基于嵌入式終端GIS系統(tǒng)的基本模型結(jié)構(gòu)

張維維

【摘要】本文主要介紹了嵌入式手持終端GIS導(dǎo)航和地圖編輯類的應(yīng)用開發(fā)的基本模型結(jié)構(gòu)。涉及到空間數(shù)據(jù)庫(kù)，點(diǎn)，線，面位置空間，屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和索引，圖形圖像，柵格矢量圖，遙感數(shù)據(jù)疊加，GPS定位，圖層管理，路徑計(jì)算，道路匹配，路書，軌跡，POI檢索，跨平臺(tái)，跨操作系統(tǒng)可移植性結(jié)構(gòu)，本文采用三層經(jīng)典架構(gòu)進(jìn)行分析，闡述了一個(gè)基本嵌入式GIS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】嵌入式;手持終端;GIS;模型結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.13..011

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平明顯提高，人們物質(zhì)生活明顯改善，日常出行及外出旅游次數(shù)呈現(xiàn)明顯增多趨勢(shì)。在人們出行過(guò)程中，基于嵌入式終端GIS系統(tǒng)能為人們提供空間位置信息服務(wù)，能支持人們實(shí)時(shí)了解所處位置。

1. 基于嵌入式終端GIS系統(tǒng)的基本概念

1.1 功能及特點(diǎn)

基于嵌入式終端GIS系統(tǒng)是融合嵌入式技術(shù)、GIS技術(shù)等的新型地理信息系統(tǒng)，具有可移動(dòng)優(yōu)勢(shì)，可支持繪測(cè)工作中移動(dòng)測(cè)圖等?；谇度胧浇K端GIS系統(tǒng)是的終端設(shè)備通常是智能手機(jī)或平板電腦，有采集數(shù)據(jù)信息、即時(shí)查詢信息以及GPS定位、分析實(shí)時(shí)路徑等多種功能，當(dāng)前在物流配送、車輛導(dǎo)航以及城市智能交通管控等工作中得以有效應(yīng)用，能使人們隨時(shí)獲取地理信息需求得以有效滿足?；谇度胧浇K端GIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)要保障在較小體積和輕質(zhì)量的前提下，有效提升性能及降低產(chǎn)品運(yùn)行功率，方便人們攜帶和掌控。

1.2 技術(shù)支持

基于嵌入式終端GIS系統(tǒng)發(fā)展與以下四種技術(shù)有密切聯(lián)系：一是移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)，嵌入式終端GIS系統(tǒng)可將GIS多種功能在移動(dòng)終端硬件設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)可作為橋梁連接移動(dòng)硬件設(shè)備和有GIS功能的服務(wù)器，將移動(dòng)終端的地理位置信息實(shí)時(shí)傳遞給用戶，有效擺脫終端的計(jì)算與存儲(chǔ)能力的限制。二是嵌入式技術(shù)，嵌入式終端GIS系統(tǒng)需對(duì)接多樣化的運(yùn)行平臺(tái)，嵌入式技術(shù)的支持能確保系統(tǒng)在多種平臺(tái)中高效運(yùn)行。三是GIS技術(shù)，GIS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可對(duì)空間數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、存儲(chǔ)以及分析、描述等，能結(jié)合空間對(duì)象分析結(jié)果建立地理空間模型。四是GPS技術(shù)，嵌入式終端GIS系統(tǒng)可借助GPS支持下，獲取移動(dòng)終端的實(shí)時(shí)空間坐標(biāo)位置信息，并在電子地圖中展示出來(lái)，可使用戶隨時(shí)了解移動(dòng)地理信息。

2. 基于嵌入式終端GIS系統(tǒng)的組成分析

2.1 基本嵌入式GIS系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)

經(jīng)典的嵌入式GIS結(jié)構(gòu)由三層結(jié)構(gòu)組成：底層數(shù)據(jù)引擎，中間業(yè)務(wù)邏輯層，上層跨平臺(tái)可移植性UI。底層數(shù)據(jù)引擎主要提供空間要素模型，空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，空間屬性存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)同步，緩沖交換等業(yè)務(wù)邏輯。中間業(yè)務(wù)邏輯層主要提供應(yīng)用邏輯業(yè)務(wù)處理，是底層和上層的銜接層。上層UI是圖形界面，提供地圖瀏覽，編輯，旋轉(zhuǎn)，比例尺縮放等功能。

2.2 底層數(shù)據(jù)引擎層

底層地圖引擎是上層的支撐，主要是空間數(shù)據(jù)的支撐。地理要素通過(guò)基本的點(diǎn)，線，面進(jìn)行分類存儲(chǔ)，通過(guò)建立空間索引進(jìn)行位置信息和屬性信息的檢索。存儲(chǔ)方式主要通過(guò)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)，常用的國(guó)外商用數(shù)據(jù)庫(kù)有SQLSERVER，ORACLE，MYSQL。國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)有武漢達(dá)夢(mèng)、人大金倉(cāng)、南大通用、神州通用。地圖空間有圖層管理，圖標(biāo)，標(biāo)注的管理，屬性數(shù)據(jù)管理，超級(jí)路網(wǎng)管理，特種屬性的數(shù)據(jù)管理。常見的空間索引有RTree。

2.3 中間業(yè)務(wù)邏輯層

中間業(yè)務(wù)邏輯層是對(duì)上層業(yè)務(wù)邏輯的動(dòng)態(tài)支持，提供靈活的業(yè)務(wù)處理，比如提供路書，POI檢索，軌跡等業(yè)務(wù)功能，通過(guò)從底層提取數(shù)據(jù)，加入一定的算法，為上層應(yīng)用提供支持。偏于基礎(chǔ)服務(wù)的有空間坐標(biāo)系和投影轉(zhuǎn)換，圖形格式轉(zhuǎn)換（矢量，柵格，遙感），路徑計(jì)算，道路匹配和綁定，道路分級(jí)，道路規(guī)則。路徑計(jì)算主要用到了常用的Dijkstra算法和A*算法，動(dòng)態(tài)路徑算法有蟻群算法等。目前業(yè)界會(huì)采用AI人工智能，大數(shù)據(jù)挖掘，深度學(xué)習(xí)等技術(shù)。點(diǎn)聚合算法主要有：GEOHASH，UBER H3蜂窩算法。

2.4 上層UI層

上層業(yè)務(wù)邏輯層是基于實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)的圖形界面框架。和實(shí)際用戶應(yīng)用相關(guān)。常見有如下功能：第一，真人語(yǔ)音導(dǎo)航，豐富的設(shè)施點(diǎn)信息GPS可設(shè)置自動(dòng)搜索或手動(dòng)搜索，快速定位并在地圖上顯示您當(dāng)前所處的位置;真人女聲提示，可播報(bào)前方道路名稱。全國(guó)2000多個(gè)縣市道路信息，數(shù)百萬(wàn)個(gè)設(shè)施點(diǎn)，隨時(shí)可以查詢當(dāng)?shù)刭e館、飯店、機(jī)場(chǎng)、車站、醫(yī)院、廁所等所在位置。第二，交叉路口查詢，駕駛導(dǎo)航智能糾錯(cuò)新增交叉路口查詢功能，符合中國(guó)人查詢習(xí)慣。駕車時(shí)如果沒有按照語(yǔ)音提示轉(zhuǎn)彎，軟件可以立刻自動(dòng)重新規(guī)劃出新的路線，在下一個(gè)路口進(jìn)行提示。第三，路線回避，簡(jiǎn)單實(shí)用交通信息經(jīng)常變更，您可自行設(shè)定回避路線，如交通擁堵路段、危險(xiǎn)路段、禁行路段、多監(jiān)控點(diǎn)路段等，導(dǎo)航時(shí)就可避開設(shè)定的路段。信息管理，自我編輯將所有用戶自己增加的信息歸在一起：可在地址簿自定義信息點(diǎn)，如監(jiān)控點(diǎn)、測(cè)速點(diǎn)、限速提醒等，并對(duì)信息點(diǎn)設(shè)定語(yǔ)音提醒。當(dāng)駕車進(jìn)入設(shè)定點(diǎn)范圍內(nèi)，會(huì)自播放您所設(shè)定的提醒內(nèi)容;還可將設(shè)定好的路線進(jìn)行保存。第四，軌跡導(dǎo)航，交流分享自動(dòng)記錄行駛路線軌跡，并可把軌跡當(dāng)作道路進(jìn)行語(yǔ)音導(dǎo)航，在偏遠(yuǎn)山區(qū)、沙漠地區(qū)永不迷路。用戶還可相互間交流軌跡，按照已有軌跡駕車行駛，軌跡可雙向使用，并有如同真實(shí)導(dǎo)航一樣的語(yǔ)音提示。真實(shí)路口放大圖，避免因路況復(fù)雜而走錯(cuò)駕車臨近岔路口、環(huán)島、立交橋，會(huì)自動(dòng)顯示真實(shí)路口放大圖，再?gòu)?fù)雜的出入口也不用擔(dān)心，此功能還可根據(jù)用戶需要自行開啟或關(guān)閉。橫豎屏切換，晝夜自動(dòng)切換便于單指操作的大圖標(biāo)，符合中國(guó)用戶習(xí)慣的手持導(dǎo)航設(shè)備。根據(jù)用戶使用習(xí)慣可對(duì)屏幕進(jìn)行橫豎切換。為方便夜間駕車，專門定制夜間模式，并可由軟件根據(jù)時(shí)間來(lái)自動(dòng)切換。第五，三維導(dǎo)航模式，車輛速度顯示增加三維導(dǎo)航模式，符合駕車視角，導(dǎo)航觀看三維地圖更顯直觀。并增加車速顯示，無(wú)需低頭看儀表盤。自車位置設(shè)置，適合手持和車載選擇自動(dòng)匹配到道路上，適合在城市中行駛;選擇顯示GPS實(shí)際位置，則適合在沙漠、郊外等沒有道路的地區(qū)行駛，也可以在不駕車時(shí)作為手持機(jī)定位使用。第六，編碼定位，位置短信傳輸，地圖上的每一個(gè)設(shè)施點(diǎn)及任意點(diǎn)均帶有靈圖編碼，在雙方都有安裝天行者的PDA手機(jī)里，可在幾秒鐘內(nèi)將當(dāng)前點(diǎn)地名、時(shí)間、靈圖編碼、行政區(qū)域等信息以短信形式發(fā)給對(duì)方，對(duì)方收到短信后即可直接設(shè)為目的地，精準(zhǔn)的描述自己所在的位置。

3. 基于嵌入式終端GIS系統(tǒng)組成的優(yōu)化措施

在嵌入式終端GIS系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)是確保系統(tǒng)運(yùn)行的核心基礎(chǔ)，在數(shù)據(jù)庫(kù)納入現(xiàn)實(shí)中各類地物的空間位置信息中是支持地理信息服務(wù)的前提條件。具體是依據(jù)現(xiàn)實(shí)中地物實(shí)際數(shù)據(jù)信息建立空間模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型地物的抽象化概括，再定義及編碼已模型化的空間對(duì)象，轉(zhuǎn)化成圖形及符號(hào)等形式并在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)。為提高查詢及表達(dá)現(xiàn)實(shí)中地物信息，需將建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，并依照相應(yīng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)。所建立的地物數(shù)據(jù)模型質(zhì)量將會(huì)對(duì)人們理解現(xiàn)實(shí)世界造成直接影響，同時(shí)也會(huì)決定數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)量以及檢索查詢效率等。因此，為促使嵌入式終端GIS系統(tǒng)的應(yīng)用效果提升，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型及格式時(shí)，應(yīng)將數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)及空間數(shù)據(jù)索引機(jī)制有效利用起來(lái)，對(duì)嵌入式終端GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化。具體采取以下三種措施：一是及時(shí)刪除處理無(wú)用的空間數(shù)據(jù)信息，存儲(chǔ)地物的少量特征點(diǎn)將GIS空間信息完整表達(dá)出來(lái)，保障數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確性和分析處理效率，盡量減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。二是合理利用高效壓縮及解壓縮算法，分析當(dāng)前移動(dòng)智能設(shè)備的CPU處理能力，確保系統(tǒng)運(yùn)行速度達(dá)到應(yīng)用要求，合理利用高效壓縮及解壓縮算法快速處理柵格等數(shù)據(jù)信息。三是提高檢索查詢地物空間數(shù)據(jù)信息的速度，在存儲(chǔ)GIS數(shù)據(jù)信息時(shí)，將網(wǎng)格索引及八叉樹索引等空間數(shù)據(jù)索引機(jī)制高效索引空間數(shù)據(jù)信息。

4. 基于嵌入式終端GIS系統(tǒng)的運(yùn)行平臺(tái)分析

4.1 Windows Phone系統(tǒng)平臺(tái)

Windows Phone系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)桌面定制及滑動(dòng)控制等，具有強(qiáng)勁的網(wǎng)絡(luò)連接功能及共享功能，能使用戶獲得前衛(wèi)的操作體驗(yàn)，可支持定制及修改產(chǎn)品。嵌入式終端GIS系統(tǒng)在Windows Phone系統(tǒng)平臺(tái)的運(yùn)行，能更為高效處理數(shù)據(jù)信息，同時(shí)也能存儲(chǔ)更大的數(shù)據(jù)信息量，可實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)操作平臺(tái)同時(shí)運(yùn)行，可獲得多核芯片組的支持。

4.2 Android系統(tǒng)平臺(tái)

Android系統(tǒng)平臺(tái)具有開放性特點(diǎn)，開發(fā)人員可不進(jìn)行申請(qǐng)?jiān)S可的前提下，依據(jù)自己想法修改系統(tǒng)功能。Android系統(tǒng)平臺(tái)主要包括Linux.Kernel層、中間層以及用用軟件層三部分，可運(yùn)用C以及C++語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，程序則是依賴Java語(yǔ)言編寫而成，用戶能享受豐富的服務(wù)。嵌入式終端GIS系統(tǒng)在Android系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)行時(shí)，開發(fā)人員可按照用戶個(gè)性化需要靈活定制系統(tǒng)功能，具有成本廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，但難以有效保障數(shù)據(jù)安全性。

5. 總結(jié)

綜上，GIS是比較寬泛的概念，可應(yīng)用的場(chǎng)景很廣泛，三維，管網(wǎng)，國(guó)土，地下地質(zhì)，WEBGIS，野外地質(zhì)勘測(cè)，移動(dòng)導(dǎo)航，國(guó)土資源，地圖數(shù)據(jù)，農(nóng)業(yè)，旅游，遙感，生態(tài)，應(yīng)急，城市景觀等，是國(guó)家各測(cè)繪，地質(zhì)地礦部門的的政府需求。GIS的企業(yè)也比較多中地?cái)?shù)碼，吉奧，蒼穹，超圖，四維圖新，高德，百度，騰訊等。極速快運(yùn)，滴滴，圖吧等軟件也應(yīng)用了地圖技術(shù)。遙感所，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局，軟件所，計(jì)算所也分別有不同程度的應(yīng)用。高精度地圖，自動(dòng)駕駛是未來(lái)的發(fā)展方向。國(guó)外比較先進(jìn)的GIS廠商有MapInfo和ArcGIS（Esri），本文從自己的工作經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，介紹了移動(dòng)終端，嵌入式GIS的基本模型和結(jié)構(gòu)，開發(fā)好底層庫(kù)結(jié)構(gòu)，也可以提供接口供上層做二次開發(fā)。在這里也感謝中地?cái)?shù)碼集團(tuán)和北京靈圖軟件的工作經(jīng)歷，給樹立了完善的GIS模型體系觀念。供廣大學(xué)者，GISER，愛好者參考，能從本文得到啟發(fā)。

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