基于移動(dòng)GIS的GPS定位導航系統的設計與實(shí)現

摘 要： 剖析了基于移動(dòng)GIS 的GPS 定位導航系統的關(guān)鍵技術(shù)，設計出基于Smart Client 的系統開(kāi)發(fā)架構，通過(guò)GPS 中間驅動(dòng)（GPS Intermediate Driver）技術(shù)及嵌入式開(kāi)發(fā)方式，在PDA 電子地圖上實(shí)現GPS 的定位與導航。

　　1 引言

　　隨著(zhù)計算機軟、硬件技術(shù)的高速發(fā)展，移動(dòng)Internet 與GIS 的有機結合，形成了面向手機等便攜式信息終端的GIS 應用方案。與此同時(shí)，很多新的技術(shù)比如大容量存儲卡，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，無(wú)線(xiàn)通訊，3G 網(wǎng)絡(luò )，GPS 全球定位導航系統也漸漸的被集成到智能設備中，這使得在移動(dòng)設備上實(shí)現GIS 的功能成為可能。人們通常把用戶(hù)（終端設備）處于移動(dòng)情況下使用的地理信息系統，稱(chēng)為移動(dòng)GIS。

　　近年來(lái)，移動(dòng)GIS 作為地理信息科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，引起了很多學(xué)者們的關(guān)注。在理論上，國外學(xué)者提出了動(dòng)態(tài)、可定制IMA（智能地圖代理）架構[3];將電子地圖轉換為簡(jiǎn)單空間格式的算法;在國內，李德仁、李清泉等分析了空間信息與移動(dòng)通信集成的關(guān)鍵技術(shù)，提出了集成系統的體系結構；劉召芹提出集成數據模型，提高了數據共享程度[5].在應用方面，由美國地理信息與分析中心（NCGIA）發(fā)起的名為Battuta 計劃正處于原型系統建立和區域試驗的階段，該計劃旨在研究數據采集系統中地理數據與相關(guān)技術(shù)的整合應用； 由愛(ài)爾蘭都柏林大學(xué)的A.Rizzinig 和K.

　　Gardiner 等撰寫(xiě)的移動(dòng)環(huán)境管理GIS 系統：魚(yú)類(lèi)棲息地空間信息管理系統設計,結合了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和移動(dòng)GIS 實(shí)現了環(huán)境空間數據的移動(dòng)管理，為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與移動(dòng)GIS 的結合提供了原型參考；在國內，南京大學(xué)的嚴長(cháng)清等在基于GPS-PDA 的土地變更調查數據采集系統集成設計中采用PDA 與差分GP S 結合的方式，使移動(dòng)GIS 數據采集滿(mǎn)足了國土資源行業(yè)的需求；王悅，吳云東等在基于移動(dòng)地圖學(xué)的空間信息系統中分析了移動(dòng)地圖學(xué)的發(fā)展趨勢，結合地圖學(xué)與其他學(xué)科交叉的現狀，以地圖學(xué)的觀(guān)點(diǎn)指出移動(dòng)地圖服務(wù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

　　GPS 作為移動(dòng)GIS 采集地理信息數據的一個(gè)主要手段，可以通過(guò)GPS 實(shí)時(shí)獲得點(diǎn)的位置信息，并在此基礎上實(shí)現導航的功能。利用GPS 中間驅動(dòng)技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)GPSID）設計面向移動(dòng)GIS 的GPS 定位導航系統，通過(guò)一個(gè)中間層連接開(kāi)發(fā)端和GPS 模塊，使開(kāi)發(fā)者無(wú)需直接接觸硬件部分，從而降低了開(kāi)發(fā)者與GPS 串口通訊的難度。通過(guò)嵌入式開(kāi)發(fā)，實(shí)現智能設備GPS 的定位導航功能，以滿(mǎn)足移動(dòng)GIS 數據采集的需求。

　　2 PDA電子地圖的設計

　　PDA 電子地圖是指顯示在智能移動(dòng)設備上的地理信息數據的可視化產(chǎn)品，它能夠根據用戶(hù)不同的需求提供相應的信息。PDA 電子地圖不同于傳統紙質(zhì)地圖或電子介質(zhì)地圖。傳統的紙質(zhì)地圖是繪制在硬紙或聚酯薄膜上，單層顯示，內容豐富，制作復雜，更新周期長(cháng)，且不考慮個(gè)人用戶(hù)需求；電子介質(zhì)地圖，是通過(guò)計算機成圖，采用單層或多層疊加顯示，內容詳盡，更新快，有成熟的制作標準，可以進(jìn)行復雜分析操作。

　　目前，PDA 電子地圖設計由于諸多的限制條件，無(wú)法具備上述兩種地圖的所有功能，PDA 電子地圖設計的限制主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：1）屏幕分辨率低；2）顯示屏??；3）屏幕色彩不豐富；4）CPU 處理能力低下；5）野外環(huán)境因素：強光、雨雪、大風(fēng)等的制約；6）移動(dòng)設備沒(méi)有鼠標，鍵盤(pán)輸入功能也不強大。

　　因此，PDA 電子地圖的設計需要綜合考慮上述的限制條件及設備自身特點(diǎn)。Reichenbacher （2004）提出，PDA 電子地圖的設計需要滿(mǎn)足以下四個(gè)方面：

　?。?） 信息內容：PDA 電子地圖所承載的信息，并不要求像傳統地圖那樣擁有對地理信息數據的全面而細致描述，但需要所加載的圖層數據能夠描述出用戶(hù)的需求，完成相應的任務(wù)。比如，用戶(hù)是某交通部門(mén)，相應的地圖設計可以在建筑物或河流方面加以簡(jiǎn)化，而突出道路數據的展示。對于要突出描述的專(zhuān)題信息，詳盡程度也有要求，專(zhuān)題信息的數據質(zhì)量要高，顯示要清晰，精度要達到用戶(hù)需求。

　?。?） 用戶(hù)界面：PDA 電子地圖的界面要簡(jiǎn)單整潔，界面元素盡量少，信息多采用整屏顯示，功能項放在顯示屏下方的任務(wù)欄中，以節省更多的屏幕空間，用來(lái)顯示地圖信息。其次，充分利用鍵盤(pán)和觸摸筆編制系統功能快捷鍵，以達到簡(jiǎn)潔實(shí)用的目的。

　?。?） 可視化：在可視化方面，要根據不同的環(huán)境和不同的設備，對地圖的設計加以調整，地圖標記和符號要簡(jiǎn)單、明顯，使用的標記數量不宜過(guò)多，地圖背景色多以灰色等冷色調為主，對比度要鮮明，對要素類(lèi)的填充圖案不易過(guò)于復雜，達到顯示內容清晰，顯示效果良好。

　?。?） 技術(shù)：技術(shù)上，要充分考慮移動(dòng)設備的存儲量、電池電量、CPU 處理能力、顯示屏大小等，通?？梢詫DA 電子地圖進(jìn)行分層和空間數據精簡(jiǎn)處理，將PDA 電子地圖分為基礎圖層和工作圖層?；A圖層作為背景層，多以影像為主；工作層為移動(dòng)GIS 要操作的圖層，多以矢量數據為主。

　　PDA 電子地圖的設計，是實(shí)現GPS 定位導航和移動(dòng)GIS 數據采集的關(guān)鍵環(huán)節，地圖質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到定位導航的精度和數據采集的質(zhì)量。實(shí)現移動(dòng)設備的定位導航系統，離不開(kāi)GPS 模塊，下面將介紹一種開(kāi)發(fā)基于智能設備的定位導航系統的新技術(shù)-GPS中間驅動(dòng)。

　　3 GPS中間驅動(dòng)（GPS Intermediate Driver）

　　GPS 中間驅動(dòng)（GPS Intermediate Driver），即在開(kāi)發(fā)人員和GPS 硬件設備之間建立一個(gè)中間層，開(kāi)發(fā)人員無(wú)需直接訪(fǎng)問(wèn)GPS 硬件，而是通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)中間驅動(dòng)提供的API 函數，間接與GPS 通訊。GPS 中間驅動(dòng)是微軟公司在Windows Mobile 系列5.0 版本之后，提出的一個(gè)基于智能設備的GPS 應用程序開(kāi)發(fā)理念。

　　GPSID 的提出擁有很高的商業(yè)價(jià)值，對于GPS 硬件制造商：GPSID 可以和應用程序無(wú)縫接合；對于應用程序提供商：它可以和任意支持GPSID 的GPS 設備進(jìn)行整合。

　　傳統的GPS 開(kāi)發(fā)方式，多采用編程語(yǔ)言直接操作GPS 硬件部分，進(jìn)行GPS 數據文件流工作，完全人為的解析NMEA 數據，來(lái)實(shí)現串口通訊；或者使用已經(jīng)成型的移動(dòng)GIS 軟件的GPS 功能，比如，ESRI 公司的ArcPad、超圖公司的eSuperMap 等。GPS 中間驅動(dòng)技術(shù)，相對于傳統的開(kāi)發(fā)方式擁有很多優(yōu)點(diǎn)，比如：

　　1）開(kāi)發(fā)速度快、效率高；2）擁有友好的API 接口函數；3）兼容傳統的GPS 數據文件流操作；4）可以在PC 端進(jìn)行仿真模擬；5）支持多個(gè)應用程序同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)GPS 設備；6）使解析NMEA-0183 數據變得簡(jiǎn)單。

　　GPS 中間驅動(dòng)的工作流程如圖1 所示：

圖1 GPS 中間驅動(dòng)工作流程。

　　通過(guò)程序語(yǔ)言調用GPSID 提供的API 函數，完成相應的GPS 參數設置（端口、波特率）及端口的打開(kāi)關(guān)閉操作；API 函數修改操作系統注冊表信息，實(shí)現對GPS 硬件的實(shí)際訪(fǎng)問(wèn)，GPS 設備響應訪(fǎng)問(wèn)信號，完成GPS 數據的接收與通訊。目前，GPSID 提供的API 函數包括以下四種：1）GPSOpenDevice:打開(kāi)GPS 設備，建立與GPSID 的通訊；2）GPSCloseDevice:關(guān)閉GPS 設備；3）GPSGetPosition:獲取當前點(diǎn)位信息，包括經(jīng)緯度、高程等；4）GPSGetDeviceState:獲取GPS 設備狀態(tài)信息，包括接收衛星個(gè)數、定位質(zhì)量、時(shí)間等。

　　通過(guò)上述四種API 函數，應用程序開(kāi)發(fā)人員可以獲得定位與導航數據，完成對GPS 設備的所有操作。

　　從GPS 設備中接收的位置數據，并不能直接的運用到實(shí)際的定位與導航之中，其間還存在坐標系統的轉換問(wèn)題，下面將探討GPS 數據匹配到PDA 電子地圖上的坐標轉換問(wèn)題。

4 GPS坐標轉換

　　智能設備GPS 接收的NMEA 格式數據為WGS-84 坐標系下的大地坐標，即用經(jīng)緯度高程（B,L,H）表示的坐標；PDA 電子地圖使用的是國家大地坐標系或地方獨立坐標系下的直角坐標，是用（X,Y）表示的平面坐標。因此，在不考慮高程參與轉換的前提下，通過(guò)坐標轉換實(shí)現坐標系的統一。

　　轉換過(guò)程分為兩步，第一步將WGS-84 橢球下的（B,L）坐標，通過(guò)高斯正算，轉換為該橢球下的平面坐標；第二步將高斯平面坐標，通過(guò)解析變換法，轉換為國家大地坐標系或地方獨立坐標系下的平面坐標（X,Y）。

　　4.1 高斯正算

　　根據不同的精度要求可以給出不同的高斯正算公式，下面采用一種適合于計算機編程實(shí)現的電算公式，使用1975 國際橢球參數，平面坐標精度可達0.001m。

　　4.2 平面坐標轉換

　　根據地方的實(shí)際情況和需要，將高斯平面坐標轉換為地方獨立坐標系下的平面坐標（X,Y），采用四參數轉換模型。使用此模型求解平面坐標分為三個(gè)步驟，第一步是將WGS-84 平面坐標系進(jìn)行旋轉；第二步將旋轉后的WGS-84 平面坐標系與地方平面坐標系進(jìn)行尺度統一；第三步進(jìn)行平移。