（系统工程专业论文）嵌入式地理信息系统的设计.pdf

硕士论文嵌入式地理信息系统的设计 摘要 随着嵌入式操作系统和地理信息系统的发展，嵌入式地理信息系统已经成为 地理信息系统领域研究的热点之一。嵌入式地理信息系统开发在测绘、智能交通、 海事、国防、公安等领域都有无限广阔的应用前景。 论文通过对相关算法的分析和研究，设计了一个基于w i n d o w sc e 平台的嵌入 式地理信息系统，主要包括数字地图的生成、地形分析、文件格式转换三部分功 能。首先，在对系统地图数据文件格式分析的基础上，通过多边形自动生成算法 和坐标转换理论，实现了数字地图的显示、缩放和漫游功能；其次，通过对地形 分析算法的研究和改进，实现了距离( 平面距离、地表距离) 量算、面积( 平面 面积、地表面积) 量算、坡度分析、剖面分析、可视性分析( 两点之间可视性、 可视域) 等功能；最后，通过对系统地图数据格式、s h a p e f i l e 地图数据格式和 州i f 地图数据格式的分析和比较，实现了地图数据格式的转换功能。 基于论文中的相关技术和算法，通过v i s u a lc # n e t 环境编程在w i n d o w sc e 模拟器中实现了一个界面友好、功能模块相对独立的地理信息系统。实验结果表 明，该系统满足实用性要求。 关键词：地理信息系统，w i n d o w sc e ，数字地图，地形分析，文件格式转换 第1 页 硕士论文嵌入式地理信息系统的设计 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma n dg i s ，t h ee m b e d d e d g i sh a v eb e e nt h eh o tp o i n to fr e s e a r c ho ng i sd o m a i n t h ee m b e d d e dg i sh a v e b r o a da p p l i e a t i o nv a l u e si nm a n yf i e l d ss u c ha st o p o g r a p h y ，i n t e l l i g e n t t r a f f i c ，m a r l t i m ea f f a i r s ，n a t i o n a ld e f e n c ea n dp o l i c e i nt h i st h e s i s ，a ne m b e d d e dg i sr u n n i n go nw i n d o w sc es i m u l a t o ri sd e s i g n e d b a s e du p o nt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fs o m ea l g o r i t h m s ，i n c l u d i n gt h ed i s p l a y o ft h ed i g i t a lm a p ，t e r r a i na n a l y s i sa n d t h ec o n v e r s i o no fd i f f e r e n t g e o g r a p h i cd a t af o r m a t s f i r s t l y ，o nt h eb a s iso ft h ea n a l y s i so fg e o g r a p h i c d a t af o r m a t ，w er e a l i z et h ed i s p l a yo ft h ed i g i t a lm a pa n dc a r r yo u tm o v i n g ， z o o m i n gi na n dz o o m i n go u tm a pw i t ht h ea l g o r i t h mo fg e n e r a t i n gp o l y g o n s a u t o m a t i c a l l ya n d c o o r d i n a t et h e o r i e s s e c o n d l y ，w er e a l i z et h et e r r a i n a n a l y s is ( i n c l u d i n gd i s t a n c ec a l c u l a t i o n ，a r e ac a l e u l a t i o n ，s l o p ea n a l y s i s ， s e c t i o na n a l y s isa n dv i s i b i l i t ya n a l y s i s ) b a s e do nt h ei m p r o v e m e n to fs o m e t e r r a i na n a l y s i sa l g o r i t h m s f i n a l l y ，b yc o m p a r i n gg e o g r a p h i cd a t af o r m a t ， s h a p e f i l eg e o g r a p h i cd a t af o r m a ta n dm i fg e o g r a p h i cd a t af o r m a t ，w er e a l i z e t h ec o n v e r s i o no ft h et h r e eg e o g r a p h i cd a t af o r m a t s b a s e du p o nt h ea l g o r i t h m sa n dt e c h n i q u em e n t i o n e di nt h et h e s is ，a n e m b e d d e dg i sr u n n i n go nw i n d o w sc es i m u l a t o r ，w h i c hh a st h ef r i e n d l yi n t e r f a c e a n di n d e p e n d e n tf u n c t i o n a lm o d u l e s i sr e a l i z e dw i t hv i s u mc # n e t a sa n e m b e d d e dg i sp l a t f o r m ，e x p e r i m e n t ss h o wt h a ti th a sm e tt h en e e d so fp r a c t i c a l a p p li c a t i o n s k e yw o r d s ：g i s ，w i n d o w sc e ，d i g i t a lm a p ，t e r r a i na n a l y s is ，f i l ef o r m a t s c o n v e r s i o n 第页 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：釜坚兰上膨年夕月上日 学位论文使用授权声明 南京理t 大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：釜! 堡叁2 咿易年7 月2 日 研究生签名：笪! 兰兰2 咿易年月2 日 i 硕士论文嵌入式地理信息系统的设计 1 绪论 1 1 课题研究背景 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 ) 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，是分析和处理海量数据的通用 技术【l 】。自2 0 世纪6 0 年代“地理信息系统之父”r o g e rf t o m l i n s o n 在加拿大提出 “地理信息系统”的概念后，随着计算机制图技术、遥感技术以及数据库管理等技术 的发展，地理信息系统取得了惊人的发展，并广泛应用于资源调查、环境评估、区域 发展规划、公共设施管理、交通安全等领域，成为一门跨学科、多方向的研究领域。 近年来，作为新兴产物的移动信息设备在人们生活领域的应用越来越广泛。这些 嵌入式设备中的p d a 以体积小、重量轻、便于携带、功能强大等特点而倍受青睐。微 型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，适应应用系 统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的微型专用计算机系统 2 】。嵌入式地 理信息系统( e m b e d d e dg i s ) ，是地理信息系统与嵌入式设备相结合的产物，它不仅 是传统意义上的g i s ，而且是原有g i s 领域的分支与延伸、补充与发展。它把一个优 化的g i s 数据引擎嵌入到小型移动设备上，占用内存非常小，但具有很强的数据分析 和显示表达功能。嵌入式g i s 开发在测绘、智能交通、海事、国防、公安等领域都有 无限广阔的应用前景，可广泛应用于军事、野外测绘、医疗、汽车导航等领域。 1 2 课题研究进展 由于嵌入式地理信息系统的重要性和其广阔的应用前景，嵌入式地理信息系统已 经成为地理信息系统研究的一个热门领域。国内外各个g i s 公司都对其进行了相关研 究，并推出了相关产品。 1 2 1 国外研究进展 国外在嵌入式地理信息系统研究方面己经取得了很大的发展，a u t o d e s k 、e s r i 、 i n t e r g r a p h 三大公司站在了该技术的前沿。他们分别推出了自己的产品，各功能特 性如下： ( 1 ) a u t o d e s k 公司提供了a u t o d e s ko n s i r e 的“移动访问”模块1 8 】。 这是移动的企业级解决方案，包括软件、应用设计、开发服务、维护、培训和技 术支持。o n s i t e 是专为移动应用开发，通过j a v as e r v e r l e t 将野外作业队员的请求 传递到中心地图数据库，将返回的定位结果经过改编以适应小的移动屏幕，但仍能维 持结果的智能性、交互性和与相关属性数据及数据库连接。 ( 2 ) e s r i 提供了a r c g i s 软件产品a r c p a d 【9 j 。 第1 页 硕士论文 a r c g i s 是全套商业解决方案，是可伸缩的，包括：运行a r c l n f o 、a r c e d i t o r 、 a r c v i e w 的高端桌面计算机用户；使用a r c m i s 的i n t e r n e tg i s 用户；针对便携、移 动用户的a r c p a d 。a r c p a d 支持多种数据接口，如s l p 、b m p 、j p g 等矢量、栅格地图， 不需要转换。a r c p a d 与g p s 集成可支持野外作业人员的无线定位、实时通信和大容 量数据库访问，以获得业务所需信息。 ( 3 ) i n t e r g r a p h 建立自己的移动g i s 解决方案一二一i n t e l i w h e r e 【。 i n t e l l i w h e r e 解决方案体系提供用户实时、基于位置的信息服务以满足设备与 数据的独立。i n t e l l i w h e r e 允许用户利用移动设备搜索、检索、操作和交互生活信 息。该产品可以传送和接收与指定区域相关的属性信息，如当前位置、相关其他位置 等。 1 2 2 国内研究进展 国内在嵌入式地理信息系统研究方面与国外相比有一定的差距，一方面是由于硬 件技术的不成熟，另一方面是国内的嵌入式软件开发刚刚兴起不久。尽管如此，还是 有一些公司开发出了一些与地图密切相关的软件产品。如： ( 1 ) 北京灵图软件技术有限公司推出了在移动信息设备上提供地理信息以及位 置信息服务的s m a r t i n h a n d 软件产品】。 ( 2 ) 北京慧图公司推出一种可运行于掌上电脑、进行移动制图和g i s 应用的野 外地质数据采集系统：t o p m a pc e g e n i u s 【l “。 ( 3 ) 北京超图开发出嵌入式地理信息系统开发平台：e s u p e r m a p 【l ”。 ( 4 ) 台湾英瑞得信息公司设计出支持g p s 全球卫星定位系统专用软件“w a l k m a p 地图随身走” 1 4 】。 ( 5 ) 台湾通路股份有限公司设计出全台p d a 电子地图产品：地图领航员 p a l m p i l o tf o rp a l m 和地图探险家m a pe x p l o r e2 0 0 1f o rw i n c e l l “。 这些产品都具有一些共同的基本功能，如：图形显示、资料查询、用户标注等。 但是它们都是基于某种应用的初步、单一的嵌入式g i s 产品，离企业级的完整、规模 解决方案还有一定的距离。、 1 3 本论文研究内容 本论文将通过对现有g i s 系统和嵌入式操作系统的研究，结合相应的算法，在 v i s u a lc # n e t 环境提供的w i n d o w sc e 模拟器下通过编程实现一个地理信息系统。 主要实现以下几个功能： ( 1 ) 对系统地图数据格式进行透彻分析后，利用计算机图形学相关理论，实现 数字地图的显示功能。即将地图数据以图形的方式显示到计算机屏幕上，并对其进行 漫游、缩放且能够控制地图各个图层的显示。 第2 页 硕士论文嵌入式地理信息系统的设计 ( 2 ) 通过对数字高程模型的数据处理和g i s 空间分析算法的研究，改进相关空 间分析算法实现地形分析功能。主要包括距离、面积、坡度、剖面以及通视的分析。 ( 3 ) 为了与通用g i s 平台进行交互，本论文通过对相关数据格式分析后，实现 了本系统地图数据格式到a r c g i s 平台中s h a p e f i l e 地图数据格式与m a p l n f o 平台中 m i f 地图数据格式之间的转换功能。 本论文以嵌入式地理信息系统实现的功能为线索，分六章详细阐述了本课题的研 究工作情况。 二 第一章绪论部分，对课题研究的背景和意义进行了简单分析，并简要说明了在研 究工作中所做的主要内容及本论文的结构； 第二章介绍了嵌入式地理信息系统的基本原理及相关理论； 第三章详细分析了本系统所采用的地图数据格式，对地图生成的相关算法分析 后，实现了数字地图的可视化，并能够对其进行漫游、缩放和图层控制： 第四章通过对o i s 空间分析各种算法的研究和改进，实现了嵌入式地理信息系统 中的地形分析功能； 第五章通过对a r c g i s 平台中s h a p e f i l e 地图数据格式与m a p i n f o 平台中m i f 地 图数据格式的分析，实现了系统地图数据格式到这两种通用数据格式之间的转换； 第六章是关于系统软件实现结果的分析和讨论。 ： 第3 页 硕士论文嵌入式地理信息系统的设计 2 嵌入式地理信息系统的基本原理 本章将介绍嵌入式地理信息系统开发时用到的一些基本原理和相关知识，它们是 嵌入式地理信息系统开发与设计的基础。 2 1 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，对功能、 可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用性计算机系统【2 1 。嵌入式操作系统是设 备信息系统的核心，管理、监控和维护设备硬件和软件资源，支持和调度各种应用软 件的运行，实现处理机管理、内存管理、i o 设备管理、文件管理及作业管理。 嵌入式操作系统是一种实时的、支持嵌入式系统应用的操作系统软件，核心通常 要求较小。一般情况下，它可以分为两类：一类是面向控制、通信等领域的实时操作 系统，如w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 、a c c e l e r a t e dt e c h 公司的n u c l e u s 系列等； 另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品包括个人数字助理( p d a ) 、 移动电话、机顶盒等，如w i n d o w sc e 、p a l mo s 、嵌入式l i n u x 等。各种操作系统都 有各自的优缺点，本论文采用的w i n d o w sc e 嵌入式操作系统属于第二种类型。 2 1 1w i n d o w s 浇操作系统 w i n d o w sc e 是一种抢先式多任务并具有强大通讯能力的w i n 3 2 嵌入式操作系统， 是微软专门为信息设备、移动应用、消费类电子产品、嵌入式应用等非p c 领域设计 的战略性操作系统产品。w i n d o w sc e 不仅继承了传统的w i n d o w s 图形界面，并且在 w i n d o w sc e 平台上可以使用w i n d o w s9 5 9 8 上的编程工具，使用同样的函数，同样 的界面网格，使绝大多数的应用软件只需简单修改和移植就可以在w i n d o w sc e 平台 上继续使用。w i n d o w sc e 是一种新的、可移植的、实时的、模块化操作系统，具有 流行的微软程序开发界面，支持嵌入式专用系统工具的快速开发mj 。它具有以下几个 特点： ( 1 ) 使用了对象存储技术，包括文件系统、注册表及数据库。它还具有很多高 性能、高效率的操作系统特性，包括按需换页、共享存储、交叉处理同步、支持大容 量堆等。 ( 2 ) 拥有良好的通信能力。广泛支持各种通信硬件，亦支持直接的局域连接及 拨号连接，并提供与p c 、内部网以及因特网的连接，还提供与w i n d o w s9 x n t 的最 佳集成和通信。 ( 3 ) 支持嵌套中断。允许更高级别的中断首先得到响应，而不是等待级别低的 i s r 完成。这使得该操作系统具有嵌入式操作系统所要求的实时性。 ( 4 ) 更好的线程响应能力。对高级别i s t ( 中断服务线程) 的响应时间上限的 第5 页 壁垒墨垫里堕星墨竺堕垩查堕垩 堡当堡奎 要求更加严格，在线程响应能力方面的改进，帮助开发人员掌握线程转换的具体时间， 并通过增强的监控能力和对硬件的控制能力帮助他们创建新的嵌入式应用程序。 ( 5 ) w i n d o w sc e 的a p i 是w i n 3 2a p i 的一个子集，支持近1 5 0 0 个w i n 3 2a p i 。 2 1 2w i n d o w s 血平台开发g i s 的基本原则 由于软硬件条件的限制，系统开发时要求程序编写和编译的质量要高，以减少程 序二进制代码长度、提高执行速度、保证软件的高可靠性。具体应遵循以下几条开发 原则啊】： ( 1 ) 应用程序必须是低内存要求。 - 由于6 i s 空间数据中的实体数相当多，c e 设备通常没有多少空间容纳像台式p c 机那么多的内存，在编写基于w i n d o w sc e 的嵌入式g i s 应用程序时，每一件和内存 分配相关的事情都变成了问题。为了正确处理这种关于内存需要的问题，应该注意以 下事项：选择合适的算法，特别是在选择空间分析算法时，尽量减少实体的内存 分配空间；保持静态变量的大小和数量为最小；集中分配应用程序的内存， 并检查内存分配的返回值。 ( 2 ) 了解形状系数，减少占用屏幕的空间。 形状系数是用于描述一个给定设备的形态、外观和感觉的术语。每_ 种形状系数 都有不同的设计需求。例如，掌上型p c 的屏幕是长而窄的，大约2 4 0 * 3 2 0 ；而手持 式p c 的屏幕与台式机的屏幕相仿，大约6 4 0 * 3 2 0 。所有这些不同的形状系数和它们 独特的显示类型就要求在设计嵌入式g i s 应用程序的用户界面时要依据其设备而定。 由于嵌入式计算机的屏幕空间比较小，而为显示一幅较满意的地图又需一定的屏幕空 间，这就需要尽量减少其他界面占用的空间，如标题、菜单、工具栏、状态栏等等。 ( 3 ) 应用程序必须使用u n i c o d e 字符集。 u n i c o d e 是世界范围的字符标准，理论上讲可以使应用程序更易于国际化。 w i n d o w sc e 是基于u n i c o d e 的操作系统，即操作系统向用户显示的所有文本实际上 都是u n i c o d e 文本，也就是说所有常用控件只显示u n i c o d e 字符串。所以在程序使用 文本时必须用u n i c o d e 类型。 、 2 2 嵌入式地理信息系统 嵌入式g i s 是集成g i s 功能的嵌入式系统产品，是系统设计与开发层次上的应用。 2 2 1 地理信息系统简介 地理信息系统涉及内容非常广，它的定义可由两部分组成。一方面，地理信息系 统是- f 学科，是描述、存储、分析和输出空间信息理论和方法的- - f 新兴交叉学科； 另一方面，地理信息系统是一门技术系统，是以地理空间数据库为基础，采用地理模 第6 页 硕士论文嵌入式地理信息系统的设计 型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计 算机技术系统【1 8 】。 地理信息系统研究的各类目标，根据观察视点、尺度特征和兴趣点的不同可以分 为以下四种基本类型： ( 1 ) 点状目标 点状目标是指可以用一对空间坐标、一个标识符和若干描述项共同表示的地理目 标。每个点状目标在地理数据中可由点的i d 、点的横坐标、点的纵坐标、点的属性 等来简单表示。如测量控制点、火山口、山峰等。此外，在小比例尺情况下，某些具 有面状分布特征的地理目标可以忽略其面状几何特征而归化成点，如学校、乡村等。 ( 2 ) 线状目标 线状目标是指可以用一组空间坐标、- 个标识符和若干描述项共同表示的地理目 标，可以是直线也可以是曲线。每个线状目标在地理数据中包括线的i d 、构成线的 点的个数、点横坐标、点纵坐标、线的属性等。如河流、边界线、公路等。 ( 3 ) 面状目标 面状目标是指可以用一组空间坐标或若干线状目标、一个标识符和若干描述项共 同表示的地理目标，可以是平面也可以是曲面。每个面状目标在地理数据中包括面的 i d 、构成面的线的个数、每条线的i d 、面的属性等信息，其中线是按照线的i d 大小 顺序排列的。如湖泊、地块等。 ( 4 ) 体状目标 体状目标是指可以用一组空间坐标或若干面状目标、一个标识符和若干描述项共 同表示的地理目标，可以是规则的也可以是不规则的。严格意义上说，现实世界中的 绝大多数目标均属于体状目标，但在二维平面地图上，人们一般将体状目标向某一方 向投影到一个平面上，用其投影边界区域进行表示，即体状目标描述为面状目标。 2 2 2 嵌入式地理信息系统的结构 嵌入式g i s 是将一个优化的g i s 数据引擎嵌入到小型移动设备上，占用内存比较 小，但是具有很强的数据分析和显示表达能力。嵌入式g i s 的主要特点是“可裁剪” 性，可以根据用户对兴趣点的要求不同，对其结构进行相应的裁剪。嵌入式g i s 的一 般结构如图2 2 1 所示。 从图2 2 1 可以看出，嵌入式g i s 应用软件的最底层是嵌入式操作系统( 本系统 采用的是w i n d o w sc e ) ；在其上面一层是空间数据管理，负责所有空间数据的读写 操作，由于目前地理信息系统的数据格式种类比较多，因此在该层有可能要进行地理 数据格式的转换；然后一层是对空间数据进行处理的投影变换、地图显示、地图编辑 和空间分析等模块，这些功能模块是嵌入式地理信息系统的主体；最上面一层是面向 第7 页 娶垒茎垫翌堡星墨竺塑兰查垦堡 堡主笙塞 用户的嵌入式g i s 应用软件操作界面。 嵌入式g i s 应用程序 j l l i 空间分析ll 地图编辑li 地图显示li 投影变换l + 二 + 空间数据管理 嵌入式操作系统 图2 2 1 嵌入式g i s 结构图 2 2 3 嵌入式地理信息系统软件的特征 嵌入式g i s 是地理信息系统与嵌入式技术相结合的产物。由于其平台的特殊性 嵌入式g i s 软件与普通g i s 软件有着明显的不同，如表2 2 1 所示。 一 表2 2 1 嵌入式g i s 与普通g i s 的比较 普通g i s嵌入式g i s 程序和数据的存储方式计算机的硬盘中嵌入式设备的晶片中 一 程序的容错程度 同不允许有错 程序的改变和升级容易实现不容易实现 程序的安全性低 日 程序的通用性高低 程序的可靠性低高 目标代码的限制基本无限制要求代码精练 程序的数据容量大小 2 3 地理信息系统的坐标转换理论 g i s 研究的对象是整个地理空间，对于地理空间的各种实体在g i s 中是以空间坐 标的形式定义的。在地理空间中描述各种实体时采用的坐标通常是经纬度坐标，而在 g i s 中最终显示在计算机屏幕上的是设备坐标。因此，要将地理空间中的各种实体以 第8 页 硕士论文嵌入式地理信息系统的设计 数字地图的形式显示到计算机屏幕上就必须进行坐标的转换。 2 3 1 地图投影理论 由于地球椭球面或圆球面是不可展开的曲面，而地图又必须是一个平面，所以将 地球表面展开成地图平面必然会产生裂缝或褶皱。为了使其误差最小，必须采用地图 投影的方法。地图投影的目的是通过将不可展的椭球面( 球面) 投影到一个可展的曲 面上，然后将曲面展开成为一个平面，来保证空间信息在地域上的连续性、完整性和 可测度性【1 9 】。 地图投影的方法很多，不同的投影方法具有不同性质和大小的投影变形。目前， 我国现行的大于及等于1 ：5 0 x 1 0 4 比例尺的各种地形图都采用高斯一克吕格投影，简称 高斯投影。 ( 1 ) 高斯投影的概念 高斯投影将地球看成是椭圆体，假想用一个椭圆筒横套其上，使筒与地球椭圆体 的某一经线相切，椭圆筒的中心轴位于赤道上，按等角条件将地球表面投影到椭圆筒 上，然后将椭圆筒展开成平面。如图2 3 1 所示。 j l a 律黔 一 戈菠 y 图2 3 1 高斯投影示意图 ( 2 ) 高斯投影的基本性质 根据高斯投影的概念，高斯投影有如下几个性质： 中央经线( 椭圆筒和地球椭球体的切线) 和赤道投影成垂直相交的直线 投影后没有角度变形( 即经纬线投影后仍正交) ； 中央经线上没有长度变形，等变形线为平行于中央经线的直线。 根据上述三个条件，可以导出式2 3 1 的高斯投影直角坐标公式【l 9 】： 式2 3 1 中，x ，y 为平面直角坐标系的纵坐标与横坐标；a ，妒为椭球面上地理坐 第9 页 卜 p 咿 甜 孵 刚 坼 耐 一塑m 彬 w 矗 圻 咿 崛塑。舻 乏。 争一 蝌 珊 壁垒茎垫里堡皇墨竺竺墨查墨堡 堡主笙苎 标系的经纬度( 分别自赤道和投影带中央经线算起) ；s 为由赤道至纬度的子午线弧 长：n 为纬度处的卵酉圈曲率半径( 可据纬度由制图用表查取) ；7 1 一r 1 2 = e “c o s 2 妒， 其中e ”= ( a 2 一b 2 ) b 2 ，为地球的第二偏心率，口，b 分别为地球椭圆体的长短轴。 ( 3 ) 高斯投影带的划分 为了控制投影变形不致过大，保证地图精度，高斯投影采用分带投影方法，即将 投影范围的东西界加以限制，使其变形不超过一定的限度：我国规定 1 ：2 5 x 1 0 4 1 ：5 0 x 1 0 4 地图均采用经差6 分带，大干或等于1 ：l x l 0 4 比例尺的地图采 用3 。分带。 6 分带法：从格林尼治零度经线起，自东半球向西半球，每经差6 分为一个投 影带。东半球的3 0 个投影带，是从0 起往东划分， 即东经 0 一6 ，6 。一1 2 。，1 7 4 一1 8 0 ，用阿拉伯数字1 3 0 表示；西半球的3 0 个投影带，是 从1 8 0 开始划分，回到0 ，即西经1 8 0 一1 7 4 。，1 7 4 一1 6 8 ，6 一0 ，各带的带号为 3 l 一6 0 。我国领土位于东经7 2 。一1 3 6 之间，共包括1 1 个投影带，即1 3 2 3 带，各带 的中央经线分别为7 5 ，8 1 ，1 3 5 。 3 分带法：从东经1 3 0 7 算起，每3 为一带，将全球划分为1 2 0 个投影带。这样分 带的目的在于使6 带中央经线均为3 带的中央经线。即3 带中有一半的中央经线与 6 带的中央经线重合，在从3 。带转换成6 带时可以直接转换，不需要任何计算。 ( 4 ) 高斯平面直角坐标网 高斯平面直角坐标网是由高斯投影每一个投影带构成一个单独的坐标系。投影带 的中央经线投影后的直线为x 轴( 纵轴) ，赤道投影后的直线为y 轴( 横轴) ，它们的 交点为原点。如图2 3 2 所示。 jl x 、翰 一 y 图2 3 2 高斯平面直角坐标网 一 我国位于北半球，全部x 值都是正值，在每一个投影带中则有一半的y 值为负。 为了使计算中避免横坐标y 出现负值，规定每带的中央经线西移5 0 0 k m 。由于高斯投 影每一个投影带的坐标都是对本投影带坐标原点的相对值，所以各带的坐标完全相 同。为了指出投影带是哪一带，规定横坐标( 通用值) 之前加上带号。如a ，b 两点原 来的横坐标分别为l = 2 4 5 8 6 3 7 m ，k = 一1 6 8 4 7 4 8 m ，西移5 0 0 k m 后，其横坐标分别 第1 0 页 硕士论文嵌入式地理信息系统的设计 为y 。= 7 4 5 8 6 3 7 m ，k = 3 3 1 5 2 5 2 m ，加上带号，如a ，b 两点位于第2 0 带，则其通用 坐标为y = 2 0 7 4 5 8 6 3 7 m ，k = 2 0 3 3 1 5 2 5 2 m 。 2 3 2 窗口视图变换 通过地图的投影变换将经纬度坐标转换为平面坐标后，为了能够获得g 1 9 中研究 的区域坐标和相应的设备坐标，必须进行窗口视图的变换。 ( 1 ) 窗口视图中的基本概念【2 ” ，。 用户域：用户域是指程序员用来定义草图的整个自然空间( w d ) 。人们所要描 述的图形均在w d 中进行定义。用户域是一个实数域，如用r 0 w 表示该实数域的集 合，则用户域w d = r o w 。理论上说w d 是连续无限的。 一 窗口区：通常把用户指定的任一区域( w ) 叫做窗口。窗口区小于或等于用 户域w d ，任何小于w d 的窗口区w 都叫w d 的一个子域。窗口区通常是矩形域，可 用其左下角点和右上角点坐标表示；也可给定其左下角点坐标及矩形的长、宽表示。 屏幕域：屏幕域是设备输出图形的最大区域，是有限的整数域。如某图形显示器 有1 0 2 4 1 0 2 4 个可编地址的光点，也称象素，则屏幕域d c 可定义为 d c 0 ：1 0 2 3 0 ：1 0 2 3 。 视图区：任何小于或等于屏幕域的区域都称为视图区。视图区可由用户在屏幕域 中用设备坐标来定义。用户选择的窗1 ：3 域内的图形要在视图区显示，也必须由程序转 换成设备坐标系下的坐标值。视图区一般定义为矩形，由左下点坐标和右上点坐标来 定义：或用左下点坐标及视图区的x ，y 方向上边框长度来定义。 ( 2 ) 窗口区和视图区的坐标变换 在用户坐标系下，窗口区的四条边分别定义为w x l ( x 左边界) ，w x r ( x 右 边界) ，w y b ( y 底边界) ，w 玎( y 顶边界) ，其相应的屏幕中视图区的边框在设备 坐标系下分别为v x l ，v x r ，v y b ，y y 丁，则在用户坐标系下的点( x 。，l ) 对应屏幕视 图区中的点( x 。，y f ) ，其转换公式为： 弘端(小wxl)+vxlwxr 5 f 一胤) ” 匕：黑黑( y w w y b ) + v y b 3 ( w y 丁一订诏) ” 如令： a = ( v x r - v x l ) ( w x r - w x l ) b = v x l w x l ( v x r v x l ) ( w x r w x l ) c = ( 7 一v y b ) ( w y t - w y b ) d = v y b - w y b ( t v y b ) ( w y t w 阳) 则式2 3 2 可以简化为： 第1 1 页 嵌入式地理信息系统的基本原理硕士论文 j x s2 a x 一6( 2 3 3 ) 【l = c 匕+ d 若求得了口，b ，c ，d ，把窗i ：3 内的一点坐标转换成屏幕区内的对应点坐标，只需两 次乘法和加法运算。即： a 0 o l x 。y ，1 _ 【x 。匕1 10 c0 ( 2 3 4 ) l b d 1 j 在式2 3 4 中，当a c 时，即当工方向图形的变化和方向不同时，视图区的图 形会有伸缩变化。当n = c = 1 ，b = d = 0 时，且窗口与视图区的坐标原点也相同时，则 在视图区产生与窗口区相同的图形。 ( 3 ) 规格化坐标( n d c ) 到设备坐标( d c ) 的转换1 9 1 由于最终的图形是显示到设备显示器上的，所以必须进行规格化坐标到设备坐标 的转换。在n d c 中的点( ，y 。) 经过平移( d ，d ，) 和伊l j ( s ，s y ) 变换后得到d c 中的 点( 工。，y 。) ，其变换公式为： 副一一? z 。 ( 2 3 5 ) 【y 。= s y y h + dy 若n d c 中的两点x h 。和2 变换到d c 下为l 。，和z 。，由于点从n d c 到d c 的 变换是线性变换，则有s ，= ( x 。：一x o 。1 ) ，( 工。2 一z 。1 ) ，d ：= 1 一s ，五。1 。同理，可以得 到s 。与d 。的值，结合式2 3 5 可以得到式2 3 6 的规格化坐标到设备坐标转换公式。 c 刮n d c d 。x ( 2 3 6 ) 【y d c 2 3 y y n d c + d ， 值得注意的是，由于实际坐标中n d c 和d c 的方向是相反的。此时，应结合屏 幕的分辨率来计算上式中的参数。如图2 3 3 所示。 o n x 1 n y 。1 图2 3 3n d c 到d c 变换示意图 对于大分辨率为1 0 2 4 x 7 6 8 ( n ，= 1 0 2 4 , n ，= 7 6 8 ) 的显示器而言，一般地d = 1 。由 第1 2 页 硕士论文嵌入式地理信息系统的设计 于在z 方向上一1 变成0 ，1 变成，一1 ，而y 方向上一变成。 两对参数( d ；，d ，) 和( s 。j ，) 的计算公式如式2 3 7 所示。 i d ，= ( n ，一1 ) 2 ；d ，= ( n ，一1 ) 2 k = ( n ，一1 ) 2 ；s ，= ( n ，一1 ) ( 一2 a ) 1 ，口变成0 ，因此 ( 2 3 7 ) 2 3 3 图形的几何变换 通过地图投影和窗口视图变换理论可以将空间信息中的经纬度坐标转换为设备 坐标，从而可以将坐标信息以图形的方式显示到计算机屏幕上，但是为了能够将图形 进行缩放和平移，就必须进行图形的几何变换。 图形几何变换一般是指对图形的几何信息经过变换后产生新的图形。设二维图形 变换前的一点坐标为ky1 1 ，变换后为b + y + 1 】，作为平面图形的缩放和平移，仅 讨论二维变换就足够了。二维图形的几何变换包括平移变换、比例变换、对称变换、 错切变换、复合变换。其中利用平移变换可以实现数字地图的漫游功能，利用比例变 换可以实现数字地图的缩放功能。 ( 1 ) 二维变换矩阵 2 3 1 二维图形几何变换矩阵可用式2 3 8 表示： nd gf r 2 d = bph ( 2 3 8 ) l c ， f j 从变换功能上可把丁。分为四个子矩阵，其中i ? 4 是对图形进行缩放、旋转、 i1 9e 对称、错切等变换； c ，】是对图形进行平移变换；ig ，l 对图形作投影变换，g 的作 lnl 用是在z 轴的l g 处产生一个灭点，h 的作用是在y 轴的l ，h 处产生一个灭点；嘲是 对整体图形作伸缩变换。 ( 2 ) 平移变换 平移变换可以用式2 3 9 表示，平移变换只改变图形的位置，不改变图形的大小 和形状。如图2 3 4 ( a ) 所示。 1 0 o y ，1 = b 州y 川0 1 0 【= k + t ，y + 0 1 ( 2 3 9 ) bt1 j ( 3 ) 比例变换 比例变换可以用式2 3 1 0 表示，比例变换可改变图形的大小和形状。 嵌入式地理信息系统的基本原理硕士论文 0 s y 0 ( 2 3 1 0 ) 当s 。= s ，= 1 时，为恒等比例变换，即图形不变，如图2 3 4 ( b ) 所示； 当s ：= s ， 1 时，图形沿两个坐标轴方向等比例放大，如图2 3 4 ( c ) 所示 当s ，= s ， l( d ) 比例系数o s 。= s y l 图2 3 4 图形盼二维几何变换 l y y sz jk p = lji o o 1 & o o _l l yk = 1 u y ，f 硕士论文嵌入式地理信息系统的设计 2 3 4 坐标变换小结 通过上述坐标变换理论可知，将经纬度坐标经过投影变换可以转换为平面直角坐 标；平面直角坐标通过窗口的裁剪得到窗口坐标；窗口坐标通过视图变换得到规格化 坐标；规格化坐标通过变换得到设备坐标。得到设备坐标后，通过相应的图形显示接 口将图形显示到计算机屏幕上，从而可以将坐标信息以图形的方式显示到计算机屏幕 上；图形显示后，再通过图形的几何变换理论实现图形的缩放和平移。整个转换过程 如图2 3 5 所示。坐标变换是g i s 中数字地图显示、缩放和漫游的基础。 兰一 图2 3 5 坐标转换不恿图 2 4 数字高程模型 数字高程模型主要用于描述地面的起伏状况，可以用于提取各种地形参数，如坡 度、地表面积等，并可进行通视分析等应用分析，它是g i s 中进行地形分析的基础。 2 毛1 数字高程模型的定义 数字高程模型( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ，简称d e m ) ，是以数字的形式按一定 结构组织在一起，表示实际地形特征空间分布的模型，也是地形形状大小和起伏的数 字描述。d e m 的核心是地形表面特征点的三维坐标数据和一套对地表提供连续描述的 算法，最基本的d e m 由一系列地面点( z ，y ) 位置及其相联系的高程z 组成，用数学表 达式表示是z = f ( x ，y ) ，( 工，y ) d e m 所在的区域【。 2 毛2 数字高程模型的分类 数字高程模型有多种分类，主要包括正方形格网结构( g r i d ) 和不规则三角网结 构( t i n ) 。 正方形格网结构是将数字模型的覆盖区域划分成为规则排列的正方形格网，d e m 实际就是规则间隔的正方形格网点或经纬度格网点阵列，每一格网点与其他相邻格网 点之间的拓扑关系都已经隐含在该阵列的行列号当中。如图2 4 1 所示。这时，根据 该区域的原点坐标和格网间距，对任意格网点平面位置可用相应的矩阵元素的行列号 通过简单的运算而获得。因此，g r i d 数据除了每个格网点处的高程值之外，只需要 第1 5 页 嵌入式地理信息系统的基本原理硕士论文 记录一个起算点位置坐标和格网间距。正方形格网d e m 存储量较小，结构简单，操作 方便，本论文中的数字高程模型是基于这种模型的。 若将按地形特征采集的点根据一定规则连接成覆盖整个区域且互不重叠的许多 三角形，则构成一个三角网，通常称为不规则三角网( t i n ) 。如图2 4 2 所示。不规 则三角网能较好的顾及地貌特征点、线，逼真的表示复杂地形起伏特征，并能克服地 形起伏变化不大的地区产生冗余数据的问题。但是由于数据量大，数据结构复杂和难 以建立，t i n 一般只适宜于小范围大比例尺高精度的地形建模。 图2 4 1 正方形格网结构图2 4 2 不规则三角网结构 2 4 3 数字高程模型内插算法 由于数据测量精度以及数字地图显示比例的变化，不可能精确的得到地图上每一 个点的高程值，需要通过内插的方法来计算未知点的高程值。内插就是根据参考点上 的高程求出其它待定点上的高程。d e m 内插的方法很多，按内插点分布范围，可分为 分块内插、逐点内插和整体内插三类。 分块内插是把参考空间分成若干分块，对各块使用不同的函数。分块的大小根据 地貌复杂程度和参考点的分布密度决定。一般相邻分块间要求有适当宽度的重叠，以 保证相邻分块间能平滑、连续的拼接。典型的局部内插有线性内插、局部多项式内插、 双线性多项式内插和样条函数内插等。 逐点内插法是以待插点为中心，定义一个局部函数去拟合周围的数据点，数据点 的范围随待插点位置的变化而变化。该方法主要有加权平均值法，移动拟合法和最小 二乘配置法等。 整体内插的拟合模型是由研究区域内所有采样点的观测值建立的。整体插值主要 通过多项式函数来实现，因此又称为整体函数内插。这些函数模型的特点是不能提供 内插区域的局部特征，因此常被用于模拟大范围的宏观变化趋势。 双线性多项式内插算法是分块内插算法中的一种，基于格网的内插广泛采用这种 方法。双线性多项式内插算法是使用最靠近插值点的四个已知数据点组成一个四边 第1 6 页 硕士论文 嵌入式地理信息系统的设计 形，确定一个双线性多项式来内插待插点的高程。本论文中的d e m 插值就是采用这种 方法。 设空问某点为p ( x ，y ，z ) ，则根据双线性多项式内插算法获得该点高程的函数形式 如式2 4 1 所示。 z = d o + a x +