（计算机应用技术专业论文）公交车自动报站和地图匹配的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 当前国内主要大城市的公交车大都采用人工语音报站，即每到一站由司机 或者乘务员按语音键来进行报站。但有时由于受到各种因素如雨雪天路滑、车 上拥挤、乘务员心情的变化等的影响，会出现报错站，漏报站的情况，给乘客 特别是不熟悉本市地形的乘客带来了不必要的麻烦，从而影响到了一个城市的 窗口形象工程建设。于是开发研制自动报站系统成为必然 第一章介绍了智能交通的发展概况以及课题所用到的相关知识即地理信息 系统，全球定位系统和此课题的设计语言m a p b a s i c 。随后介绍了全球定位系统 的原理及在各个方面的应用，重点是在军事方面的应用 第二章研究了基于嵌入式公交车报站系统的设计平台，其中包括软件和硬 件的设计以及导航系统的功能，本文重点介绍了软件系统方面的设计，即g p s 数 据的接收，转换和处理：嵌入式g i s 的设计和数据的存储 第四章、第五章是本课题的的重点，研究了基于嵌入式全球定位系统( g p s ) 的公交车自动报站系统的设计，即应用接收的g p s 定位( 坐标) 数据，与站点 的坐标进行比较，当差值落入一定的阈值范围内时进行报站。设计了整个导航 过程中的流程和算法，编写了主要代码。 地图匹配是车辆导航系统的关键技术，对于公交车自动报站系统也不例外。 文章提出了针对公交特点的差分方法，即利用多次g p s 接收机所记录的车辆行 驶轨迹来记录道路，与g i s 数据匹配，从而剔除粗差和系统误差，减弱其他如 传播误差和定位及电子地图误差的影响，从而能够获得稳定的g p s 数据，判断 出车辆是驶近还是驶离某一站点。介绍了匹配前的数据预处理，设计了匹配算法 的流程，分析了此匹配算法存在的问题最后还介绍了基于模糊匹配的道路匹配 方法的研究另外也把车辆的行驶方向作为了算法设计的一个重要因素 第六章介绍了自动报站系统所用到的各个模块的设计，如数据处理，嵌入 式操作系统，l c d 液晶显示模块等。同时介绍了嵌入式公交车自动报站系统发 展的前景和建立完整的城市交通信息管理系统的必要性 山东大学硕士学位论文 关键字：g p s ( 全球定位系统) g i s ( 地理信息系统) i t s ( 智能交通系统) 地 图匹配 山东大学硕士掌位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s , m o s tb u s e si nl a r g ec i t i e sa r eu s e da r t i f i c a ls o u n d - a n n o u n c i n g - s t a t i o n , b yw h i c had r i v e ro rs t e w a r dp r e s s e sas o u n d - k e yt oa b n o u n o et h es t a t i o n b u t m i s t a k e na n n o u n c i n gs t a t i o no rl e a k i n gs t a t i o no f t e nh a p p e n sb e c a u s eo f b a dw e a t h e r , p e o p l e sc r o w d i n go rm o o d c h a n g i n ge t e t h e s em i s t a k e sc a l l t a k ee x c e s s i v et r o u b l e t op a s s e n g e r sp a r t i c u l a r l yt ot h ep e o p l ew h oa r en o tf a m i l i a rt ot h ec i t y t h e s ea l s o b d n gt h ec i t yn e g a t i v ei n f l u e n c e s oi t i sn e c e s s a r yt os t u d yaa u t o a n n o u n c i n g s t a t i o ns y a t c mf o rp u b l i ct r a f f i c t h ef i r s t c h a p t e r i n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n t o fi t s ，a n dt h er e l e v a n t k n o w l e d g e ss u c ha sg 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 , g l o b a lp o s i t i o ns y s t e ma n d t h ed e s i g nl a n g u a g em a p b a s i c t h e ni ti n t r o d u c e st h et h e o r ya n dt h ea p p l i c a t i o no f g p s ，t h e ni te m p h a s i z e st h ea p p l i c a t i o ni nt h et r o o p t h e nt h et h i r d c h a p t e ri n t r o d u c e s t h e d e s i g ns e t t i n g f o re m b e d d e db u s a u t o a n n o u n c i n gs t a t i o n , i n c l u d i n gt h es o r w a r e sa n dh a r d w a r e s a tt h es a n l et i m et h e p a p e re m p h a s i z e st h ed e s i g no ft h es y s t e m ，f r o mt h er e c e i v i n g , t h e t r a n s f e ra n d p r o c e s s i n go f g p s d a t u mt ot h ed e s i g no f e m b e d d e dg i sa n dt h es t o r e i n go f d a t a i nt h ef o r t ha n df i r hc h a p t e r s ，t h ea p p l i c a t i o no f g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ( g p s ) a n dd e s i g no f b u sa u t o a n n o u n c i n gs t a t i o nb a s e do ne m b e d d e ds y s t e ma r es t u d i e d c o m p a r i n gt h ed a t ag o tf r o mg p sw i t ht h ed a t ao fs t a t i o nf r o mo i s ，a st h e d i f f e r e n c eb e t w e e ng p sa n dg i si ss m a l l e rt h a nac e r t a i nt h r e s h o l d ，t h ep r o g r a m m e o f a n n o u n c i n gs y s t e mi ss t a r t e d i td e s i g n st h eo r d e rc h a r to f t h es y s t e ma n dw r i t e s m a i nc o d e s m a p - m a t c h i n gi st h ek e yt e c h n i q u ei nv e h i c l en a v i g a t es y s t e ma sw e l la sb u s a n n o u n c i n g - s t a t i o ns y s t e m a tt h e s a n l et i m e ，t h em e t h o do fm a p - m a t c h i n gh a si t s s p e c i a lf e a t h e r sb e c a u s et h er o a d so ft h eb u sp a s s i n gb yi sr e g u l a r t h ep a p e r d i s c u s s e sh o wt or e c o r dt h er o a du s i n gt h ed i f f e n c ed a t u mo fg p sr e c e i v e d r e p e a t e d l y , m a p - m a t t i n gw i t ht h et h ed a t u mo fg i s g e t t i n gr i d eo f t h el a r g ee r s a n ds y s t e me r f o r s ，d e c r e a s i n gt h eo t h e re i t o r ss u c ha st r a v e l i n gg i t o r s 1 0 c a t i n ga f l - o r s a n de l e c t r o n i cm a pe r r o r se t c ，o b t a i n i n gt h es t a b l eg p sd a t u m ，d e c i d i n gt h es t a t i o n s 1 1 i 山东大学硕士掌位论文 o ft h eb u st u n i n gi no ro u t i ti n t r o d u c e st h ep r i m a r yp r o c e s s i n go fd a t u mb e f o r e m a p m a t c h i n g ，t h ed e s i g no fp r o g r a m m eo r d e rf o rm a p - m a t c h i n g , a n a l y s i n gt h e q u e s t i o n so fm a p m a t c h i n g a tt h ee n dt h em e t h o d so fr o a d - m a t c h i n gb a s e do n m u z z y - m a t c h i n ga r es t u d i e d i na d d i t i o n ，t h ep a p e rl o o k so nt h ed i r e c t i o no fb u sa s a l li m p o r t a n tf a c t o rt h a tt h em a p - m a t c h i n ga l g o r i t h md e s i g n s a tl a s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h em o d u l e sf o rt h ed i s p o s a lo f d a t u m ，e m b e d d e ds y s t e ma n ds h o w i n go fl c ds a c a tt h es a m et i m e ，i ti n t r o d u c e s t h e d e v e l o p m e n tp r o s p e c t o fa m b e d d c db u s a u t o a n n o u n c i n g s t a t i o n s y s t e m ，e x p l a i n i n gt h en e c e s s i t yo ff o u n d i n gw h o l ei n f o r m a t i o nm a n a g c m a n ts y s t e m f o rc i t yt r a f f i c k e yw o r d s ：g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) ，g i s ( g e o g r a p h i e a li n f o r m a t i o n s y s t e m ) ，i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) ，m a p - m a t c h i n g 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：堡盘盘日期：兰型主5 目1 5 & 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ：啦翩虢举卿 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 智能交通系统简介 智能交通系统是在较完善的道路设施基础上，将先进的电子技术、信息技术、 传感器技术和系统工程技术集成运用于地面运输的实际需求，建立起的全方位、 实时准确、高效的地面运输系统，实质上就是利用高新技术对传统的运输系统进 行改造而形成的一种信息化、智能化、社会化的新型运输系统。它使交通基础设 施能发挥出最大的效能，提高服务质量，使社会能够高效地使用交通设施和能源， 从而获得巨大的社会经济效益。 二十世纪八十年代以来，世界各发达国家虽然己经基本建成了四通八达的现 代化国家道路网，但随着社会经济的发展，路网通过能力日益满足不了交通量增 长的需要，交通拥挤和阻塞现象日趋严重，交通污染与事故越来越引起社会的普 遍关注。经过长期和广泛的研究，这些发达国家己从主要依靠修建更多的道路、 扩大路网规模来解决日益增长的交通需求，逐渐转移到用高新技术来改造现有的 道路运输系统及其管理体系，从而大幅度提高了路网的通行能力和服务质量。起 初，这种研究被称为“智能车辆道路系统”( i n t e l l i g e n tv e h i c l eh i g h w a ys y s t e m ， i v h s ) ，主要进行道路功能和车辆智能化的研究。随着研究的不断深入，系统功 能扩展到道路交通运输的全过程及其有关服务部门，成为了带动整个道路交通运 输现代化的“智能交通系统”( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) 国际 上公认的智能交通系统的服务领域有：交通管理系统、出行信息服务系统、商用 车辆运营系统、电子收费系统、公共交通运营系统、应急管理系统、先进的车辆 控制系统“。 1 2 智能交通系统的国内外发展现状 最早含有电子元件的车辆定位与导航系统是美国在二次世界大战期间为军 用车辆研制的导航系统。7 0 年代初期，美国开发了一种自主导航系统，这种系统 利用航位推算( d e a d r e c k o n i n g ) 模块，借助于地图匹配( m a p - m a t c h i n g ) 算法进行 车辆定位，确定车辆沿着路径行驶的位置。该系统的第二版本能够把路径引导指 令显示在车内的等离子显示器上。1 9 8 5 年，美国易泰克( e s a k ) 公司推出了一种称 为n a v i g a t o r 的汽车自主导航系统，该系统配有数字地图库，采用了航位推算定 位技术和地图匹配技术。至u t 9 0 年代，随着计算机和通信技术的飞速发展，特别 l h 东大学硕士学位论文 是美国全球卫星定位系统( g p s ) 的建立和发展，使车辆定位与导航系统的发展进 入高潮。1 9 9 4 年，第一个装有g p s 接收机的导航系统g u i d e s t a r 投入市场与此同 时，车辆定位与导航系统的发展为一些发达国家改变交通拥挤的现状提供了一个 新的思路，即从过去主要依靠修建更多的道路，扩大路网规模去试图满足日益增 长的交通需求，转移到将先进的信息技术、通信技术、控制技术及传感器技术等 先进的高新技术有效地集成并应用于现有的道路运输系统及其管理体系，使交通 具有“智能”化目前，智能交通系统( i t s ) 已经成为许多国家的热门研究领域， i t s 的研究推动了车辆定位与导航系统的发展，而车辆定位与导航系统的发展也 促进了i t s 的发展，二者是相辅相成的。美国于9 0 年代进行许多智能交通系统的 实验，如在芝加哥进行的a d v a n c e 系统是一种基于实时交通条件的分布式路径诱 导系统。在该系统中，车辆定位主要采用差分g p s ，在g p s 处于盲区时用航位推算 法进行定位。 我国政府十分重视和支持智能交通技术的发展和应用。为加快用高新技术改 造传统产业，原国家科委从1 9 9 6 年开始组织了i t s 领域的一系列国际交流和合作， 支持在国内开展研究和开发。为了便于协调，2 0 0 0 年国家科技部组织交通部、铁 道部、公安部、建设部、国家技术监督局等有关部门，组建了我国i t s 政府协调 组织机构，总体规划包括道路、铁路、水运、民航在内的我国i t s 发展战略、标 准制定和人才培训，组织i t s 关键技术的攻关和示范工程。科技部在1 9 9 9 年确定 在国家“九五”科技攻关项目中增加智能运输系统体系框架的研究这一内容。该 项目由依托在交通部公路科学研究所的国家智能交通系统工程技术研究中心牵 头，来自院校、研究院所、企业和各部门的1 0 0 多位专家参加了这个项目的研究。 该研究成果从整体上勾画了智能运输系统的构成，将指导我国今后i t s 的发展。 标准化是全国范围内兼容性的保证，是实施i t s 项目的基础。标准化有利于建立 局部和全国范围内可靠和稳定的系统。开放式的标准鼓励为提供更好的i t s 服务 功能而竞争，从而使用户最终获益。标准化开辟出更大的规范化产品市场，使生 产者易于规模经营，从而降低成本和经营风险。1 9 9 9 年l o 月，在科技部和国家质 量技术监督局的统一安排下，国家智能交通系统工程技术研究中心和i s o t c 2 0 4 中国秘书处承担了“中国智能运输系统标准体系的研究”。研究的主要内容有： 结合与智能运输系统有关的交通工程技术、通信技术、信息技术，多方面了解国 2 山东大学硕士学位论文 ! 竺! = ! = = ! = = = ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! 竺= = = = ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! = ! ! 苎! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! 内对i t s 标准体系方面的需求，明确潜在的需要制定标准的领域：按照标准化管理 规则的有关规定，制定出智能运输系统标准框架和体系表：开展一些急需标准的 制定工作目前该研究的主要内容己经完成，提出的标准体系按不同层次覆盖了 信息定义和编码、专用短程通信、数字地图及定位、电子收费、交通管理与紧急 事件管理、综合运输与运输管理、信息服务、自动公路与车辆辅助驾驶系统等领 域，有3 0 0 多项标准。 除了交通部确定在交通部公路科学研究所建设“国家智能交通系统工程技术 研究中心”外，为支持铁路智能运输系统的开发和应用，科技部批准在铁道部科 学研究院组建国家铁路智能运输系统工程技术研究中心。为支持国家中心的建 设，交通部批准建设智能运输系统研究中心试验室，该试验室依托交通部公路交 通综合试验场，面向2 l 世纪的交通运输，建设先进的通信和信息系统，将道路上 的各种数据、图像信息融合在统一的数字系统中，使管理水平提到新的高度。根 据未来智能运输系统中信息交换的要求，该试验室还建立了短程通信试验设施， 它将为不停车收费系统、车辆信息服务系统、快速客货运系统以及车辆的定位与 跟踪等方面的开发、应用、设备检测和系统集成提供服务 1 3 论文选题的背景及意义 当前国内包括济南在内的各大城市的公交车大都采用半自动报站系统， 既通过人工干预语音信箱进行语音报站，和以前的人工报站相比，声音洪亮 清晰，不容易听错。但由于是人工干预语音信箱必然会存在人为因素，如天 气不好，道路打滑，驾驶员心情不好等原因使得漏报站、错报站的现象时有 发生，从而会导致乘客特别对本城市不熟悉的乘客下错站，带来了不必要的 麻烦，也会相应地影响城市的形象。 在实际的导航过程中，由于g p s 自身的误差和s a 的影响，使得车辆在电子 地图的位置实时地偏离行车路线，因而必须对车辆轨迹进行修正。同时由于受各 种制作电子地图的方法和输入原始地图陈旧等的影响，特别是在我们国家，没有 统一规范的电子地图数据标准，同时道路的错综交叉，使得地图的精度有所下降。 因而造成电子地图存在误差，甚至有时误差也比较大。这就不难理解现在很多技 术用来提高这两者的精度，比如差分g p s 技术和数据校正嘲。对于从串口中提取 出来的数据( 坐标，时间) 根据一定的算法进行处理，使接收到的数据与g i s 数 山东大学硕士学位论文 据匹配。这里的地图匹配技术是指通过使用一定的算法，将实际定位数映射到直 观的数字地图上，达到公交车一直行驶在一定的地图“道路”上 1 4 课题的主要工作 本文首先介绍了基于嵌入式全球定位系统( g p s ) 的公交车自动报站系统的 设计，即应用接收的g p s 定位( 坐标) 数据，与站点的坐标进行比较，当差值落 入一定的阈值范围内时进行报站。本文从g p s 数据的接收、提取到数据的处理都 提出了可行的运行模块，编写了主要代码。 地图匹配是车辆导航系统的关键技术，对于公交车自动报站系统也不例外 同时由于公交车的轨迹一般比较固定，所以其匹配方法也具有自己的特点文章 提出了针对公交特点的差分方法，即利用多次g p s 接收机所记录的车辆行驶轨迹 来记录道路，与g i s 数据匹配，从而剔除粗差和系统误差，减弱其他如传播误差 和定位及电子地图误差的影响，从而能够获得稳定的g p s 数据，判断出车辆是驶 近还是驶离某一站点；另外也把车辆的行驶方向作为了算法设计的一个重要因 素。 论文的创新性：l 、设计了自动报站的流程及算法；2 、编写了代码完成了简 易界面的自动报站模拟；3 、针对公交车的特点提出了准静态差分地图匹配的方 法；4 、设计了基于嵌入式报站系统的几大模块的设计。为嵌入式公交车自动报 站系统的实现提供了软件和理论上的基础。但由于时间和客观条件的关系使得课 题还有很多的工作没有完成：1 、地图匹配只是设计了算法没有进行真正的g p s 数据和g i s 的匹配。2 、报站系统的数据是模拟数据，语音报站采用的是图文显示。 1 5 公交自动报站系统的原理概述 公交车自动报站系统的主要功能是通过g p s 接收机接收g p s - v 作卫星的导航 信息，从而解算出车辆目前的经度、纬度等信息，并将位置信息存入数据库中并 与电子矢量地图进行匹配，最后在具有丰富信息的地理信息系统的电子地图上显 示出来。同时还可以实时地在公交车不同位置的不同显示屏上显示公益信息、广 告信息和景点信息等。在离站，到站和拐弯点阙值范围内语音提示的同时在显示 屏上显示同类信息，给乘客一种全方位的提示与服务。 4 山东大学硕士学位论文 1 6 课题研究的相关背景知识 1 6 1 、地理信息系统 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 s ，简称g i s ) 是一种采集、 存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理 数据的通用技术。它在最近的3 0 多年内取得了惊人的发展，并广泛地应用于资源 调查、环境评估、区域发展规划、公共设施管理、交通安全等领域，成为一个跨 学科、多方向的研究领域作为一种通用技术，地理信息系统按一种新的方式去 组织和使用地理信息，以便更有效地分析和产生新的地理信息：同时，地理信息 系统的应用也改变了地理信息分发和交换的方式。因此，地理信息系统提供了一 种认识和理解地理信息的新方式，从而使地理信息系统进一步发展成为- - 1 7 处理 空间数据的学科 当前随着计算机特别是多媒体技术的发展，从8 0 年代中期第一部电子地图集 问世以来，电子地图特别是多媒体电子地图集的开发研制取得了长足的进展，目 前已经进人使用阶段，并成为- - 1 7 新兴产业，近年来出现了诸如交通旅游电子地 图、城市之星电子地图等多媒体电子地图。多媒体电子地图集完全改变了过去那 种纸质地图的制作方式和表现形式，它区别于传统纸张地图集的主要优点在于它 的灵活性、非线性、交互性、动态性、现势性和可扩展性等啪 ( 1 ) 可交互性。 在地图数据库、地图符号库的支持下，用户可以进行信息的查询、图形的放 大、缩小、漫游等交互操作： ( 2 ) 动态可视性。 可采用视觉的( 闪烁、颜色渐变、动态符号、运动线等) 及听觉的( 声音、音 乐等) 等多种手段动态地表达空间现象： ( 3 ) 较强适应性。 传统纸质地图的内容一经确定后就无法更改，更新较为困难。在电子地图中， 用户可根据自己的需要，进行较快、合理的数据更新： ( 4 ) 空间分析。 可进行空间分析，如距离的测量和周长、面积的计算、查询、最优路径选取 以及缓冲区分析等： 5 山东大学硕士学位论文 ( 5 ) 制作周期短。 从出版到发行的周期缩短，其中出版工序更简单，产品的运输更方便容易等。 目前可行的多媒体电子地图开发模式有两种：平台式和构建式。平台式即用户购 买一个地理信息系统( g i s ) 平台，在此基础上开发所需的功能。平台式开发方法 可以较快地开发出电子地图系统，开发人员无需太多的专业知识，其缺点是：系 统过于庞大，缺乏高效无缝的系统集成方案。构建式即用户从确定空间概念模型、 数据模型人手，完全重新构建自己的应用系统。与平台式恰恰相反，构建式开发 方法十分灵活：开发出的电子地图系统规模依需要而定，不会浪费资源，也可以 和应用系统实现高效无缝的集成缺点是开发周期相对较长，对开发人员的要求 也较高) 由于多媒体电子地图子系统只需要具有传统g i s 中的一小部分功能，如 购买g i s 平台势必增加不必要的资金开销，而很多g i s 平台软件的价格是相当昂贵 的，因此采用构建式是合适的多媒体电子地图演示系统可以实现多种媒体的高 度集成，图文并茂地展现地图信息，增强视觉冲击力，同时提供的查询以及空间 分析功能又能为用户提供一定的辅助功能，因此其必然成为地图应用的一个趋 势，鉴于此，开发多媒体电子地图演示系统甚有必要。地理数据的面向对象特性 ( 如现实世界中的制图现象与要素都可以抽象为点、线、面三类地物) 决定了采用 目前流行的面向对象开发( o o p ) 模式开发，其存在诸多优势0 1 。 1 6 2g p s 全球卫星定位系统 全球卫星定位系统( g p s ) 是由美国国防部发射的由2 4 颗卫星组成的全球定位 系统。这些卫星全天候昼夜发送高精度的、连续的、实时的定位和定时信息。提 供给用户三维坐标、三维速度分量和精确定时g p s 系统由三部分组成：空间部分、 控制部分、用户部分。可提供两类定位服务：基于粗码( c a c o d e ) 的标准定位服务 ( s p s ) 和基于精码( p y e o d e ) 的精确定位服务( p p s ) 。定位时接收机的位置是一系 列卫星“伪距”的交点，用4 颗卫星即可确定三维坐标和时间。 6 3 特别是美国国 防部宣布取消s a 政策以后，定位精度得到进一步提高。目前，历经2 0 余年发展， 是一种全球性、全天候、连续的卫星无线电导航系统，己成为目前世界上应用范 围最广泛、实用性最强的全球精密授时、测距、导航、定位系统采用g p s 接收 传感器进行导航和定位的车辆跟踪、导航系统，有可能成为该技术最大的一个应 用市场。而g p s 与g i s 相结合，可以实时了解车辆运行实际位置、运行方向和运行 6 山东大学硕士学位论文 速度等信息，并将定位结果通过无线通信通道传输到调度中心实现交通系统内 车辆的实时全程监视，保证运输车辆的安全。应用于公共交通系统，g p s 连续提 供的车辆运行位置信息覆盖车辆运行的整个线路，可用来辅助运行计划调整，准 确地进行车辆实时监控和调度指挥，从而实现机车跟踪，提高车辆的使用效率， 缩短滞留时间。 1 6 3 本系统的图形平台m a p i n f o ( 1 ) m a p i n f o 的技术特点： m a p i n f o 利用点、线、区域等多种图形元素，以及丰富的地图符号、文本类 型、线型、填充模式和颜色等表现类型，可详尽、直观、形象地完成电子地图数 据的显示更重要的是m a p i n f o 还实现了在电子地图上的地图对象与关系数据库 中的记录的自动联接，可以进行空间数据库与属性数据库的双向查询。下面从以 下几个方面介绍m a p i n f o 的技术特点嘲： m a p i n f o 中的每一个t a b l e 表是数据与视图的结合，打开某个掌t a b ，即可以 地图 m a p 方式，浏览器 ( b r o w s e r 方式和图形 c h a r t 方式显示数据，各方式之 间是动态链接的，在一种方式下修改数据，其他两种格式的数据也将同时修改。 m a p i n f o 中，也是由图层l a y e r 将不同的数据叠加在同一地图上，从而揭示数据之 间的地理关系 1 图形及数据的输入： m a p i n f o 既支持数字化仪的图形输入方式，直接生成矢量图，同时也支持目 前市场上流行的七种图象格式，如b m p ，t i f , p c x ，g t f , j p g ，t g a ，b i l 等，用 户可以方便地将地图扫描成栅格图，然后进行栅格数据和矢量数据的转换，生成 矢量图，甚至可以进行两种图形的叠加显示。另外，m a p i n f o 具有动态链接关系 型数据库的功能，它内置有o d b c ( 开放式数据库接口) ，可方便读写远程数据并自 动保持与数据同步，提供冲突解决方案，包括o r a c l e ，s y b a s e i n f o r m i x ，a c c e s s ， d b 2 及所有s q l 数据库等等。 另外，m a p i n f o 提供了多种数据可视化方式，包括独立性、范围值、等级符 号、点密度、柱状图、饼图等方式，且具有多种投影转换接口。 2 数据管理及应用： m a p i n f o 内置有强大的关系型数据库，并实现了电子地图与数据库的自动连 7 山东大学硕士学位论文 接以及从地图到属性数据和从属性数据到地图的双向查询。m a p i n f o 的电子地图 是矢量图，每个矢量( 点，线或面) 都和其属性数据库中的一条记录相对应，相应 地，属性数据库中的每条记录也都有与之对应的地图矢量，这样，矢量图象实际 上成为了属性数据库中的一个特殊字段，因丙，数据描述与图形籀象紧密遣结合 在一起。另外，通过地理编码( g e o c o d e ) ，m a p i n f o 可以完成两个或多个表之间的 自动关联，进行空间信息的传送，满足用户空间分析的需要。 3 图形输出： m a p l n f o 不但可以接收多种不同数据，同时可输出数据给其它系统使用， m a p i n f o 系列产品之- - m a p x 提供了以下输出格式：j p g ，g i f ，w m f ，b m p ，t i f p n g p s d 等。值得一提的是，在同类产品中，m a p i n f op r o f e s s i o n a l4 1 首次实现了 将图层( l a y e r ) 图象输出到目前最常用的图象显示软件- - p h o t o s h o p3 o 当中另 外，m a p i n f o 还可将地图、统计图、浏览窗口和布局窗口的w i n d o w s 图元文件( w m p ) 作为邮件发送。 ( 2 ) m a p i n f o 的数据组织 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 牛之中，两者之间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，每个图层存储为若干个基本文件。 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( f i e l d s ) 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 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，为表示结构描述， 其后首尾相接地紧跟着各条具体的属性数据记录。 3 交叉索引文件( i d ) 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 山东大学硕士学位论文 性数据记录存放的顺序一致。它实际上是一个空间对象的定位表 4 空间数据文件( m a p ) 空间数据文件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，就能够方便地查到之相关的属性信息 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 l n f o 系统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i 以及该记录在属性数m 1 6 4m a p i n f o 的开发语言m a p b a s i c 的集成环境与特征 目前，用于地理信息开发的平台较多，m a p i n f o 是美国m a p i n f o 公司开发 的功能比较齐全的桌面地理信息系统开发平台之一，它将地理图形与属性信息建 立联系，使表格数据可视化，为分析与决策提供丰富的信息，广泛用于军事、测 绘、水利、林业部门。为满足某些二次开发用户的特殊需求，m a p i n f o 公司还提 供了功能强大的二次开发语言m a p a b a s i c 。 8 m a p b a s i c 的软件集成环境主要包括 文本编辑器( e d i t o r ) 、程序编译器( c o m p i l e r ) 、程序链接器( l i n k e r ) 和联机帮助 ( h e l p ) 四个部分。文本编辑器用于程序的编辑与修改；程序编译器用于源程序编 译，以生成可执行程序：程序链接器用于将若干独立的模块链接成一个应用程序： 联机帮助则为程序员在线提供m a p b a s i c 的每条语句或函数的详细说明资料。 针对各类用户的不同需求，用m a p b a s i c 可以迅速制定出用户所需的菜单、 按钮或对话框等；用户不仅可以修改标准的m a p i n f o 菜单，而且可以在原来的菜 单栏上增加新的菜单项；利用m a p b a s i c 用户可以方便、准确地绘制经、纬线， 避免手工绘制的烦琐以及可能引起的误差；此外，用户也可以自行设计各种新的 图形符号。 m a p b a s i c 中提供了一系列s q l 函数和许多非常实用的语句，大大增强了对 数据库进行操作的能力。例如，仅用一条非常简单的s e l e c t 语句，就可进行数 据库的查询工作，实现对数据排序、求和、过滤等操作此外，m a p b a s i c 还提 9 山东大学硕士学位论文 供了一系列对m a p l n f o 的表( t a b l e ) 或其他类型的表格( 如d b a s e 、f o x b a s e 、 l o t u s 、a s c i i 或e x c e l 的表格文件) 进行操作的命令和函数，可完成对表的各种 操作( 如打开、新建或修改等) ，进行对数据对象的各种编辑操作利用m a p b a s i c 还可以将多媒体技术引入地理信息系统，可以随时调动视频、声音、动画等媒体 信息，使用户的应用系统更加形象、生动。 m a p b a s i c 提供了m a p i n f o 系统与其他应用程序的接口功能，m a p b a s i c 的开 放式体系，结构允许程序员调用外部函数中的例程。例如，m a p b a s i o 不仅可以 利用d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 调用其他软件中的程序( 例如c 语言，v i s u a l b a s i c 的应用程序) ，还可以调用w i n d o w sd l l ( d y n a m i cl i n k l i b r a r y ) 中的例程。 用户可以通过运用m a p b a s i c 编写的执行程序，来完成工作中复杂的例行工序 这样就可以将日常烦琐的例行工作交给计算机处理，不仅能够大大提高工作效 率，而且还使管理人员从完全不必要的精力消耗中彻底解放出来 1 6 5 嵌入式地理信息系统的发展 嵌入式设备上运行的g i s ，是系统设计与开发层次上的应用，是一个软硬件 结合的系统。与一般的g i s 不同，它是运行在资源紧缺的嵌入式设备上，因此， 嵌入式应用程序必须考虑如何合理利用资源，尽量减少资源的消耗，包括c p u 运 算量、内存和外存的消耗，尽可能地提高效率无线接入技术可分为两类：一是 基于蜂窝的接入技术，妻h g p m ，g p r s ，c d m a ，等；二是基于局域网的技术，如蓝牙 ( b l u e t o o t h ) 技术、i e e e 8 0 2 1 1 等。移动定位技术的发展已经有相当长的一段时 间，从技术实现的方式来看，可以分为两种方案：基于移动终端的定位方案和基 于网络的定位方案。 第二章g p s 与g i s 的原理及应用 2 1g p s 系统 2 1 1g p s 系统简介 g p s 是全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 的简称。该系统是以g p s 卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性( 陆地、海洋、航空和航天) 、全 球性、全天候、连续性和实时的导航、定位和定时的功能。能为各类用户提供精 密度的三维坐标、速度和时间。g p s 系统最初是美国为增强其国防力童而建立的 卫星定位系统，但是它在民用和商业领域中的价值不断地被认识。为此，g p s 发 l o 山东大学硕士学位论文 送两种代码：一种是p p s ( p r e c i s ep o s i t i o n i n gs e r v i c e ) 码，用于军事的加密码： 另一种是c a ( c o a r s e a c q u i s i t i o n ) 码，没有加密主要用于民用。 g p s 系统主要由三个部分组成：空间部分g p s 卫星星座：地面控制部分 一地面监控系统；用户设备部分一一g p s 信号接收机。 2 1 2g p s 卫星 g p s m 作卫星及其星座是f h 2 1 颗工作卫星和3 颗在轨道上备用卫星组成。这2 4 颗卫星均匀分布在6 个轨道平面内，轨道倾角为5 5 度，每个轨道平面之间相距6 0 度，即轨道的升交点在赤经上相隔6 0 度。每个轨道平面上的四颗卫星相隔9 0 度呈 均匀分布在g p s 系统中，g p s 卫星的作用如下： i l 波段的两个无线载波( 1 9 c m 和2 4 c m ) 向广大用户连续不断的发送导航定 位信号 2 在卫星飞越注入站上空时，接收地面注入站用s 波段( 1 0 c m 波段) 发送到卫 星的导航电文和其他信息。 3 接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，实时地改正运行偏 一 t g p s 卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫 星，并能保持良好定位解析精度。根据“三角测量”原理，g p s 信号接收机可以 输出地面任何地点的位置信息。现在这些位置信息已经广泛地用于大地测量、航 空摄影测量、地壳运动监测、工程变形监测、精细农业、个人旅游及野外探险、 紧急救生、和车辆、飞机、轮船的导航与定位等各个领域凹) 。 2 i 3g p s 的应用现状 随着卫星导航技术的飞速发展，现已基本取代了无线电导航、天文导航等传 统导航技术，已成为一种普遍采用的导航定位技术，并在精度、实时性、全天候 等方面取得了长足进步。现不仅应用于物理勘探、电离层测量和航天器导航等诸 多民用领域，在军事领域更是取得了广泛的应用在弹道导弹、野战指挥系统、 精确弹道测量以及军用地图快速测绘等领域均大量采用了卫星导航定位技术。有 鉴于卫星导航技术在民用和军事领域的重要意义，使其得到了许多国家的关注。 应用最广的是美国的g p s 全球定位系统，以前由于美军人为施加了s a 干扰，使 美军之外的用户只能