基于移动GIS的GPS定位导航系统的设计与实现

摘 要： 剖析了基于移动GIS 的GPS 定位导航系统的关键技术，设计出基于Smart Client 的系统开发架构，通过GPS 中间驱动（GPS Intermediate Driver）技术及嵌入式开发方式，在PDA 电子地图上实现GPS 的定位与导航。

　　1 引言

　　随着计算机软、硬件技术的高速发展，移动Internet 与GIS 的有机结合，形成了面向手机等便携式信息终端的GIS 应用方案。与此同时，很多新的技术比如大容量存储卡，无线局域网，无线通讯，3G 网络，GPS 全球定位导航系统也渐渐的被集成到智能设备中，这使得在移动设备上实现GIS 的功能成为可能。人们通常把用户（终端设备）处于移动情况下使用的地理信息系统，称为移动GIS。

　　近年来，移动GIS 作为地理信息科学领域研究的热点问题，引起了很多学者们的关注。在理论上，国外学者提出了动态、可定制IMA（智能地图代理）架构[3];将电子地图转换为简单空间格式的算法;在国内，李德仁、李清泉等分析了空间信息与移动通信集成的关键技术，提出了集成系统的体系结构；刘召芹提出集成数据模型，提高了数据共享程度[5].在应用方面，由美国地理信息与分析中心（NCGIA）发起的名为Battuta 计划正处于原型系统建立和区域试验的阶段，该计划旨在研究数据采集系统中地理数据与相关技术的整合应用； 由爱尔兰都柏林大学的A.Rizzinig 和K.

　　Gardiner 等撰写的"移动环境管理GIS 系统：鱼类栖息地空间信息管理系统设计",结合了无线网络和移动GIS 实现了环境空间数据的移动管理，为无线网络与移动GIS 的结合提供了原型参考；在国内，南京大学的严长清等在"基于GPS-PDA 的土地变更调查数据采集系统集成设计"中采用PDA 与差分GP S 结合的方式，使移动GIS 数据采集满足了国土资源行业的需求；王悦，吴云东等在"基于移动地图学的空间信息系统"中分析了移动地图学的发展趋势，结合地图学与其他学科交叉的现状，以地图学的观点指出移动地图服务发展的关键因素。

　　GPS 作为移动GIS 采集地理信息数据的一个主要手段，可以通过GPS 实时获得点的位置信息，并在此基础上实现导航的功能。利用GPS 中间驱动技术（简称GPSID）设计面向移动GIS 的GPS 定位导航系统，通过一个中间层连接开发端和GPS 模块，使开发者无需直接接触硬件部分，从而降低了开发者与GPS 串口通讯的难度。通过嵌入式开发，实现智能设备GPS 的定位导航功能，以满足移动GIS 数据采集的需求。

　　2 PDA电子地图的设计

　　PDA 电子地图是指显示在智能移动设备上的地理信息数据的可视化产品，它能够根据用户不同的需求提供相应的信息。PDA 电子地图不同于传统纸质地图或电子介质地图。传统的纸质地图是绘制在硬纸或聚酯薄膜上，单层显示，内容丰富，制作复杂，更新周期长，且不考虑个人用户需求；电子介质地图，是通过计算机成图，采用单层或多层叠加显示，内容详尽，更新快，有成熟的制作标准，可以进行复杂分析操作。

　　目前，PDA 电子地图设计由于诸多的限制条件，无法具备上述两种地图的所有功能，PDA 电子地图设计的限制主要来源于以下几个方面：1）屏幕分辨率低；2）显示屏小；3）屏幕色彩不丰富；4）CPU 处理能力低下；5）野外环境因素：强光、雨雪、大风等的制约；6）移动设备没有鼠标，键盘输入功能也不强大。

　　因此，PDA 电子地图的设计需要综合考虑上述的限制条件及设备自身特点。Reichenbacher （2004）提出，PDA 电子地图的设计需要满足以下四个方面：

　　（1） 信息内容：PDA 电子地图所承载的信息，并不要求像传统地图那样拥有对地理信息数据的全面而细致描述，但需要所加载的图层数据能够描述出用户的需求，完成相应的任务。比如，用户是某交通部门，相应的地图设计可以在建筑物或河流方面加以简化，而突出道路数据的展示。对于要突出描述的专题信息，详尽程度也有要求，专题信息的数据质量要高，显示要清晰，精度要达到用户需求。

　　（2） 用户界面：PDA 电子地图的界面要简单整洁，界面元素尽量少，信息多采用整屏显示，功能项放在显示屏下方的任务栏中，以节省更多的屏幕空间，用来显示地图信息。其次，充分利用键盘和触摸笔编制系统功能快捷键，以达到简洁实用的目的。

　　（3） 可视化：在可视化方面，要根据不同的环境和不同的设备，对地图的设计加以调整，地图标记和符号要简单、明显，使用的标记数量不宜过多，地图背景色多以灰色等冷色调为主，对比度要鲜明，对要素类的填充图案不易过于复杂，达到显示内容清晰，显示效果良好。

　　（4） 技术：技术上，要充分考虑移动设备的存储量、电池电量、CPU 处理能力、显示屏大小等，通常可以对PDA 电子地图进行分层和空间数据精简处理，将PDA 电子地图分为基础图层和工作图层。基础图层作为背景层，多以影像为主；工作层为移动GIS 要操作的图层，多以矢量数据为主。

　　PDA 电子地图的设计，是实现GPS 定位导航和移动GIS 数据采集的关键环节，地图质量的好坏直接关系到定位导航的精度和数据采集的质量。实现移动设备的定位导航系统，离不开GPS 模块，下面将介绍一种开发基于智能设备的定位导航系统的新技术-GPS中间驱动。

　　3 GPS中间驱动（GPS Intermediate Driver）

　　GPS 中间驱动（GPS Intermediate Driver），即在开发人员和GPS 硬件设备之间建立一个中间层，开发人员无需直接访问GPS 硬件，而是通过访问中间驱动提供的API 函数，间接与GPS 通讯。GPS 中间驱动是微软公司在Windows Mobile 系列5.0 版本之后，提出的一个基于智能设备的GPS 应用程序开发理念。

　　GPSID 的提出拥有很高的商业价值，对于GPS 硬件制造商：GPSID 可以和应用程序无缝接合；对于应用程序提供商：它可以和任意支持GPSID 的GPS 设备进行整合。

　　传统的GPS 开发方式，多采用编程语言直接操作GPS 硬件部分，进行GPS 数据文件流工作，完全人为的解析NMEA 数据，来实现串口通讯；或者使用已经成型的移动GIS 软件的GPS 功能，比如，ESRI 公司的ArcPad、超图公司的eSuperMap 等。GPS 中间驱动技术，相对于传统的开发方式拥有很多优点，比如：

　　1）开发速度快、效率高；2）拥有友好的API 接口函数；3）兼容传统的GPS 数据文件流操作；4）可以在PC 端进行仿真模拟；5）支持多个应用程序同时访问一个GPS 设备；6）使解析NMEA-0183 数据变得简单。

　　GPS 中间驱动的工作流程如图1 所示：

图1 GPS 中间驱动工作流程。

　　通过程序语言调用GPSID 提供的API 函数，完成相应的GPS 参数设置（端口、波特率）及端口的打开关闭操作；API 函数修改操作系统注册表信息，实现对GPS 硬件的实际访问，GPS 设备响应访问信号，完成GPS 数据的接收与通讯。目前，GPSID 提供的API 函数包括以下四种：1）GPSOpenDevice:打开GPS 设备，建立与GPSID 的通讯；2）GPSCloseDevice:关闭GPS 设备；3）GPSGetPosition:获取当前点位信息，包括经纬度、高程等；4）GPSGetDeviceState:获取GPS 设备状态信息，包括接收卫星个数、定位质量、时间等。

　　通过上述四种API 函数，应用程序开发人员可以获得定位与导航数据，完成对GPS 设备的所有操作。

　　从GPS 设备中接收的位置数据，并不能直接的运用到实际的定位与导航之中，其间还存在坐标系统的转换问题，下面将探讨GPS 数据匹配到PDA 电子地图上的坐标转换问题。

4 GPS坐标转换

　　智能设备GPS 接收的NMEA 格式数据为WGS-84 坐标系下的大地坐标，即用经纬度高程（B,L,H）表示的坐标；PDA 电子地图使用的是国家大地坐标系或地方独立坐标系下的直角坐标，是用（X,Y）表示的平面坐标。因此，在不考虑高程参与转换的前提下，通过坐标转换实现坐标系的统一。

　　转换过程分为两步，第一步将WGS-84 椭球下的（B,L）坐标，通过高斯正算，转换为该椭球下的平面坐标；第二步将高斯平面坐标，通过解析变换法，转换为国家大地坐标系或地方独立坐标系下的平面坐标（X,Y）。

　　4.1 高斯正算

　　根据不同的精度要求可以给出不同的高斯正算公式，下面采用一种适合于计算机编程实现的电算公式，使用1975 国际椭球参数，平面坐标精度可达0.001m。

　　4.2 平面坐标转换

　　根据地方的实际情况和需要，将高斯平面坐标转换为地方独立坐标系下的平面坐标（X,Y），采用四参数转换模型。使用此模型求解平面坐标分为三个步骤，第一步是将WGS-84 平面坐标系进行旋转；第二步将旋转后的WGS-84 平面坐标系与地方平面坐标系进行尺度统一；第三步进行平移。

　　以下为模型的具体形式：

　　其中： , 通过采集两坐标系下至少三对的公共点数据，使用最小二乘原理，列出误差方程，求解出四个转换参数。有了转换参数，就能够通过上式，求解出其它点在地方独立坐标系下的平面坐标。

　　5 实例开发

　　实例硬件条件为HTC Touch HD 智能手机和内置嵌入式GPS 模块（定位精度10m）；坐标系为阜新独立坐标系；开发平台为Visual Studio.NET（2008），加载ArcGIS Mobile SDK 组件。

　　系统作为移动GIS 的一部分，采用与移动GIS相同的开发架构，即Smart Client（智能客户端）架构，架构如图2 所示：

图2 Smart Client 系统开发架构图

　　该模式继承并结合C/S、B/S 模式的优点，在充分利用客户端资源的同时支持与服务器的实时双向同步。PDA 电子地图数据既可以直接部署在智能设备的地图缓存中，也可以通过无线网络下载到客户端存储卡里。

　　系统实现的主要功能如图3 所示，其中地图管理和地图操作为通用功能，主要包括放大、缩小、漫游；GPS 设置和GPS 操作主要包括端口、波特率设定、GPS 端口的打开和关闭；卫星信息显示功能，主要包括显示经纬度坐标、接收卫星数、卫星位置和信号强度。

图3 系统功能设计图。

为了验证系统的稳定性、可行性和数据传输的可靠性，系统实地测试为安装了本系统的智能手机，加载制作的辽宁工程技术大学PDA 电子地图，测试PDA通过无线网络访问Internet的连通性，开启GP S端口，从辽宁工程技术大学荃蕙路西起点出发，东行到达街道口，经莘铭路、紫荫路到达学校南门。测试所经过的路线具有利用GPS 采集地理数据和导航的典型代表性。

　　GPS 中间件技术通过调用以下方法设置端口号和波特率：

图4 地图在PDA 端显示。

图5 可用卫星位置分布。

图6 GPS 定位。

图7 GPS 导航。

　　通过URL（统一资源定位符）和缓存存储的路径，来唯一确定地图数据的位置：

　　通过以下代码确定坐标参考框架，加载端口接收的GPS 数据，进行坐标转换：

　　由以上调用主要函数的过程可以看出，GPS 中间件技术拥有更高的数据安全性，具有更强的可视化表达能力。

　　6 结论

　　使用GPS 中间驱动技术能够简洁、清晰、高效的开发出一套性能稳定、功能全面的定位导航系统。

　　系统可以做进一步的扩展和定制。当系统扩展应用到车载导航，系统的服务对象变更为路面行驶车辆时，就应在系统中加入地图匹配技术和导航地图数据库；GPS 的定位导航精度也可以依据不同行业的需求加以灵活定制。例如，PDA 或智能手机可以集成差分GPS 模块，定位精度可达到分米级。