基于移動(dòng)GIS的GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)

　　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)比如大容量存儲卡，無線局域網(wǎng)，無線通訊，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，移動(dòng)GIS 作為地理信息科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題，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(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(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；由愛爾蘭都柏林大學(xué)的A.Rizzinig 和K.

　　Gardiner 等撰寫的"移動(dòng)環(huán)境管理GIS 系統(tǒng)：魚類棲息地空間信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)",結(jié)合了無線網(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，為無線網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)GIS 的結(jié)合提供了原型參考；在國內(nèi)，南京大學(xué)的嚴(yán)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(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，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)（簡稱GPSID）設(shè)計(jì)面向移動(dòng)GIS 的GPS 定位導(dǎo)航系統(tǒng)，通過一個(gè)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(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，且不考慮個(gè)人用戶需求；電子介質(zhì)地圖，是通過計(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)的限制主要來源于以下幾個(gè)方面：1）屏幕分辨率低；2）顯示屏?。?）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：

　?。?） 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(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(dá)到用戶需求。

　?。?） 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(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)到簡潔實(shí)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(shè)備，對地圖的設(shè)計(jì)加以調(diào)整，地圖標(biāo)記和符號要簡單、明顯，使用的標(biāo)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(fù)雜，達(dá)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(dòng)設(shè)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(shù)據(jù)精簡處理，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GPS 模塊，下面將介紹一種開發(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），即在開發(fā)人員和GPS 硬件設(shè)備之間建立一個(gè)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(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(yīng)用程序無縫接合；對于應(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 開發(fā)方式，多采用編程語言直接操作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)，相對于傳統(tǒng)的開發(fā)方式擁有很多優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)行仿真模擬；5）支持多個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)訪問一個(gè)GPS 設(shè)備；6）使解析NMEA-0183 數(shù)據(jù)變得簡單。

　　GPS 中間驅(qū)動(dòng)的工作流程如圖1 所示：

　　通過程序語言調(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）及端口的打開關(guān)閉操作；API 函數(shù)修改操作系統(tǒng)注冊表信息，實(shí)現(xiàn)對GPS 硬件的實(shí)際訪問，GPS 設(shè)備響應(yīng)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(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。

　　通過上述四種API 函數(shù)，應(yīng)用程序開發(fā)人員可以獲得定位與導(dǎo)航數(shù)據(jù)，完成對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)換問題。