基于移動GIS的GPS定位導航系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘 要： 剖析了基于移動GIS 的GPS 定位導航系統(tǒng)的關鍵技術(shù)，設計出基于Smart Client 的系統(tǒng)開發(fā)架構(gòu)，通過GPS 中間驅(qū)動（GPS Intermediate Driver）技術(shù)及嵌入式開發(fā)方式，在PDA 電子地圖上實現(xiàn)GPS 的定位與導航。

　　1 引言

　　隨著計算機軟、硬件技術(shù)的高速發(fā)展，移動Internet 與GIS 的有機結(jié)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，很多新的技術(shù)比如大容量存儲卡，無線局域網(wǎng)，無線通訊，3G 網(wǎng)絡，GPS 全球定位導航系統(tǒng)也漸漸的被集成到智能設備中，這使得在移動設備上實現(xiàn)GIS 的功能成為可能。人們通常把用戶（終端設備）處于移動情況下使用的地理信息系統(tǒng)，稱為移動GIS。

　　近年來，移動GIS 作為地理信息科學領域研究的熱點問題，引起了很多學者們的關注。在理論上，國外學者提出了動態(tài)、可定制IMA（智能地圖代理）架構(gòu)[3];將電子地圖轉(zhuǎn)換為簡單空間格式的算法;在國內(nèi)，李德仁、李清泉等分析了空間信息與移動通信集成的關鍵技術(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(tǒng)建立和區(qū)域試驗的階段，該計劃旨在研究數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中地理數(shù)據(jù)與相關技術(shù)的整合應用； 由愛爾蘭都柏林大學的A.Rizzinig 和K.

　　Gardiner 等撰寫的"移動環(huán)境管理GIS 系統(tǒng)：魚類棲息地空間信息管理系統(tǒng)設計",結(jié)合了無線網(wǎng)絡和移動GIS 實現(xiàn)了環(huán)境空間數(shù)據(jù)的移動管理，為無線網(wǎng)絡與移動GIS 的結(jié)合提供了原型參考；在國內(nèi)，南京大學的嚴長清等在"基于GPS-PDA 的土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成設計"中采用PDA 與差分GP S 結(jié)合的方式，使移動GIS 數(shù)據(jù)采集滿足了國土資源行業(yè)的需求；王悅，吳云東等在"基于移動地圖學的空間信息系統(tǒng)"中分析了移動地圖學的發(fā)展趨勢，結(jié)合地圖學與其他學科交叉的現(xiàn)狀，以地圖學的觀點指出移動地圖服務發(fā)展的關鍵因素。

　　GPS 作為移動GIS 采集地理信息數(shù)據(jù)的一個主要手段，可以通過GPS 實時獲得點的位置信息，并在此基礎上實現(xiàn)導航的功能。利用GPS 中間驅(qū)動技術(shù)（簡稱GPSID）設計面向移動GIS 的GPS 定位導航系統(tǒng)，通過一個中間層連接開發(fā)端和GPS 模塊，使開發(fā)者無需直接接觸硬件部分，從而降低了開發(fā)者與GPS 串口通訊的難度。通過嵌入式開發(fā)，實現(xiàn)智能設備GPS 的定位導航功能，以滿足移動GIS 數(shù)據(jù)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設備上的地理信息數(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，制作復雜，更新周期長，且不考慮個人用戶需求；電子介質(zhì)地圖，是通過計算機成圖，采用單層或多層疊加顯示，內(nèi)容詳盡，更新快，有成熟的制作標準，可以進行復雜分析操作。

　　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源于以下幾個方面：1）屏幕分辨率低；2）顯示屏小；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、大風等的制約；6）移動設備沒有鼠標，鍵盤輸入功能也不強大。

　　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。Reichenbacher （2004）提出，PDA 電子地圖的設計需要滿足以下四個方面：

　?。?） 信息內(nèi)容：PDA 電子地圖所承載的信息，并不要求像傳統(tǒng)地圖那樣擁有對地理信息數(shù)據(jù)的全面而細致描述，但需要所加載的圖層數(shù)據(jù)能夠描述出用戶的需求，完成相應的任務。比如，用戶是某交通部門，相應的地圖設計可以在建筑物或河流方面加以簡化，而突出道路數(shù)據(jù)的展示。對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，精度要達到用戶需求。

　　（2） 用戶界面：PDA 電子地圖的界面要簡單整潔，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欄中，以節(jié)省更多的屏幕空間，用來顯示地圖信息。其次，充分利用鍵盤和觸摸筆編制系統(tǒng)功能快捷鍵，以達到簡潔實用的目的。

　　（3） 可視化：在可視化方面，要根據(jù)不同的環(huán)境和不同的設備，對地圖的設計加以調(diào)整，地圖標記和符號要簡單、明顯，使用的標記數(shù)量不宜過多，地圖背景色多以灰色等冷色調(diào)為主，對比度要鮮明，對要素類的填充圖案不易過于復雜，達到顯示內(nèi)容清晰，顯示效果良好。

　?。?） 技術(shù)：技術(shù)上，要充分考慮移動設備的存儲量、電池電量、CPU 處理能力、顯示屏大小等，通常可以對PDA 電子地圖進行分層和空間數(shù)據(jù)精簡處理，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GIS 要操作的圖層，多以矢量數(shù)據(jù)為主。

　　PDA 電子地圖的設計，是實現(xiàn)GPS 定位導航和移動GIS 數(shù)據(jù)采集的關鍵環(huán)節(jié)，地圖質(zhì)量的好壞直接關系到定位導航的精度和數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。實現(xiàn)移動設備的定位導航系統(tǒng)，離不開GPS 模塊，下面將介紹一種開發(fā)基于智能設備的定位導航系統(tǒng)的新技術(shù)-GPS中間驅(qū)動。

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

　　GPS 中間驅(qū)動（GPS Intermediate Driver），即在開發(fā)人員和GPS 硬件設備之間建立一個中間層，開發(fā)人員無需直接訪問GPS 硬件，而是通過訪問中間驅(qū)動提供的API 函數(shù)，間接與GPS 通訊。GPS 中間驅(qū)動是微軟公司在Windows Mobile 系列5.0 版本之后，提出的一個基于智能設備的GPS 應用程序開發(fā)理念。

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

　　傳統(tǒng)的GPS 開發(fā)方式，多采用編程語言直接操作GPS 硬件部分，進行GPS 數(shù)據(jù)文件流工作，完全人為的解析NMEA 數(shù)據(jù)，來實現(xiàn)串口通訊；或者使用已經(jīng)成型的移動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)動技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的開發(fā)方式擁有很多優(yōu)點，比如：

　　1）開發(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 端進行仿真模擬；5）支持多個應用程序同時訪問一個GPS 設備；6）使解析NMEA-0183 數(shù)據(jù)變得簡單。

　　GPS 中間驅(qū)動的工作流程如圖1 所示：

圖1 GPS 中間驅(qū)動工作流程。

　　通過程序語言調(diào)用GPSID 提供的API 函數(shù)，完成相應的GPS 參數(shù)設置（端口、波特率）及端口的打開關閉操作；API 函數(shù)修改操作系統(tǒng)注冊表信息，實現(xiàn)對GPS 硬件的實際訪問，GPS 設備響應訪問信號，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GPS 設備，建立與GPSID 的通訊；2）GPSCloseDevice:關閉GPS 設備；3）GPSGetPosition:獲取當前點位信息，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(wèi)星個數(shù)、定位質(zhì)量、時間等。

　　通過上述四種API 函數(shù)，應用程序開發(fā)人員可以獲得定位與導航數(shù)據(jù)，完成對GPS 設備的所有操作。

　　從GPS 設備中接收的位置數(shù)據(jù)，并不能直接的運用到實際的定位與導航之中，其間還存在坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換問題，下面將探討GPS 數(shù)據(jù)匹配到PDA 電子地圖上的坐標轉(zhuǎn)換問題。

4 GPS坐標轉(zhuǎn)換

　　智能設備GPS 接收的NMEA 格式數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換的前提下，通過坐標轉(zhuǎn)換實現(xiàn)坐標系的統(tǒng)一。

　　轉(zhuǎn)換過程分為兩步，第一步將WGS-84 橢球下的（B,L）坐標，通過高斯正算，轉(zhuǎn)換為該橢球下的平面坐標；第二步將高斯平面坐標，通過解析變換法，轉(zhuǎn)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(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算機編程實現(xiàn)的電算公式，使用1975 國際橢球參數(shù)，平面坐標精度可達0.001m。

　　4.2 平面坐標轉(zhuǎn)換

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

　　以下為模型的具體形式：

　　其中： , 通過采集兩坐標系下至少三對的公共點數(shù)據(jù)，使用最小二乘原理，列出誤差方程，求解出四個轉(zhuǎn)換參數(shù)。有了轉(zhuǎn)換參數(shù)，就能夠通過上式，求解出其它點在地方獨立坐標系下的平面坐標。

　　5 實例開發(fā)

　　實例硬件條件為HTC Touch HD 智能手機和內(nèi)置嵌入式GPS 模塊（定位精度10m）；坐標系為阜新獨立坐標系；開發(fā)平臺為Visual Studio.NET（2008），加載ArcGIS Mobile SDK 組件。

　　系統(tǒng)作為移動GIS 的一部分，采用與移動GIS相同的開發(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，在充分利用客戶端資源的同時支持與服務器的實時雙向同步。PDA 電子地圖數(shù)據(jù)既可以直接部署在智能設備的地圖緩存中，也可以通過無線網(wǎng)絡下載到客戶端存儲卡里。

　　系統(tǒng)實現(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 設置和GPS 操作主要包括端口、波特率設定、GPS 端口的打開和關閉；衛(wèi)星信息顯示功能，主要包括顯示經(jīng)緯度坐標、接收衛(wèi)星數(shù)、衛(wèi)星位置和信號強度。

圖3 系統(tǒng)功能設計圖。

為了驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可行性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕到y(tǒng)實地測試為安裝了本系統(tǒng)的智能手機，加載制作的遼寧工程技術(shù)大學PDA 電子地圖，測試PDA通過無線網(wǎng)絡訪問Internet的連通性，開啟GP S端口，從遼寧工程技術(shù)大學荃蕙路西起點出發(fā)，東行到達街道口，經(jīng)莘銘路、紫蔭路到達學校南門。測試所經(jīng)過的路線具有利用GPS 采集地理數(shù)據(jù)和導航的典型代表性。

　　GPS 中間件技術(shù)通過調(diào)用以下方法設置端口號和波特率：

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 導航。

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

　　通過以下代碼確定坐標參考框架，加載端口接收的GPS 數(shù)據(jù)，進行坐標轉(zhuǎn)換：

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

　　6 結(jié)論

　　使用GPS 中間驅(qū)動技術(shù)能夠簡潔、清晰、高效的開發(fā)出一套性能穩(wěn)定、功能全面的定位導航系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)可以做進一步的擴展和定制。當系統(tǒng)擴展應用到車載導航，系統(tǒng)的服務對象變更為路面行駛車輛時，就應在系統(tǒng)中加入地圖匹配技術(shù)和導航地圖數(shù)據(jù)庫；GPS 的定位導航精度也可以依據(jù)不同行業(yè)的需求加以靈活定制。例如，PDA 或智能手機可以集成差分GPS 模塊，定位精度可達到分米級。