基于移动的嵌入式GIS设计与实现.docx
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基于移动的嵌入式GIS设计与实现
信息工程大学硕士学位论文
ABSTARCT
EmbeddedGIS15akindofnewlydevelopingapplieationfie1d.工t'sapro（iuetion
oftheeombinationo上`GISandnewlydeveloPingembeddedhardware.工t15the
extension,s、lpPlementolnddeveloplnentofintrinsieGISfield.1'heeombinationof
Embe〔ldedG工5andPDAtoaeeompl1shmapreal一timedisplayinmobileeomputing
conditionwil1haveagoodfoltur（、.
J、hepurPo、eo士一thestudyinthisartieleistodevelopageospatialinformation
v1stzalizationsystembasedonPDA.1'hesystemintegratesthemobilecomPutingand
mob1lemaptechn（）logyandhass。
、t1sfiedthevisualization,q日eryandanalysiso士`
spatialinformation.ltismoreinrportantthatthesystemisinmobileenvironment
andenablesuserstoenj（）yIJoeation一b:
、sedServieeanytimeandanywhere。
TheresearehtopieoftheartieleinvolveseomPuterseienee,suehasmobile
eomPuting,embeddedGISdeveloping,computergraPhiesandwii,elessnetworKs,and
thescieneeofsurveyingandmaPPing,s以ehastheprineiPleanddataorganization
methodsofgeographieinformation、y、tem,thevisualizationofdigita]maPs,
locationandnavigationb:
tsedonglobalpositioningsystem（GPS）.
Atthebeginningoftheartiele,it:
、nalyzedtheresearehProgress、teehnology
backgro:
Ind、eharaeteristieandapplieoltionsofEmbeddedGIS:
1'hanitbringforward
thecompletel（）giealf'ramework（lesigrobasedonmobileEmbeddedGISandthe
PrineiPleoffunetionrealization:
'lheemphasesoftheanalysis15thedata
model、logiealstruet:
xreandthephysic:
一Llorganizationofmulti一sealedigitalnrap
ba、ed（）nPDApl。
tf、orm;It、215（）pres（、,It、奋1sof'twareexampleofEmbeddedGIS
devel（）pe〔1with;:
Imbedole（1Vi,、ldlC+十call。
。
I“e（奋15”;Atlastit、txmmarizedthe
fact（）rs（）fde、`el（）pingl三mbeddod（;15。
n（1Pr（）sPectsthefut“:
ewithdeveloPment
InstanCe.
Key认brds:
EmbeddedGIS,GPRS,GPS,WindowsCE,PDA
第11少
息工程大学硕士学位论文
第一章绪论
圣1.1课题研制背景及意义
21世纪,人类正进入以计算机、网络、通信为特征的信息社会,人员流动的日益频繁
使每个人对空间信息有了更多的依赖,尤其是在户外和移动过程中,对地理信息的需求非
常普遍。
随着当代科技日新月异的发展,作为新兴产物的嵌入式移动信息设备在人类生活
领域的应用越来越广泛。
这些嵌入式设备中的PAD则以其体积小、重量轻、便于携带、功
能强大等特点而倍受青睐。
社会的需求与科技的发展促进了GIS与嵌入式设备的结合。
嵌
入式地理信息系统（EmbeddedG工S）是集成GSI功能的嵌入式系统产品,是GSI走向大众化,
服务于大众的一种应用。
同时它也是导航、定位、地图查询和空间数据管理的一种理想解
决方案。
军事地理信息系统（MGSI）在高精度武器制导、军事指挥中具有无可置疑的地位,并
得到了广泛应用,而嵌入式设备的出现则进一步扩展了MGIS的应用范围,嵌入MGSI功能的
小型军事应用系统更加适用于信息化条件下的快速作战的需要。
如:
利用嵌入式MGSI侦察
设备,渗透到敌方的小分队可以快速将敌人布防信息及战场环境地形信息迅速采集并传送
回指挥机关,知己知彼方可决胜千里;佩带轻便的嵌入式安全地点导引设备,失事时落入
危险区域的飞行员也可迅速向安全地点集合等待营救。
目前世界各军事强国都在努力发展各自的单兵信息化作战系统,而这些系统无一不是
向小型化甚至微型化发展（即所谓的嵌入式）,_尤以嵌入式计算机为信息处理中心,通过
有线或无线通讯技术将各个子系统连接起来形成统一有机整体。
美国己建成第一个数字化
步兵师,并在最近的伊拉克战争中投入使用,其所发挥的强大战斗力己引起世界各国军事
部门密切关注。
在未来数字化士兵所持信息装备中,能存储作战地区详细地图,具备一定
空间分析功能,并可通过GPS卫星定位仪将自己及周围战友所处位置直观显示在屏幕上的
嵌入式地理信息系统将是必需设备。
我军肩负着保卫国家和人民安全、维护国家稳定的重任,在部队遂行处突、反恐、执
勤等任务时,具有流动区域大、兵力出动频繁、目的地和行军路线往往不确定等特点,迫
切需要在流动中得到“地理信息”的支持,而且要求地理信息在部队完成任务的整个过程
中,能在任何时间、任何地点、对于全体官兵、对有关执行任务的任何事情都能进行有效
的服务,即称之为“4A”（Anytime,Anywhere,Anybody,Anytlling）服务。
第l页
信息工程大学硕士学位论文
近年来国际形势的不确定性越发明显,部队处突维稳形势更加复杂、任务更加繁重,
研究具有A4能力的具备位置服务LBS（LocLtl1noBasedServiec）的嵌入式GIS系统,对
于部队完成执勤和处置突发事件,适应未来我军信息化数字化建设的需要,具有特殊而深
远的意义。
本论文讨论了基于移动的嵌入式G巧相关理论知识,研究了所涉及的关键技术问题,
并结合作者在PAD上的开发实例,详细论述了基于移动的嵌入式GIS的设计和实现。
课题
研究的主要意义表现在:
l、提供个人移动位置信息服务。
通过与GPS的集成,移动终端能够定位用户所在的位
置,根据用户的位置查找最近的饭店、旅客、书店、商场等用户迫切想知道的信息,并能
以图形方式显示出来。
2、提供位置导航服务。
根据用户当前的位置及最终目的地,进行路线查询,可得到
最短路径信息。
并可提供实时监控,将行进轨迹显示到电子地图上。
3、丰富和完善侦查手段,使获取的情报更加准确、直观、及时。
同时可通过无线通
讯技术将个人位置和现场情报及时上报指挥中枢。
4、可极大增强士兵战场信息获取能力,一七兵之间可保持实时联系,加强沟通,有利
于机动灵活的执行作战任务。
5、可胜任边防巡逻、人员搜救,武警部队执勤等作战任务。
圣1.2研究现状
目前,国内外都己经在积极考虑和规划G伟在嵌入式操作系统卜的应用。
。
随着技术
的进一步完善,嵌入式GSI在各个领域应用的步伐将大大加快,它将为我们提供更完备的
数字化地理信息。
.国外产品
l、A。
todesk公司提供了A。
todeskOnsite的“移动访问”模块
、
ESRI提供了AcrG巧软件产品一Ar沙da。
、
Intergraph建立自己的移动GIS解决方案一Intelliwhere。
.国内的研究进展
国内基于无线互联技术的嵌入式G玲系统还很少见。
一方面是由一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。
但是已经有一些公司开发出一些与地图
密切相关的软件产品。
如:
第2臾
摘要
嵌入式GSI是一个新兴的应用领域,它是G巧与新兴嵌入式硬件相结合的一个产物,
是原有的GS[领域的分支与延伸、补充与发展。
嵌入式GIS`JPAD结合实现在移动计算环
境卜的地图的实时显示有很好的应用前景。
本论文的研究的目的是利用正在迅速兴起的移动计算伽boileComputing）技术,结
合移动地图（MobileMPa）这一嵌入式地理信息系统（Embe。
!
dedG工S）的应用产品,研究
开发基于个人数字助理（DPA）等嵌入式产品的空间信息可视化应用系统。
该系统除了具
有传统的空间信息显示、查询、分析等功能外,更重要的是,它是一个移动系统,能够使
用户随时随地享受基于位置的服务（LBS）。
本论文研究主要涉及计算机科学领域的移动计算、嵌入式软件开发、无线互联网络等
技术和地理信息系统原理及数据组织方法、数字地图可视化、GPS定位与导航。
论文首先分析嵌入式地理信息系统的研究现状、技术背景、特点及应用,为嵌入式GSI
系统的开发提供技术基础;其次提出了基于移动的嵌入式GSI系统的完整逻辑框架设计、
具体功能实现原理,重点分析基于PAD平台环境下多尺度数字地图的数据模型、逻辑结构
与物理组织;并给出一个利用EmbeddedVIS二IC料开发的软件实例—“Geis”;最后总结了嵌入式系统开发的考虑的因素,结合开发实例进行了技术总结和展望。
关键词:
嵌入式GISGPRSGPSWindowsCEPDA
第l臾
必
息工程大学硕士学位论文
1、北京灵图软件技术有限公司推出的在移动信息设备上提供地理信息以及位置信息
服务的Smart工nHand软件产品。
2、北京慧图公司新近推出一种可运行于掌上电脑、进行移动制图和GSI应用的野外地
质数据采集系统:
TopMapeEGeni。
S。
3、北京超图J一「发出嵌入式地理信息系统开发平台一es叩erMPa。
4、台湾“英瑞得信息”公司设计出支持GPS全球卫星定位系统的专用软件“WalkMap
地图随身走”。
5、台湾通路股份有限公司设计出全台DPA电子地图产品-一地图领航员。
以上系统都为民用领域不同行业特定目的定制,难以二次开发使用。
鉴于在服务对象,
数据来源,通信安全等方面的特殊要求,系统在软件设计上必须从底层进行开发。
3研究内容
本课题以PDA为硬件平台,
主要完成了以下工作:
1、结合嵌入式设备特点,
一般功能。
圣1
针对GIS/GPs/GPRS集成中的一些关键技术进行了研究。
总结归纳了基于移动的嵌入式GIS设计原则和必须具备的
2、移动环境下G工S矢量地图数据组织管理方法;设计一高效合理的,适合于嵌入式GSI
系统的数据结构模型。
3、在PDA应用终端上实现了简单的态势标图功能。
4、以PDA为移动终端,实时接收和处理GPS信号,实现GPS和GIS的有机集成。
5、探索移动计一算环境下利用GPRS技术实现空间数据无线传输的技术可行性。
圣1.4论文组织结构
论文由六个章节组成,各章主要内容如下:
第一章,为绪论部分。
主要论述本课题的研制背景意义,国内外的研究现状和成果,以
及本课题的主要研究内容。
第二章,文献综述部分。
内容是对本课题研究的背景知识进行说明,主要包括嵌入式技
术背景知识、嵌入式G工S技术及研制嵌入式GSI软件需要掌握和解决的关键技
术。
第3臾
信息工程大学硕士学位论文
第三章,
第四章,
第五章,
第六章,
论文的正文部分。
在这一部分主要研究了基于DPA的系统设计特点,提出了嵌
入式GIS的设计目标和原则,确定了基本功能模块,设计了适合在PDA上运行
的矢量地图数据结构模型。
论文的主要部分。
给出了基于即A的嵌入式GSI主要功能模块的实现过程。
包
括地图操作子系统、信息查询一子系统、态势标绘子系统、GPS信号接收处理子
系统、空间数据无线传输子系统
简要介绍本课题研究的实验环境,以及系统运行的部分界面。
结束语。
i月要是对课题研究的体会和总结,以及对进一步工作的展望。
第4吵几
工程大学硕士学位论文
第二章嵌入式GSI概述
圣2.1嵌入式技术背景
.嵌入式系统概述
嵌入式系统（EmbeddedSystem）的含义在于结合微处理器或微控制器的系统电路与
其专属的软件,来达到系统操作效率的最高比。
在后CP时代,家电、玩具、汽车、新一
代手机、数码相机、先进的医疗仪器乃至于即将到来的智能型房屋、智能型办公室及其他
跟电有关的器材设备中,嵌入式系统这个核心技术必不一可少。
一般认为嵌入式系统的定义是以应用为中心（量体裁衣）,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、功耗严格要求的专用计算机
系统。
根据英国电机工程师协会的定义所做的翻译,“嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、
机器甚至工厂操作的装置”。
它具备了下列四项特征:
》通常执行特定功能;
》以微电脑与外围构成核心;
淤严格的时序与稳定性要求;
》全自动操作循环;
由此可知,嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体
应用相结合的产物,是软件与硬件的综合体,这一点就决定了它必然是一个技术密集、资
金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。
其中硬件的设计包括单片机控制电路的设
计、网络功能设计一、无线通信功能设计及使用接口等等;嵌入式软件为信息、通信网络或
消费类电子产品中的必备软件,可提升硬件产品的价值。
在现今硬件技术大幅进步的情况
下,硬件并不强调执行速度,而是功能稳定,反而在软件组织方面,强调的是系统整合及
友善的用户界面,随着网络与无线通信技术的广泛应用,未来的软件将由现行的简易视窗
与低速通信朝向高带宽通信与多样化的用户界面发展,有着极大的增长空间。
.嵌入式操作系统
操作系统可以简单解释为补平硬件差异的接口或者说硬件隐藏,让应用程序可以在上
面操作,通过由操作系统统一提供的系统接口写应用程序,毋须考虑到不同硬件所造成的
差异,让程序设计一人员能够专注于擅长领域的开发。
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,核心通常要求很小,因为硬件的RMO容量有限。
一般
第5斑
信息工程大学硕士学位论文
情况下,它可以分成两类:
一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统,如WindRiver
公司的vxworks、AcCeleraetdTeCh.公司的NocleuS系列等;另一类是面向消费电子产品
的非实时操作系统,这类产品包括掌上电脑（PDA）、移动电话、机顶盒等,如W1nd衅5CE、
Palm05、嵌入式LinuX和E尸oc等。
目前我国一市场上PAD绝大多数采用WiCnE系列操作系
统。
.嵌入式系统开发语言
随着软件开发工具的不断进步,现在嵌入式系统开发使用高级语言编程,主要有C,+C`
和Java语言。
C是种拥有众多功能的面向过程高级语言,它可用于底层编程,通过指针直接访问
硬件,并且通过函数调用可以访问操作系统,产生紧凑和高效的代码,因此C是嵌入式软
件开发中使用最广一泛的语言。
C++是面向对象编程语言,它不像C那样生成紧凑、有效的代码,然而面向对象最主
要的吸引力在于他们的可重用性。
微软推出的MicrosoftEmbeddedviusalToo1S嵌入式
开发套件广泛使用于以WiCnE作为操作系统的嵌入式设备之中。
Java也是面向对象编程语言,它最大的特点在于平台无关性。
目前Java正广泛应用
于嵌入式软件开发,（Jvaa虚拟机）VJM占用极少内存。
利用Java语言进行嵌入式编程具
有封装、继承和通过调用方法而不是调用函数进行消息传递等特色。
目前用于嵌入式开发
的主要有JavaZ微型版（2J城）。
.嵌入式系统开发过程
嵌入式系统的开发过程主要有以卜步骤:
1、确定嵌入式系统要求。
2、设计系统逻辑体系结构。
3、选择操作系统。
4、选择处理器和相关的外部设备。
5、选择开发平台。
6、为应用编码并按照代码优化原则优化代码。
7、在主机系统验证软件。
8、在目标系统__卜验证软件。
第6贝
信息工程大学硕士学位论文
PPPPPC一一（;1555嵌入式G工SSS
程程序和数据的存储方式式PC机硬盘盘嵌入式设备的晶片中中
程程序的容错程度度若石石不容许有错错
程程序的改变和升级级容易实现现不容易实现现
程程序的安全性性低低高高
程程序的通用性性高高低低
程程序的可靠性性低低高高
目目标代码的大小限制制基本无限制制要求代码精炼炼
程程序的数据容量量大大J、、
表1.1PC一GIS与嵌入式GIS比较
.嵌入式GSI系统结构
嵌入式GSI应用软件的系统结构将随着具体应用的不同而有所增加或裁剪,图1.1所
示的系统结构是在研究和开发微型嵌入式GSI应用软件时所应该考虑的几个主要功能模
块。
嵌入式Gsl应用系统
空间数据可视化图形编辑网络分析投影变换
同步同步
桌面Gsl数据据空间数据管理叭触bGIS数据
嵌入式操作系统WindowsCE
图!
.1嵌入式G巧体系结构图
.移动G工S
移动地理信息系统（Mbo1elG15）是GSI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,是基于现有硬件平台所开发。
它集成先进的个人化计算机技术PDA、
第8贝
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夸2.2嵌入式GIS
.嵌入式GSI概念
地理信息系统可以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、应用人员与组织机构等三个基木组成部分。
嵌入式地理信息系统（EmbeddedG工S）
是集成GSI功能的嵌入式系统产品,是系统设计一与开发层次_卜的应用,是一个软硬件混合
的系统,它是导航、定位、地图查询和空间数据价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GIS产品设计一包括虚拟原形设计和物理实现。
“基于虚拟原型设计方法是指根
据相应产品的设计层次、设计信息和概念构造在功能、行为及感官特性方一面与实际产品尽
可能相似的可仿真数字模型,然后根据该模型仿真、分析、评价和验证设计方案、优化设
计指标,提供进一步设计的数据与约束,并使用虚拟硬件代替物理硬件。
”物理实现指硬
件制造,如产品模具制造、芯片设计与集成等。
.嵌入式GSI特点
嵌入式GSI主要特点是“可裁剪”性,包括数据格式的剪裁、功能剪裁和数据剪裁。
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
导航系统所用的数字地图就可以很简单一,数据内容只需要道路、地标、水体和分界线信息
即可,不必要其它诸如植被、等高线等层次,也不必包含拓扑信息。
功能上只要求浏览、
卫星定位和简单的查询,不必要G工S中复杂的空间分析功能。
数据内容也要作剪裁,道路
和地标信息要求详细,其它信息都做一定的简化,这样可以节省容量和提高速度。
剪裁的
_〔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。
.EGIS与PC一GIS比较
PC一GSI指地理信J自、系统的应用平台是通用的个人计算机。
目前市场上出售的GSI软件
绝大多数是基于单机或网络版本的PC一G工S,相较于运行在嵌入式设备上的EGI到嵌入式
G工S）,两者虽在设计思想上都采用面向对象的编程方法,但PC一（;SI要求更全面,而EGIS
则要求精炼,功能可裁减,如下表（表1.1）。
第7臾
息工程大学硕士学位论文
移动通信技术（GPRS/CDMA）、卫星导航定位GPS技术和互联网等技术,提高了GIS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,使我们的工作与周围的
世界连接。
嵌入式必然导致无线,只有无线刁`能移动,而移动必须小型化,因此,移动GSI必然
建立在嵌入和无线基础之土,但它不仅仅是随小型终端移动的GIS系统,也不是仅可以提
供移动目标信息的GIS系统,更不是常规G工S的精简以便于能够在小计一算机上实现的G工S
系统,它是一个使用根本性不同的事例所构建的系统,与地理信息服务紧密联系在一起,
是技术、信息、服务的集成。
DPA是移动GIS理想平台。
.LBS基于位置的信息服务
LBS（LocationBasedSerVice）基于位置的信息服务技术,其核心目标就是使用户
可以在任何时间任何地点获得基于定位信息的地理信息服务。
LBS是空间信息技术与无线
通讯技术相结合,从企业级的应用走向社会化的应用过渡。
在美因,这一服务被称为WSL,
即无线定位服务（wireleSSLocationService）,而且已经形成了颇具规模的行业组织。
LBS及其孕育的商机对传统的GSI工业和正在显露的无线设备制造工业是很好的契
机,政府和各种私有机构正在意识到LBS作为改善服务与商业应用平台的相当可观的价值。
随着GSI和地图产业对这种可能性的认可,我们看到了许多日渐增多的LBS应用事例。
譬
如当我们在开车的时候,想在寻找附近的一家ATM机而又不熟悉周围环境的时候,在寻找
最近的医院的时候,在寻找路牌广告的时候,在旅游途中想了解周边风土人情的时候,在
遇到车祸或其它危险的时候等等,都存在着对所处位置信息、的巨大需求。
目前,LBS有三种实现定位的方法:
无线网络定位（Ne、workbasedLOCatino）、GPS
定位（GPSbasedLocation）和混合定位（Hybri。
!
LoCatino）。
无线定位不需要对硬件做较
大改变,附加成本很少,未来的手机将会集成该功能:
GPS定位,需要更加昂贵的设备,
被集成在高端产品中,典型产品支持卫星定位和无线定位;混合定位是GPs+Netw。
rkBased
LoCati（）n,GPS被应用在需要确切精度或无线定位难以获得的需求中,无线定位被应用在
卫星定位不起作用的情况下。
圣2
圣2.3.1适合于PDA
.
3基于移动的嵌入式GSI关键技术
的矢量数据结构
GSI是一门处理地理空间数据的技术,数据是GSI的血液,没有数据GSI就无法运行。
第9火
息工程大学硕士学位论文
圣2.3.3嵌入式数据库技术
将数据库引入嵌入式信息系统的作法还没有被普遍接受。
主要原因不是不需要数据
库,也不是系统资源紧张容不下数据库。
其实即使在很小的嵌入系统中也有必要使用数抓
库,如PicoDBMs数据库就是一种应用在SmartCard系统中的数抓.{库。
尽管已有许多嵌入
式数据库产品,如人大金仓“小金灵”、东大openbaseMini、sybaseultraLite、oraelsi
等,但被用户广泛接受的产品目前还没有。
用户对数据库主要有以下三方面的需求:
1、DBMS的功能够用而不多余,这样可以节省资源;
2、系统稳定性好、可靠性高,这样才能符合嵌入式软件的要求;
3、开发工具功能完备、易学易用,这样才能保证
升级会员 