（计算机科学与技术专业论文）基于gis与定位技术的室内外定位系统的设计与实现.pdf

at h e s i si nc o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fi n d o o u t d o o r l o c a t i n gs y s t e mb a s e d b y y a n gf a n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rd o n ga o s h u a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 二也 思。 学位论文作者签名：戈多卡7 乙 日 期：加秒了s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：亦多呻阽 导师签名： 签字日期：乒帕j 7 f j 签- 7 - 日期： 南旃硼坻杉 。1 f i i 东北大学硕士学位论文 摘要 基于g i s 与定位技术的室内外定位系统的设计与实现 摘要 物质世界中的任何地物都被牢牢地打上了时空的烙印，人们的生产和生活中百分之 八十以上的信息与地理空间位置有关。越来越多的基于位置的服务需要以定位技术为前 提，如今人们需要对像学校、医院这样的小环境提供基于位置服务的要求越来越广泛， 而这样的环境往往包含室内和室外两种不同的环境，如何在这样的环境下进行定位是本 课题所关注的内容。 g p s ( 全球定位系统) 是目前应用最广泛的无线定位系统，能够满足户外定位的需 求。然而由于无线电波的固有特点，g p s 信号通常无法穿透建筑物，因此在室内环境下 无法对移动设备进行精确定位。随着无线网络技术的普及率逐渐升高，利用无线网络技 术进行室内定位的可行性大为提高，无线网络技术的应用可有效地降低建置定位服务的 成本，也更有助于市场推广。目前市场上普及率最高的无线网络为i e e e8 0 2 1 l g 标准。 本课题在嵌入式g i s ( 地理信息系统) 的基础上完成室内外定位功能。随着使用者 从室外步入室内，手持设备将会从依赖g p s 定位自动转向w i f i ( 无线网络技术) 定位， 从而可以不问断地使使用者得到最新的位置信息。本课题所阐述的定位系统主要完成实 现手持设备上g p s 信号接收、w i f i 信号接收、g i s 地图信息显示、室内地图下载等功 能。在室内定位方面，本论文分析目前几种可行的定位技术，并针对室内环境定位问题 进行探讨，提出一个完整的室内外定位解决方案，包括信号强度采集、样本库建立与基 于统计的定位方法。 关键词：嵌入式g i s ；定位；无线网络技术；室内；室外： 东北大学硕士学位论文 a b s tr a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f i n d o o ra n d o u t d o o r l o c a t i n gs y s t e mb a s e dg i s a bs t r a c t a n y t h i n gi nt h em a t e r i a lw o r l dh a sb e e nf i r m l yp u tt h es t i g m ao fs p a c e t i m e m o r ea n d m o r eu s e r so ft h et e c h n o l o g yn e e dt ob ep o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yt h ep r e m i s et od e v e l o p f o r e x a m p l e ，m a n yl o c a t i o n - b a s e ds e r v i c e sm u s tf i r s tb et od e t e r m i n et h el o c a t i o no fo b j e c t s p e o p l eo f t e nn e e dl o c m i o n - b a s e ds e r v i c e si ns c h o o l s ，h o s p i t a l sr a t h e rt h a ni ns m a l lc i t i e sa n d e v e nc o u n t r i e s t h ee n v i r o n m e n to f t e nc o n t a i n st w od i f f e r e n te n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ， i n d o o ra n do u t d o o r w ec a l lt h ee n v i r o n m e n tu b i q u i t o u s t h ep o s i t i o no ft h ei n d o o r e n v i r o n m e n tc a n tb ei g n o r e di nu b i q u i t o u sp a r t i c u l a r l y h o wt ol o c a t ea n dd i s p l a yl o c a t i o n i n f o r m a t i o ni nu b i q u i t o u si st h i ss u b j e c tc o n c e r n e da b o u t g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) i sc u r r e n t l yt h em o s tw i d e l yu s e dw i r e l e s sp o s i t i o n i n g s y s t e m ，a b l et om e e tt h ed e m a n df o ro u t d o o rp o s i t i o n i n g , b u ta sar e s u l to ft h ei n h e r e n t c h a r a c t e r i s t i c so fr a d i ow a v e s ，g p ss i g n a l sa r eu s u a l l yu n a b l et op e n e t r a t eb u i l d i n g s ，i n d o o r e n v i r o n m e n t ，t h e r e f o r eu n a b l et om o b i l ed e v i c e sf o rp r e c i s ep o s i t i o n i n g w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r kt e c h n o l o g i e sp e n e t r m i o ng r a d u a l l yi n c r e a s e d ，t h eu s eo fw i r e l e s sl a n t e c h n o l o g ys o t h ef e a s i b i l i t yo fi n d o o rl o c a t i o n - b a s e ds e r v i c e sw i l lb eg r e a t l yi m p r o v e d a tp r e s e n t , t h e h i g h e s tm a r k e tp e n e t r a t i o nr a t ef o rw i r e l e s sl a ni e e e8 0 2 1lgs t a n d a r d s ，t h eu s eo ft h i s s t a n d a r dt ob ee f f e c t i v ei nr e d u c i n gt h ec o s tt ob u i l dl o c a t i o n b a s e ds e r v i c e s ，b u ta l s ow i l l f a c i l i t a t ep r o m o t i o n o u r t a r g e ta ts o l v et h eu b i q u i t o u sl o c a t i o ni s s u e sa n dp r o v i d ea ne a s yt od e p l o y , e a s yt o u s ea n dc o s te f f e c t i v es o l u t i o n w ed e s i g nas o l u t i o nn a m e du l g w ( u b i q u i t o u sl o c a t i n g b a s e do ng p sa n dw i f i ) s y s t e m i nu l g ww et r yt ou s ew i f ia s s i s tg p st ol o c a t ef o r i n d o o ra r e a w es e tu pak i n do fm a ps e r v i c et oh e l pu l g ws w i t c h i n gf r o mo u t d o o m o c a t i o n t oi n d o o r - l o c a t i o n f o re x a m p l e ，f o ro u t d o o ra r e a , w ea i m e dt ou s et h eg p si n t e r f a c et o l o c a t i n g f o ri n d o o ra r e a ，w eu s ed e v i c e s8 0 2 11i n t e r f a c e sf o rl o c a t i n g t op r o v i d ep o s i t i o n l o c a t i n gc o n t i n u o u s l ye v e ni ft h ed e v i c ec l i e n tt r a v e lf r o mo u t d o o rt oi n d o o lw es e tu pam a p s e r v e rf o re a c hb u i l d i n g i n d o o rp o s i t i o n i n gt h i sa n a l y s i so ft h ec u r r e n tn u m b e ro fp o s s i b l e l o c a t i o n b a s e ds e r v i c e s ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r kt e c h n o l o g y , a n dl o c a t i o n - b a s e ds e r v i c e s f o rt h ei n d o o re n v i r o n m e n tt oe x p l o r ei s s u e s ，t op u tf o r w a r da c o m p r e h e n s i v es t u d yo ni n d o o r p o s i t i o n i n gs o l u t i o n s ，i n c l u d i n gt h es i g n a ls t r e n g t ho ft h ec o l l e c t i o n ，e s t a b l i s h m e n ta n db a s e d o nas a m p l ed a t a b a s es t a t i s t i c a lm e t h o d so f p o s i t i o n i n g k e yw o r d s ：e m b e d d e dg i s ；w i f i ；l o c a t i n g ；i n d o o r ；o u t d o o r ； i i i 东北大学硕士学位论文 目录 口三王 m 习弋 独创性声明i 摘要。 第1 章绪论。1 1 1 课题研究的背景1 1 2 室内外定位技术发展现状2 1 2 1 主要针对室外环境进行定位的系统2 1 2 2 主要针对室内环境进行定位的系统2 1 3 本课题研究内容5 1 4 论文组织结构5 第2 章相关技术7 2 1p d a 上g i s 开发7 2 2 定位系统概述8 2 3 室内定位技术1 0 2 3 1 室内定位技术分析1 0 2 3 2 基于无线的室内定位算法分析1 2 2 4 基于位置的信息服务( l b s ) 1 3 第3 章需求分析15 3 1 需求概述1 5 3 2 功能需求分析1 5 3 2 1 室外定位功能1 6 3 2 2 室内定位功能1 7 3 。2 3 室内外定位衔接1 9 3 3 非功能需求分析2 0 东北大学硕士学位论文 目录 3 3 1 实验环境约束2 0 3 3 2 非功能需求2 0 3 3 3 软硬件支持2 0 3 4 拟解决的关键问题2 1 第4 章概要设计2 3 4 1 整体解决方案2 3 4 1 1 系统架构概述2 3 4 1 2 系统的功能模块设计2 3 4 2 室外定位设计。2 6 4 2 1 地图数据模型2 6 4 2 2g p s 数据访问2 9 4 2 3 定位模块设计3 0 4 3 室内定位设计。3 1 4 3 1 系统结构3 1 4 3 2 定位原理3 2 4 3 3 定位方法设计3 3 4 3 4 定位模块设计3 4 4 4 室内定位算法研究3 5 4 4 1 获取算法输入数据。3 5 4 4 2 基于资料库获得位置概率分布3 6 4 4 3 基于地理信息的转移概率。3 8 4 4 4 基于维特比算法的幸存概率3 9 4 4 5 求导最终定位结果4 0 4 5 室内外定位衔接4 1 4 5 1 表设计4 l 4 5 2 从室外进入室内4 l 4 5 3 从室内进入室外4 2 4 5 4 通信过程设计4 2 第5 章详细设计与实现4 5 东北大学硕士学位论文目录 5 1 室外定位部分的设计与实现4 5 5 1 1m o v a b l e p e r s o n 类的设计4 5 5 1 2g p s 类的设计4 6 5 1 3 实时位置更新的方法4 7 5 1 4 地图的预处理和m a p 操作4 8 5 2 室内定位部分的设计与实现4 9 5 2 1 房间取样区域划分5 0 5 2 2a p 摆放位置5 0 5 2 3 信号强度资料库建立5 l 5 2 4p d a 上收集信号强度方法5 2 5 2 5 室内定位系统设计5 4 5 3 室内外定位衔接的设计与实现5 6 5 3 1s w i t c h e l 状态属性5 6 5 3 2 定位转换流程图5 6 5 3 3 口表查询5 8 第6 章系统测试5 9 6 1 测试环境5 9 6 2 测试数据5 9 6 3 测试结果分析6 0 第7 章系统总结6 3 7 1 科学水平及意义6 3 7 2 创新点与特色6 4 参考文献6 6 致 射71 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 物质世界中的任何地物都被牢牢地打上了时空的烙印，人们的生产和生活中百分之 八十以上的信息与地理空间位置有关。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 ， 简称g i s ) 作为获取、处理、管理和分析地理空间数据的重要工具、技术和学科，近年 来得到了广泛关注和迅猛发展，同时带动定位服务进入了一个多样性的时代。什么是定 位服务? 定位服务又叫做基于位置服务( l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e ，简称l b s ) 【l 】，它包 括两层含义：一是确定移动设备或用户所在的地理位置；二是提供与位置相关的各类信 息服务。目前l b s 受到普遍的关注，有着巨大的市场规模和良好的盈利前景。 人们可能会问：需要这样的服务吗? 毫无疑问，消费者和服务提供商都将是定位服 务的受益者，基于位置的服务具有很好的实用价值和应用前景，可以应用在商场、医院、 超市、机场、酒店等环境。典型应用包括：为用户提供周边环境信息查询、定位或者跟 踪特殊目标、路径导航、基于位置的游戏等【2 】。例如，在水立方国家游泳中心，服务人 员、运动员、教练员和观众都可以很方便地获得现场地图，当人们进入场馆时，场馆的 比赛信息就会自动显示在其手持移动终端的屏幕上；在首都博物馆，当游客走近某个文 物时，关于该文物的多媒体信息将自动显示在其手持移动终端的屏幕上。此外，在机场 车站、酒店宾馆等场所，用户可以随时获取临近友人的位置信息、附近的公共服务信息 及广告信息等。 l b s 的基本前提是定位技术1 3 1 。相信大多数人们对g p s 全球定位系统都不陌生，通 信的全球定位系统( g p s ) 是目前应用最为广泛的定位技术，其良好的定位精度解决了 很多军事和民用的实际问题。人们利用g p s 定位系统在驾车、登山、划船、飞行时帮 助导航，利用它可以正确的到达目的地而不迷失方向。不可否认g p s 定位系统在户外 定位时表现的非常出色，但当g p s 接收机在室内工作时，由于g p s 卫星信号受建筑物 的影响而大大衰减到十分微弱的地步甚至是无法穿透，所以要想在室内利用g p s 进行 定位几乎是不可能的【4 】。而一个配有室内定位的定位系统无疑会带来很多有趣应用。与 此同时，人们对室内定位系统的需求也与日俱增，写字楼、仓库、地下停车场、军事训 练基地等都需要使用准确的室内定位信息。因此在室外定位系统中配合一个室内定位系 统是十分重要的。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 室内外定位技术发展现状 1 2 1 主要针对室外环境进行定位的系统 目前主要用于针对室外环境进行定位的系统有采用蜂窝网络技术定位的系统和g p s 全球定位系统。 一些无线网络运营商已经开发出多种方法来利用他们现有的网络为用户提供定位服 务。不过，精度很差，精度范围在3 0 - , 1 5 0 公里以内。 1 9 7 8 年，美国国防部启动了全球定位系统( g p s ) ，旨在提高武器打击精度。今天， 成千上万的小汽车都装备了g p s 接收器，主要用于城市交通导航。g p s 接收器根据接 收到的可视g p s 卫星的信号，计算出与至少3 - - 一4 个卫星的距离，再根据三角测量法确 定自身的位置。目前，g p s 所能达到的精度范围在5 - - 一2 0 米以内。但由于天花板、墙壁 和其他障碍物的阻挡，g p s 的定位精度会大大降低。 在户外，1 2 0 米的定位误差对于人们需寻找街区的餐馆等目标并无大碍，而在摩天 大楼里哪怕是5 米的误差都会造成重大错误。那么什么样的技术能够用于室内定位呢? 1 2 2 主要针对室内环境进行定位的系统 目前国内外现有的室内定位系统主要有以下几种： ( 1 ) a c t i v eb a d g e s 由a t tl a bc a m b r i d g e 所开发出的系统【5 1 ，该系统可替搭载有小型红外线b a d g e 的 人或设备提供定位服务。b a d g e 每十秒会发射具有g l o b a l l yu n i q u ei d e n t i f i e r ( g i d ) 的信号， 而信号会被布建于建筑内的感应器所接收，然后由中央的伺服器收集来自各感应器的信 号，借此提供定位的服务，其定位的精准度是以一个房间为单位，所需的建置成本主要 花费在b a d g e 和感应器上。 ( 2 ) a c t i v eb a t s 该系统也是由a t & tl a bc a m b r i d g e 所开发出来的，是a c t i v eb a d g e s 系统的改良版。 首先搭载在人或物上的b a t 会发出超音波的信号，接着发出的信号会被事先布建在天花 板上已知位置的感应器所接收，在已知声波传输的速度下，可利用信号在空气中传递的 时间( t i m e s - o f - f l i g h t ) 来计算出b a t 和感应器间的距离，借此达到定位目标，其定位精 准度可到9 c m ( 9 5 ) ，所需的建置成本主要是在b a t 和满布于天花板的感应器上。 ( 3 ) c r i c k e t 由m i t 所开发出的系统，该系统合并使用超音波和射频的技术来提供定位的服务。 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 散布于建筑物内的发射器( b e a c o n ) 会同时散播射频和超音波的信号，然后由装在人或 物上的接收器( l i s t e n e r ) 来接收，利用两种不同波到达的时间差( t d o a ) 来计算和发 射器间的距离，最后接收器会通知离自己最近的发射器作为自己所在的位置，其定位精 准度可以到四尺平方的区域，所需的成本也是在发射器和接收器上【6 】。 ( 4 ) p i n p o i n t3 d - i d 由r ft e c h n o l o g i e s 公司所开发出的系统，该系统定位的做法有些类似a c t i v eb a t ， 也就是要事先把感应器布在天花板上，首先感应器会散播信号，等信号一被装载在人或 物上的接收器所接收到之后，接收器会立刻用不同的频率作散播的回应，然后感应器就 利用r f 信号来回所花的时间( r o u n d t r i pt i m e ) 来计算出人( 物) 和天线( 已知位置) 间的距离来定位，其定位精准度可到1 3 公尺，系统主要的成本花费仍旧是在感应器及 接收器上。 ( 5 ) e a s yl i v i n g 由m i c r o s o f t 所开发出的系统，e a s yl i v i n g 使用d i g i c l o p sr e a l t i m e3 dc a m e r a s 立体 影像( s t e r e o v i s i o n ) 来定位，定位精准度并不一定，需要的设备是3 dc a m e r a 和具有强 大运算功能的设备( 主机) 。 ( 6 ) s m a r tf l o o r 由g e o r g i ai n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y 公司所开发，该系统利用事先建置于地板下的压力 感应器来定位。压力感应器会被装在地砖的四个角，不同人踏在压力感应器上可得到不 同的压力值，借此不仅能够提供定位，另外因为压力值可分辨出不同的使用者，所以也 能作到使用者行进轨迹的追踪，其定位精准度主要是要看压力感应器分布的密度来决 定，压力感应器的成本耐7 】。 ( 7 ) r a d a r 由m i c r o s o f t 所开发出的系统，该系统是使用信号强度比对的方式来进行定位，系统 建置可分两个阶段，第一阶段是利用实测或信号计算的方式将各定位点信号强度值收集 至资料库中，第二阶段是定位，则利用各a p 所接收到使用者身上的信号强度值和第一 阶段存于资料库中的信号强度值来比对，以计算使用者位置，其定位精准度可到2 3 公 尺【8 1 。 ( 8 ) 、i f i 定位系统 基于r a d a r 系统的思想，芬兰的e k a h a u 公司开发了能够利用w i f i 进行室内定位 的软件去年春季，一家名为a c c e n t u r e 的咨询公司在纽约大都会博物馆的一个项目中首 次利用了e k a h a u 的软件。博物馆内部的观赏者只需点击p d a 上的一个按钮，就可以接 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 收到有关他们面前的艺术品的信息。w i f i 绘图的精确度大约在1 2 0 米的范围内【9 1 。 ( 9 ) 超宽带( u w b ) 定位系统 u w b 它依赖于超短脉冲，接收器能够在几微微秒之内确定信号抵达的时间，使它 能够将定位精度精确到几厘米的范围内。具有传输速率高、耗电少等特点，而且能够提 供超精确定位【1 0 1 。然而，由于超宽带技术处于发展的初级阶段，因此它在商业化方面远 远落后于w i f i 。这些系统的对比如表1 1 所示。 表1 i 定位系统对比 t a b l e1 1l o c a t i n gs y s t e mc o m p a r i s o n 系统名称 发明者采用技术精准度成本 a c t i v eb a d g e sa r & tl a b红外线感应 房间大小便宜 h t t p ：w w w u k r e s e a r c h a r t c o m a b h t m lc a m b r i d g e ( r o o ms i z e ) a c t i v eb a t s怒飒l a b超音波 9 厘米( 9 5 )便宜 h t t p ：w w w u k r e s e a r c h a t t c o r n b a t c a m b r i d g e ( t i m eo f f l i g h t ) c r i c k e tm i t 超声波和射频变动的便宜 h t t p ：m s 1 c s m i t e d u p r o j e c t s c r i c k e t ( t d o a ) p i n p o i n t3 d i dr f 射频( r o u n d - t r i p 1 3 米 昂贵 h t t p l ：w w w r f t e c h n o l o g i e s c o r n p i n p o i n t t e c h n o l o g i e s t i m e ) e a s yl i v i n g m i c r o s o i t 影像( v i s i o n ) 技变动的昂贵 h t t p ：r e s e a r c h m i c r o s o f t c o m e a s y l i v i n g 术 s m a r tf l o o r g e o r g i a 压力感应器看压力感应器稍贵 h t t p ：w w w c c g a t e e h e d u f c e s m a r t f l o o r i n s t i t u t eo f 散布的密度。 t e c h n o l o g y r a d a r m i c r o s o f t 射频3 5 米便宜 h t t p ：p a u l m t g e r s e d u p k a m a t r a d a r p d f ( 信号对比) e k a h a up o s i t i o ne n g i n e ( e p e ) e k a h a u 射频1 米便宜 h t t p ：w w w e k a h a u c o m p r o d u c t s p o s i t i o ( 信号对比) n i n g e n g i n e 室内定位由于障碍物的影响较为复杂，信号精准度较低，因此难度较高，每一项技 术在定位的精度、电能消耗和价格方面都有自身的优势和劣势。其中利用无线网络进行 室内定位很好的减轻了障碍物和信号对定位精度的影响，近几年在室内定位技术中越来 越受到青睐。 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 本课题研究内容 定位的环境一般都包含有室内环境和室外环境，根据室内环境占整体的比例，将提 供定位服务的环境范围人为的划分为两种：大环境、小环境【2 】。所谓的大环境是指像城 市、乡镇这样室内环境在定位时可以被忽略掉的环境；小环境是像学校、医院、工厂这 样室内环境占有很大的比重，定位时不能被忽略需要考虑在内的环境。如何针对这样的 环境进行定位，如何更好的将室内室外定位技术进行无缝结合，从而为提供相应的位置 服务做好准备是本课题所研究的主要内容。 本文主要以嵌入式g i s 为基础，进行定位软件系统方面的研究，并通过分析室内室 外环境定位方法的不同特点，考虑将室内定位技术与室外定位技术相结合，即在g p s 定位系统中配合使用无线室内定位相关的技术，来进行室内外定位系统的研究，开发出 能够结合室内外定位技术为更多用户提供定位服务的系统，并在现有条件的基础上进一 步挖掘定位系统软件的应用形式和软件可扩展性。 1 4 论文组织结构 本文共分七章： 第1 章主要对室内外定位技术方面应用的背景和现状进行了分析，指出了室内定 位技术的重要意义，并简要介绍了本论文的主要工作、项目背景及组织结构。 第2 章主要对本文所涉及的各项技术做简要介绍。首先对现阶段比较流行的几种 定位技术进行分析与比较，指出每种定位技术的不足。 第3 章对本项目进行需求分析以及可行性分析，分析出系统所涉及的各类功能。 第4 章在需求分析的基础上，对室内外定位系统进行概要性设计，其中包括室内 定位系统、室外定位系统、室内定位算法、室内外定位衔接的设计。 第5 章详细描述室内外定位项目的实现，主要包括室外定位部分的设计与实现、 室内定位部分的设计与实现、室内外定位衔接的设计与实现。 第6 章介绍本系统测试环境、测试数据以及对测试结果进行的分析。 第7 章总结了研究成果，指出了项目的科学水平及意义。 东北大学硕士学位论文第2 章相关技术 2 1p d a 上g i s 开发 第2 章相关技术 地理信息系统( g i s ) 可简单定义为用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地 理空间数据的计算机信息系统，广义的地理信息系统包括计算机系统( 硬件、软件) 、 地理数据库系统、应用人员与组织结构等3 个基本组成部分。嵌入式地理信息系统 ( e m b e d d e dg i s ) 是集成g i s 功能的嵌入式系统产品，是系统设计和开发层次上的应用， 是一种软硬件混合的系统，它是导航、定位、地图查询和空间数据管理的一种理想解决 方案，可在很多领域广泛应用，如军事、智能交通、旅游、自然资源调查、环境研究等。 嵌入式g i s 主要特点是“可裁剪”性，包括数据格式裁剪、功能裁剪和数据裁剪。不同 的用户对兴趣点的要求不同，裁剪可顾及兴趣点内容的精确性、完整性。如个人移动导 航系统所使用的数字地图就可以很简单，数据内容只需要道路、地标、水体和分界线信 息即可，不需要其他诸如植被、等高线等信息。功能上只要求裁剪，道路和地标信息要 求详细，其他信息都做一定的简化，这样可以节省容量和提高速度。裁剪的工作在移动 地图集成工具环境中完成，包括地图数据格式转换和预处理【l l j 【l 引。 移动地理信息系统( m o b i l eg i s ) 是g i s 在嵌入式系统基础上，面向专业领域的应 用拓展，是一个软件系统。是基于现有软件平台所开发，它集成个人化计算机技术p d a 、 移动通信技术( g p r s c d m a ) 、卫星导航定位g p s 技术和互联网等技术，提高g i s 信 息采集和数据处理的方便性和实时性，改变了地理信息的处理方式，使的工作与周围的 世界连接。p d a 是移动g i s 的理想平台。 嵌入式设备上进行g i s 的开发存在着很多瓶颈问题。嵌入式设备硬件较p c 机硬件 性能比起来十分有限，开发起来相对p c 来说困难一些，在移动g i s 的开发中矢量地图 显示速度很受设备限制，而移动g i s 中较多是以存取矢量地图数据格式来执行地图显 示。与台式p c 机或图形工作站相比，一般嵌入式g i s 系统处理器速度较慢、存储器容 量较小、缺乏浮点协处理器，而与之相矛盾的是地理信息数据量大、数据类型复杂和运 算任务重。在嵌入式设备上进行g i s 地图浏览时发现：地图的显示速度缓慢，地图放大 缩小和移动效率非常低，用户体验不好。为满足终端用户对地图快速显示的要求，有必 要研究在硬件资源受限的嵌入式平台上如何通过软件方法来提高矢量地图的显示速度。 所以选择一些比较好的嵌入式g i s 开发组件进行开发能够大大降低开发成本提高开发 效率。另外可以利用图片分割技术提高嵌入式g i s 矢量地图显示功能。原始采集的矢量 东北大学硕士学位论文第2 章相关技术 地图数据量较大，如一幅1 ：5 0 0 0 0 全要素矢量地形图的数据量一般在1 0 m b 左右，不 适宜直接存储在嵌入式平台上，要加快嵌入式平台地图数据处理速度，系统需要对原始 采集的比例尺矢量地图数据进行图片分割，分幅显示，形成适合嵌入式平台的地图数据 格式，从而存储在嵌入式系统中的存储卡等移动存储介质上【l3 1 。 为使用w i n d o w sm o b i l e 操作系统的嵌入式设备开发g i s 应用软件，主要有这样几 个开发组件可以使用：e s u p e r m a p 、a r c g i sm o b i l e 、m a p xm o b i l e 、g e o p a dm o b i l eg i s ( s d k ) 、g i s n e t 等。其中e s u p e r m a p 开发包以c + + 类库的形式提供，支持c + + 语言 的开发，具体的开发工具包括e v c 3 ( 目前较少人使用) 、e v c 4 、v c 6 ( 开发普通桌面 程序) ，v c 2 0 0 5 等。e s u p e r m a p 提供两种数据格式：p m r 和p m 2 ，其中p m r 运行效 率较高适合用于导航等，但不可编辑，p m 2 为可编辑数据。a r c g i sm o b i l e 是运用于便 携设备上，所以a r c g i sm o b i l es d k 不支持浮点型数据运算，只支持整形数据运算；同 时对代码的质量也有很高的要求，以减少内存使用量；而且移动设备一般在野外工作， 所以要考虑到野外的广度，在设计地图时要对地图的颜色搭配有严格的规定；还有就是 地图要尽可能的简洁，以方便野外工作人员进行查看和编辑。同时考虑到a r c g i sm o b i l e 本身的特点，对自己支持的图层、数据格式和标识都有严格的规定，从而达到最优化效 果。g e o p a d 提供d l l 及接口说明给用户使用，而应用环境根据用户的需要可以白搭建， 但它的缺点是相关技术帮助文档太少，需要付费使用。 通过对比多种嵌入式设备g i s 开发的方法，本研究项目选择采用g i s n e t 组件进行 p d a 上g i s 模块开发，首先，g i s 支持s h p 矢量地图的加载和显示，能够完成一些基 本的地图放大缩小功能，其次，g i s n e t3 0 中自带了地图分割功能，通过将一张大地 图分割成若干小图可以使地图在嵌入式设备上的显示效率有明显的提高。使用g i s n e t 不但可以开发p c 平台的g i s 系统还可以开发嵌入式平台的g i s 系统。 2 2 定位系统概述 室外环境的定位已经是一种相当普遍的技术，例如全球定位系统系统是人们熟知的 全球卫星定位系统，而c d m a 技术的g p r s 这类属于细胞为基础的系统，而且是面向 连接的无线网络，其效果表现也和定位技术有着密切的关系，因为当使用者在不同细胞 之间移动时系统必须提早保留适当的资源，频宽以满足需求。此时就需要精准的定位技 术来帮助系统了解使用者移动的轨迹和可能的去向。然而，必须指出室外的定位技术并 不能够直接应用到室内环境，原因有二：第一，g p s 系统的硬体设备成本高昂，而且支 援该设备的低轨卫星目前只有美国拥有，需要租用，使得定位技术可能在实际应用上难 东北大学硕士学位论文第2 章相关技术 以推广；第二，g p s 系统是由信号发送到接收( 由卫星到使用者) 的时间差推算卫星和 使用者之间的距离。如果要使用在室内环境的定位上，此时信号行进的速度( 光速) 并 不能敏感地反映出卫星和使用者之间的距离。然而，在室内环境的应用上，不能要求使 用者定期汇报他的所在位置，而且甚至可能拒绝回答系统所提出的任何问题。 室外的定位技术，全球定位系统或是不管是基于c e l l 芯片的系统，都是采用三点定 位法来计算使用者的所在坐标。三点定位法的概念很简单，就是即时测算出使用者离三 个参考点( 全球定位系统中是卫星，无线系统中是基站) 的距离，这可以视为三个半径 已知的相交圆，在平面上会恰好交在一个点，即是唯一决定出使用者坐标，如图2 1 所 示。但是如前所述，室内环境下不能由时问差决定使用者和参考点的距离是多少，所以 三点定位法在室内环境不能被拿来应用【1 4 】【l 5 。 图2 1 三点定位 f i g 2 13 - p o i n tl o c a t i o n 由以上论述得知，室外定位和室内定位有着根本上的不同，主要来自三点定