GPS和嵌入式數據庫

　　GPS 

　　GPS系統的應用非常廣泛。包括車(chē)輛導航、地球物理資源勘探、市政規劃控制、海洋救援、飛機導航、導彈制導等等。不過(guò)最能夠被我們感受到的還是和我們生活最密切相關(guān)的導航服務(wù)。

　　GPS系統一般由地面控制系統、空間衛星、地面接收裝置三部分組成。用在導航的設備當中只有一個(gè)地面接收裝置。地面裝置接收來(lái)自空間衛星的信號，并計算出自己的位置。有了位置信息以后配合復雜的空間數據處理技術(shù)，導航設備就能夠輕松地將你送到目的地，并查詢(xún)出你感興趣的信息。

　　近年來(lái)，GPS導航設備越來(lái)越普及。在日本，使用GPS信號的車(chē)載導航設備面世已經(jīng)有將近20年的歷史了。很多人目睹了車(chē)載導航設備從昂貴的奢侈品到大量普及的過(guò)程。日本現有十多家廠(chǎng)商生產(chǎn)車(chē)載導航設備，除了在新車(chē)銷(xiāo)售同時(shí)配裝的原裝導航設備之外，現在日本年零售的車(chē)載導航設備有50多個(gè)品種，年銷(xiāo)售100萬(wàn)臺左右。

　　據統計，現在日本的車(chē)載導航設備的普及率在36％左右，因為商用車(chē)使用率比較低，所以如果只限家用轎車(chē)的話(huà)，普及率應該更高。另外，還有大量的個(gè)人導航設備(PND，Personal Navigation Device)正在被使用。

　　自動(dòng)導航法和GPS

　　車(chē)載導航設備是GPS導航服務(wù)最廣泛的應用之一。但是，車(chē)載導航設備最早只是裝載有車(chē)速脈沖、羅盤(pán)傳感器等自動(dòng)導航法的裝置。使用這種自動(dòng)導航法的裝置，要依靠裝置自身來(lái)推算出車(chē)輛的位置。因此，只能夠粗略地告訴駕駛員現在的位置及駛向目的地的路線(xiàn)。行駛開(kāi)始一段時(shí)間后，必須對行駛到的地點(diǎn)、行駛方向和行駛角度進(jìn)行調整，使用起來(lái)極不方便也談不上多準確，只是一個(gè)大概的位置服務(wù)。所以，最早在日本的車(chē)展上看到車(chē)載導航設備時(shí)，很多廠(chǎng)商的宣傳重點(diǎn)都在車(chē)輛的準確定位上。

　　現在GPS方法非常盛行，該方法通過(guò)GPS推算出車(chē)輛的位置。不過(guò)只靠GPS的話(huà)，不管怎樣設計總會(huì )有某種程度的誤差。在日本當時(shí)就因為美國衛星發(fā)送信號的誤差，沿著(zhù)海邊行駛的車(chē)輛，其導航設備上的自車(chē)標志(一個(gè)三角形箭頭)經(jīng)常會(huì )跑到海上去，讓人啼笑皆非。

　　因此，為了彌補雙方的缺點(diǎn)，日本的廠(chǎng)商將GPS和自動(dòng)導航法裝置結合來(lái)推算出車(chē)輛的位置，很好地解決了車(chē)輛自律準確定位的問(wèn)題?，F在即使是車(chē)輛進(jìn)入山洞等無(wú)法接收衛星信號的地方，導航設備上自車(chē)位置也會(huì )很準確地在地圖的道路上顯現。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，單純使用GPS信號的導航設備也大量進(jìn)入市場(chǎng)。GPS逐漸成為各種導航設備的主流技術(shù)。

　　GPS導航和LBS

　　僅有GPS所獲得的準確的空間位置坐標是毫無(wú)意義的。導航設備必須和基于位置的信息服務(wù)(LBS)相結合才會(huì )方便人們的生活，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。隨著(zhù)GPS模塊嵌入到諸多的移動(dòng)設備上去，LBS逐漸成為移動(dòng)運營(yíng)商大力發(fā)展的下一個(gè)增值業(yè)務(wù)。在日本的汽車(chē)GPS導航設備中，LBS非常人性化。導航設備檢測出車(chē)輛自身的位置后，根據需要查詢(xún)出用戶(hù)感興趣的信息(POI)并提示給用戶(hù)。

　　日本的導航設備內地圖的POI量非常豐富，比如加油站、飲食店、銀行、郵局，甚至廁所等等。開(kāi)車(chē)到相對陌生的地區或者深更半夜時(shí)，這種功能十分有效，可以短時(shí)間解決問(wèn)題。另外，外出旅游時(shí)，也可以通過(guò)檢索的選項(比如車(chē)站、休閑、地址等)了解某個(gè)區域內的名勝古跡，紀念堂、博物館、服務(wù)處、體育場(chǎng)、休閑地等等。檢索、保存等操作也十分簡(jiǎn)便，只要用手指往自己想去的方向點(diǎn)劃，就可鎖定想去的目標。導航設備內還存儲了日本黃頁(yè)中1000萬(wàn)個(gè)電話(huà)號和3000萬(wàn)個(gè)家庭電話(huà)號。也就是說(shuō)只要輸入電話(huà)號碼，就可以很輕易地檢索到從車(chē)輛位置到達目的地的路徑。一些已經(jīng)去過(guò)的地方，只要在保存過(guò)的目錄中搜一下，馬上就可以激活。外出回家時(shí)，只需按一下回家鍵，導航設備便會(huì )依據最早設定的條件，檢索出一條便捷的回家路線(xiàn)。

　　日本導航設備的地圖顯示也體現了位置服務(wù)。比例為50米以下時(shí)，地圖上還會(huì )顯示單行道及其方向。比例為10米時(shí)，甚至可以設定自己的車(chē)在道路的哪一側。地圖的顯示可以是平面的，也可以是立體的，立體又可以顯示為鳥(niǎo)瞰式和駕駛視野式的，立體圖像會(huì )在相應地點(diǎn)顯示標志性建筑。

　　GPS導航和ITS

　　智能交通系統(ITS)將道路、駕駛員和車(chē)輛有機地結合在一起，加強三者之間的聯(lián)系。將交通信息、堵車(chē)信息等不斷變化的道路狀況實(shí)時(shí)提供給需要的人們，以增強行車(chē)安全，減少行車(chē)時(shí)間，并指導行車(chē)路線(xiàn)。

　　日本的政府和企業(yè)組成了一個(gè)ITS的聯(lián)合組織。這個(gè)組織在道路上裝配了各種監視器和智能設備，實(shí)時(shí)采集道路的動(dòng)態(tài)信息。如：車(chē)速、流量、路面狀況等。然后將這些信息進(jìn)行匯總和分析，最終通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸給感興趣的導航設備。有了這些信息，導航設備在檢索目的地時(shí)，可以按照不同的優(yōu)先條件提供多條行車(chē)線(xiàn)路。開(kāi)車(chē)人根據自己的喜好決定其中的一條線(xiàn)路就可以輕松上路了。當然，開(kāi)車(chē)人如果不放心，也可以在上路前查閱每條檢索的路線(xiàn)內容。這時(shí)導航設備就會(huì )顯示每個(gè)區段經(jīng)過(guò)的道路名稱(chēng)和距離，包括使用收費道路時(shí)的費用等等。

　　當你決定了一條路線(xiàn)后，這條路線(xiàn)就會(huì )在導航設備的地圖上顯示為比較醒目的粗線(xiàn)條，直行或拐彎一目了然。導航設備一路都會(huì )用聲音提示你行車(chē)線(xiàn)路。在各個(gè)交叉路口，畫(huà)面會(huì )顯示和實(shí)際道路上指路牌一樣的標識和內容，包括每個(gè)交叉路口的名稱(chēng)。開(kāi)車(chē)的人只需聽(tīng)著(zhù)語(yǔ)音導航就可以確認自己所在位置和應該前行的方向。在多又路口會(huì )告訴你具體走哪個(gè)車(chē)道，轉向左還是右。畫(huà)面會(huì )同時(shí)顯示交叉口有幾個(gè)車(chē)道，是否有左拐右轉的專(zhuān)用車(chē)道的詳細畫(huà)面。即使因為種種原因錯過(guò)路口轉彎的時(shí)機，導航設備馬上會(huì )自動(dòng)根據車(chē)輛的位置重新檢索一條路線(xiàn)來(lái)引導你。除了顯示地圖、導航和行車(chē)軌跡外，還顯示指南針、時(shí)間、堵車(chē)信息、距離目的地的剩余路程和預定時(shí)間，以及現在車(chē)輛所在的行政區劃和具體地名等等。所有這些都會(huì )實(shí)時(shí)用語(yǔ)音告訴駕駛員。

　　GPS導航和娛樂(lè )

　　隨著(zhù)導航設備的普及和眾多廠(chǎng)家的競爭需要，很多廠(chǎng)家將娛樂(lè )功能和導航設備集成在一起。日本的車(chē)載導航設備已經(jīng)能夠看電視、聽(tīng)音樂(lè )、看影碟甚至上網(wǎng)，將家庭能夠享受到的娛樂(lè )環(huán)境都搬到了車(chē)內。

　　導航設備的數據

　　GPS的數據屬于地圖數據，GIS的數據屬于地理數據。地圖數據是地理數據的子集。地圖數據和地理數據一樣基本由空間數據、非空間數據和時(shí)間因素組成?？臻g數據是對具有空間特征的地物對象的數據化表示?？臻g特征是指空間地物的位置、形狀和大小等幾何特征，以及與相鄰地物的空間關(guān)系。在GPS系統中，每個(gè)物體空間都是一組具有經(jīng)緯度和高程度的坐標的點(diǎn)組成的。

　　各個(gè)物體的空間關(guān)系也是通過(guò)坐標點(diǎn)計算所得。而日常生活中，人們都是依靠各個(gè)物體的相對位置關(guān)系來(lái)確定空間位置的。非空間數據主要是空間目標的屬性特征。它是指除了時(shí)間和空間特征以外的空間現象的其他特征。如交通流量、天氣、空氣污染程度、道路寬度等等。時(shí)間特性是對空間目標及其屬性隨著(zhù)時(shí)間變化的一種描述和表現，如擁堵?tīng)顩r會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的變化而變化。

　　根據GPS數據的特性．人們將復雜的空間對象進(jìn)行抽象，用數學(xué)表達為四大類(lèi)：數字線(xiàn)劃數據、影像數據、數字高程模型和屬性數據。其中數字線(xiàn)劃數據和屬性數據是現在GPS導航系統中最感興趣的數據。數字線(xiàn)劃數據是將空間地物直接抽象為點(diǎn)、線(xiàn)、面的實(shí)體，用坐標描述它的位置和形狀。數字線(xiàn)劃數據是GPS的核心，也是地圖數據處理的主要對象。不過(guò)，GPS變得如此豐富，應用如此廣泛，給我們帶來(lái)極大方便的還是它的屬性數據?？臻g目標的屬性數據是沒(méi)有限制的，根據不同的目標可以設定任意多的必要的相關(guān)屬性。

　　目前在地圖數據的處理模型中用的最多的是拓撲矢量數據模型(空間目標可以描述成矢量數據。拓撲矢量數據模型是表示這些矢量數據之間的包含、相交、相離、相鄰等拓撲關(guān)系的一種數學(xué)模型)，而屬性數據模型通常用的是關(guān)系模型。拓撲矢量的圖形數據和關(guān)系型屬性數據之間用何種方式來(lái)連接也是一個(gè)需要仔細推敲的問(wèn)題。目前比較常見(jiàn)的辦法是擴展RDBMS增加空間數據管理。

　　無(wú)論是導航、位置服務(wù)還是智能交通，都需要對地圖數據進(jìn)行大量的查詢(xún)、更新和刪除，因此如何對空間數據建立索引就顯得非常重要。常見(jiàn)的空間索引方法一般都是逐級劃分地理空間，把查詢(xún)空間分成若干區域．從而形成各種空間索引結構。被劃分的區域包含空間要素并且有唯一標識。我們常見(jiàn)的網(wǎng)格系列索引和R樹(shù)系列索引都是建立在空間劃分基礎上的，只不過(guò)前者是基于規則分割法的劃分。后者是基于對象的劃分。

　　空間(導航)數據庫

　　空間數據庫能夠很好地將空間數據、影像數據和屬性數據無(wú)縫連接，是地理信息系統中數據處理的主流。導航數據庫可以看作空間數據庫的一個(gè)子集(也有人認為是交集)，是指為處理GPS的各種空間數據和屬性數據而建立的具有統一技術(shù)標準的地圖數據庫。它能夠存儲空間數據和屬性數據，并且對這些數據建立索引，方便其他應用系統快速地訪(fǎng)問(wèn)這些數據，同時(shí)負責處理空間數據和屬性數據的關(guān)系。從內容上可以描述成以空間數據(道路網(wǎng)等)為骨架的地理框架信息，其上疊加著(zhù)屬性數據(社會(huì )經(jīng)濟信息以及交通信息)等。

　　市場(chǎng)上成熟的幾個(gè)企業(yè)級的空間數據庫都是將空間數據存儲在RDBMS中，但是RDBMS一開(kāi)始并沒(méi)有提供空間數據類(lèi)型(如點(diǎn)、線(xiàn)、多邊形等)，也沒(méi)有提供對這些空間數據類(lèi)型的操作(如：判斷空間對象之間的包含、相鄰、相交等關(guān)系及求差、距離、最短路徑等計算)。后來(lái)人們在RDBMS的基礎上發(fā)展了支持空間數據的存儲和操作。常見(jiàn)的處理辦法如下：

　　在數據庫中可以定義多種空間數據類(lèi)型，每種空間數據都以二進(jìn)制的形式存儲具體的信息，同時(shí)存儲對該二進(jìn)制數據的描述信息(稱(chēng)為空間元數據)。每個(gè)空間目標(對象)就是符合這個(gè)二進(jìn)制字段規格的具體數值。把空間數據以二進(jìn)制的字段形式存儲，就能夠在同一張表內同時(shí)允許空間數據和屬性數據同時(shí)存在，大大方便了空間數據和屬性數據的操作。

　　除了空間數據以外，隨著(zhù)導航設備的發(fā)展，影像數據的處理和多媒體數據的處理也是必須解決的問(wèn)題。這涉及到另外一個(gè)話(huà)題——多媒體數據庫。不過(guò)一些大型的企業(yè)級數據庫提供商的產(chǎn)品，基本上可以滿(mǎn)足空間數據庫和多媒體數據庫的處理要求?？臻g數據庫提供了容易理解和調用的各種接口，屏蔽了復雜而抽象的各種空間數據的存儲和計算方法，使得最終用戶(hù)不需要花費多大的精力來(lái)理解這些復雜的過(guò)程就能夠輕松地進(jìn)行空間數據的處理。

　　如：Empress數據庫對空間數據的存儲、插入、修改操作完全和普通關(guān)系型數據一樣，一個(gè)Insert／update語(yǔ)句就可以；查詢(xún)空間目標之間的關(guān)系，也可以用簡(jiǎn)單的SQL語(yǔ)句來(lái)實(shí)現。一條簡(jiǎn)單的select語(yǔ)句就可以查詢(xún)出幾個(gè)空間對象之間相鄰、相交、包含等復雜的拓撲關(guān)系?？臻g數據庫在很好地完成空間數據的存儲和操作以外，還為開(kāi)發(fā)者提供了簡(jiǎn)單方便的調用方式?？臻g數據如何組織也會(huì )影響具體的應用。在導航中應用時(shí)，數據的組織應該以路徑優(yōu)化和目標查找的高效為目標。這樣，在數據存儲的時(shí)候，就應該考慮具體的空間數據和屬性數據如何劃分成不同的集合并關(guān)聯(lián)，進(jìn)而，使得具體的應用變得更加高效。尤其是在嵌入式領(lǐng)域，由于資源的限制和效率的要求，必須進(jìn)行有針對性的優(yōu)化。嵌入式領(lǐng)域的Empress空間(導航)數據庫

　　現在，企業(yè)級應用當中，大家都會(huì )使用空間數據庫來(lái)處理空間數據和屬性數據，以及二者之間的關(guān)系，對這些信息進(jìn)行檢索和更新都非常方便。在嵌入式領(lǐng)域則很難有比較好的空間數據庫產(chǎn)品。這是因為嵌入式領(lǐng)域內存和磁盤(pán)的存儲空間有限，CPU的處理能力也有限?，F有的一些嵌入式數據庫的提供商基本上只能提供最基本的關(guān)系型數據處理引擎或結構化數據處理引擎，基本上沒(méi)有針對空間數據處理的數據處理引擎。不過(guò)Empress嵌入式數據庫有30年的積累，不僅提供關(guān)系型和結構型的數據引擎，也有專(zhuān)門(mén)針對空間數據處理的數據庫引擎，在北美的許多軍事項目中有很多實(shí)例。當然，正如前文所說(shuō)，針對導航領(lǐng)域的優(yōu)化是必要的，Empress也正在為全球著(zhù)名的廠(chǎng)商進(jìn)行這方面的工作。

　　在國內的嵌入式領(lǐng)域，許多廠(chǎng)家仍然堅持文件的方式，原因很簡(jiǎn)單，主要是沒(méi)有看到國內有成熟的嵌入式數據庫在這個(gè)領(lǐng)域的成功應用，一時(shí)也很難說(shuō)服自己。所以，以下簡(jiǎn)單列舉嵌入式領(lǐng)域空間數據庫和文件系統的對比。

　　Empress嵌入式領(lǐng)域的空間數據管理引擎不僅提供標準的和擴展的SQL語(yǔ)句，還提供了高速靈活的C語(yǔ)言接口。因為。嵌入式領(lǐng)域往往穩定性、速度和性能是首要的，為了減少系統開(kāi)銷(xiāo)。增加數據處理的靈活性，必須要有高速靈活的接口。

　　另外，嵌入式領(lǐng)域對數據庫的引擎尺寸也很敏感。Empress嵌入式領(lǐng)域的空間數據管理引擎的尺寸根據客戶(hù)選擇的功能多少會(huì )有差距。引擎是可以嵌入到最終的應用程序中去的，對最終用戶(hù)是透明的，不需要維護。

　　下面簡(jiǎn)單介紹一下全球最大的某汽車(chē)廠(chǎng)商使用Empress嵌入式空間數據庫為車(chē)載導航設備的數據處理核心組件以后帶來(lái)的一些變化。

　　首先，可以進(jìn)行復雜的復合檢索、模糊檢索。如：“要在距離北京天安門(mén)10公里范圍內，并距離北京火車(chē)站3公里的范圍內的地方尋找名字當中有‘錦’字的三星級以上賓館”。這種檢索要用文件方式恐怕很難實(shí)現，即使勉強實(shí)現代價(jià)也非常昂貴。在嵌入式空間數據庫內，則很容易實(shí)現，效率也非常高。

　　其次，可以對數據庫內的空間數據及其屬性數據進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新，同時(shí)要保證這些更新的安全性，防止重復更新、無(wú)效更新甚至對原有數據的一致性產(chǎn)生破壞。Empress空間數據庫利用事務(wù)、各種粒度的鎖等來(lái)達到這些目的。

　　最后，不同的使用者可以設定自己的個(gè)性化數據和個(gè)性化功能。在使用導航時(shí)會(huì )根據個(gè)人的身份數據的不同。而產(chǎn)生不同的檢索結果。并且，可以對使用者的隱私數據進(jìn)行引擎級別的加密，保證絕對安全。