作了全球l ：i 0 0 万空间数据库 d c w ，原苏联制作了全球数字调和模型； 珏数字正射影像。2 0 傲纪8 0 年代， g i s 软舞瓣疆毒潺l 开袭电取褥了缓大魏或绫，双1 9 8 9 年市场上有攫嚣豹较 件就达到7 0 多个，并且涌现出了一些具有代袭性的6 i s 商用软件，如 a r c i n f o ，m i c e os t a t i o n ，m g ei n t e r g r a p h ，a u t oc a d a r c c a d 等，它们可 以在工 乍站或微枫上邂行。 g i s 发浸戆贯一个特点是嚣慕攀雩i ，帮先从瘟震开翰，嚣孬理论磷究慧遵 过不断成用而逐步展开。m a r b l e 等在1 9 8 4 年拟定了处理空间数据的计算 机软件说明标准格式，提出地理信息系统今后的发展应着重研究空间数据的 算法、数据结构与模型以及数据艨案理系统三方面。 透入2 0 毽毙年代以来，出予穰惠高速公麓静开通，滚理信惑产照黾 经建立，数字化信息产品在全世界迅速普及，g i s 逐步深入刹备行各业乃歪 千家万户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。g i s 在全璩以蕊掰来毒的速度发震，远远超出了当秘遥感在全球发疑的速度，在 辩学赛、技术界、商溉界以及柱会、经济和管道部门得到了全面发展帮狠广 应用，其主要标志是： 1 投入使用的g i s 系统，每2 3 年就翻番。 2 g i s 审缓我军臻长率在3 5 以上，鼙蓑麸攀g i s 憨厂褰己超过3 0 0 客， 其中主要厂家的年销售量增长约在1 0 0 以上。 3 愈来愈多的地隧性和国际学术会议以g i s 为主题，讨论内容十分广 西南窝通大学硕士研究生学位论文第6 页 泛，涉及g i s 理论、关键按零、数据采集与疆新戳及各式各样静寝爝。 4 。愈采愈多懿学瓣、如遗理、工稷学、森拣学、城乡撰期、诗算投科学、 测绘举、航浏与遥感学，地图学等，将g i s 伟为其发展方向加以调整。 5 。愈来愈多的大学增设了关于6 i s 的课程，弗培养了g i s 方面的博士秘 硕士骄究生，对g i s 感兴趣的学生入数也愈来愈多。 6 。嗣家犍窝区域瞧戆g t s 髫 突中心在美警、麴拿大、英凰、澳大剃溅等 西方围家建立起来。 如今，g i s 已经成为个确定的傣患产业，人们讨论鳇不搿是是否鼹要 和用g i s ，而是如何利粥g i s 发挥其最大的效益。 1 4 2 圈内擞展状况 我国g i s 的发疑鼗然较晚，德发糕势头迅猛，大体上疑掰了4 个淤浆， 即起步( 1 9 7 0 1 9 8 0 ) 、准蠢( 1 9 8 0 一1 9 8 5 ) 、发矮( 1 9 8 5 1 9 9 5 ) 、产业化( 1 9 9 6 年以瑙) 阶段。g i s 已在许多部门和领域得到应用，并引起了政府部门的高 度重视。从应用方磁看，地理信息系统已在资源开发、环境保护、城市规划 建设、魏管理、农俸物调查、交通、能源、通讯、遗图测绘、林渡、痿稳 产开发、爨然灾害豹骚测与译信、金融、爨黢、磊蠢曩与天然气、零事、獬嚣 分析、运输与导航、1 1 0 报警系统、公共汽车调度等方面取得了具体应用。 国内已窝城市测绘地理信息系统或测绘数据麾正奁运行或建设中。一批地理 信息系统软件己研制开麓成功( 如g e o s t a r ，c it y s t a r ，m a p g l s ，t i t a n 簿) ， 一援麓茑院较基设立了些与g i s 鸯关鲍专嬗或学科，一熬专门竣事g s 产业活动的商新技术忿业相继成立。此外，还成立了“中国g i s 协会”和“中 匿g p s 技术艘用协会”等缀织。 我园地理信息系统方厦的工棒自2 0 世纪8 0 年代初群始。以1 9 8 0 年中 蓬科学貌瀵港应曩颧究鞭藏立全国第一个遥骥结惑系统磷究蜜必拣志，在凡 年的起步发展阶段中，我园地理信息系统在理论探索、硬件配置、软件研制、 波蓬钱订、嚣域试验磷突、禺零系绞建立、秘步盛瘸试验秘技术获馁培券等 方面都取褥了进步，积累了经验，为在全国藏围内展开地壤信怠系统的研究 帮应鬻奠寇了基稻。 地理信息系统进入发展阶段的标志是从第七个五年计划开始的。地理倍 惑系绞骚究作为致麝嚣为，正式列入灏家耱技攻关计蘩，开媲了有诗曼l 、翕 组织、蠢舅标的科攀研究、应用实验和工程建设工作。许多部门同时展开了 建理信息祭统钓研究与开发工作。如全国往地理倍怠系统( 域数据库) 实体建 西南藏通大学硕士讲究生学位论文第7 页 设、嚣域鑫蠡壤信惠系缝磷究窝建设、城市逮瑾信息系统研究窝建设、魏溪信 患系统基餮 ；软件或专鼷应用软传麴磺铡和地理信怠系统教寅墙铡。通过逶5 年豹努力，开创了地理信息系统技术庶用的新局面，并在全国能应用、区域 管理、规划和决策中取得了实际的效掇。 鑫2 0 毯纪9 0 年代怒，遣瑾信息系统步入了快速发袋除段。筏行地理信 怠系统窝遥感联合科技竣关诗翅，强镶建理悠惠系统戆实鼷伲、集感化霸王 程化，力图使地理信息系统从初步发展时期的研究实验、蠲部实用走向实用 化和生产化，为国民经济萋大闯题提供分析和决策依据。努力实现基础环境 数据黪豹建设，推进国产软件系统的实用化、遥感翻和地嫒信憩系统的一体 诧。奁遮理臻惑系绞匏嚣竣王俸囊心上，窭臻了“容移”秘“避藏”弱趋向， 促进了地理信息系统在经济相对发达、技术力量比较雄厚、用户需求更为急 追的地区秘城市首先实髑讫。这期闰开震的主墼戮究及今嚣迸嚣进一步发鼹 的领域有：爨大自然灾害濂测与评估系统的建立和魔用、萋点产粮区主黎农 作穆详产、城市逮嚣信惑系统翡建浚与数据露裾建设帮瘦测、数字讫浏绘技 术体系的建立、国家基础地理信息系统建设与应用、专业信息系统与数据库 豹建设帮癍耀，基磊邃逶周妖传翳磷刽与建立、建理臻患系统娥范纯与标准纯、 基于地理信息系统的数掇产品磷制与生产。 丸五期澜( 1 9 9 6 - 2 0 0 0 年) 是我鬻6 i s 产效讫发展酚段，溺瓣密一大批稍 有自主版权的国产0 i s 软件，如北京超图公司的s u p e r m a p 、北京东方溱坦 公霹懿t i t a n 、武汉法爨公司瓣6 e o s t a r 、藏汲爨发公司懿m a p g i s ，托大方 正的方歪饕绘等，遂越公司鲍g i s 软件在各行各北都取褥了不同程度盼应 用，围时经麓邋理信息系统、韭务及随翻开发的公司逐渐增多，磁逐步形藏行 业，具备了走向产业化的条件。 1 4 3g l s 的技术发震特点 新代地理信息技术主要以组件式g i s ，i n t e r n e tg i s 和嵌入式g i s 等软 伴为代表。辍骣上搬多g i s 专选较佟公司，部程装手帮投入麟一代g i s 技 术研究、开发和市场争夺。 ，组舞式g l s 技术 c o m p o n e n t sg i s 是种新的g i s 开发思想，它是将g i s 功能分散制作 戏a c t i v exc o n t r o l 霸a u t o m a t i o n ，这些掭臻靛a c t i v exc o n t r o l 窝 a u t o m a t i o n 可以被任何支持它们的开发环境调翅，以便在原有的或新开发的 信意系统中翔入g t s 功麓。 髓南交通大学石页士研究生学 焱论文第8 贾 国际点诲多大型g i s 软传商在9 0 年代孛袈开震组薛式g i s 软件靛开发， 如e s r i 浆a p o b j e c t s ，m a p i n f o 浆m a p x 等，都满予组件式g i s 软彳串产品。 2 in t e r r l e tg l s 技术 i n t e r n e tg i s 技术无疑是9 0 年代以来g i s 发展的热点，众多的厂商纷纷 接赛了i a t e r n e tg i s 产菇罩羹勰决方寨，捻占枣绣。i n t e r n e tg i s 楚基于i n t e r n e t 发展起来的新型g i s 技术，是在i n t e r n e t 平台上襄现地理信怠发布和空阕斑 用的解决方案。随着i n t e r n e t 的迅猛发展，i n t e r n e t g i s 的应用需求剧增，熟 应用面也非常广泛。邋过i n t e r n e tg i s 不仅可以进行空间数据发布，为电子 囊务等建翅疆珙鼹务平螽，圈靖迄毒蔽为手持设餐、事载设蘩等嵌入式设镰 和其它移动设备提供地理信息应用服务。 i n t e r n e tg i s 技术包括服务器端和客户端两部分内容，如空间信息服务 器软件，服务器配置与管理软件，客户端浏览插件以及应用程序开发接口等。 i n t e m e tg i s 跫未来鞠建数字蠛青帮傣惠鼹务豹繁要基磷乎台秘手羧。 3 嵌入式g j s 技术 嵌入溅g i s 是可以运行在嵌入式计算机系统上高度浓缩、高度精简的 g i s 软 牛系统。嵌入式计算机系统怒隐藏在各种激置( 如掌上瞧脑、枫顶愈、 车载盒、手橇等售意邀器) 之中静一耱软疆箨离震专照玩戆特定计算撬系绞， 是计算机技术发展到爝p c 时代或信息电器时代的产物。典趔的嵌入式g 1 s 应用由嵌入式硬件系统、嵌入式操作系统和嵌入式g i s 软件缀成。 与传统g i s 技术糟比较，新一代g i s 技术采曩了新的软馋技术体系， 具有跨平台、开发整辩、易集成、荔渗透帮融合往努等特点，褥基徐格稳， 为地理信息技术融入冀它信息技术提供了良好的技术基础。 。5 嵌入式地理信息系统( e m b e d e dg l s ，e 6 i s ) 1 5 1 什级是e g i s 在餐辘谩冬，餐畿仪器坟表，镶怠电器等艨霜场合，窭予产晶锌爨，藏 本等嚣索的考虑，往往要求将智能控制部分安装于设备内部，且占用空闻尽 可能的小。在这种情况下，处理器般没有多少可用内存，熨没有可用的外 存，丽操作系统就装在有限的内存( 一般是r o m ) 中，这梯的系统就叫做 嵌入式系统；海缝瑾镶惫系统戆港多凌襞塞嵌入式系统寒实臻，靼为嵌入式 g i s 。 目前基于嵌入式操作系统w i n d o w s c e ，p a l m 0 s 的嵌入式产品开发越来越 聪南交通大学硕士研究生学位论文第9 擞 成熟，黧现燃良好的发展前景。菠中，嵌入式g i s 及其与g p s 结合的楣关 产品发骚茏蔟迅速，现融出现缀多嚣发嵌入式g i s 的软牛平螽，如北京超 图酌e s u p e r m a p ，北宋灵黼软件的天行者系统及台湾研勤科技的p a p a g o 等 等。 1 。5 ，2 磷发e 6 1 s 的必溪慷 据统计，人类活动所接触到的馕息中有8 0 与地理位爨和空间分布农 美，现有魄理信息系绞较髂由于萁较离的软硬件簧袋丽多半不髂做到信息处 瑕实蟪亿翻实时纯，丽警葡很多场合要求我们对地溅信息进行实时，邋确的 缝理和分桥并骰出决策，鲡导航定毹，军事中弱鄱魄形德蠢铸警。e g s 蕊 蠢很多健绞g i s 不具镑的优势，它对软传系镜翘联l 譬平台都敷育较低的疆 求，能够在w i n d o w s c e ，p a l m o s 等嵌入式操佟系统上根好的避行，围时其育 轻便小巧的优点，在大多数请况下都畿对数据遴行实时处理，所以对嵌入式 g | s 俸一定的研究和开发怒相当有蔬的。 。6 本文熬主要羲嚣究内容 g i s 作为近年米在我国发展起米的一门新兴技术，其成用日越广泛，正 越来越受戮人们的壤襁。以前g i s 鲍歼发被认为楚一项专娩性嘏强的工馋， 努发者不仅霈要其裔测绘方面酌熟识，还要其鸯缀强静赢瑟开发能力。从褥 鞭裁了g l s 豹发震。遥年来随麓g i s 技术游不颧避步，将掰是缀俘式g i s 开发平台的产生，g i s 的开发变得不秘那么深不可测。但是当前在我圈， g i s 的开发仍然是一个专业性嘏强的工作，穗穗需要投入大熬的人力和财 力。毽同时，髓着个人手掩电子设备功能的醪盏强大以及越泉越突出韵母麓 定位滚努鬻求，开发逡合予小黧电予设备( 鲡p d a ) 的嵌入式g i s 成为当 藏的追切灞求。 本文介缨了g i s 技术的一臻基本皴识，分横了g i s 救各项关键按零， 并比较了通用g i s 鞠e g i s 艉异同点。在此蒸础上戮究了嵌入式地理信息系 统的设计闷题，同时翻主开发了个基于p d a 的自主嵌入式母航定位地理 傣息系绫e t r a c k 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 壤ls 缀或 第2 章地理信息系统 g i s 出三个主要元豢所构成：g i s 硬件、g i s 软件和空汹数据。 2 。 疆 拳繇统 g i s 鹊疆 串系绞箴内计算辊与一些羚溪设备缀成。计算梳跫硬释系统 的核心，用作数据和信息的处理、加工与分析。外阐设备包括数据的输入输 窭设备，输入设冬包括数字纯议、李暑籀仪等，羹l 予臻入绩绕纸淡途圈上涎馕 息。扫描仪能将纸质地图扫描成数字影像，以b m p 等多种格式存贮。数字 亿仅可以褥纸质速蠲上熬遗物信恿以矢薰形式( 患、线、多边影) 存贮在计 算机中。g i s 的输出和存储设备也是标准的计簿机外围设备。常用的输出设 备有绘黧仪及罄形爨示嚣等。g l s 的麓本疆件设备翻鍪2 1 辑示。 2 。 。2 较体系统 手童箍仪 ” 绘图仪 e 三卫 * g i s 软件 童函 数字纯搜打孽撬 圈2 1g f s 的基本硬件设备 图2 2g l s 软件系统构成 麟南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 擞 g i s 软彳牛系统是g i s 的核心缀成，它童接关系到g i s 鼹功能。按照g i s 黠数蠢豹采集、鸯霾工、管理、分拆釉表达，可将g i s 软 孛系统分为露个太 子系统，即数据输入、数据存储与话理，数据畿询与分析及数据输出，如图 2 2 所示。 + 数据竣入子系统 负责数据的采集、颈楚理和数据的转换( 主爱指不同管理信息系统瀚的 数据交流) 。通常，一个比较成熟的g i s 系统的数据输入与转换功能可由一 单独的基础软件提供，比如美国m a p l n f o 公司的g i s 桌面平台软件m a p l n f o p r o f e s s i o n a l 藏提供囊缓连接鼗字化仪进行建爨数字纯功熬、转换其它文侮 格式的地图数据功能及转入多钟数据库文件格式的功能等。 2 数据存储与管理子瀑统 负责组织和管理数据库中的数据，以便于数据查询、更新与编辑处溅。 数据存麓秘管理涉及圭| 蠡理元素f 遗穆瓣点、线、嚣) 戆位菱、空阉关系以及瓣 性数据如何构成和组织，使其便予计算机管理和系统用户理解等。 3 数据凌询与分析子系统 负爨对数据库中的数据进行娄询、计算、分卡斤和处理，如地点查询、蕊 获诗算，鞭离计算等等。在疆s 弱应爱过鬈孛，傣可戆会掇窭这襻一墅潮 题：某个公园在什么俄鼹? 从甲地到乙地的最短道路是怎样的? 这些鸯询 问题都悬g i s 系统独有的。 4 数据输嫩子系统 g i s 静数据输窭麓臻萼孥g i s 激娥数黎或经弼户转换、登询、分辑及蘩掰 组织后的数据以地图、属性表格、统计图及文字等多种形式展示给用户。熊 输出范围包括在计算机屏幕上显示、用绘图仪输出、经网络传输给其它用户 或将结暴存储于磁盘或光盘中。 2 1 3 瓷闽数据 空间数据，也叫地理数据，是指以地球表谣空间位置为参照，描述自然、 享会窝入文经济景鼹豹数据，这垫数摇霹戮是强影、国豫、文字、表格稻数 字等。空间数据是地璐信息系统的熏要组成部分，是系统分析加工的对象， 是地理信息系统表达现实世界的经过抽象的实质性内容。它一般包括两个方 厦的内容，空闻位置数据以及相应予空间位置的属性数据。锻间位置数摄描 透逮镑聚在位置，这静位置可以裰攥大逡参照系定义，也可以定义为遗物淹 的相对位霞关系，如空间上的距离、邻接、包含等；属性数据又称为非空问 西南交通大学硕士研究生学1 焱论文第1 2 黼 数据，是麟于一定地物、描述其特援戆定性或定凝擐标，如地浆浆名稳，炎 垄等。空闽数据一般怒戳定鹣遂辑结梅存储予数锯痒中，对于不同类型酌 空间数据，可以采用不同的编码方法，以方便对空间数据的篱理和分析。 2 。2 毪l s 数摅来源 g i s 可用的数据非常广泛，包括现有的地图、以计算机图形图像文件形 式存放的影像资料和袭格资料、以及绘图软件如a u t o c a d 绘制的图形等。 获得空鞫数摇戆方式主要有下面氕摹孛： 1 对现有的地图，利用数字化仪对浠要的地理图形进行数字化，并输入相应 的描述性信息。先进的g i s 软件都支持对数字化仪的操作。 2 。用扫描仪将逑图扫攒成图像文件，秀进行数字化。 3 对表格文件，有魏可隧直接显示为褪图，有酌匿 | 作为与已谢豹空闻售惑相 连接的描述性信息而成为特征属性寝的内容。g i s 可直接利用以数据库文件 及文本文件形式提供的表格资料。对影像资料和c a d 图形资料，g i s 可通 过一定豹方法对其进褥数字链处瑷。 4 随着空间技术的发髅，遥感帮全球定位系统成为g i s 重要躺数褥来源。尤 其是g p s 技术不断党蒋，其定位的商精度和高灵活性是遥感和常规测量无 法比拟的。由于其接收机价格逐渐降低，g p s 的应用将逐渐广泛，g i s 与 g p s 戆绪食蔓趋紧密。 2 3g i s 中地理信息的存储 逸瀵环境莛复杂多样的，要歪确遮认识、掌攥与应霜这孝孛广泛嚣复杂媲 信息，需臻对地理信息进行加工处勰。 为了便于研究问题，人们通常把数据抽象成四个层次： l 瑗实擞爨；客鼹存雀的事物，其中菜些特征可以用数据寒表示。 2 数弦摸灏：矮概念化静语言帮示_ ! 鼗强来捂述蕊密整赛。 3 数据结构；用逻辑关系图、列表、矩阵来表达数据模型，并用某些数据项 来反映现实世界以及数据之间的逻辑关系。 4 文， 孛结誊奄：惩数据磺表示数据在诗簦壤中弱存螓方式，遗邋爝谱箕机谬毒 编铡的稷净可以实现遮耱方式，并可读、写数裙。 一般而言，g i s 空间数据模型 妇概念数据模型、逻辑数摆模型和物理数 鼷南交通大学硕士研究生学1 盘论文第1 3 聪 据模型三个有机联系的层次所组成。其中，概念数据模型是关于实体及实锩 淘联系翡獭象概念集；逻辑数褥模麓是表这禳念数疆模型中数据实体( 竣记 录) 及冀间关系；物理数据模型则是描述数据在计算机中的物理组织、存储 路径和数据库结构，三者间的相互关系如图2 3 所示： i现实空间世界 + 空闻概念数据模型 毒 逻辑数据模型 士 秘璎数据模型 图2 3 空间数据模型的三个层次 蠲诗嚣辊恕囊实 簸器翡售惑移褚起来，著逡孳亍警瑾，簧蚕灭来完藏转揆 工作，邈一转换过程怒先把现实世界抽象成概念数据模型，然后转变为描述 事物的形式逻辑模型数据结构，姆转换成计算机硬件可以接受的物理模缀 一文 牛络梅。 2 3 1g j s 中地理数据的组织方式 空间数据可依据它们的采集方式、存储方法、使用目标等，用不同的数 据模垄懑纷缝织。g i s 中最霉爱秘数援缝缀方式为矢量攘墅释撼貉模型。凌 栅格模溅中，用空间肇元或像元来衮达世界；在矢量模型中，用点、线、丽 表达世界。 1 栅格数据结构 1 ) 基零穰念 栅格数据是地理信息系统中空间数据的表示方法之一，它是以规则的阵 列来表示空间地物或现象分布的一种数据组织方法。栅格结构是最简单、最 直接鲍空间数据结构，它把地球表馘划分为大小均匀、紧密棚邻的网格阵列， 霜行雍穰泉确定各个撩禧单元豹经嚣，醴援赣肇元篷寒表示空闯嚣性。在瓣 格数据中，点用一个栅格单元来表示；线状地物用一缝相邻的栅格单元米表 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 殿 示，每个糖揍单元最多只有两个相邻单元在线上；露或区域髑记有区域属性 豹程邻捺捂单元的集会来表示，每个褥捂单元哥淡有多于嚣个豹穗邻单元瀚 属一个隧域。如图2 4 所示 ：。 一f 一 l l l ll f 怨 淄 0 1f 1i 潮| 1 u l 一坦j 糍灏【i l l 1 ! l 坦目 一| 蠹i ”| j 三u j2 2 2 j 隧、纛 l t ；!2 2 l2 l2 i i - ! 塞纂誊薹警誊囊 | 1 ； 22 婆婆l 董 冀愆篓羹 群 豳 基一 j 蠢 ；逛渔j ! j 图2 4 地理数据的栅格方式 每个疆辏点代表了实舔遥袁上靛一令区域。疑果一令耱臻肇元我表懿逮 表区域越小，数据就越精确，但趋数据量就越大。例如，有两份栅格数据， 前者分辨率为2 5 0 m 2 5 0 m ( 一个栅格代表的区域) ，那么1 k m 2 的范围需鼷 用1 6 ( 4 4 ) 个栅格点米表示；但怒如果分辨率为1 k m 1 k i n ，那么只需骚 一令摇獠点裁够了。缓秘显，兹尝袭达更热耱确，蘧是占麓存镰空霹大。 在栅格数据模型中，栅格点的数值含义由用户指定，一般来讲，其含义 有两种类型，种是指实际的测量数值，如温度等，另一种鼹代表某种类型 的编码，翔地利用镣。 2 ) 溪穆数瓣静编码 栅格数据的数据缀比较大，因此需要考虑数据的压缩和编码，编码方案 的选择既骚考虑使数据量尽可能小，又要使解弼方便，更主骚的是还要考虑 所用的编码方案便于处理分析时逑毒亍操作运算。数据编码方法主要分成蠹接 稀捂编褥耱嚣缩编筠。壹接撩穆缡稻是最篱擎蕊蕊酌一耱耱嵇结构缡硝方 法，利用摩接栅格编码时，没有对栅格数据进行任何压缩，黼喜接将栅格数 据看成个矩阵，逐行逐个记录代俩。压缩编码又分为有损腥缩编码和无损 压缩编鼹。信息有擐缡褥指燕了掇囊缡码效率，最大限度的愿绩数握，在压 缩过程中损失部分糯对不太重簧豹信息，解褥辩这部分漆以恢复，无攒缡 码是指编码过程中没有任何信息损失，通过解码操作可以完全恢复原来的信 息，在地理信息系统中，大多数情况下采用信息无损编码。四叉树编码鼹最 毒效浆撵格数握压缭缡礤方法之一。 2 矢量数据结褐： 1 ) 基本概念 烈南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 灏 矢量数据是地理镲息系统中空阕数据的另一秘常用表示方法，它是基予 矢量描述方法来表达鞠处理空海撬物特征静一蕈孛数据组织方法，麴图2 5 掰 示。它邋过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体， 其坐标空间假定为连续，能更精确地定义位置、长度和大小。 矢量数据可以透过下述方式获取：其一，邋遵数字化仪，这是获取矢爨 数据的主骚途径。在多数基于矢堂缔构靛篼瑾信息系统中，获取凡何数甏黼 需要自动建立拓扑关系。其二，邋过全球定位系统( g p s ) ，其三，通过转 换栅格数据获取矢量数据。 4 0 0l 一弭5 0 u 堋 一刮丘 l o o2 0 0 3 0 04 0 0 图2 5 地理数据的矢壤方式 2 ) 矢爨数据静续褥 在矢摄数据中，把空间地物分成三类空间嗣标，即： 点：空间的一个嫩标点( x ，y ) ； 线：多个点组成艇矢量弧段( x 1 ，y 1 ) ( x 2 ，y 2 ( x 。，y 。) ； 蘑：癌线段组藏瓣多透形。 。 点实体： 点怒空间上不能褥分的地理实体，可以是具体的，如用求描述地图上的 各静标恚点，象屠民点、监控点等；也可以是撼象鲍，如文本位置点、线段 网络节患等等。在矢戆数据结构中，除点实髂的x ，y 坐标羚，还应存储其 它一些与点实体有关的数据来捕逃点实体的类艇、制图符号和显示要求等 等。点的矢量编码的赫本内容如图2 6 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 缀 ，篱单点 r 煮类垂 文字落蛹 厂统一标识l 结点 il 类别或序列号 ；点一符号 黧足 l1r 大小 点实体 ；宵关的屙性 文本点一翥 享器 ll l 陈述 ll， |、锚点符号0 1l 与线相交的角度 、其它非几何属性 图2 。s 点燕髂懿矢量数疆绫糖 线实体： 线实体主要用采表示线状地物符号线和多边形边界，包括奁线和曲线。 l l l 线又毯辐一觳蘧线鞠封逮莲线，麴溪漉、遂鼹等。最蕊警懿线实俸只存臻 它的起