嵌入式移动GIS研究

在地理信息科学领域 , 基于嵌入式计算技术实现空间 信息的发布 、查询 、分析与共享 , 正成为其发展的重要方 向 之 一 。地 理 信 息 系 统 ( Geographic Information System , GIS) 作为空间信息应用的重要工具 , 已在世界范围内取得 了广泛而深入的应用 , 在各行各业发挥着巨大的作用 。但 是传统的 GIS 是静态的 GIS , 其所研究 、分析的对象局限 于空间位置相对固定的地理实体 , 现实应用中有很多问题 不能解决 , 例如 : 车载导航系统 、机载导航系统 、船载导 航系统 、掌上型导航定位系统等 , 均是移动的空间实体放 置在相对静止的空间实体群中 , 其中需要研究的是移动实 体与相对静止实体及实体群的位置 、关系等特性 , 利用静 态 GIS 中现有的原理和方法只能解决这些现象的少部分问 题 , 而非最优解决之道 。嵌入式移动 GIS 作为传统 GIS 在 微型移动终端上的实现 , 集成了嵌入式操作系统 、GIS、移 动通信 、无线互联网等多种技术 , 其出现和发展为此提供 了新的解决途径 。但由于发展时间尚短 , 目前该领域的研 究还处于起步阶段 。本文首先提出了嵌入式移动 GIS 的体 系结构 , 进而分析了系统涉及的若干关键技术 , 最后基于 联想的 PDA 平台 , 开 发 了 一 套 集 成 GPS、GSM 、GPRS、 GIS 的应用系统 。
嵌入式操作系统按实时性能可以分为两类 。一类是面 向控制 、通信等领域的强实时操作系统 , 如 WindRiver 公
司的 VxWorks、ISI 的 pSOS、QNX 系统软件公司的 QNX、 A TI 的 Nucleus 等 。另一类是面向消费电子产品的弱实时操 作系统 , 这类产品包括个人数字助理 ( PDA) 、移动电话 、 机顶盒 、电 子 书 、WebPhone 等 , 比 较 著 名 的 有 Windows CE、Palm OS、Linux 等 。在移动 GIS 领域应用的主要是第 二类操作系统 。
第 30 卷第 4 期 2005 年 8 月
Science
of
测绘科学 Surveying and
Mapping
Vol130 No14 Aug
嵌入式移动 GIS 研究
王继周 , 李成名
(中国测绘科学研究院 GIS 所 , 北京 100039)
【摘 要】嵌入式移动 GIS 能够弥补传统静态 GIS 在运动对象空间分析方面的不足 , 正成为地理信息科学领域新 的研究热点 。本文首先提出了嵌入式移动 GIS 的体系结构 , 进而分析了系统涉及的若干关键技术 , 最后开发了一 套集成 GPS、GSM 、GPRS、PDA 、GIS 的应用系统 。 【关键词】移动 GIS ; 嵌入式计算 ; PNS2I 【中图分类号】P208 【文献标识码】A 【文章编号】1009 - 2307 (2005) 04 - 0048 - 03
4) 导航定位软件系统 通过红外或串口获取 GPS 位置信息 , 转换到导航地图 的坐标系统 , 并进行 GPS 坐 移动通讯技术 目前应用的移动通信技术主要有 GSM 、CDMA 、GPRS
等 。其中 GSM 应用最为广泛 , 它采用了多项数字移动通信 的新技术 , 在编码方式上采用前向纠错编码和交织技术 , 保证在衰弱环境中的可靠通信 , 为了减小干扰 , 系统采用 低载干比的高效调制方式和跳频 、间断传输 、功率控制等 措施 。GSM 系统由终端子系统 ( MS) 、基站子系统 (BSS) 和 网络子系统 ( NSS) 组成 。CDMA 也是一种比较成熟的无线 通信技术 , 该数字网采用了展频技术 , 具有高效的频带利 用率 、较大的网络容量 、简化的网络规模 、较高的通话质 量 、较强的保密性 、较宽的覆盖面等特点 。GPRS ( General Packet Radio Service) 技术的出现和发展从技术上解决了目前 移动通信系统制约着无线数据业务发展的两个问题 : 其一 , 对数据业务的支持十分有限 , 在用户接入速率 、接入延迟 、 互通功能和业务种类等多方面不能满足用户需求 ; 其二 , 现 有移动通信的数据业务对无线资源是独占式的 , 收费机制以 占用时间为标准 , 这与数据业务的突发和间歇占用无线信道 的特征相矛盾 。而 GPRS 是以分组的方式进行数据交换的 , 既允许一个用户的数据同时在多个信道上进行传送 , 便于为 用户提供更高的数据传送速率 , 同时也允许多个用户的数据 在同一个信道上传送 , 提高资源利用率 。GPRS 的出现使基 于无线互联网的大数据量传送成为可能 。 312 移动数据传输技术
微软公司的 Windows CE 是一个较具代表性的 、由桌面 操作系统演变而成的实时嵌入式操作系统 。它是精简的 Windows 95 , 在系统实时性 、多任务管理 、中断嵌套 、优 先级倒置处理等方面有了较大的改进 。但从技术的角度来 说 , Windows CE 是非开放性 OS , 使第三方很难实现产品 的定制 ; 同时 Windows CE 在内核结构的设计中并未考虑适 应系统的高度可裁减性的要求 。而 Linux 的源代码是开放 的 , Linux 具有更小 、更稳定 、更具价格竞争力等优势 。嵌 入式操作系统的特殊要求为 Linux 在嵌入式系统中的发展 提供了广阔的空间 , 这使得 Linux 成为嵌入式操作系统中 的新贵 , 也是发展未来嵌入式设备产品的绝佳资源 。国内 从事嵌入式操作系统开发的单位不多 , 相对较成熟的是由 北京银科开发的 Delta KVM , 它移植了 SUN 公司的 KVM , 使用 KJava 规范 , 支持图形用户界面 。 314 移动定位技术
1 引 言
随着计算机技术的飞速发展 , 嵌入式计算机产业迅速 崛起并取得长足的进步 。纵观嵌入式技术的发展 , 大致经 历了以下 4 个阶段[1 ] : 第 1 阶段是以单芯片为核心的可编 程控制器形式的系统 , 同时具有与监测 、伺服 、指示设备 相配合的功能 ; 第 2 阶段是以嵌入式 CPU 为基础 、以简单 操作系统为核心的嵌入式系统 ; 第 3 阶段是以嵌入式操作 系统为标志的嵌入式系统 ; 第四阶段是以基于 Internet 为标 志的嵌入式系统 , 这是一个正在迅速发展的阶段 。目前大 多数嵌入式系统还孤立于 Internet 之外 , 但随着 Internet 的 发展以及 Internet 技术与信息家电 、工业控制技术等结合日 益密切 , 嵌入式设备与 Internet 的结合将代表着嵌入式技术 的真正未来 。
收稿日期 : 2004 - 10 - 12 基金项目 : 国家 863 计划资助项目 (2001AA136031)
第4期
王继周等 嵌入式移动 GIS 研究
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静态目标的快速显示等功能都是智能终端软件系统的重要组 成部分 。此外 , 适合于个人计算机的栅格 、矢量等数据结 构 , 在性能远远低于个人计算机的掌上型智能终端运行时 , 图形的显示 、缩放 、查询 、分析等功能的效率都比较低 , 因 此需要开发适用于低性能移动终端的高效数据结构 。
目前应用较为广泛的无线数据传输技术主要 有 SMS ( Short Message System ) 、 WAP ( Wireless Application Protocol) 、i2Mode (information2Mode) 三 种 。SMS 通 过 在 移 动通信系统中引入短消息业务中心作为存储转发单元实现 移动终端间的点对点的信息通讯 。SMS 通过数字控制信道 传递 , 许多移动站共用数字控制信道 , 为了避免争用造成 的延迟过长和较重负荷 , 单条信息的长度在点对点通信中 一般限制在 140 个字符 。WAP 是一个用于向无线终端进行 智能化信息传递的无需授权 、不依赖平台的协议 , 用来标 准化无线通讯设备 , 可用于 Internet 访问 , 包括收发电子邮 件 、访 问 WAP 网 站 上 的 网 页 等 。WAP 将 移 动 网 络 和 Internet 以及局域网紧密的联系起来 , 提供一种与网络类 型 、运营商和终端设备都独立的移动增值业务 。i2Mode 主 要应用在日本和香港 , 1999 年由 N TT DoCoMo 公司发布 。 i2Mode 服务通过建立在 DoCoMo 主网络上的附加的包通信 网络使用户可以直接访问因特网并享受因特网提供的各种 服务 , 包括电子邮件 、移动银行 、订票 、旅馆向导 、天气 预报等 。i2Mode 的数据传输技术允许持续连接 , 用户不是 按上线时间付费 , 而是按浏览信息量 。i2Mode 服务由四个 部分构成 : 具备语言和数据传输功能 , 并安装了浏览器的 手机 ; 包网络 ; i2Mode 服务器 ; 信息提供商 。 313 嵌入式操作系统
2 体系结构
与静态 GIS 相比 , 嵌入式移动 GIS 研究的对象不再是 关系具有不变性的实体集 , 而是少量有限的移动实体集 , 原来相对静止的实体集仅作为参考目标 。同时 , 硬件环境 也发生了较大变化 , 在移动端需要采用轻便 、灵活 、易于
携带 、外观设计优雅的智能化终端设备 。由于智能终端的 简化 , 其存储计算功能相对较弱 , 把全部静态空间数据存 储其上是极为不现实的 。故从固定服务器通过有线或无线 通信技术动态刷新智能终端中的空间数据技术和设备必不 可少 。因此 , 移动 GIS 系统的硬件构成至少有四部分 : 服 务器端的相关设备 、无线通信技术设备 、智能终端设备 、 移动目标空间定位设备 (如图 1 所示) 。
图 1 移动 GIS 体系结构 对应于移动 GIS 系统的硬件组成 , 其软件系统应包括 : 服务器端的空间信息服务与分发系统 、无线传输软件系统 、 智能终端软件系统和定位导航软件系统 。 1) 服务器端的空间信息服务与分发系统 移动 GIS 服务器端存放了大量的 、多尺度的空间数据 , 这些数据的查询 、统计 、检索及数据格式转换等功能属于 空间数据管理的范畴 。另外 , 服务器端的软件系统要能够 响应来自各处智能终端的并发服务请求 , 并自动启动空间 数据管理引擎 , 依据请求自动完成裁切 、拼接 、转换等步 骤 , 及时把智能终端需求的数据反馈到用户并刷新 。 2) 无线传输软件系统 服务器端和智能终端主要依靠无线方式传送数据 、交 换信息 。应当说 , 从终端向服务器发送的请求数据量较小 , 但服务器响应请求并发回的空间数据量相对无线传输速率 却十分庞大 。从理论上分析一个中等城市的数据需要 32 5min , 如此长的等待时间令人难以容忍 。因此在服务器端 引入压缩 、智能终端引入解压技术十分重要 。 3) 智能终端软件系统 在智能终端 , 移动目标位置的获取 、定位及查询分析和