基于移動(dòng)GIS的GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 剖析了基于移動(dòng)GIS 的GPS 定位導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)出基于Smart Client 的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)架構(gòu)，通過(guò)GPS 中間驅(qū)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(xiàn)GPS 的定位與導(dǎo)航。

　　1 引言

　　隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的高速發(fā)展，移動(dòng)Internet 與GIS 的有機(jī)結(jié)合，形成了面向手機(jī)等便攜式信息終端的GIS 應(yīng)用方案。與此同時(shí)，很多新的技術(shù)比如大容量存儲(chǔ)卡，無(wú)線局域網(wǎng)，無(wú)線通訊，3G 網(wǎng)絡(luò)，GPS 全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)也漸漸的被集成到智能設(shè)備中，這使得在移動(dòng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)GIS 的功能成為可能。人們通常把用戶（終端設(shè)備）處于移動(dòng)情況下使用的地理信息系統(tǒng)，稱為移動(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(guó)外學(xué)者提出了動(dòng)態(tài)、可定制IMA（智能地圖代理）架構(gòu)[3];將電子地圖轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單空間格式的算法;在國(guó)內(nèi)，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(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)；劉召芹提出集成數(shù)據(jù)模型，提高了數(shù)據(jù)共享程度[5].在應(yīng)用方面，由美國(guó)地理信息與分析中心（NCGIA）發(fā)起的名為Battuta 計(jì)劃正處于原型系統(tǒng)建立和區(qū)域試驗(yàn)的階段，該計(jì)劃旨在研究數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中地理數(shù)據(jù)與相關(guān)技術(shù)的整合應(yīng)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(tǒng)：魚(yú)類棲息地空間信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)",結(jié)合了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)GIS 實(shí)現(xiàn)了環(huán)境空間數(shù)據(jù)的移動(dòng)管理，為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)GIS 的結(jié)合提供了原型參考；在國(guó)內(nèi)，南京大學(xué)的嚴(yán)長(zhǎng)清等在"基于GPS-PDA 的土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)"中采用PDA 與差分GP S 結(jié)合的方式，使移動(dòng)GIS 數(shù)據(jù)采集滿足了國(guó)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(tǒng)"中分析了移動(dòng)地圖學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合地圖學(xué)與其他學(xué)科交叉的現(xiàn)狀，以地圖學(xué)的觀點(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(shù)據(jù)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(chǔ)上實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的功能。利用GPS 中間驅(qū)動(dòng)技術(shù)（簡(jiǎn)稱GPSID）設(shè)計(jì)面向移動(dòng)GIS 的GPS 定位導(dǎo)航系統(tǒng)，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(xiàn)智能設(shè)備GPS 的定位導(dǎo)航功能，以滿足移動(dòng)GIS 數(shù)據(jù)采集的需求。

　　2 PDA電子地圖的設(shè)計(jì)

　　PDA 電子地圖是指顯示在智能移動(dòng)設(shè)備上的地理信息數(shù)據(jù)的可視化產(chǎn)品，它能夠根據(jù)用戶不同的需求提供相應(yīng)的信息。PDA 電子地圖不同于傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖或電子介質(zhì)地圖。傳統(tǒng)的紙質(zhì)地圖是繪制在硬紙或聚酯薄膜上，單層顯示，內(nèi)容豐富，制作復(fù)雜，更新周期長(zhǎng)，且不考慮個(gè)人用戶需求；電子介質(zhì)地圖，是通過(guò)計(jì)算機(jī)成圖，采用單層或多層疊加顯示，內(nèi)容詳盡，更新快，有成熟的制作標(biāo)準(zhǔn)，可以進(jìn)行復(fù)雜分析操作。

　　目前，PDA 電子地圖設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(qiáng)光、雨雪、大風(fēng)等的制約；6）移動(dòng)設(shè)備沒(méi)有鼠標(biāo)，鍵盤輸入功能也不強(qiáng)大。

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

　　（1） 信息內(nèi)容：PDA 電子地圖所承載的信息，并不要求像傳統(tǒng)地圖那樣擁有對(duì)地理信息數(shù)據(jù)的全面而細(xì)致描述，但需要所加載的圖層數(shù)據(jù)能夠描述出用戶的需求，完成相應(yīng)的任務(wù)。比如，用戶是某交通部門，相應(yīng)的地圖設(shè)計(jì)可以在建筑物或河流方面加以簡(jiǎn)化，而突出道路數(shù)據(jù)的展示。對(duì)于要突出描述的專題信息，詳盡程度也有要求，專題信息的數(shù)據(jù)質(zhì)量要高，顯示要清晰，精度要達(dá)到用戶需求。

　?。?） 用戶界面：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(xiàng)放在顯示屏下方的任務(wù)欄中，以節(jié)省更多的屏幕空間，用來(lái)顯示地圖信息。其次，充分利用鍵盤和觸摸筆編制系統(tǒng)功能快捷鍵，以達(dá)到簡(jiǎn)潔實(shí)用的目的。

　?。?） 可視化：在可視化方面，要根據(jù)不同的環(huán)境和不同的設(shè)備，對(duì)地圖的設(shè)計(jì)加以調(diào)整，地圖標(biāo)記和符號(hào)要簡(jiǎn)單、明顯，使用的標(biāo)記數(shù)量不宜過(guò)多，地圖背景色多以灰色等冷色調(diào)為主，對(duì)比度要鮮明，對(duì)要素類的填充圖案不易過(guò)于復(fù)雜，達(dá)到顯示內(nèi)容清晰，顯示效果良好。

　　（4） 技術(shù)：技術(shù)上，要充分考慮移動(dòng)設(shè)備的存儲(chǔ)量、電池電量、CPU 處理能力、顯示屏大小等，通?？梢詫?duì)PDA 電子地圖進(jìn)行分層和空間數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)處理，將PDA 電子地圖分為基礎(chǔ)圖層和工作圖層?；A(chǔ)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(shù)據(jù)為主。

　　PDA 電子地圖的設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)GPS 定位導(dǎo)航和移動(dòng)GIS 數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，地圖質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到定位導(dǎo)航的精度和數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，離不開(kāi)GPS 模塊，下面將介紹一種開(kāi)發(fā)基于智能設(shè)備的定位導(dǎo)航系統(tǒng)的新技術(shù)-GPS中間驅(qū)動(dòng)。

　　3 GPS中間驅(qū)動(dòng)（GPS Intermediate Driver）

　　GPS 中間驅(qū)動(dòng)（GPS Intermediate Driver），即在開(kāi)發(fā)人員和GPS 硬件設(shè)備之間建立一個(gè)中間層，開(kāi)發(fā)人員無(wú)需直接訪問(wèn)GPS 硬件，而是通過(guò)訪問(wèn)中間驅(qū)動(dòng)提供的API 函數(shù)，間接與GPS 通訊。GPS 中間驅(qū)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(shè)備的GPS 應(yīng)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(duì)于GPS 硬件制造商：GPSID 可以和應(yīng)用程序無(wú)縫接合；對(duì)于應(yīng)用程序提供商：它可以和任意支持GPSID 的GPS 設(shè)備進(jìn)行整合。

　　傳統(tǒng)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(shù)據(jù)文件流工作，完全人為的解析NMEA 數(shù)據(jù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)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(shù)；3）兼容傳統(tǒng)的GPS 數(shù)據(jù)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(yīng)用程序同時(shí)訪問(wèn)一個(gè)GPS 設(shè)備；6）使解析NMEA-0183 數(shù)據(jù)變得簡(jiǎn)單。

　　GPS 中間驅(qū)動(dòng)的工作流程如圖1 所示：

圖1 GPS 中間驅(qū)動(dòng)工作流程。

　　通過(guò)程序語(yǔ)言調(diào)用GPSID 提供的API 函數(shù)，完成相應(yīng)的GPS 參數(shù)設(shè)置（端口、波特率）及端口的打開(kāi)關(guān)閉操作；API 函數(shù)修改操作系統(tǒng)注冊(cè)表信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS 硬件的實(shí)際訪問(wèn)，GPS 設(shè)備響應(yīng)訪問(wèn)信號(hào)，完成GPS 數(shù)據(jù)的接收與通訊。目前，GPSID 提供的API 函數(shù)包括以下四種：1）GPSOpenDevice:打開(kāi)GPS 設(shè)備，建立與GPSID 的通訊；2）GPSCloseDevice:關(guān)閉GPS 設(shè)備；3）GPSGetPosition:獲取當(dāng)前點(diǎn)位信息，包括經(jīng)緯度、高程等；4）GPSGetDeviceState:獲取GPS 設(shè)備狀態(tài)信息，包括接收衛(wèi)星個(gè)數(shù)、定位質(zhì)量、時(shí)間等。

　　通過(guò)上述四種API 函數(shù)，應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員可以獲得定位與導(dǎo)航數(shù)據(jù)，完成對(duì)GPS 設(shè)備的所有操作。

　　從GPS 設(shè)備中接收的位置數(shù)據(jù)，并不能直接的運(yùn)用到實(shí)際的定位與導(dǎo)航之中，其間還存在坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換問(wèn)題，下面將探討GPS 數(shù)據(jù)匹配到PDA 電子地圖上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

4 GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

　　智能設(shè)備GPS 接收的NMEA 格式數(shù)據(jù)為WGS-84 坐標(biāo)系下的大地坐標(biāo)，即用經(jīng)緯度高程（B,L,H）表示的坐標(biāo)；PDA 電子地圖使用的是國(guó)家大地坐標(biāo)系或地方獨(dú)立坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)，是用（X,Y）表示的平面坐標(biāo)。因此，在不考慮高程參與轉(zhuǎn)換的前提下，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的統(tǒng)一。

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

　　4.1 高斯正算

　　根據(jù)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(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)的電算公式，使用1975 國(guó)際橢球參數(shù)，平面坐標(biāo)精度可達(dá)0.001m。

　　4.2 平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

　　根據(jù)地方的實(shí)際情況和需要，將高斯平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地方獨(dú)立坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)（X,Y），采用四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型。使用此模型求解平面坐標(biāo)分為三個(gè)步驟，第一步是將WGS-84 平面坐標(biāo)系進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；第二步將旋轉(zhuǎn)后的WGS-84 平面坐標(biāo)系與地方平面坐標(biāo)系進(jìn)行尺度統(tǒng)一；第三步進(jìn)行平移。

　　以下為模型的具體形式：

　　其中： , 通過(guò)采集兩坐標(biāo)系下至少三對(duì)的公共點(diǎn)數(shù)據(jù)，使用最小二乘原理，列出誤差方程，求解出四個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)。有了轉(zhuǎn)換參數(shù)，就能夠通過(guò)上式，求解出其它點(diǎn)在地方獨(dú)立坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)。

　　5 實(shí)例開(kāi)發(fā)

　　實(shí)例硬件條件為HTC Touch HD 智能手機(jī)和內(nèi)置嵌入式GPS 模塊（定位精度10m）；坐標(biāo)系為阜新獨(dú)立坐標(biāo)系；開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Visual Studio.NET（2008），加載ArcGIS Mobile SDK 組件。

　　系統(tǒng)作為移動(dòng)GIS 的一部分，采用與移動(dòng)GIS相同的開(kāi)發(fā)架構(gòu)，即Smart Client（智能客戶端）架構(gòu)，架構(gòu)如圖2 所示：

圖2 Smart Client 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)架構(gòu)圖

　　該模式繼承并結(jié)合C/S、B/S 模式的優(yōu)點(diǎn)，在充分利用客戶端資源的同時(shí)支持與服務(wù)器的實(shí)時(shí)雙向同步。PDA 電子地圖數(shù)據(jù)既可以直接部署在智能設(shè)備的地圖緩存中，也可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下載到客戶端存儲(chǔ)卡里。

　　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能如圖3 所示，其中地圖管理和地圖操作為通用功能，主要包括放大、縮小、漫游；GPS 設(shè)置和GPS 操作主要包括端口、波特率設(shè)定、GPS 端口的打開(kāi)和關(guān)閉；衛(wèi)星信息顯示功能，主要包括顯示經(jīng)緯度坐標(biāo)、接收衛(wèi)星數(shù)、衛(wèi)星位置和信號(hào)強(qiáng)度。

圖3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)圖。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可行性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕到y(tǒng)實(shí)地測(cè)試為安裝了本系統(tǒng)的智能手機(jī)，加載制作的遼寧工程技術(shù)大學(xué)PDA 電子地圖，測(cè)試PDA通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)Internet的連通性，開(kāi)啟GP S端口，從遼寧工程技術(shù)大學(xué)荃蕙路西起點(diǎn)出發(fā)，東行到達(dá)街道口，經(jīng)莘銘路、紫蔭路到達(dá)學(xué)校南門。測(cè)試所經(jīng)過(guò)的路線具有利用GPS 采集地理數(shù)據(jù)和導(dǎo)航的典型代表性。

　　GPS 中間件技術(shù)通過(guò)調(diào)用以下方法設(shè)置端口號(hào)和波特率：

圖4 地圖在PDA 端顯示。

圖5 可用衛(wèi)星位置分布。

圖6 GPS 定位。

圖7 GPS 導(dǎo)航。

　　通過(guò)URL（統(tǒng)一資源定位符）和緩存存儲(chǔ)的路徑，來(lái)唯一確定地圖數(shù)據(jù)的位置：

　　通過(guò)以下代碼確定坐標(biāo)參考框架，加載端口接收的GPS 數(shù)據(jù)，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：

　　由以上調(diào)用主要函數(shù)的過(guò)程可以看出，GPS 中間件技術(shù)擁有更高的數(shù)據(jù)安全性，具有更強(qiáng)的可視化表達(dá)能力。

　　6 結(jié)論

　　使用GPS 中間驅(qū)動(dòng)技術(shù)能夠簡(jiǎn)潔、清晰、高效的開(kāi)發(fā)出一套性能穩(wěn)定、功能全面的定位導(dǎo)航系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)可以做進(jìn)一步的擴(kuò)展和定制。當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展應(yīng)用到車載導(dǎo)航，系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象變更為路面行駛車輛時(shí)，就應(yīng)在系統(tǒng)中加入地圖匹配技術(shù)和導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)庫(kù)；GPS 的定位導(dǎo)航精度也可以依據(jù)不同行業(yè)的需求加以靈活定制。例如，PDA 或智能手機(jī)可以集成差分GPS 模塊，定位精度可達(dá)到分米級(jí)。