嵌入式地理信息系统的设计和实现

摘要：设计一个基于嵌入式设备的地理信息系统的架构，提出GIS架构综合运用了多种现代技术，它们包括GIS技术和嵌入式技术，以及RS技术、GPS技术、移动计算技术以及通信技术等。

关键词: 地理信息系统；嵌入式；全球定位系统；空间数据

Abstract: based on embedded system design of the structure of the geographic information system, and puts forward the comprehensive GIS architecture using a variety of modern technology, they include GIS technology and embedded technology, and RS technology, GPS technology, mobile computing technology and communication technology, etc.

Keywords: geographic information systems; Embedded; Global positioning system; Spatial data

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

1.引言

随着GIS技术的不断成熟和它给人们带来的巨大便利，以及嵌入式设备性能的提高和普及，两者的结合成为一种必然的发展趋势。近年来，嵌入式GIS技术正成为GIS发展的热点之一，它的应用包括了汽车导航、野外测绘、物流运输、军事指挥等众多的领域。我国也已经开发出了自己的嵌入式GIS产品，比如武汉中地软件的MAPGIS-Embedded和北京超图公司的eSuperMap等。本章提出了一种基于嵌入式设备的地理信息系统的完整的体系架构，对于架构中涉及到的技术以及每一个模块都做了比较详细的说明。同时需要指出的是：这个架构不仅具有一定的理论价值，还具有很强的现实意义。我们已经按照此架构中提出的思想进行了代码实现，当然由于时间和精力的关系，只是实现了其中的一些基本的功能，但这却是自主开发嵌入式地理信息系统的一次有意的尝试，并具体介绍实现的过程和步骤，以及实现过程中一些难点、关键问题的解决。

2.嵌入式GIS体系架构

嵌入式地理信息系统的体系架构如图1所示。从图中可以看出，整个系统是基于C/S模式的，它由嵌入式设备、高性能计算机、全球定位系统(GPS)和空间数据库四个部分组成。

嵌入式设备由嵌入式硬件系统和嵌入式软件系统构成，其中嵌入式硬件系统要集成GPS定位信息的接收功能；在嵌入式硬件之上的一层是嵌入式操作系统(如ARM－Linux等)，它是嵌入式软、硬件之间的桥梁，主要负责文件管理、进程调度等功能；运行在嵌入式设备上的GIS软件（也就是客户端程序）包括地图的显示、缩放、漫游、缓冲分析、通讯等几个模块，通讯模块可以通过无线网络与高性能计算机（服务器）进行通信和数据传输。

高性能计算机（服务器）要实现最短路径、最优路径的查询等地理信息系统中比较复杂的功能，同时还要实现与客户端进行通讯、文件格式的转换，以及访问数据库服务器等功能。

对于系统中数据的存储，我们采取的是客户端－服务器两级数据存储模式，大部分的数据存放在服务器端（高性能计算机），客户端（嵌入式设备）只保留少量常用的数据；如果系统中的数据量过于庞大，甚至可以由一个具有海量存储器的计算机专门来存储服务器端的数据，并向服务器提供访问接口，这样可以减轻服务器的负担，提高整个系统的效率和处理数据的速度。在必要时，客户端可以向服务器提出更新数据的请求，服务器在接到请求后把相应的数据文件回传给客户端。

图1 基于嵌入式设备的GIS架构示意图

对系统的功能模块进行了划分，把地图显示、图层管理、缓冲分析、缩放和漫游等比较简单，对硬件资源消耗小的应用放在客户端，而把最优路径、最短路径的分析等复杂的应用放在服务器端。这样做的原因在于嵌入式硬件本身的资源非常有限，如存储空间偏小、处理器的速度也不是十分理想等，所以它不可能发展较为复杂的GIS空间分析功能。当客户端需要调用最短（优）路径查询等复杂的GIS分析功能时，就向服务器发出请求（其中包括客户端当前的位置、目的地等参数），服务器根据客户端传递的参数，对数据库进行一系列的查询、检索等操作后，将分析的结果回传给客户端，从而为客户提供决策支持，同时也减轻了嵌入式设备的负担，提高了它的工作效率。

3.全球定位系统及3S集成技术

3S技术为科学研究、政府管理、社会生产提供了新一代的观测手段、描述语言和思维工具。3S的结合应用，取长补短，是一个自然的发展趋势，三者之间的相互作用形成了“一个大脑，两只眼睛”的框架，即RS和GPS向GIS提供或更新区域信息以及空间定位，GIS进行相应的空间分析（图2），以从RS和GPS提供的浩如烟海的数据中提取有用信息，并进行综合集成，使之成为决策的科学依据。RS、GIS、GPS集成的方式可以在不同的技术水平上实现，最简单的办法是三种系统分开而由用户综合使用，进一步是三者有共同的界面，做到表面上无缝的集成，数据传输则在内部通过特征码相结合，最好的办法是整体的集成，成为统一的系统。

图2 3S的相互作用与集成

4.空间数据的无线传输

空间数据无线传输技术是完善嵌入式GIS 功能的重要技术之一。但是目前该技术的发展受到诸多因素的制约，下面就这些制约因素加以阐述和分析，并针对无线传输网络提出相应的解决方案。虽然GPRS是作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术，但是它相对于原来GSM的拨号方式的电路交换数据传送方式，在许多方面都具有显著的优势。正是由于GPRS具有以上的这些特点和优势，在我们设计的基于嵌入式设备的GIS系统架构中，采用了GPRS作为空间数据的无线传输网络。

5.试验结果

ECI GIS的开发严格遵循了软件工程的思想，并且针对嵌入式软件开发的特点，对软、硬件平台以及专业需求等因素也进行了综合的分析和考虑。但由于时间、技术等方面的原因，我们的软件只是实现了GIS中的一些基本功能。本节将重点向您介绍这些功能的实现，即程序运行的结果。说明：地图中的当前图层为上海市区县和主要河流。

图3全图显示

图4属性数据库的显示

结束语

ECI GIS1.0是一个基于嵌入式设备的地理信息系统软件，它经过了架构的搭建、模块设计、代码实现、软件移植和应用检验几个阶段，具备了地图缩放、信息查询等基本的功能。ECI GIS与其他的嵌入式地理信息系统相比，最大的特点就是它没有借助任何商业的操作系统(如WinCE)和GIS系统软件，实现过程中用到的Linux和GDAL函数库的源代码都是免费开放的。ECI GIS1.0是我们为开发出中国拥有自己完全版权的GIS软件而进行的有意的尝试和探索，这一点或许远远大于其在商业上的价值。

参考文献:

[1] 龚健雅. 地理信息系统基础[M]. 北京：科学出版社,2001.

[2] 张超，陈丙咸，邬伦．地理信息系统[M]. 北京：高等教育出版社，1995.

[3] 邬伦.地理信息系统――原理、方法和应用[M].北京：科学出版社， 2001.

[4] 朱光，季晓燕，戎只. 地理信息系统基本原理及应用[M].北京：测绘出版社 1997.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。