嵌入式地理信息系统研究与应用

1、测绘信息网嵌入式地理信息系统研究与应用刘爱龙 陈广学 杨学伟 惠宏朝 (西安测绘研究所 西安 710054)摘 要：论文分析了嵌入式系统环境下地理信息系统的系统组成和主要功能。重点讨论并解决了地图数据的组织、地图数据的压缩、基于嵌入式系统的地图浏览和地形分析以及GPS导航定位、语音和数据通讯等软硬件系统的集成等关键技术。关键词：地理信息系统 嵌入式地理信息系统 嵌入式系统 PDA 1 前言目前为止的数字地图或地理信息系统的应用，通常必须在台式计算机或笔记本上才能很好显示和运行，而不能做到像纸质地图那样很方便的随身携带。因此，现有的地理信息系统主要在室内发挥作用，而不便于携带与移动，这是造成数字

2、地图应用难以普及，纸质地图难以被取代的主要原因之一。要解决这一问题，必须研发便携式电子地图浏览设备和适合个人使用的移动地理信息系统。地理信息系统由室内工作站或台式机为操作平台，向便于携带、与卫星定位和无线通讯网结合、基于嵌入式系统的个人终端发展也是一个必然的趋势。其典型的硬件平台是PDA和手机。这样的系统通常称为无限移动GIS或个人电子地图导航定位系统。基于上述需求分析，我们研制了以PDA为用户终端的嵌入式地理信息系统。它是一套具备通讯、指挥控制、导航定位、电子地图显示、信息采集、信息获取与发布等多种功能，满足个人对地理信息的基本需求。2 系统整体架构与嵌入式系统2.1 系统整体架构嵌入式地理

3、信息系统由四部分组成（如图1）：移动信息终端（PDA）。它是整个嵌入式地理信息系统的核心，主要用于地图数据的存储、电子地图显示、地理信息分析和应用、信息的采集、接收和发布等，是进行人机交互的载体。 GSM。集成于终端上，主要用来提供数据和语音的通讯支持。 GPS定位部分。集成于终端上，主要用来进行定位。 服务中心部分。主要用来接收终端发来的信息，给终端发送指令。服务中心是在台式机上运行的，主要场所是服务中心，基于Windows系统开发的。移动终端是运行于嵌入式系统上，以PDA为运行平台。2.2 嵌入式系统现在已经有多种嵌入式操作系统，Windows CE，OS-9，LynxOS，Palm OS

4、，QNX，Psos，VxWorks，HOPEN，Linux等。相对于其他嵌入式操作系统而言，Windows CE 是一个基于多线程和多任务的操作系统，是微软操作系统家族中的新成员，但并不是Windows NT或Windows9X的一部分或缩减版本。Windows CE有它自己的系统结构，具备独立开发的内核和设备驱动程序模型。Windows CE的设计是以应用程序、即时操作、微处理器可移植性以及电源守恒为目标的。在应用程序开发和功能特性方面，Windows CE有Windows NT和Windows9X的关键部分，并使用相同的基本API，利用Embeded Visual Tools能迅速开发出嵌

5、入式应用软件。Windows CE是由4个标准组件和一些附加的模块组成：内核、文件系统、通讯接口、图形窗口和事件子系统。内核，是Windows CE的核心，用来提供一些基本的系统服务，包括所有基于Windows CE的平台必须具备的功能，如进程、线程处理和内存资源管理等。Windows CE内核借鉴了台式机上Windows 系统的许多优点，如采用抢先执行、多线程、多任务和保护模式运行机制，支持统一字符编码标准UNICODE(采用双字节对字符进行编码)，能方便实现程序的国际化应用。与之不同的是：Windows CE内核完全采用动态链接库(DLL),这样可以最大限度地利用系统的可用内存空间。Win

6、dows CE的文件系统的主要特征是支持信息的持久存储管理，即对RAM中的存储的信息进行管理，为了避免因电源掉电等故障造成的数据丢失，Windows CE文件系统所提供的映象功能能跟踪对文件分配表的操作，从而实现对数据的恢复。Windows CE的通讯接口能支持范围广泛的数据传送和接收方式，充分体现了移动计算特性；Windows CE支持两种基本的通讯方式：即串行通讯和网络通讯，支持了多种通讯硬件，如串行电缆、红外线收发器、无线收发器、调制解调器等；满足多种通讯要求：基于Windows CE的设备之间交换信息、从台式机或网络上下载文件、发送和接收e-mail、向服务器发送数据、浏览Intern

7、et。图1 嵌入式地理信息系统示意图3 系统组成及主要功能3.1 嵌入式地理信息系统的主要功能系统包括服务中心和移动终端两个相对独立的子系统。服务中心主要负责接收和处理移动终端发送来的各种信息，并将指令和所需的信息发送给指定的终端；移动终端可以用来进行通信（包括语音和数据）、定位与导航、进行地图的显示和漫游、地形分析、标绘等各种GIS功能以及资料查询等。移动终端可以独立使用，也可以和服务中心组成一个大的系统。 服务中心的主要功能包括：(1) 监控功能。采用多种可选的监控方式：连续跟踪、定时发送、接受紧急求救等。并可以根据要求，对每个终端的回报方式进行设定。(2) 地图编辑与发布功能。根据当前用

8、户的要求，可以对地图数据添加定制内容，并发布给终端用户。(3) 文书编辑/发布功能。可以根据需要，编辑各种文书，并发布给指定的终端用户。(4) 动态信息的接收与发布功能。可以实时接收终端用户发送的信息，并将处理结果发布给指定的终端用户。3.2移动终端的主要功能包括：(1) 地图显示与浏览功能。系统设计了一种全新的数据格式，这种数据格式参考数字地图要素的分级规范，根据要素的重要程度将不同比例尺地图中的要素划分为不同的显示等级，以便能够动态地反映信息的内容。系统采用标准的地图符号系统，符合用户识图、用图习惯。用户可选择多级比例对地图缩放。(2) 信息查询。 通过多种查询方法（分类查询、目标查询、属

9、性查询等）了解各种地物要素信息，如公路等级和桥梁通行能力、河流宽度及水文特点、植被类型和树木参数、居民地行政级别和人口结构状况等。(3) 地形分析量算功能。提供了坐标量算、距离量算、面积量算、坡度量算、高程、高差计算等功能，以及网络分析（根据起始点和终止点自动选择其最短路径或最佳路径）、通视和区域分析以及地形剖面制作等分析功能。(4) 定位和导航功能。可以提供当前位置的坐标信息，并实时在地图上显示出来；在设定目的地（提供两种方式：直接点图设定和通过输入经纬度设定）的情况下，可以实时指示目的地的位置。另外还提供了显示Bj-54坐标系和高斯坐标系坐标的功能。(5) 路径记录功能。系统提供的行进轨迹

10、记录和回放功能，能够根据用户的要求将需要记录的路线保存下来，供事后回放或者传送到服务中心。(6) 地图要素实时添加功能。可以接收服务中心传来的地图更新信息，也可以对变化的地形地物信息及时输入存储，或对用户感兴趣的目标进行记录和标注，并可将记录的结果传送到其他终端或服务中心。(7) 通讯和信息接收功能。可以通过GSM进行语音或数据通讯，实现和服务中心的信息交互，可以接收服务中心传送的信息并自动回应。4 系统的实现及解决的关键技术系统的难点和重点在于研制基于嵌入式处理器和操作系统的移动终端。终端的硬件平台选择的是联想天矶XP 618掌上电脑（操作系统采用Windows CE for Pocket

11、PC），它具有体积小、可利用的系统资源十分有限等特点，要在上面实现对大数据量地理信息的处理，实现作为一个地理信息系统的基本功能，同时还要集成通讯和GPS导航定位等软硬件模块，在技术上是有较大难度的。这里对系统研制中采取的技术措施及解决的关键问题作一些介绍。4.1 数字地图的组织地图的显示是嵌入式地理信息系统的重要功能，它构成了人机界面的基础。地图显示的效果，直接影响到用户的使用。根据用户的不同需求和所选择的显示设备的不同，可以有很多种方案，这些设计方案的具体目标就是将复杂而繁多的内容简化，以便用户在使用时非常容易的获取有关信息。在具体设计显示界面时，必须充分考虑PDA具有的显示屏幕较小（只有4

12、吋）、分辨率低（只有320×240）的特点。在我们设计的嵌入式信息系统中充分考虑了以上的问题。采用了对数据进行分块、在显示过程中采用变焦数据模型(LOD模型)等措施，能够快速、动态地反映信息的内容。用户可选择多级比例对地图缩放，同时32位嵌入式中央处理单元根据计算出的当前位置、方向，以光标、文字方式显示在液晶显示屏上，并不断更新显示屏上的所有地图数据。在研制中，我们通过以下原则来完成嵌入式信息系统的地图数据的组织：(1) 地图数据来源于空间数据库标准数据，以保证了数据的可靠性。然后根据不同用途补充数据库中没有的其它数据要素。(2) 数据文件的划分和分层与数字地图的图幅划分一致，使每幅

13、图都对应一定的地理区域而且符合规范。数据文件名由所对应的地理区域所确定，具有唯一性。(3) 图幅空间根据四叉树进行划分，四叉树叶节点的大小与屏幕的大小一致。在建立四叉树时，保证了四叉树的平衡。(4) 建立多级索引结构，以便快速确定地图数据库中的待查数据位置。(5) 对地图数据按要素进行分级，以便在显示的时候可以按照显示比例尺的大小进行取舍，改善显示效果。经过试验，上述方法能够很好的满足嵌入式地理信息系统的需要。4.2 地图数据的压缩由于嵌入式信息系统中数据是存储在SD/CF卡上的，其存储容量受到一定限制，因此，要求数字地图的数据要尽可能小。但空间数据库中数字地图的存储数据类型决定了每幅图的数据

14、量较大，不适用于嵌入式地理信息处理终端的特殊要求。其原因在于：一是文件以文本格式存储；二是记录的数据项大多为浮点型或双精度型。因此，其数据量偏大。在嵌入式地理信息系统的研发过程中，我们提出了一种数据格式，通过相关的压缩算法处理后的数据，具有存储体积小、存取速度快等特点，非常适合PDA的使用。其措施包括：（1）用int型代替float或double型由于地理定位的精度比较高，因而在以处理地理坐标为主的GIS领域中，一般是将地理坐标以float或double型进行存贮，只是在向屏幕显示输出时才强制转换为int或short型。针对PDA显示的具体特点以及本系统地图数据的分幅存贮机制，我们对地理坐标存

15、贮类型采用了两种改进措施：以每幅地图的左下角坐标（已知）为原点，将地图要素的浮点型绝对坐标转换为将double或float的坐标映射（不是强制转换）为int型；对每一弧段（包括面状和线状地图要素）只用两个int型数据记录其起点坐标（x, y），其后继点坐标用相邻点间x、y的偏移量代替。（2）采用“道格拉斯普克法”（DouglasPeucker）进行“滤点压缩”地图的显示实际上是地图数据从原始地图到设备显示屏幕的映射。原始地图上，弧段的形值点采样很密集，在其映射至分辨率较小的PDA屏幕上时，这些形值点就更加稠密，以至于弧段上前后相随的几个点在屏幕上会落在同一个像素点上；同一弧段上，这些前后相随但

16、落在同一个像素点上的点，只保留一个就够了，而其余的点在极限放大范围之内，不能对图形显示精度的提高有任何贡献。因此应该将这些点去掉，“滤点压缩”就是去掉这些多余的点。采用上述算法进行地图数据的压缩后，所需的数据存储空间减小了70%90%，大大节省了存储空间，提高了速度。而且压缩的算法很简单，具有较小的运算量。表1是两幅图压缩前后的数据量比较。表1两幅图压缩前后的数据量比较图幅压缩前（字节）压缩后（字节）压缩率图12,175,822230,10489.3%图215,699,6353,150,55979.9%4.3 基于PDA的地图的显示和漫游在嵌入式信息系统中使用数字地图必须要考虑到PDA地图显示

17、的特殊性以及在导航过程中必须自动漫游，还必须能够做到在地图放大缩小时显示的地图要素可以自动增减，使在屏幕上显示的内容合适、美观。另一方面，还必须满足现有的地图出版规范要求以适合用户的识图用图习惯。我们作了如下工作以实现这些要求。（1）按照地图要素分层为了符合用户的需求，并具有良好的现实效果，在研制过程中对地图数据要素属性进行了分层处理，如“测量控制点”、“居民地”、“管线”、“陆地交通”、“水域陆地”、“陆地地貌”、“注记”等。根据需要可以进行要素层的叠加显示，同时也根据上面数据组织中提到的LOD显示模型，实现了“显示范围越小，显示要素越详细”的效果，同时保证了在不同的显示比例下地图的载负量基

18、本一致。（2）地图数据的分块及索引由于受PDA显示屏大小的限制，一幅地图如按等大显示每屏仅能显示原图幅大小的几十分之一，在显示与漫游时如每次调入的是整幅地图的数据，不但增加了冗余的显示负担，而且大大降低了系统的整体运行速度，无法达到满意的浏览速度，这就需要对原始数据进行分块处理。n1n2图2 数据分块及索引的建立如图2所示，将原图数据按屏幕显示范围大小横向分为n1块，纵向分为n2块，这样原数据就由n1 ×n2块矢量数据组成，每一块都是整幅图（D）的一个子集di，所显示数据是一个子集集合（Ds），即：数据分块时要根据原图数据建立分块的索引，包括数据的整体描述、要素层信息、分块数据的偏移

19、地址等。显示时要根据屏幕坐标的范围RECT（x1，y1，x2，y2）来确定包含了哪几块的矢量数据，根据所包含的块信息查找索引，由索引提供的偏移信息，得到所要显示的数据。（3）实现动态调用由于PDA有严格的内存资源约束，因此，程序必须采用动态调用来缓解内存矛盾，尽量占用较小的内存空间，这也是提高程序运行速度的一种途径。同时采用变焦数据模型，动态反映显示内容。即对地图数据要素进行分级，随着显示比例的变化使显示内容动态取舍，保证用户可选择4个等级比例对地图进行缩放显示，并且始终达到最佳显示效果。（4）采用符合地图图式规范的标符号库在嵌入式平台中，我们研制了符合地图图式规范的符号库系统和符号化软件，在

20、保证显示速度的情况下提供了规范化、符号化的电子地图，符合人们的用图习惯。4.4 地形分析模块地形分析是地形环境认知的一种重要手段，随着GIS的发展，基于DEM的空间数据可视化和地形分析技术成为工程建设、决策支持等系统的一个重要组成部分。本系统提供了比较完善的地形分析功能，主要包括距离量算、坐标量算、坡度量算、高程量算、方位角量算、面积量算、剖面制作、网络分析、通视分析等。其实现方法与通常GIS中的地形分析相同，关键在于进一步优化算法，以减少计算量。4.5 导航定位与通讯模块（1）GPS定位系统定位导航模块为整个系统提供定位数据，用于接收全球定位系统导航卫星的信号，其质量的好坏直接影响到整个系统的功能以及功耗。定位模块的硬件采用芬兰Fastrax公司生产的iTrax02型GPS，它具有功耗低、初始定位快、抗遮挡能力强等特点。软件部分包括GP