基于WebGIS的遙感定位信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁媛

摘 要： 針對當(dāng)前遙感定位信息管理系統(tǒng)的定位精度不高、集成度不好的問題，提出基于WebGIS的遙感定位信息管理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。進(jìn)行遙感定位信息管理系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境描述和總體設(shè)計(jì)，信息管理系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺是Visual DSP++ 4.5，主要功能模塊包括WebGIS遙感信息采集模塊、數(shù)據(jù)加工模塊、集成信息處理模塊、智能控制模塊和人機(jī)交互通信模塊等，進(jìn)行系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)描述，最后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對遙感信息的采集和定位，精度高，可靠性和兼容性好。

關(guān)鍵詞： WebGIS； 地理信息； 遙感信息定位； 信息管理系統(tǒng)

中圖分類號： TN92?34； TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）07?0016?04

Design of remote sensing locating information management system based on WebGIS

YUAN Yuan

（School of Geosciences， China University of Petroleum， Qingdao 266580， China）

Abstract： Since the locating accuracy and integration level of the remote sensing locating information management system at present are low， an optimum design method of the remote sensing locating information management system based on WebGIS is proposed. The software development environment of the remote sensing locating management system is described， and the overall design of the system is conducted. The software development platform of the information management system is based on Visual DSP++ 4.5. The main function modules of the system include the WebGIS remote sensing information collection module， data processing module， integrated information processing module， intelligent control module and man?machine interactive communication module. The modular design of the system is described. The system debugging and simulation experiment were carried out. The results show that the system can acquire and locate the remote sensing information accurately， has high precision and reliability， and good compatibility.

Keywords： WebGIS； geographic information； remote sensing information positioning； information management system

0 引 言

隨著地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）的發(fā)展，采用Web技術(shù)進(jìn)行地理信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)GIS信息共享。構(gòu)建WebGIS網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)，WebGIS通過Internet平臺，客戶端應(yīng)用軟件采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)地理信息的遠(yuǎn)程采集和空間信息共享，在瀏覽器（客戶端）獲得各種地理信息和遙感信息數(shù)據(jù)，再利用嵌入HTTP標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用體系實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空間環(huán)境下的空間信息管理和遙感信息發(fā)布[1?2]。WebGIS中海量的空間數(shù)據(jù)能有效指導(dǎo)遙感定位，基于WebGIS進(jìn)行遙感定位能有效提高對地理目標(biāo)的定位精度，基于WebGIS的遙感定位信息管理系統(tǒng)在遠(yuǎn)程遙感監(jiān)測、地理探測、目標(biāo)識別等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3?4]。

本文基于WebGIS對遙感定位信息管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)描述和功能模塊介紹，然后進(jìn)行遙感定位系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行信息管理系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)測試，并得出有效性結(jié)論。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)描述

1.1 信息管理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及開發(fā)環(huán)境描述

對遙感定位信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是利用WebGIS瀏覽器（browser），WebGIS服務(wù)器，WebGIS編輯器（Editor）的信息代理服務(wù)功能，在嵌入式環(huán)境下通過Internet/Intranet實(shí)現(xiàn)對WebGIS海量數(shù)據(jù)庫信息互聯(lián)[5]，首先分析基于WebGIS的遙感定位信息管理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行軟件開發(fā)環(huán)境描述，進(jìn)行功能模塊分析和介紹，基于WebGIS的遙感定位信息管理系統(tǒng)建立在Visual DSP++ 4.5開發(fā)平臺上，為了提高系統(tǒng)的可移植性，系統(tǒng)的核心采用嵌入式STM32開發(fā)，安裝Linux系統(tǒng)，使用S3C2440自帶的A/D系統(tǒng)進(jìn)行WebGIS的遙感定位信息6通道同步采樣設(shè)計(jì)，遙感定位信息管理系統(tǒng)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分，本文重點(diǎn)進(jìn)行信息管理系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計(jì)，硬件部分由前期開發(fā)完成。信息管理系統(tǒng)的主要功能模塊包括WebGIS遙感信息采集模塊、數(shù)據(jù)加工模塊、集成信息處理模塊、智能控制模塊和人機(jī)交互通信模塊。

各模塊的設(shè)計(jì)功能描述如下：

（1） 數(shù)據(jù)采集模塊。主要實(shí)現(xiàn)的是遙感信息的采集和原始信息采樣，為信息管理系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)輸入基礎(chǔ)。

（2） 數(shù)據(jù)加工模塊。該模塊是WebGIS遙感數(shù)據(jù)信息的預(yù)處理模塊。通過WebGIS遙感數(shù)據(jù)加工模塊進(jìn)行信息抗干擾處理，濾除一些干擾信息，提高數(shù)據(jù)的純度，為實(shí)現(xiàn)遙感定位精度的提高奠定基礎(chǔ)。

（3） 集成信息處理模塊。該模塊是實(shí)現(xiàn)對WebGIS遙感數(shù)據(jù)的集成信息處理，是整個基于WebGIS的遙感定位信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，通過集成信息處理，實(shí)現(xiàn)遙感圖像處理，遙感定位算法的程序加載和GIS遙感數(shù)據(jù)庫的Web訪問及調(diào)度等。

（4） 智能控制模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)基于WebGIS的遙感定位信息管理系統(tǒng)的集成控制和遠(yuǎn)程信息傳輸調(diào)度，智能控制模塊采用的是嵌入式控制調(diào)度，采用Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)對WebGIS遙感數(shù)據(jù)的在線編譯，把Linux內(nèi)核文件zImage直接下載到嵌入式控制系統(tǒng)中，進(jìn)行遙感信息定位和信息管理。

（5） 人機(jī)交互和數(shù)據(jù)通信模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)的是系統(tǒng)的人機(jī)交互和界面操作功能，通過Linux 2.6.32內(nèi)核構(gòu)建人機(jī)交互平臺，采用GUI渲染方法構(gòu)建信息系統(tǒng)管理的操作界面，界面設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)是協(xié)調(diào)統(tǒng)一，功能、情感、環(huán)境能有效描述該軟件的功能框架，具有界面的友好性和面向?qū)ο笮訹6]。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理和總體設(shè)計(jì)描述，得到本文設(shè)計(jì)的基于WebGIS的遙感定位信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)分析

根據(jù)圖1給出的基于WebGIS的遙感定位信息管理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)分析，定位信息管理系統(tǒng)具有低功耗的特點(diǎn)，系統(tǒng)的動態(tài)功耗小于50 W，Mifare S50卡的識別功能采用并口方式實(shí)現(xiàn)TRF7960與STM32F101xx的通信，WebGID信息采集的匹配天線為13.56 MHz，系統(tǒng)支持片外同步或異步存儲（包括PC133 SDRAM），具有16位定點(diǎn)STM32內(nèi)核，可實(shí)現(xiàn)對WebGIS遙感數(shù)據(jù)信息采樣的600 kHz持續(xù)工作。數(shù)據(jù)的頻譜特征采樣率>200 kHz；基于WebGIS的遙感定位信息管理系統(tǒng)中收發(fā)轉(zhuǎn)換采樣通道為24通道同步輸入和異步輸出，能實(shí)現(xiàn)多線程的信息處理和遙感定位。系統(tǒng)對遙感定位的圖像回放速率[≥100] kHz。

根據(jù)上述對基于WebGIS的遙感定位信息管理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)描述和指標(biāo)分析，進(jìn)行系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)。

2 信息管理系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 ARM?Linux的移植和定制

采用VXI總線技術(shù)進(jìn)行遙感定位信息管理系統(tǒng)的32通道控制數(shù)據(jù)采集和實(shí)時數(shù)據(jù)記錄，系統(tǒng)建立在ARM?Linux嵌入式環(huán)境中，進(jìn)行ARM?Linux的移植和系統(tǒng)定制，采用嵌入式Linux系統(tǒng)構(gòu)建遙感定位信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出總線和核心控制模塊，實(shí)現(xiàn)控制程序的加載，嵌入式Linux由引導(dǎo)程序進(jìn)行程序加載，通過DSP指令集發(fā)送遙感定位信息指令到FIFO RAM緩沖區(qū)[7?8]，操作系統(tǒng)由以下四個部分組成：

（1） 引導(dǎo)加載程序（Boot loader）。通過內(nèi)核供進(jìn)程管理（Process Management）、定時器（timer）的指令進(jìn)行系統(tǒng)的熱啟動，對WebGIS遙感數(shù)據(jù)執(zhí)行模塊管理，為用戶建立文件，存入、讀出、修改、轉(zhuǎn)存的程序加載模塊，在引導(dǎo)加載程序中通過地址指針指向遙感定位信息管理系統(tǒng)的VXI總線數(shù)據(jù)的首址，進(jìn)行WebGIS數(shù)據(jù)庫信息訪問和調(diào)度。

（2） 內(nèi)核（Kernel）。Linux內(nèi)核下進(jìn)行WebGIS遙感信息采集和MVB總線控制，利用socket函數(shù)創(chuàng)建套接字，指定socket類型，調(diào)用recvfrom函數(shù)接收WebGIS的遙感定位信息數(shù)據(jù)，在VISA軟件接口通過信號采集及實(shí)時記錄數(shù)據(jù)編程設(shè)定信號采集及實(shí)時記錄數(shù)據(jù)的中斷指令：

DMAx_X_data processing module T gpio_setpin（integrated intelligent control _GPF（0）， 1）；

DMA0_X_WebGIS remote sensing delay（5）；

DMA0_Y_MODIFY_intelligent control module（S3C2410_ WebGIS remote sensing positioning （0），0）；

（3） 文件系統(tǒng)（File System）。在文件系統(tǒng)中通過開發(fā)Linux設(shè)備驅(qū)動程序，將采集的大型WebGIS數(shù)據(jù)信息植入到信息管理系統(tǒng)中，結(jié)合程序控制和集成調(diào)度設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)遙感定位和數(shù)據(jù)加工。

（4） 用戶應(yīng)用程序（Application）。主控機(jī)Linux操作系統(tǒng)對ARM硬件平臺進(jìn)行用戶應(yīng)用程序移植，它的主要作用是對各種硬件進(jìn)行初始化，進(jìn)行遙感定位信息管理系統(tǒng)的VXI總線數(shù)據(jù)的調(diào)度和用戶的面向?qū)ο笮圆僮鳌?/p>

通過WebGIS的遙感定位信息管理系統(tǒng)的驅(qū)動程序配置，設(shè)定SPORT0_TCLKDIV為4，在軟件設(shè)計(jì)中進(jìn)行系統(tǒng)初始化，設(shè)定接口發(fā)送時鐘為12 MHz，在控制信息的輸入和輸出調(diào)度窗口中進(jìn)行編譯鏈接，觸發(fā)AD7656的CONVST模塊，實(shí)現(xiàn)遙感信息的標(biāo)號或地址定位。做完ARM?Linux的移植工作后進(jìn)行內(nèi)核配置，執(zhí)行“Make menuconfig” 配置內(nèi)核界面。

在集成開發(fā)環(huán)境IDDE中，通過Boot Loader引導(dǎo)CPU做好準(zhǔn)備，然后引導(dǎo)操作系統(tǒng)啟動專家連接器進(jìn)行WebGIS遙感數(shù)據(jù)信息的圖像處理和數(shù)據(jù)庫訪問，程序引導(dǎo)中斷指令設(shè)定為：

SFPacket serial port to read complete （）；

continuously sent SFPacketFront（dismantling & MVB bus control）；

bool enqueueBack（data acquisition bus &pPacket）；

當(dāng)CAN接收到一個E2PROM程序輸入字節(jié)，在Boot Loader使系統(tǒng)上電后進(jìn)行遙感定位信息管理系統(tǒng)的正向觸發(fā)，調(diào)用函數(shù)設(shè)置hpe1432_setTriggerLevel，用readerThread和writerThread負(fù)責(zé)與客戶端通信。

2.2 系統(tǒng)的軟件平臺設(shè)計(jì)

WebGIS遙感定位信息管理系統(tǒng)的軟件主要由Linux內(nèi)核的裁剪與編譯，WebGIS遙感定位信息數(shù)據(jù)的根文件系統(tǒng)的配置，Linux嵌入式內(nèi)核的移植，系統(tǒng)主程序的編寫四部分組成，系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

基于WebGIS的遙感定位信息管理系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，各功能子程序分開編寫，Linux內(nèi)核的裁剪實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，在移植Linux操作系統(tǒng)后，提供了連接網(wǎng)絡(luò)的API接口，接口程序?yàn)椋?/p>

virtual int readFD（HP kernel E1562D/E SCSI hard disk data*buffer， int trigger， int *err）；

virtual MineComm writeFD（int MineSendPacket， const char *buffer， int count， int *TCPComm）；

由于TCPComm這個類完成與客戶端進(jìn)行連接，TCPComm這個類由三個線程構(gòu)成，serverThread，WebGIS遙感定位信息管理系統(tǒng)的控制命令采用函數(shù)readerThread和writerThread完成，函數(shù)設(shè)計(jì)為：

bool readPerxsvt（int pFD， TCP client needs data &pPawqqft）；

bool writePqfeft（int pqefD， SFPaqwfvt &pPqvvet）；

構(gòu)建基于WebGIS的遙感定位信息管理系統(tǒng)的嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境，通過LCD控制器完成編譯，得到嵌入式Linux環(huán)境下的rootfs數(shù)據(jù)編譯庫，在嵌入式Linux環(huán)境下進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)信息加載，程序加載模塊的加載代碼設(shè)計(jì)為：

#define MISC_ home/Arm?angstrom/nfs _pwm_ 255

//可視化控制

#define s3cQt/Root file system "pwm" //嵌入式程序?qū)懭?/p>

int ADSP?BF537s_oot file system （）；

//ADSP?BF537緩存遙感定位信息數(shù)據(jù)

>>cript SPORT0_TFSDIV// SPORT0_TCLKDI//

//服務(wù)器配置文件

Vret =（SPORT0_RILDN _ compilation/ makefile （&misc）；

// 遙感定位數(shù)據(jù)信息的編譯和安裝

通過引導(dǎo)加載程序進(jìn)行WebGIS遙感定位信息管理系統(tǒng)的信息分類，對CAN的相關(guān)寄存器進(jìn)行初始化操作，采用三星S3C2440進(jìn)行主控模塊設(shè)計(jì)，利用C/C++編寫程序，在CAN同步串口中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冷啟動和遠(yuǎn)程控制。

2.3 人機(jī)交互程序設(shè)計(jì)

人機(jī)交互程序的功能主要是實(shí)現(xiàn)信息管理系統(tǒng)的人機(jī)交互控制和界面設(shè)計(jì)，采用GUI和MySQL實(shí)現(xiàn)界面設(shè)計(jì)的圖形渲染，數(shù)據(jù)處理模塊傳回的遙感定位數(shù)據(jù)在MinePressureCollectionC.nc里面完成信息定位和數(shù)據(jù)輸出，以圖形化形式實(shí)時顯示當(dāng)前的遙感定位信息，在人機(jī)交互程序設(shè)計(jì)中使用如下一些接口：

>>interface Timer< PHP MySQL > as collected data；

//Sample Timer；

>>interface Read< front page >； //Read WebGIS data analysis

>>interface ReadStream< alarm parameters >；

//alarm parameters （sampling period）

>>interface system initialization parameters； //Indication

>>detection system；

>>interface data processing module as regular database backup；

>>interface Send as AlertRoot；

>>interface Init as underground workstation；

>>interface Std implementation as SensorControl；

>>interface Std implementation as data import；

>>interface Std implementation as DisseminationControl；

>>interface SplitControl as RadioControl；

>>interface newAlert?>pressure = avg；

>>interface regular database //Persistent storage

>>interface ConfigStorage；

3 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試分析

采用系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試進(jìn)行系統(tǒng)的應(yīng)用性能分析，在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行Qt C++ API執(zhí)行WebGIS遙感定位信息的數(shù)據(jù)寫入和程序加載，系統(tǒng)調(diào)試過程使用的設(shè)備為Inter Pentium TYP3220A遙感地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器，Opengl32PST3202可編程控制器，實(shí)時讀取WebGIS遙感定位信息系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算并存儲，在人機(jī)交互界面配置管理員，設(shè)置系統(tǒng)初始化參數(shù)及約束參量指標(biāo)信息，整個聯(lián)調(diào)系統(tǒng)采用PHP和MySQL實(shí)現(xiàn)，Web控制端遠(yuǎn)程控制遙感定位信息管理，信息管理系統(tǒng)的Web控制端界面如圖3所示。

在管理系統(tǒng)Web控制端點(diǎn)擊左邊的data，可以查看遙感定位的歷史記錄，完成人機(jī)交互，得到遙感定位的輸出結(jié)果如圖4所示。

從以上調(diào)試結(jié)果分析得知，采用本文設(shè)計(jì)的遙感信息定位管理系統(tǒng)具有較好的人機(jī)交互性和界面友好型，數(shù)據(jù)定位信息的準(zhǔn)確度高，列表分類準(zhǔn)確明細(xì)。最后以實(shí)證數(shù)據(jù)為例，取其中的10個定位節(jié)點(diǎn)測試系統(tǒng)的遙感定位精度，得到的測試結(jié)果見表1和圖5。分析結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的遙感定位信息管理系統(tǒng)對遙感定位的精度較高。

4 結(jié) 語

本文提出基于WebGIS的遙感定位信息管理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。首先進(jìn)行遙感定位信息管理系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境描述和總體設(shè)計(jì)，信息管理系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺是Visual DSP++ 4.5，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能模塊包括WebGIS遙感信息采集模塊、數(shù)據(jù)加工模塊、集成信息處理模塊、智能控制模塊和人機(jī)交互通信模塊等，進(jìn)行系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)描述。最后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和仿真實(shí)驗(yàn)，分析得知，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對遙感信息的采集和定位，精度高，性能好。

參考文獻(xiàn)

[1] CHEN B， LIU X P， LIU K F， et al. Fuzzy approximation?based adaptive control of nonlinear delayed systems with unknown dead zone [J]. IEEE transactions on fuzzy systems， 2014， 22（2）： 237?248.

[2] TONG S C， HUO B Y， LI Y M. Observer?based adaptive decentralized fuzzy fault?tolerant control of nonlinear large?scale systems with actuator failures [J]. IEEE transactions on fuzzy systems， 2014， 22（1）： 1?15.

[3] HAN S I， LEE J M. Fuzzy echo state neural networks and funnel dynamic surface control for prescribed performance of a nonlinear dynamic system [J]. IEEE transactions on industrial electronics， 2014， 61（2）： 1099?1112.

[4] 秦寧寧，余穎華，吳德恩.移動混合傳感網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)自主部署算法[J].電子與信息學(xué)報，2016，38（7）：1838?1842.

[5] MAHBOUBI H， MOEZZI K， AGHDAM A G， et al. Distributed deployment algorithms for improved coverage in a network of wireless mobile sensors [J]. IEEE transactions on industrial informatics， 2014， 10（1）： 163?174.

[6] MAHBOUBI H. Distributed deployment algorithms for efficient coverage in a network of mobile sensors with nonidentical sensing capabilities [J]. IEEE transactions on vehicular technology， 2014， 63（8）： 3998?4016.

[7] GUBBI J， BUYYA R， MARUSIC S， et al. Internet of Things （IoT）： a vision， architectural elements， and future directions [J]. Future generation computer systems， 2013， 29（7）： 1645?1660.

[8] BOUDIA O R M， SENOUCI S M， FEHAM M. A novel secure aggregation scheme for wireless sensor networks using stateful public key cryptography [J]. Ad Hoc networks， 2015， 32（C）： 98?113.