基于UCMap开发的室内地图定位Word文档格式.docx
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创见性声明
本人声明：
所呈交的毕业论文是本人在指导教师的指导下进行的工作和取得的成果，论文中所引用的他人已经发表或撰写过的研究成果，均加以特别标注并在此表示致谢。
与我一同工作的同志对本论文所做的任何贡献也已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
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指导教师签名：
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年月日签字日期：
摘要
当前移动互联网技术飞速发展，Android智能手机逐渐占据手机消费市场的主流。
由于Android平台的开源性及其内置的丰富API接口，吸引了众多安卓开发爱好者。
因此，基于Android智能手机的应用越来越广泛，人们对基于手机的位置服务需求越来越强烈。
当下的GPS全球定位系统虽然可以满足人们室外定位的需求，然而在室内，由于受到建筑物的遮挡，GPS终端接收到的信号强度比较微弱，导致定位精度与速度不高，无法很好满足用户室内定位的需求。
近些年，随着WiFi技术的广泛发展，WiFi网络的室内覆盖越来越普及，利用WiFi进行室内定位已经成为一种研究趋势。
基于位置指纹的WiFi室内定位技术，以其原理简单，易理解，容易实现，定位精度高的优点迅速成为室内定位技术的研究热点[1]。
虽然WiFi室内定位已经有了一定的研究，但是和GIS相结合的室内定位还比较少。
本文在研究了WiFi位置指纹定位算法基本原理的基础上，针对WiFi信号不稳定影响定位精度的问题，提出了改进方法，并融合移动GIS开发的相关知识，设计并实现了基于GIS和智能手机漫游的定位系统。
关键词：
移动GIS；
位置指纹；
WiFi定位；
室内定位
Abstract
WithrapiddevelopmentofthecurrentmobileInternettechnology,Androidintelligentmobilephonesgraduallyoccupythemainstreamconsumermarket.DuetotheopennatureofAndroidplatformanditsbuilt-inrichAPIinterface,attractedalotofAndroiddevelopmententhusiasts.Therefore,basedontheapplicationoftheAndroidsmartphoneismoreandmorewidely,peoplebasedonthelocationofthemobilephoneservicedemandmoreandmorestrong.AlthoughthecurrentGPSglobalpositioningsystemcansatisfythedemandofpeopleoutdoorpositioning,GPSterminalreceivesthesignalstrengthweaklybecauseofthestructureoftheshade,soitspositioningaccuracyandspeedisnothighanditcan'
tverywellmeettheneedsofusersofindoorpositioning.
Inrecentyears,withtheextensivedevelopmentofWirelessFidelitytechnology,WirelessFidelitynetworkbecomesmoreandmorepopularindoorcoverage,usingWirelessFidelityforindoorpositioninghasbecomesatrend.LocationbasedfingerprintWirelessFidelityindoorpositioningtechnology,withitssimpleprinciple,easytounderstand,easytoimplement,theadvantageofhighprecisionrapidlybecomethefocusintheindoorpositioningtechnology.WhileWirelessFidelityindoorpositioninghasacertainamountofresearch,indoorpositioningthatcombineswithgeographicalinformationsystemisless.Inthispaper,afterstudyingthebasicprincipleoftheWirelessFidelitylocationfingerprintlocalizationalgorithm,forWirelessFidelityinstabilityproblemsaffectedtheaccuracyofpositioning,putforwardtheimprovedmethod.Andthefusionofmobilegeographicalinformationsystemdevelopmentrelatedknowledge,designedandimplementedthepositioningsystemofintelligentmobileroamingbasedongeographicalinformationsystem.
KeyWords:
MobileGIS;
Fingerprintpositions;
WirelessFidelitypositioning;
Indoorpositioning
目录
摘要I
AbstractI
第1章绪论1
1.1研究背景1
1.2室内外定位技术研究现状1
1.3研究意义1
1.4论文研究内容1
第2章开发环境及相关技术简介1
2.1软硬件开发环境1
2.2移动GIS平台UCMap简介1
2.3Socket通信机制简介1
2.4主要定位算法1
2.4.1位置指纹定位算法1
2.4.2最近邻法1
2.4.3K近邻法1
2.5本章小结1
第3章系统需求分析1
3.1系统目标1
3.2系统描述1
3.3系统功能需求1
3.4本章小结1
第4章系统设计1
4.1系统整体架构1
4.2服务器端设计1
4.2.1服务器功能模块划分1
4.2.2服务器端功能描述1
4.3移动客户端设计1
4.3.1移动客户端功能模块划分1
4.3.2移动客户端功能描述1
4.4本章小结1
第5章系统实现1
5.1服务器端具体实现1
5.1.1数据库模块1
5.1.2定位算法模块1
5.2客户端具体实现1
5.2.1离线采集模块1
5.2.2定位显示模块1
5.2.3历史轨迹查询模块1
5.3系统结果展示1
5.3.1离线训练阶段测试1
5.3.2定位结果展示1
5.4实验结果分析1
5.5系统关键技术1
5.6本章小结1
第6章总结与展望1
参考文献1
致谢1
附录：
外文翻译资料1
第1章绪论
1.1研究背景
在移动互联网技术的快速发展之下，智能手机迅速成为手机消费市场的主流。
当前，WiFi几乎已被嵌入到每一部智能手机，从而把WiFi的发展与研究推入高潮。
位置服务市场也发展迅速，人们对定位服务的需求快速增长。
卫星定位导航系统（GPS）的产生及发展，已经基本上解决了室外空间中的准确定位问题，并已在军事，资源，交通运输，农业，环境领域有着非常广泛的应用[2]。
然而，当终端接收机在室内工作的时候，由于建筑物的遮挡使信号强度大大衰减，导致定位精度低甚至不能完成定位。
例如，A-GPS定位（GPS）必须通过多个网络的传输实现，这样会导致大量无线信道资源被占用[2]。
因此对处于楼群聚集或者室内的定位目标，可以利用广泛存在的WiFi网络对其进行定位，这种定位技术有着广阔的发展前景。
通过WiFi网络和信号强度进行定位，能够弥补GPS在室内定位的限制，扩大定位服务的应用领域，降低部署成本，提高定位精度和设备利用率，提高室内应急救援能力。
一般来说，通过无线信号强度获取目标位置信息的过程，实际上就是建立无线信号强度和位置信息映射关系。
现有室内无线定位系统主要采用蓝牙、超声波、WiFi（WirelessFidelity）磁场[3]、RFID[4]（RadioFrequencyIdentification）等短距离无线技术。
其中基于WiFi网络的无线定位技术由于部署广泛且成本较低,迅速成为研究的热点。
1.2室内外定位技术研究现状
无线局域网络（WLAN）是一种全新的信息获取平台，可在广泛的应用领域内实现大范围的复杂定位、监测和追踪任务，然而大多数应用的前提和基础是网络节点自身的定位。
当前无线局域网络协议标准之IEEE802.11的比较流行的一种定位解决方案是WiFi定位。
该系统通过经验测试和信号传播模型相结合达到定位的目的，具有易于部署，需要很少的基站，能采用相同的底层无线网络结构，系统定位总精度高的优良特性。
由于部署广泛且成本较低，使得基于WiFi网络的无线定位技术备受关注。
最早的基于WiFi网络的定位系统是由微软开发的RADAR[5]系统。
基于WiFi网络的无线定位通常采用位置指纹的定位方法，而且能够达到比较好的定位效果。
但是现阶段的位置指纹定位算法需要在离线阶段耗费大量的人力物力，选取大量的参考位置，并且在每个样本点的各个方向采集大量的数据来建立位置指纹数据库。
这样给室内定位系统的普及带来很大的障碍。
除位置指纹定位法之外，还有三边定位法、三角定位法、近似法和场景分析法。
综上所述，当前WiFi室内定位技术虽有一定的研究与发展，但还有不完善的地方。
而且与GIS（地理信息系统）相结合的室内定位系统还较少。
1.3研究意义
当前使用最广泛、用户最多的全球性定位系统是美国的GPS卫星定位系统。
GPS系统由24颗卫星组成，在任何时刻任何地点地面接收终端都可以同时接收到4颗以上的卫星发出的信号。
根据电磁波的传播原理，通过卫星信号的到达时间差来计算出搜索到的卫星和终端用户之间的距离，采用三边定位法计算出终端用户的具体位置，其室外民用定位精度可以达到15m以内。
但在城市或室内环境中，由于受到建筑物的影响，信号强度大大衰减，信号接收端收到的电磁波信号太微弱，导致定位精度低甚至不能完成定位。
近年来一种基于WiFi的室内定位技术进入到大家的视野中[2]，可以很好的弥补GPS室内定位精度不高的问题。
目前在现代生活中WiFi技术已被广泛使用，无论是在机场、车站等公共场所还是咖啡厅等休闲场所都有非常广泛的WiFi热点部署，而且移动接收终端可以直接由智能手机替代，只需要开发一个定位APP即可。
由于智能手机的大量普及，这方面的成本几乎可以忽略不计。
其次，基于WiFi的室内定位系统在很多室内场合都可以发挥很大的作用：
举例如下：
在大型的仓储式超市中对商品进行划分区域，分门别类，并且给这些区域部署WiFi热点，然后在智能手机上开发出相应的APP并结合物品信息和广告推送信息，告知顾客哪个位置有促销活动，还有那个物品的具体信息。
这样整个购物的流程就会简化，而且大大提高顾客的购物效率。
在机场的候机楼内，部署适当的WiFi热点，并开发相应的智能手机可以安装的定位APP，只要乘客手中的智能手机中装有该定位APP，通过给手机定位就可知道乘客的具体位置，并可以在定位服务器端监控候机楼内各个角落的客流量情况，便于随时掌握候机大厅内的情况，对于应对室内突发事件也提供很好的导航和指引作用。
从以上的几个例子可以看出基于WiFi的室内定位系统不仅可以弥补GPS室内定位的不足可以部署在很多的大型室内场合，而且具有部署简单，成本较低，便于推广和普及。
因此有着广阔的发展前景。
1.4论文研究内容
本论文首先研究了WiFi室内定位相关论文，在分析了当前室内定位现状的基础上，提出了一种基于移动GIS[6]的室内WiFi定位系统[7]。
首先介绍了研究背景、研究现状及研究意义。
然后详细阐述了位置指纹定位算法，并针对WiFi信号强度不稳定，影响定位精度的问题，对最近邻法和K近邻法进行改进，并将两者结合使用，最后通过UCMap移动GIS开发插件，实现图形用户界面使客户端可以很直观的知道自己的当前位置。
最后，本论文还提出了当前室内WiFi定位还存在的一些问题，并提出了相关解决办法。
第2章开发环境及相关技术简介
2.1软硬件开发环境
无线路由器：
本次定位系统开发是在南教4五楼完成，分别在南4-522，南4-520，南4-512三个房间内各部署了一个思科无线路由器，其名称分别为Cisco1230、Cisco1231、Cisco1232，三个路由器的摆放呈三角形。
智能手机：
移动终端开发采用Android操作系统的智能手机
定位服务器端：
定位服务器端采用联想台式电脑，该电脑为WindowsXP操作系统，在该电脑上装有MySQL数据库及NavicatforMySQL图形界面管理工具、MapInfo、支持java和Android开发的Eclipse开发平台，同时采用Eclipse移动GIS开发插件UCMapforAndroidSDK。
2.2移动GIS平台UCMap简介
UCMap[8]是当前主流的移动GIS开发组件，其拓展了GIS在移动端的应用，提供了、Windows8、iOS、Android等系统下的开发包SDK、DEMO演示程序和相关说明文档，便于开发人员在手机或平板电脑上建立移动GIS应用。
共有五种开发模式：
1）支持本地矢量地图，即Shapefile、MapInfo等格式的数据经UCMap地图配置程序转换成适合手机显示的格式；
2）支持OGC标准的地图服务，即以网络在线配合本地缓存的模式访问支持OGC标准GIS服务即WMS、WFS、WCS、WFS-T，如主流的ArcGISServer、Geoserver、Mapserver、Mapguide等；
3）支持互联网地图，即访问GoogleMaps、Google影像、微软BingMaps并提供坐标纠正服务，以及本地矢量叠加；
4）支持自定义title地图瓦片，即用户采用自定义的切图工具生成地图瓦片，并提供相关瓦片坐标参数和命名规则，用户自行搭建服务端可以网络在线、本地缓存的模式来访问；
5）支持在GoogleMaps、BingMaps、自定义瓦片上叠加本地矢量数据或WFS查询的矢量数据，可以网络在线、本地缓存的模式来访问。
UCMap技术优势：
支持大数据量的离线矢量shp地图和影像，且地图浏览速度远超其他任何GIS平台；
支持自定义点、线、面矢量符号的制作、渲染以及变换操作；
拥有丰富的矢量交互编辑功能支持各种空间查询和空间分析。
2.3Socket通信机制简介
TCP/IP通信协议是一种可靠的网络协议，传输层向应用层提供了套接字Socket接口，Socket封装了下层的数据传输细节，应用层的程序通过Socket来建立与远程主机的连接，以及进行数据传输。
即利用Socket进行通信的两个程序通过一条双向通信链路实现数据交换。
通信的两个终端都称为一个Socket。
在客户/服务器通信模式中，服务器程序需要运行在一条有固定IP的主机上，并通过ServerSocket监听该台主机上的一个固定端口，等待客户端的连接请求。
当服务器端接收到客户端的连接请求之后，为了记录下客户端的地址及端口信息，服务器端也需要创建与客户连接的Socket，然后通过此Socket的输入输出流与客户端进行通信。
客户端程序在创建Socket时，也会监听一个端口，但该端口由客户端所在主机的系统自动分配，需要通过服务器的地址和监听的端口，去请求连接服务器，当服务器接收客户端的连接请求之后，服务器和客户端之间就建立了一条双向通信链路，通过Socket的输入输出流，客户端和服务器便可以进行通信。
由于Android开发是基于java语言的，所以在手机端Socket通信机制和javaSocket通信机制互通。
所不同的是手机的IP是由运营商动态分配的，所以手机端不用来做服务器。
2.4主要定位算法
2.4.1位置指纹定位算法
信号的多径传播对环境具有依赖性[9]，呈现出非常强的特殊性，对于空间中的每个位置而言，该位置上信道的多径结构是唯一的，信号发射终端发射的无线电波经过反射和折射，产生与周围环境密切相关的特定模式的多径信号，这样的多径特征可以认为是该位置的“指纹”。
因此，可以事先选取一些样本点，采集这些样本点处的信号特征存储在数据库中，定位阶段再采取所在点出的信号强度特征，与数据库中的指纹数据进行匹配，找出最相似的样本点来进行定位。
位置指纹定位算法的实施共有两个阶段[10]：
1）离线采样阶段：
在离线训练阶段主要工作是在所需定位区域的选取适当的样本点并采集样本点的信号特征，例如WiFi信号强度，多径相角等，将一个样本点编号和一组信号特征值构成一组记录插入数据库的指纹表中以便定位阶段进行比对。
2）定位阶段：
在该阶段主要工作是通过采集终端接收机当前所在位置处的信号特征将其与指纹表中的样本点进行比对，寻找最相似的样本点进行定位。
最常用的比对算法有欧式距离。
位置指纹算法是基本的室内定位算法，相比较三边定位法而言，其原理简单，容易理解，易实现，定位精度比较高且可充分利用现有资源，部署成本低，系统升级对客户的影响也较小。
但是位置指纹定位算法也存在一些缺点：
当所需定位的室内空间比较大时需要建立强大的指纹数据库，离线训练阶段将耗费很多的人力。
此外，当指纹数据库过于庞大时，定位阶段采集到的信号特征如果和指纹库中的所有样本点一一进行比对，会花费大量的时间导致定位效率低下，而且有可能影响定位精度。
2.4.2最近邻法
最近邻法是一种最基本的确定性位置指纹匹配算法。
该方法实际上是利用离线训练阶段采集到的样本点处的信号特征作为样本点“指纹”。
在定位阶段，将实时采集到所在位置点处的信号强度与数据库中样本点的指纹进行比对，选择指纹特征最相似的一个样本点，将该点的经纬度看做当前位置的近似估算值。
可以采用欧式距离也可以采用权值的方式来描述样本点和待定位处信号特征相似程度。
若采用欧式距离，则在定位阶段将采集到的信号特征与指纹库中每一个样本点的指纹进行比对，求欧式距离，然后选取欧式距离最小的一个样本点作为位置近似估计点，然后返回给定位请求客户端。
2.4.3K近邻法
当前位置指纹匹配算法的研究目标是进一步提高定位精度。
K近邻法就是在最近邻法思想的基础上提出来的另一种位置指纹匹配算法。
其实质就是在定位阶段从指纹库中选取与待定位点的位置特征最相近的K个点，然后取出这K个位置点处的经纬度，并对这三个点的经纬度求均值，将此均值当作待测位置点的定位结果。
采用此方法可以在一定程度上减小由于信号特征不稳定导致的定位误差的问题，而且可以更好的描述待定位点的位置，提高定位精度。
2.5本章小结
本章首先整体介绍了系统开发所需搭建的软硬件环境，然后详细阐述了Android移动GIS开发平台UCMap的几种开发模式和相关技术优势。
并介绍了javaSocket通信机制的基本原理。
对室内WiFi定位通常采用的位置指纹识别算法的基本原理和实施过程进行了详细介绍，并且介绍了两种基本的位置指纹匹配算法最近邻法和K近邻法
第3章系统需求分析
3.1系统目标
随着Android智能手机用户人数的普遍增长，人们对于基于手机的位置服务需求也越来越强烈。
本文在分析了当前定位形势的基础上对本定位系统提出以下目标：
Ø
为用户提供高精度和高可靠性的室内外定位服务；
使用户可以在室内WiFi定位系统覆盖区域内通过该定位系统，获取其所在位置信息；
使用户可以在室外环境下通过GPS获取自己的位置信息；
实现图形用户界面，操作简单，给用户提供良好的使用体验；
定位服务器端可以迅速处理客户端的定位请求，并将定位结果返回给客户端。
3.2系统描述
本定位系统分为室内和室外两个模块。
其中室内定位系统包括客户端和服务器两个模块，客户端是带有WiFi接收功能的Android智能手机。
离线训练阶段需要进行WiFi信号的扫描，将采集到的WiFi信号强度传递给服务器端，帮助服务器端完成样本指纹库的建立。
定位阶段将实时采集到的WiFi信号强度传递给服务器端，并及时接收和解析定位服务器返回的定位结果（经纬度），将定位结果显示在本地矢量图中实现图形用户界面，让用户可以很直观的知道自己当前所在的位置。
服务器端主要用来建立和维护样本指纹库，实时响应客户端的定位请求，离线采样阶段接收客户端发送过来的样本点的信号强度，将其插入后台数据库的样本指纹表中，实时定位阶段接收并解析移动客户端发送过来的WiFi信号强度，将其与指纹库中的样本点的信号强度进行比对，然后按照一定的选择规则，选取最相似的样本点处的经纬度，当作定位结果并将该结果发送给客户端。
室外定位系统则只有移动端，其通过手机在室外接收到的卫星信息，利用GPS获取经纬度，然后根据经纬度将客户端位置信息标注在手机端的校园矢量地图上，使用户可以知道自己当前的位置信息。
3.3系统功能需求
1）服务器功能
离线训练：
服务器接收智能手机采集的各个样本点处3个路由器的信号强度，将其插入一张collection_tb表中，同时求出信号强度均值，将其插入另外一张名为average_tb的表中，完成样本库的建立。
实时定位：
服务器端接收手机实时采集到的路由器的信号强度，将其与样本指纹库中各个样本点的信号强度进行比对，选出最接近的一个样本点，近似看做是手机此刻的位置，然后
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