嵌入式地理信息系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

【摘要】隨著嵌入式操作系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式地理信息系統(tǒng)已經(jīng)成為地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。嵌入式地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)在測(cè)繪、智能交通、海事、國(guó)防、公安等領(lǐng)域都有無(wú)限廣闊的應(yīng)用前景。文章針對(duì)地理信息系統(tǒng)在社會(huì)生產(chǎn)生活各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀，探討了嵌入式地理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在給出了系統(tǒng)構(gòu)成框架的基礎(chǔ)上，完成了系統(tǒng)的總體軟硬件設(shè)計(jì)，并針對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)—空間數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，給出了數(shù)據(jù)組織方案，對(duì)于進(jìn)一步提高嵌入式地理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用水平具有一定借鑒和指導(dǎo)的意義。

【關(guān)鍵詞】地理信息系統(tǒng)；嵌入式；研究；實(shí)現(xiàn)

1.嵌入式地理信息系統(tǒng)的研究

隨著GIS的快速發(fā)展，人們對(duì)空間數(shù)據(jù)的需求也日益增大，把GIS與嵌入式技術(shù)融合在一起，形成一個(gè)嵌入式的地理空間集成平臺(tái)，是當(dāng)前GIS研究領(lǐng)域的一個(gè)重要趨勢(shì)。與傳統(tǒng)GIS技術(shù)相比較，嵌入式GIS具有跨平臺(tái)、開(kāi)發(fā)好、易集成、易滲透和融合好等特點(diǎn)而且價(jià)格低，為地理信息技術(shù)融入其它信息技術(shù)提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。但是現(xiàn)實(shí)中，GIS空間數(shù)據(jù)量非常大，所需存儲(chǔ)空間也很大，這與嵌入式設(shè)備有限的系統(tǒng)資源形成矛盾，因此針對(duì)嵌入式設(shè)備的特點(diǎn)并結(jié)合GIS應(yīng)用程序的需求設(shè)計(jì)嵌入式GIS平臺(tái)是非常必要的。典型的嵌入式GIS應(yīng)用由嵌入式硬件系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式GIS軟件組成。

（1）嵌入式GIS存在的問(wèn)題；隨著GIS的快速發(fā)展，人們對(duì)空間數(shù)據(jù)的需求也日益增大把GIS與嵌入式技術(shù)融合在一起形成一個(gè)嵌入式的地理空間集成平臺(tái)是當(dāng)前GIS研究領(lǐng)域的一個(gè)重要趨勢(shì)。與傳統(tǒng)GIS技術(shù)相比較，嵌入式GIS具有跨平臺(tái)、開(kāi)發(fā)好、易集成、易滲透和融合好等特點(diǎn)，而且價(jià)格低，為地理信息技術(shù)融入其它信息技術(shù)提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。但是現(xiàn)實(shí)中GIS空間數(shù)據(jù)量非常大，所需存儲(chǔ)空間也很大這與嵌入式設(shè)備有限的系統(tǒng)資源形成矛盾，因此針對(duì)嵌入式設(shè)備的特點(diǎn)并結(jié)合GIS應(yīng)用程序的需求設(shè)計(jì)嵌入式GIS平臺(tái)是非常必要的。典型的嵌入式GIS應(yīng)用由嵌入式硬件系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式GIS軟件組成。

（2）主流的嵌入式系統(tǒng)類型，如今主流的嵌入式系統(tǒng)有Linux、Windows CE、Windows Mobile、uClinux、uCOS-II、VxWorks等十幾種。其中Linux的開(kāi)發(fā)和研究是目前嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。其源代碼開(kāi)放內(nèi)核小巧靈活、穩(wěn)定高效、易于裁剪，這使 Linux很適合嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。Google的開(kāi)發(fā)人員根據(jù)實(shí)際需要自行定制 Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核為使之更為精簡(jiǎn)實(shí)用。由Google公司研發(fā)推出的開(kāi)源平臺(tái)Android 完美的支持Google Map與Google Earth的API開(kāi)發(fā)，是當(dāng)前市場(chǎng)上最適合結(jié)合地理信息系統(tǒng)知識(shí)進(jìn)行移動(dòng)開(kāi)發(fā)的平臺(tái)。地理信息系統(tǒng)工具的基于Android平臺(tái)研發(fā)雖然目前十分火熱，但功能卻十分單調(diào)，沒(méi)有一款可以集電子地圖、數(shù)字地球、電子羅盤和GPS定位等功能的集成式軟件。GIS軟件很多國(guó)外的有AutoCAD Map3D、ArcGIS、Maplnfo等，國(guó)內(nèi)的有MapGIS、SuperMap等。

（3）實(shí)現(xiàn)高效的嵌入式GIS數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)是GIS的核心，如何設(shè)計(jì)一個(gè)合理高效的數(shù)據(jù)模型是嵌入式GIS開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。我們開(kāi)發(fā)的嵌入式GIS系統(tǒng)采用改進(jìn)的GDF數(shù)據(jù)模型。主要的改進(jìn)包括：減少模型的復(fù)雜度（比如去掉坐標(biāo)表，在幾何對(duì)象表中直接存儲(chǔ)坐標(biāo)等）增加注記要素層等。嵌入式GIS數(shù)據(jù)模型中，地理信息按圖幅和圖層進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。首先，地理信息在縱向上分為若干圖層，每個(gè)圖層存儲(chǔ)相同類型的空間數(shù)據(jù)。同時(shí)，地理信息在橫向上按照?qǐng)D幅進(jìn)行分幅存儲(chǔ)。圖層和圖幅的關(guān)系是平等的，一個(gè)圖層可以包含多個(gè)圖幅，同時(shí)一個(gè)圖幅又可以分為多個(gè)圖層。圖幅和圖層的定義信息分別由圖幅描述表和圖層描述表進(jìn)行記錄。圖幅和圖層之間的每一個(gè)交叉（即某個(gè)圖幅的某個(gè)圖層，或某個(gè)圖層中的某個(gè)圖幅） 對(duì)應(yīng)相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)表，存儲(chǔ)該圖幅在該圖層的空間數(shù)據(jù)（包括屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)） 。空間數(shù)據(jù)表包括若干地理要素空間數(shù)據(jù)表，分為點(diǎn)要素空間數(shù)據(jù)表、線要素空間數(shù)據(jù)表、面要素空間數(shù)據(jù)表和復(fù)合要素空間數(shù)據(jù)表4種類型。同時(shí)每個(gè)空間數(shù)據(jù)表還對(duì)應(yīng)一個(gè)空間索引表，存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)的空間索引值。在嵌入式GIS開(kāi)發(fā)中，我們采用矢量形式存儲(chǔ)GIS空間數(shù)據(jù)以節(jié)省存儲(chǔ)空間。考慮到目前PDA的存儲(chǔ)能力，對(duì)矢量數(shù)據(jù)采用分塊處理的方式。把一幅地圖切割成m×n （m行×n列） 的矩形塊，空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)都以圖幅塊為單位存儲(chǔ)。為了調(diào)用GIS數(shù)據(jù)時(shí)能迅速找到對(duì)應(yīng)的圖幅塊，還應(yīng)對(duì)圖幅塊建立索引機(jī)制。某一圖幅塊的索引應(yīng)包含圖幅塊的范圍，點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)的數(shù)量，并給出圖幅塊在數(shù)據(jù)文件中的詳細(xì)地址。根據(jù)地址可以找到并讀出該圖幅塊的所有數(shù)據(jù)。

（4）嵌入式GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的研究開(kāi)發(fā)原則；嵌入式GIS工作在實(shí)時(shí)、多任務(wù)的環(huán)境下，圖形顯示與瀏覽、信息查詢、拓?fù)潢P(guān)系、空間分析等是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要考慮的因素，因此嵌入式GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則主要有：1）圖形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，冗余度小，電子地圖主要包含點(diǎn)、線、面等空間對(duì)象，簡(jiǎn)單的圖形結(jié)構(gòu)具有數(shù)據(jù)量小、運(yùn)行速度快、圖形裁減方便等特點(diǎn)冗余度小將使信息查詢、路徑搜索的速度提高，也將減少數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間；2）拓?fù)潢P(guān)系簡(jiǎn)單，在移動(dòng)GIS中，電子地圖的拓?fù)潢P(guān)系用于路徑搜索、最優(yōu)路徑規(guī)之，簡(jiǎn)單明了而又實(shí)用的拓?fù)潢P(guān)系將縮短路徑搜索的時(shí)間。3）空間信息查詢與分析速度快，空間信息查詢主要包括單個(gè)空間對(duì)象的查詢和多個(gè)空間對(duì)象的查詢，良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將使空間查詢和空間分析的速度快捷，結(jié)果準(zhǔn)確。4）開(kāi)放的數(shù)據(jù)接口，嵌入式GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的數(shù)據(jù)接口，使之能夠兼容更多己定型的數(shù)據(jù)。

2.嵌入式地理信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1軍事國(guó)防領(lǐng)域

武器控制，從火炮控制高炮指揮儀到導(dǎo)彈控制（彈上計(jì)算機(jī)），從坦克、轟炸機(jī)、艦艇、雷達(dá)、電子對(duì)抗等軍事電子裝備到軍事通信及軍事指揮系統(tǒng)。

2.2野外數(shù)據(jù)采集

野外地質(zhì)調(diào)查與地理調(diào)查，可運(yùn)行于嵌入式計(jì)算機(jī)、進(jìn)行移動(dòng)制圖。作為一種低成本的數(shù)據(jù)采集方案，嵌入式GIS軟件平臺(tái)將賦予嵌入式計(jì)算機(jī)矢量和柵格數(shù)據(jù)一體化顯示和數(shù)據(jù)庫(kù)管理的能力，通過(guò)可選的GPS 接收機(jī)，還可以進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。

2.3智能汽車領(lǐng)域

隨著無(wú)線通信與全球定位技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，集通信、信息、導(dǎo)航、娛樂(lè)和各類汽車安全電子系統(tǒng)于一體的車載盒會(huì)成為下一代和未來(lái)汽車的發(fā)展方向。

3.總結(jié)

嵌入式系統(tǒng)正處在一個(gè)飛速發(fā)展和激烈競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代，在未來(lái)的幾年里這種發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)將達(dá)到白熱化的程度，研究和開(kāi)發(fā)嵌入式GIS軟件平臺(tái)具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景和深遠(yuǎn)的實(shí)際意義。嵌入式設(shè)備性能的提高、無(wú)線通信技術(shù)、Internet技術(shù)的發(fā)展必然會(huì)給嵌入式GIS帶來(lái)新的變化。其實(shí)可以看出，現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的結(jié)合已經(jīng)相當(dāng)?shù)木o密了，現(xiàn)代地理信息幾乎無(wú)處不在的和計(jì)算機(jī)打交道，而且要想獲得好的圖形及線路指導(dǎo)，好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法也是必不可少的。通過(guò)學(xué)習(xí)這門現(xiàn)代地理信息技術(shù)概論，使我更加了解了我們專業(yè)的重要性，更加熱愛(ài)自己的專業(yè)，也對(duì)地理信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有了一個(gè)概念性的理解。