基于嵌入式终端GIS系统的基本模型结构

张维维

【摘要】本文主要介绍了嵌入式手持终端GIS导航和地图编辑类的应用开发的基本模型结构。涉及到空间数据库，点，线，面位置空间，属性数据存储和索引，图形图像，栅格矢量图，遥感数据叠加，GPS定位，图层管理，路径计算，道路匹配，路书，轨迹，POI检索，跨平台，跨操作系统可移植性结构，本文采用三层经典架构进行分析，阐述了一个基本嵌入式GIS系统的体系结构。

【关键词】嵌入式;手持终端;GIS;模型结构

中图分类号：TN929                    文献标识码：A                     DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.13..011

近年来，我国经济发展水平明显提高，人们物质生活明显改善，日常出行及外出旅游次数呈现明显增多趋势。在人们出行过程中，基于嵌入式终端GIS系统能为人们提供空间位置信息服务，能支持人们实时了解所处位置。

1. 基于嵌入式终端GIS系统的基本概念

1.1 功能及特点

基于嵌入式终端GIS系统是融合嵌入式技术、GIS技术等的新型地理信息系统，具有可移动优势，可支持绘测工作中移动测图等。基于嵌入式终端GIS系统是的终端设备通常是智能手机或平板电脑，有采集数据信息、即时查询信息以及GPS定位、分析实时路径等多种功能，当前在物流配送、车辆导航以及城市智能交通管控等工作中得以有效应用，能使人们随时获取地理信息需求得以有效满足。基于嵌入式终端GIS系统设计要保障在较小体积和轻质量的前提下，有效提升性能及降低产品运行功率，方便人们携带和掌控。

1.2 技术支持

基于嵌入式终端GIS系统发展与以下四种技术有密切联系：一是移动互联技术，嵌入式终端GIS系统可将GIS多种功能在移动终端硬件设备中实现，移动互联技术可作为桥梁连接移动硬件设备和有GIS功能的服务器，将移动终端的地理位置信息实时传递给用户，有效摆脱终端的计算与存储能力的限制。二是嵌入式技术，嵌入式终端GIS系统需对接多样化的运行平台，嵌入式技术的支持能确保系统在多种平台中高效运行。三是GIS技术，GIS计算机系统可对空间数据信息进行采集、存储以及分析、描述等，能结合空间对象分析结果建立地理空间模型。四是GPS技术，嵌入式终端GIS系统可借助GPS支持下，获取移动终端的实时空间坐标位置信息，并在电子地图中展示出来，可使用户随时了解移动地理信息。

2. 基于嵌入式终端GIS系统的组成分析

2.1 基本嵌入式GIS系统的三层结构

经典的嵌入式GIS结构由三层结构组成：底层数据引擎，中间业务逻辑层，上层跨平台可移植性UI。底层数据引擎主要提供空间要素模型，空间数据存储，空间属性存储，数据同步，缓冲交换等业务逻辑。中间业务逻辑层主要提供应用逻辑业务处理，是底层和上层的衔接层。上层UI是图形界面，提供地图浏览，编辑，旋转，比例尺缩放等功能。

2.2 底层数据引擎层

底层地图引擎是上层的支撑，主要是空间数据的支撑。地理要素通过基本的点，线，面进行分类存储，通过建立空间索引进行位置信息和属性信息的检索。存储方式主要通过关系型数据库进行存储，常用的国外商用数据库有SQLSERVER，ORACLE，MYSQL。国产数据库有武汉达梦、人大金仓、南大通用、神州通用。地图空间有图层管理，图标，标注的管理，属性数据管理，超级路网管理，特种属性的数据管理。常见的空间索引有RTree。

2.3 中间业务逻辑层

中间业务逻辑层是对上层业务逻辑的动态支持，提供灵活的业务处理，比如提供路书，POI检索，轨迹等业务功能，通过从底层提取数据，加入一定的算法，为上层应用提供支持。偏于基础服务的有空间坐标系和投影转换，图形格式转换（矢量，栅格，遥感），路径计算，道路匹配和绑定，道路分级，道路规则。路径计算主要用到了常用的Dijkstra算法和A*算法，动态路径算法有蚁群算法等。目前业界会采用AI人工智能，大数据挖掘，深度学习等技术。点聚合算法主要有：GEOHASH，UBER H3蜂窝算法。

2.4 上层UI层

上层业务逻辑层是基于实际应用进行开发的图形界面框架。和实际用户应用相关。常见有如下功能：第一，真人语音导航，丰富的设施点信息GPS可设置自动搜索或手动搜索，快速定位并在地图上显示您当前所处的位置;真人女声提示，可播报前方道路名称。全国2000多个县市道路信息，数百万个设施点，随时可以查询当地宾馆、饭店、机场、车站、医院、厕所等所在位置。第二，交叉路口查询，驾驶导航智能纠错新增交叉路口查询功能，符合中国人查询习惯。驾车时如果没有按照语音提示转弯，软件可以立刻自动重新规划出新的路线，在下一个路口进行提示。第三，路线回避，简单实用交通信息经常变更，您可自行设定回避路线，如交通拥堵路段、危险路段、禁行路段、多监控点路段等，导航时就可避开设定的路段。信息管理，自我编辑将所有用户自己增加的信息归在一起：可在地址簿自定义信息点，如监控点、测速点、限速提醒等，并对信息点设定语音提醒。当驾车进入设定点范围内，会自播放您所设定的提醒内容;还可将设定好的路线进行保存。第四，轨迹导航，交流分享自动记录行驶路线轨迹，并可把轨迹当作道路进行语音导航，在偏远山区、沙漠地区永不迷路。用户还可相互间交流轨迹，按照已有轨迹驾车行驶，轨迹可双向使用，并有如同真实导航一样的语音提示。真实路口放大图，避免因路况复杂而走错驾车临近岔路口、环岛、立交桥，会自动显示真实路口放大图，再复杂的出入口也不用担心，此功能还可根据用户需要自行开启或关闭。横竖屏切换，昼夜自动切换便于单指操作的大图标，符合中国用户习惯的手持导航设备。根据用户使用习惯可对屏幕进行横竖切换。为方便夜间驾车，专门定制夜间模式，并可由软件根据时间来自动切换。第五，三维导航模式，车辆速度显示增加三维导航模式，符合驾车视角，导航观看三维地图更显直观。并增加车速显示，无需低头看仪表盘。自车位置设置，适合手持和车载选择自动匹配到道路上，适合在城市中行驶;选择显示GPS实际位置，则适合在沙漠、郊外等没有道路的地區行驶，也可以在不驾车时作为手持机定位使用。第六，编码定位，位置短信传输，地图上的每一个设施点及任意点均带有灵图编码，在双方都有安装天行者的PDA手机里，可在几秒钟内将当前点地名、时间、灵图编码、行政区域等信息以短信形式发给对方，对方收到短信后即可直接设为目的地，精准的描述自己所在的位置。

3. 基于嵌入式终端GIS系统组成的优化措施

在嵌入式终端GIS系统中，数据是确保系统运行的核心基础，在数据库纳入现实中各类地物的空间位置信息中是支持地理信息服务的前提条件。具体是依据现实中地物实际数据信息建立空间模型，实现对不同类型地物的抽象化概括，再定义及编码已模型化的空间对象，转化成图形及符号等形式并在计算机中存储。为提高查询及表达现实中地物信息，需将建立相应的数据模型，并依照相应的结构进行存储。所建立的地物数据模型质量将会对人们理解现实世界造成直接影响，同时也会决定数据信息存储量以及检索查询效率等。因此，为促使嵌入式终端GIS系统的应用效果提升，在设计系统数据存储模型及格式时，应将数据压缩技术及空间数据索引机制有效利用起来，对嵌入式终端GIS系统的数据对象进行优化。具体采取以下三种措施：一是及时删除处理无用的空间数据信息，存储地物的少量特征点将GIS空间信息完整表达出来，保障数据信息准确性和分析处理效率，尽量减少数据存储空间。二是合理利用高效压缩及解压缩算法，分析当前移动智能设备的CPU处理能力，确保系统运行速度达到应用要求，合理利用高效压缩及解压缩算法快速处理栅格等数据信息。三是提高检索查询地物空间数据信息的速度，在存储GIS数据信息时，将网格索引及八叉树索引等空间数据索引机制高效索引空间数据信息。

4. 基于嵌入式终端GIS系统的运行平台分析

4.1 Windows Phone系统平台

Windows Phone系统能实现桌面定制及滑动控制等，具有强劲的网络连接功能及共享功能，能使用户获得前卫的操作体验，可支持定制及修改产品。嵌入式终端GIS系统在Windows Phone系统平台的运行，能更为高效处理数据信息，同时也能存储更大的数据信息量，可实现在两个操作平台同时运行，可获得多核芯片组的支持。

4.2 Android系统平台

Android系统平台具有开放性特点，开发人员可不进行申请许可的前提下，依据自己想法修改系统功能。Android系统平台主要包括Linux.Kernel层、中间层以及用用软件层三部分，可运用C以及C++语言进行开发，程序则是依赖Java语言编写而成，用户能享受丰富的服务。嵌入式终端GIS系统在Android系统平台运行时，开发人员可按照用户个性化需要灵活定制系统功能，具有成本廉价等优点，但难以有效保障数据安全性。

5. 总结

综上，GIS是比较宽泛的概念，可应用的场景很广泛，三维，管网，国土，地下地质，WEBGIS，野外地质勘测，移动导航，国土资源，地图数据，农业，旅游，遥感，生态，应急，城市景观等，是国家各测绘，地质地矿部门的的政府需求。GIS的企业也比较多中地数码，吉奥，苍穹，超图，四维图新，高德，百度，腾讯等。极速快运，滴滴，图吧等软件也应用了地图技术。遥感所，中国地质调查局，软件所，计算所也分别有不同程度的应用。高精度地图，自动驾驶是未来的发展方向。国外比较先进的GIS厂商有MapInfo和ArcGIS（Esri），本文从自己的工作经验出发，介绍了移动终端，嵌入式GIS的基本模型和结构，开发好底層库结构，也可以提供接口供上层做二次开发。在这里也感谢中地数码集团和北京灵图软件的工作经历，给树立了完善的GIS模型体系观念。供广大学者，GISER，爱好者参考，能从本文得到启发。

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