嵌入式地理信息系統(tǒng)的研究與實現(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)域研究的熱點之一。嵌入式地理信息系統(tǒng)開發(fā)在測繪、智能交通、海事、國防、公安等領(lǐng)域都有無限廣闊的應用前景。文章針對地理信息系統(tǒng)在社會生產(chǎn)生活各領(lǐng)域得到廣泛應用的現(xiàn)狀，探討了嵌入式地理信息系統(tǒng)的設(shè)計，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，并針對其中的關(guān)鍵技術(shù)—空間數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，給出了數(shù)據(jù)組織方案，對于進一步提高嵌入式地理信息系統(tǒng)的設(shè)計及其應用水平具有一定借鑒和指導的意義。

【關(guān)鍵詞】地理信息系統(tǒng)；嵌入式；研究；實現(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，形成一個嵌入式的地理空間集成平臺，是當前GIS研究領(lǐng)域的一個重要趨勢。與傳統(tǒng)GIS技術(shù)相比較，嵌入式GIS具有跨平臺、開發(fā)好、易集成、易滲透和融合好等特點而且價格低，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)實中，GIS空間數(shù)據(jù)量非常大，所需存儲空間也很大，這與嵌入式設(shè)備有限的系統(tǒng)資源形成矛盾，因此針對嵌入式設(shè)備的特點并結(jié)合GIS應用程序的需求設(shè)計嵌入式GIS平臺是非常必要的。典型的嵌入式GIS應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存在的問題；隨著GIS的快速發(fā)展，人們對空間數(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嵌入式的地理空間集成平臺是當前GIS研究領(lǐng)域的一個重要趨勢。與傳統(tǒng)GIS技術(shù)相比較，嵌入式GIS具有跨平臺、開發(fā)好、易集成、易滲透和融合好等特點，而且價格低，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)實中GIS空間數(shù)據(jù)量非常大，所需存儲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，因此針對嵌入式設(shè)備的特點并結(jié)合GIS應用程序的需求設(shè)計嵌入式GIS平臺是非常必要的。典型的嵌入式GIS應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的開發(fā)和研究是目前嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域的熱點之一。其源代碼開放內(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)的應用。Google的開發(fā)人員根據(jù)實際需要自行定制 Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核為使之更為精簡實用。由Google公司研發(fā)推出的開源平臺Android 完美的支持Google Map與Google Earth的API開發(fā)，是當前市場上最適合結(jié)合地理信息系統(tǒng)知識進行移動開發(fā)的平臺。地理信息系統(tǒng)工具的基于Android平臺研發(fā)雖然目前十分火熱，但功能卻十分單調(diào)，沒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軟件很多國外的有AutoCAD Map3D、ArcGIS、Maplnfo等，國內(nèi)的有MapGIS、SuperMap等。

（3）實現(xiàn)高效的嵌入式GIS數(shù)據(jù)模型設(shè)計，數(shù)據(jù)是GIS的核心，如何設(shè)計一個合理高效的數(shù)據(jù)模型是嵌入式GIS開發(fā)的關(guān)鍵。我們開發(fā)的嵌入式GIS系統(tǒng)采用改進的GDF數(shù)據(jù)模型。主要的改進包括：減少模型的復雜度（比如去掉坐標表，在幾何對象表中直接存儲坐標等）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行存儲和管理。首先，地理信息在縱向上分為若干圖層，每個圖層存儲相同類型的空間數(shù)據(jù)。同時，地理信息在橫向上按照圖幅進行分幅存儲。圖層和圖幅的關(guān)系是平等的，一個圖層可以包含多個圖幅，同時一個圖幅又可以分為多個圖層。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行記錄。圖幅和圖層之間的每一個交叉（即某個圖幅的某個圖層，或某個圖層中的某個圖幅） 對應相應的空間數(shù)據(jù)表，存儲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)） ?？臻g數(shù)據(jù)表包括若干地理要素空間數(shù)據(jù)表，分為點要素空間數(shù)據(jù)表、線要素空間數(shù)據(jù)表、面要素空間數(shù)據(jù)表和復合要素空間數(shù)據(jù)表4種類型。同時每個空間數(shù)據(jù)表還對應一個空間索引表，存儲空間數(shù)據(jù)的空間索引值。在嵌入式GIS開發(fā)中，我們采用矢量形式存儲GIS空間數(shù)據(jù)以節(jié)省存儲空間?？紤]到目前PDA的存儲能力，對矢量數(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。為了調(diào)用GIS數(shù)據(jù)時能迅速找到對應的圖幅塊，還應對圖幅塊建立索引機制。某一圖幅塊的索引應包含圖幅塊的范圍，點、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)的研究開發(fā)原則；嵌入式GIS工作在實時、多任務的環(huán)境下，圖形顯示與瀏覽、信息查詢、拓撲關(guān)系、空間分析等是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計必須要考慮的因素，因此嵌入式GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則主要有：1）圖形結(jié)構(gòu)簡單，冗余度小，電子地圖主要包含點、線、面等空間對象，簡單的圖形結(jié)構(gòu)具有數(shù)據(jù)量小、運行速度快、圖形裁減方便等特點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)的存儲空間；2）拓撲關(guān)系簡單，在移動GIS中，電子地圖的拓撲關(guān)系用于路徑搜索、最優(yōu)路徑規(guī)之，簡單明了而又實用的拓撲關(guān)系將縮短路徑搜索的時間。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空間對象的查詢和多個空間對象的查詢，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)果準確。4）開放的數(shù)據(jù)接口，嵌入式GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應具有良好的數(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)的實現(xiàn)

2.1軍事國防領(lǐng)域

武器控制，從火炮控制高炮指揮儀到導彈控制（彈上計算機），從坦克、轟炸機、艦艇、雷達、電子對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，可運行于嵌入式計算機、進行移動制圖。作為一種低成本的數(shù)據(jù)采集方案，嵌入式GIS軟件平臺將賦予嵌入式計算機矢量和柵格數(shù)據(jù)一體化顯示和數(shù)據(jù)庫管理的能力，通過可選的GPS 接收機，還可以進行實時定位。

2.3智能汽車領(lǐng)域

隨著無線通信與全球定位技術(shù)的日益成熟和廣泛應用，集通信、信息、導航、娛樂和各類汽車安全電子系統(tǒng)于一體的車載盒會成為下一代和未來汽車的發(fā)展方向。

3.總結(jié)

嵌入式系統(tǒng)正處在一個飛速發(fā)展和激烈競爭的時代，在未來的幾年里這種發(fā)展和競爭將達到白熱化的程度，研究和開發(fā)嵌入式GIS軟件平臺具有廣闊的市場應用前景和深遠的實際意義。嵌入式設(shè)備性能的提高、無線通信技術(shù)、Internet技術(shù)的發(fā)展必然會給嵌入式GIS帶來新的變化。其實可以看出，現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)與計算機的結(jié)合已經(jīng)相當?shù)木o密了，現(xiàn)代地理信息幾乎無處不在的和計算機打交道，而且要想獲得好的圖形及線路指導，好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法也是必不可少的。通過學習這門現(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，更加熱愛自己的專業(yè)，也對地理信息系統(tǒng)的實現(xiàn)有了一個概念性的理解。