嵌入式地理信息系统技术

摘要：通过分析嵌入式地理信息系统的技术及应用，介绍了如何进行嵌入式地理信息系

统组件的开发以及嵌入式系统的地理信息数据如何使用。从技术上采用微软的COM技术，

以C++为开发语言，采用了应用广泛的WindowsCE嵌入式操作系统，设计和开发了基于嵌入式设备的地理信息系统组件，并在此组件基础上开发了相关的应用系统，通过了应用的检验，为GIS应用开发提供了一个新思路、新手段。

关键词：嵌入式；组件技术；地理信息系统

0前言

近年来，随着嵌入式技术和GIS技术的发展及嵌入式操作系统的成熟和人们对空间数据应用需求的多元化，把GIS与嵌入式技术融合在一起，形成一个嵌入式的地理信息空间系统平台，是当前GIS领域的研究热点之一，也是一个重要趋势。与传统GIS技术相比较，嵌入式GIS组件具有易集成、易渗透、融合好、成本低和易使用等特点。为地理信息技术融入其他信息技术提供了良好的技术基础，如GPS技术、无线通讯技术等。GIS作为数字地球和智能交通领域的核心技术，目前广泛应用于国民经济的各行各业以及国防军事领域。嵌入式地理信息系统是地理信息系统的一个重要发展方向，它同样有着地理信息系统的基本特征及广泛的应用领域。经济学家们预测，嵌入式计算机产业将是21世纪信息产业新的经济增长点，嵌入式计算机市场是计算机市场的重要组成部分。同时，随着移动信息设备(PDA、智能手机等)的发展，GIS逐步进入后PC发展阶段，嵌入式GIS应用不断增加，迫切需要适应各种嵌入式应用的地理信息系统软件平台，为满足这一需求，需要开发基于移动信息设备的地理信息软件产品，来方便地进行地理信息数据的采集、更新及导航应用。。

1嵌入式地理信息系统概述及应用模型

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可灵活配置，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。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。比较常用的有WindowsCE、Linux、PalmOS、EPOC等。

地理信息系统可以简单定义为采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的信息系统。它由三个部分组成：计算机系统(硬件与软件)、地理数据库系统、应用人员及组织机构。

嵌入式地理信息系统是集成GIS功能的嵌入式系统产品，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检索的一种理想解决方案。

嵌入式地理信息系统应包括运行平台和开发平台，运行平台是指通过嵌入式GIS软件开发平台开发的运行于某种嵌入式操作系统之上的GIS专业应用软件，通过它，我们能对存于嵌入式设备上的空间信息或与嵌入式设备连接的空间信息流进行相应的处理，如显示、查询、计算和漫游等；开发平台是指运行于通用桌面操作系统之上的、针对某种嵌入式操作系统开发的、具有一定的专业应用背景的GIS应用软件。

本文通过对地理信息技术相关算法以及GPS技术、RS技术、ActiveX技术等相关技术的研究，设计了一个基于WindowsCE平台的嵌入式地理信息系统组件，利用它可以开发提供位于计算机、PDA上、智能手机上的GIS应用和卫星导航终端应用软件等，以满足日渐增加的应用需求。如智能交通(交通信息管理系统、车辆导航系统等大量嵌入式GIS软件在交通部门的应用将大大提高交通系统的智能化程度)。还可用于野外数据采集和各种普查(公路普查、环保普查等)，军事国防领域(步兵装备、装甲、坦克、情报收集等)，智能汽车(集通信、信息、导航、地图、娱乐和各类安全电子系统于一体的智能汽车将是未来汽车的发展方向)，个人用户应用(结合手机和个人PDA的应用，将提供实时的地图信息和出行参考，大大提高人们的生活质量)。

图1 嵌入式地理信息系统应用模型

2嵌入式地理信息系统设计

2.1主要设计内容

嵌入式地理信息系统组件主要从结构、数据、功能等以下几个方面进行设计和研究：

1)软件体系结构设计：研究、设计系统的层次结构，完成软件的模块设计。最底层为嵌入式操作系统，其次为空间数据管理层、数据分析层，最上层为GIS用户操作接口等。

2)数据规范设计：为了便于应用以及考虑嵌入式设备的内存、计算速度和存储等方面的限制，研究定义专有数据格式(矢量、栅格)。

3)研究、设计嵌入式GIS组件的主要功能，包括以下几个部分：基本地图操作功能、图层管理功能、绘制、编辑等功能以及查询、检索、分析等功能。

4)组件开发：研究开发嵌入式地理信息系统的各相关组件。

5)数据安全和加密：研究通用格式地理信息数据，并重新定义数据格式，使得在嵌入式设备中使用的数据只能通过组件来读取，以保证数据安全和进行数据加密。

2.2开发方式

系统本着可靠性、实用性、安全性、灵活性、可扩展性等要求来设计，在充分研究了国内外同类软件的情况下，采用代表国内外先进技术水平发展方向的COM模型进行设计。

COM(Componet Object Model，组件对象模型)是一种说明如何建立可动态互变组件规范，通过这种标准可以在任意两个组件之间进行通信而不用考虑其所处的操作环境是否相同、使用的开发语言是否一致以及是否运行于同一台计算机。

基于系统设计的需求，以及灵活性和高可用性的思想，采用COM技术设计本嵌入式地理信息系统组件。

2.3系统开发环境

1)组件应用环境：操作系统：WindowCE；开发工具：Microsoft embedded VisualC++4.0；PC模拟环境：Microsoft Windows Platform SDK for PocketPC；

2)辅助工具软件环境：操作系统：WindowsXP；开发工具：Microsoft VisualC++；

3)硬件环境：掌上电脑、智能手机；CF卡、SD卡；电池、备用电池等硬件设备；蓝牙GPS、CF卡式GPS；台式机、打印机等外设；

2.4系统结构

图2 嵌入式地理信息系统结构

3数据设计

充分考虑到嵌入式设备内存、存储与计算速度的局限，对数据格式进行了定义，并采用加密的方式写到嵌入式设备的存储卡上。对于矢量数据设计采用RTree建立索引，提高数据检索效率，存储中采用聚类归整差值方法存储，在降低数据存储量的同时不影响数据I/O速度。对于栅格数据采用金字塔结构分块预处理的方法提高访问速度。在后期应用系统的开发中取得了满意的数据检索与浏览速度。在嵌入式设备上进行地图管理时，整幅地图的GIS空间数据往往是非常大的，然而在一定时刻所需要研究的可能仅仅只是整幅地图的某一小块或某一图层，所以可以在图层上设置一个状态开关(打开状态和关闭状态)，仅仅调入所需的图层数据，这样在程序内存中就只存在当前需要研究的图层区域，避免了不必要的内存开销。

4系统功能设计

4.1PC端辅助工具功能

1)数据转换：矢量数据(E00\MIF)与栅格数据(geoTiff)到嵌入式地理信息系统之间的数据相互转换以及投影。

2)符号定义：定义基本点、线、面符号库。

4.2嵌入式组件功能设计

1)基本图形显示功能：主要实现数据调入保存以及栅矢叠加显示问题，同时包括图层管理；放大、缩小、漫游等视图操作；符号化显示；GPS锁定等功能。

2)图层定义功能：包括图层属性，默认创建自由图层，并设为可编辑状态。

3)图形编辑功能：点增加、移动、删除；线增加、移动、删除；面增加、移动、删除；选择功能(点、线、面)；线节点编辑(包括增加、删除、移动)；面节点编辑(包括增加、删除、移动)。

4)基于GPS的编辑功能：增加点；增加线；增加面。

5)属性编辑功能：点、线、面的属性编辑功能。

6)数据保存功能：数据自动保存与备份。

7)辅助功能：交会法(提供交会法、增加未知点)；直角坐标法(提供直角坐标法、增加未知点)；截距法

5设计实现介绍

1)基于PDA的1∶50000地形图调绘与更新系统：在进行国家基础测绘项目时，针对不同应用需求，将DOM数据、初级线划图数据或待更新的DLG数据导入掌上电脑(PDA)，利用PDA作为外业作业工具，针对不同作业条件进行调绘与更新；参照传统1∶50000地形图成图工艺流程，针对PDA调绘与更新工具的技术特点，实现基于PDA的成图工艺流程，如图3所示。

2)基于PDA的北京长城资源调查系统：是为长城资源地理信息系统而开发的，它通过移动和手持设备为野外工作者提供了集GIS，GPS、RS功能于一体的长城资源数据采集工具，能够方便地实现长城相关资源数据的采集(如墙体、关堡、界壕、壕堑等实体位置与属性信息)，应用本系统提高了长城外业采集工作效率并降低劳动强度，同时提高野外数据的时效性和高可用性，如图4所示。

3)土地整理辅助定位系统：在国土部门正在进行的二次土地详查中，应用本研究开发的组件，开发了面向土地详查、整理的专用外业采集、导航工具。

6结束语

嵌入式系统的开发与应用目前已经处于高速发展阶段，硬件系统的综合配置越来越接近PC机，同时其操作系统也越来越方便使用，这样大大提高了大数据量地理信息的应用，同时，存储介质容量增大、成本的降低，也为嵌入式地理信息系统应用提供了方便条件。本文介绍的嵌入式地理信息系统组件，通过了应用的检验，符合GIS的发展趋势，设计的功能和性能得以实现，并且从技术设计到开发完全遵循软件工程理论。组件式的应用，可以很方便地进行不同应用方向的开发，从而拓展嵌入式GIS对不同专业应用的支持。从技术上采用成熟的微软COM技术，平台选择了成熟且应用广泛的Windows CE嵌入式操作系统，开发语言选择了C++，这些都为成功开发及进一步的应用奠定了基础，为GIS应用开发提供了一个新思路、新手段，具有良好的应用前景。

参考文献：

【1】陈述彭,鲁学军,周成虎.地理信息系统导论[M].北京:科学出版社, 2001.

【2】张时煌,方裕.微型嵌入式GIS 软件平台的重要意义及发展动态[J].中国图像图形学报, 2001,6(9):900-906.

【3】陈飞翔,杨崇俊.无线网络应用的嵌入式GIS基础平台设计与实现[J].计算机工程,2005,31(12):70-72.