详解基于移动GIS的GPS定位导航系统的设计与实现

基于移动GIS的GPS定位导航系统设计与实现关键字：移动GIS GPS位置和导航系统引言1随着计算机软件和硬件技术的迅速发展移动互联网与GIS的有机结合已经形成了针对手机等便携式信息终端的GIS应用程序同时，大容量存储卡、无线LAN、无线通信、3G网络和GPS全球位置导航系统也逐渐集成到智能设备中，从而在移动设备中实现GIS功能。人们通常将用户(终端设备)在移动环境中使用的地理信息系统称为移动GIS。近年来，移动GIS成为地理信息科学领域研究的热点问题，引起了很多学者的关注。理论上，外国学者采用动态、个性化的智能地图代理(IMA)体系结构3；将电子地图转换为简单空间格式的算法；在国内，李清川等分析了空间信息和移动通信集成的关键技术，提出了集成系统的体系结构。刘小琴集成了数据模型，提高了数据共享水平5。美国地理信息和分析中心(NCGIA)在应用领域启动的Battuta程序正在构建原型系统和区域测试阶段，以研究地理数据和相关技术在数据收集系统中的集成应用。爱尔兰都柏林大学的A.Rizzinig和k .Gardiner等人写的“移动环境管理GIS系统：鱼栖息地空间信息管理系统设计”将无线网络与移动GIS相结合，实现环境空间数据的移动管理，为无线网络与移动GIS相结合提供了原型参考。国内南京大学严昌厅等在“基于GPS-PDA的土地变更调查数据收集系统集成设计”中，利用PDA和差分GPS收集移动GIS数据，以满足国土资源行业的要求。王悦、吴运动等在“基于移动地学的空间信息系统”中分析了移动地学的发展趋势，综合了与地图学其他学科交叉的现状，从地图学的角度指出了移动地图服务发展的关键因素。GPS是移动GIS以收集地理信息数据的主要手段，通过GPS实时获取点的位置信息，并在此基础上实现导航功能。使用GPS信息驱动技术(GPSID)设计移动GIS的GPS定位导航系统，通过中间层连接开发开发方和GPS模块，使开发人员不必直接接触硬件部分，从而减少了开发人员与GPS串行端口通信的困难。通过嵌入式开发实现智能设备GPS的位置导航功能，以便收集移动GIS数据。2 PDA电子地图设计PDA电子地图是智能移动设备上显示的地理信息数据的可视化产品，可以根据用户的不同需求提供相应的信息。PDA电子地图不同于传统的纸质地图或电子媒体地图。传统的纸质地图绘制在硬纸或聚酯薄膜上，单层显示，内容丰富，制作复杂，更新周期长，不考虑个人用户的需要；电子媒体地图通过计算机显示为单层或多层叠加，内容详细，快速更新，复杂的制作标准允许进行复杂的分析工作。目前，PDA电子地图设计由于诸多限制，不能具有上述两种地图的所有功能，PDA电子地图设计的局限性主要源于以下几个方面：1)屏幕分辨率低。2)小型显示器；画面颜色不丰富。4)低4)CPU处理能力；5)现场环境因素：强光、雨雪、大风等制约因素；6)移动设备没有鼠标，键盘输入功能也不强大。因此，PDA电子地图的设计应考虑到这些限制和设备本身的特性。Reichenbacher (2004)建议PDA电子地图的设计必须满足以下四个方面：(1)信息内容：PDA电子地图中托管的信息不需要与现有地图一样全面、详细地描述地理信息数据，但是需要加载图层数据以描述用户的需要并执行相应的操作。例如，如果用户是交通部门，则地图设计可以简化建筑物或河流并强调道路数据的显示。要强调的主题信息需要详细等级、高数据质量、清晰的显示、符合用户要求的精度等。(2)用户界面：PDA电子地图界面简单、整洁，界面元素最小化，全屏显示，显示屏下方的任务栏上放置了功能项目，可以节省更多屏幕空间并显示地图信息。第二，可以用键盘和触控笔创建系统功能快捷方式，并将其用于简单实用的目的。(3)视觉化：视觉化需要根据环境和设备调整地图设计，简单明确地使用地图显示和符号，不要使用太多标签，贴图背景颜色以灰色等冷色调为主，对比鲜明，图征类别的填满样式不太复杂，显示内容清晰，显示效果好。(4)技术：从技术上来说，要充分考虑可移动设备的存储容量、电池功率、CPU处理能力、显示大小等，通常可以将PDA电子地图分为基本层和工作层。基本图层作为背景图层主要是基于图像的。工作图层主要是根据向量资料移动GIS的图层。PDA电子地图是GPS位置导航和移动GIS数据收集的关键因素，地图质量的好坏直接关系到位置导航的准确性和数据收集的质量。可以独立于GPS模块实现移动设备的位置导航系统，下面介绍了一种开发基于智能设备的位置导航系统的新技术GPS中间驱动程序。3 GPS中间驱动程序(GPS中间驱动程序)GPS中间驱动程序(GPS Intermediate Driver)，它在开发人员和GPS硬件设备之间构建中间层，通过访问中间驱动程序提供的API函数间接与GPS通信，而无需直接访问GPS硬件。GPS中间驱动程序是Microsoft在Windows Mobile系列5.0版本后开发的基于智能设备的GPS应用程序开发哲学。GPSID为GPS硬件制造商提供了高业务价值。GPSID可以与应用程序无缝结合。对于应用程序提供商：可以与支持GPSID的所有GPS设备集成。使用已形成的移动GIS软件的GPS功能，例如传统的GPS开发方法、使用编程语言直接操作GPS硬件部分、流式处理GPS数据文件、完全手动分析串行通信的NMEA数据，或ESRI公司的ArcPad、超级映射公司的eSuperMap等。与传统的开发方法相比，GPS中间驱动技术具有很多优点，包括：1)开发速度快，效率高。2)具有熟悉的API接口函数。3)与传统的GPS数据文件流操作兼容。4)可以在PC末端模拟。5)支持同时访问一个GPS设备的多个应用程序；6) NMEA-0183数据易于解析。GPS中间驱动的工作流如图1所示。以程序语言调用GPSID提供的API函数，以完成相应GPS参数的设置(端口、波特率)和端口打开关闭操作。API函数修改操作系统注册表信息以实现对GPS硬件的实际访问，GPS设备响应访问信号以完成GPS数据的接收和通信。目前，GPSID提供的API函数包含四种：1)GPSOpenDevice:打开GPS设备并建立与GPSID的通信。2)关闭GPSclosedences : GPS设备；3)GPSGetPosition:获取当前点信息，例如纬度和经度以及高程。(4)GPSGetDeviceState:获取GPS设备状态信息，例如接收卫星数、位置质量和时间。上述四个API函数使应用程序开发人员可以获取定位和导航数据，并对GPS设备执行所有操作。从GPS设备接收的位置数据不适用于实际位置和导航，它们之间存在坐标系转换问题。下面是将GPS数据与PDA电子地图中的坐标转换问题相匹配。4 GPS坐标转换智能设备GPS接收的NMEA格式数据是WGS-84坐标系中的大地坐标，以纬度和经度高程(B，L，H)表示的坐标，PDA电子地图是使用国家大地坐标或省独立坐标系下的笛卡尔坐标，以(X，Y)表示的平面坐标。因此，不考虑高程参与转换，而是通过坐标转换实现坐标系统一。转换过程分为两个步骤，将WGS-84椭球下的(B，L)坐标转换为相应椭球下的平面坐标。第二步，通过分析变换方法将高斯平面坐标转换为国家大地坐标或省独立坐标系下的平面坐标(X，Y)。4.1高斯正数根据准确度要求，高斯正计算公式可能有所不同，适于计算机编程实现的计算公式可以使用1975国际椭球参数达到平面坐标精度0.001m。4.2平面坐标变换将高斯平面坐标转换为省独立坐标系下的平面坐标(X，Y)是将模型转换为省的实际情况和需要的四个参数。使用此模型解决平面坐标包括旋转WGS-84平面坐标系的三个步骤。在第二步中，将旋转的WGS-84平面坐标系与局部平面坐标系一起缩放。第三步是平移。以下是模型的具体形式：其中：使用最小二乘法原理从两个坐标系中收集至少三对公共点数据，并列出误差方程，以解决四个变换参数。使用变换参数，可以自下而上解释具有不同点的平面坐标。5示例开发实例硬件条件为HTC Touch HD智能手机和嵌入式GPS模块(定位精度10米)。坐标系是阜新独立坐标系。开发平台是Visual Studio。NET(2008)，加载ArcGIS Mobile SDK组件。作为移动GIS的一部分，系统采用与移动GIS相同的开发体系结构，即智能客户端(Smart Client)体系结构，如图2所示。此模式继承并结合了C/S、B/S模式的优点，在充分利用客户端资源的同时支持与服务器的实时双向同步。PDA电子地图数据可以直接分发到智能设备的地图缓存中，也可以通过无线网络下载到客户端存储卡中。系统实现的主要功能如图3所示。此处的地图管理和地图操作主要是放大、缩小、漫游等常用功能。GPS设置和GPS操作主要包括端口、波特率设置以及GPS端口打开和关闭。主要包括纬度-经度坐标显示、接收卫星数、卫星位置和信号强度等卫星信息显示功能。为了验证系统的稳定性、可行性和数据传输的可靠性，系统现场测试加载了为安装本系统智能手机而设计的辽宁工程技术大学PDA电子地图，测试了PDA，测试了通过无线网络访问互联网的连接性，打开了GP S端口，从辽宁工程技术大学tsuen huiluxi起点出发，东线到达了街道和十字路口，通过新明路，紫银路到达了学校南门。经过测试的路径是使用GPS收集和导航地理数据的代表性方法。GPS中间件技术通过调用以下内容设置端口号和波特率：通过统一资源定位器(URL)和缓存的已保存路径使地图数据的位置唯一：使用以下代码确定坐标参考帧，加载端口接收的GPS数据以执行坐标