嵌入式地理信息系统的设计和实现

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 1.57MB 78 页 15积分

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嵌入式地理信息系统的设计和实现

摘要

目前，人类正进入以计算机、网络和卫星通信为特征的信息社会，人员流动

的日益频繁使每个人对空间信息有了更多的依赖，尤其是在户外和移动过程中，

对地理信息的需求非常普遍。人们更加关心“当前我在哪里？”、“目的地在哪

里”、“如何到达？”等问题。

为了满足人们的这种需求，我们开发了一个基于嵌入式设备的地理信息系

统。它已经具备了地图的显示、放大、缩小、漫游以及图文互查等基本的 GIS

功能。该系统最显著的特点是在开发的过程中没有借助任何商业的 GIS 系统软

件，并且选用 Linux 作为操作系统。这样不仅可以节约开发的成本，同时也可

以搞清楚整个 GIS 系统(从文件的解析到地图、查询结果的显示)的基本实现机

制，为开发自己拥有完全版权的 GIS 系统打下基础。

整个开发的过程分为三个阶段：①系统的设计，包括系统架构的搭建和模块、

类的设计；②在台式机上实现前一阶段提出的各个功能；③把程序移植到嵌入式

设备上运行。

本系统是基于 Clieng/Server 模式的，综合运用了 GPS、GIS、GPRS、交叉

编译等技术，利用 GPS 进行全球定位，GIS 对数据进行处理后向人们提供决策

支持，GPRS 作为无线网络传输空间数据以及用户需求等信息，在软件的移植

阶段使用了交叉编译技术。

论文的主体分为四个部分，首先是对嵌入式的一些相关概念做了介绍；然

后提出了一个基于嵌入式设备的 GIS 系统的具体架构，并对架构中涉及到的相

关技术做了表述；接下来是介绍地图的显示、缩放、漫游等功能的代码实现；

最后介绍了交叉编译的相关知识和程序运行的结果。

关键词: 地理信息系统嵌入式全球定位系统空间数据

嵌入式地理信息系统的设计和实现

Abstract

Now our society is rapidly advancing towards an information age and it is

characterized by computer、network and communication satellite.When people move

especially at outdoors, they are in great need of geographic information. More and

more people become concermed about the matters such as “where am I”, “where is

my destination” and “How can I get there” .etc

In order to meet peoples’demand for spatial information, we developed an

embedded geographic information system.The embedded GIS has implemented

zoomout、zoomout、pan、identify features and so on.The system is based on Linux

and we are not by dint of any business GIS software in the procedure of developing

it.

The course of development can be divided into three phases:

1. Designing the architecture and system module；

2. Implementing the basic function of GIS on personal comuter；

3. Transplanting the software to embedded device.

This paper presents the author’s work in research of the Embedded Geographic

Information System. Most of the thesis focuses the architecture of the Embedded

GIS and some key technologies of it. Firstly, it describes the actuality of the

Embedded GIS and introduces some important concepts. Secondly, it brings forward

a geographic information system architecture based on embedded device and some

key technologies involoved such as GPS 、GPRS、and spatial database.Thirdly, I

explain the implementation of software runned on the client. Lastly, the author

introduces cross-compile technology and excute results of the program.

Key Words: GIS Embedded GPS Spatial Database

嵌入式地理信息系统的设计和实现

III

摘要 ........................................................... I

Abstract ...................................................... II

第一章绪论 .................................................... 1

§1.1 嵌入式 GIS 的研究进展 ......................................1

§1.2 论文研究主题、意义和创新点 ................................2

第二章嵌入式地理信息系统概述 .................................. 3

§2.1 地理信息系统(GIS)概述 .....................................3

§2.2 有关“嵌入式”的基本概念 ..................................5

§2.2.1 嵌入式系统 .......................................... 5

§2.2.2 嵌入式设备 .......................................... 7

§2.2.3 嵌入式操作系统 ...................................... 8

§2.2.4 嵌入式 INTERNET .....................................10

§2.2.5 信息家电(IA) ....................................... 10

§2.2.6 嵌入式系统工业 ..................................... 11

§2.3 嵌入式地理信息系统 .......................................12

§2.4 基于位置的服务(LBS) ......................................13

§2.5 数字地图 .................................................14

第三章基于嵌入式设备的 GIS 架构设计 ........................... 16

§3.1 嵌入式 GIS 体系架构概述 ...................................16

§3.2 全球定位系统及 3S 集成技术 ................................18

§3.2.1 全球定位系统概述 ................................... 18

§3.2.2 GPS 定位的基本原理 ..................................19

§3.2.3 3S 的集成 ...........................................19

§3.3 空间数据的无线传输 .......................................22

§3.4 空间数据文件的格式 .......................................25

第四章嵌入式地理信息系统的实现 ............................... 27

§4.1 软件体系结构 .............................................27

§4.1.1 开发环境 ............................................27

§4.1.2 软件的层次结构 ......................................27

§4.1.3 空间数据的组织 ......................................29

§4.1.4 Qt 的信号与槽机制 ...................................29

§4.2 类定义 ...................................................33

§4.3 地图显示功能的实现 .......................................46

§4.4 缩放、漫游功能的实现 .....................................55

§4.5 信息查询功能的实现 .......................................60

第五章 ECI GIS 试验结果 ........................................65

§5.1 交叉编译 .................................................65

§5.1.1 交叉编译环境准备 ................................... 65

§5.1.2 确保系统已装有嵌入式 qt 库（for ARM） ............... 65

§5.1.3 开发环境设置：设置交叉编译器选项 ................... 66

§5.2 试验结果 .................................................68

第六章结束语 ................................................. 72

§6.1 总结 .....................................................72

嵌入式地理信息系统的设计和实现

§6.2 展望 .....................................................72

参考文献 ...................................................... 74

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ................ 75

致谢 .......................................................... 76

第一章绪论

§1.1 嵌入式GIS的研究进展

自 1962 年加拿大人 Rogertomlinson 首先提出地理信息系统的概念并领导建

立了世界上第一个具有实用价值的地理信息系统——加拿大地理信息系统

（Canada geographic information system，简称“CGIS”）以来，地理信息系统

在全球范围内获得了长足的进步。作为对人类生活空间的数字化描述、分析和表

达的工具，GIS 正逐渐成为信息产业的一个重要组成部分，成为国民经济新的增

长点。全球范围内从事 GIS 理论和应用研究的研发人员、科研院所和高新企业不

计其数，应用科学化、科学技术化、技术产业化已经成为 GIS 领域发展的主旋律。

地理信息系统正在从一个单纯的应用系统发展为一个完整的技术系统和理论体

系。

GIS（地理信息系统）的发展是从 1965 年开始的，当时哈佛大学一个土地测

量专业的学生在毕业论文中提到这样一个想法：能否把数据系统与地理测量融合

在一起。于是，他设计了一个最简单的 GIS 系统，并在毕业后成立了 ESRI 公司。

现在它是全球最大的 GIS 系统方面的公司。

经过几十年的发展，GIS 系统已由地学领域的应用演变为以服务地学领域应

用为主要目的的“基础型”平台软件，以服务商用办公领域为主要目的的“桌面

型”平台软件和以服务于城市公共设施管理为主要目的的 AM/FM/GIS (Automated

Mapping/Facilities Management/Geographic Information System)系统等多个

分支。GIS 不仅应用在地理、地质等专业领域，目前在各个领域都有广泛的应用，

如军事、水利、电力、石油、交通、电信、公安、环保等。

嵌入式 GIS 是GIS 技术和嵌入式技术相结合的产物，是一个新兴的应用领域，

从车载（个人）导航系统到野外测绘都是嵌入式 GIS 面临的市场需求。嵌入式

GIS 通过手机或 PDA 等嵌入式设备结合 GPS 定位或 GSM 定位向个人提供随时随

地的位置服务，不仅可以知道自己在哪里，而且可以随时查询附近的饭店、加油

站、电影院在哪里，因此嵌入式 GIS 可以给人们的日常生活带来极大的方便，并

且其有着巨大的市场潜力。嵌入式 GIS 已经成为当前地理信息（GIS）发展的热

点之一，国外的 GIS 巨头纷纷投入巨资开发自己的嵌入式 GIS 产品，国内也有近

十家企业进行相关产品开发工作。嵌入式 GIS 软件一经出现便预示着其巨大的前

景：以应用于手机的个人定位服务（LBS）的为例，我国有一亿多移动用户，以

每人每月 5元的空间信息服务费计算，一年就是 60 亿人民币的市场；在个人汽车

导航领域嵌入式 GIS 亦是同样前景广阔，日本目前已经约有 200 万台汽车安装了

嵌入式 GIS，在很多高档车上嵌入式 GIS 已经成了基本配置，而在我国未来十年，

若仅以 10%的新增加汽车安装上嵌入式 GIS，这个市场规模也在百亿以上。嵌入

式GIS 软件良好的前景引起各大 GIS 生产厂家的重视，代表性产品有：

国外：

1. ESRI 提供了 ArcGIS 软件产品—ArcPad。

嵌入式地理信息系统的设计和实现

2. MapInfo 公司的嵌入式 GIS 产品－MapX Mobile。

3. Autodesk 公司提供了 Autodesk OnSite 的“移动访问”模块。

4. Intergraph 建立自己的移动 GIS 解决方案—IntelliWhere。

国内：

1. 北京灵图软件技术有限公司推出的在移动信息设备上提供地理信息以及

位置信息服务的 SmartInHand 软件产品。

2. 北京慧图公司推出的 TopMap CEGenius，可运行于掌上电脑、进行移动

制图和 GIS 应用的野外地质数据采集系统：。

3. 北京超图开发出地理信息系统开发平台-eSuperMap。

4. 武汉中地软件推出提供具有二次开发能力的的嵌入式 GIS 软件 MapGIS

－Embedded。

5. 台湾“英瑞得信息”公司设计出支持 GPS 全球卫星定位系统专用软件

“WalkMap 地图随身走”

这些产品都具备一些共同的基本功能，如：图形显示、资料查询、GPS 定位

与导航、距离量算、用户标注、路径选择、语音提示、人性化的界面等。但都是

基于某种应用的初步、单一的嵌入式 GIS 产品，离企业级的完整、规模解决方案

还有一定的距离。

§1.2 论文研究主题、意义和创新点

论文研究的主题是设计一个基于嵌入式设备的地理信息系统的架构，并对运

行在嵌入式设备上的模块进行了编程实现。论文中提出 GIS 架构综合运用了多种

现代技术，它们包括 GIS 技术和嵌入式技术，以及 RS(遥感)技术、GPS(全球定位

系统)技术、移动计算(Mobile Computation)技术以及通信技术等。论文除了具有很

强的实践性和应用价值之外，也具有一定的理论价值。

论文的独特之处在于不仅提出了嵌入式技术如何为地理信息技术的进一步发

展与应用提供新的途径和方法，从而为嵌入式地理信息系统在基于位置服务等领

域的应用提供初步的经验；并且在系统的编程实现过程中，没有借助任何商业 GIS

软件，节约了开发的成本和费用，同时也可以搞清楚整个 GIS 系统(从文件的解析

到地图、查询结果的显示)的基本实现机制，对开发自己具有完全版权的 GIS 系统

进行了初步的、有意义的尝试。

论文实验成果将为在地理信息领域应用嵌入式技术提供开发经验。软件产品

将能够初步应用于各种基于位置的服务系统，如军事指挥、交通调度、电力配备

和公共信息服务等领域。

第二章嵌入式地理信息系统概述

§2.1 地理信息系统(GIS)概述

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是一种为了获取、

存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统。地

理信息系统的处理对象是空间实体，其处理过程正是依据空间实体的空间位置与

空间关系进行的。它与尖端科技领域的全球卫星定位技术（GPS）、通信技术、互

联网技术以及其他应用领域的有机结合，不仅为地理信息系统提供了良好的发展

前景，同时也为这些应用领域提供了一套科学的解决应用问题的方法，不但可以

提供全新、透明、可视、实时、互动、形象化的车辆跟踪、个人导航等服务，而

且提供车辆管理、行车路线调度、交通事故处理等辅助决策功能。

一个好的、完整的 GIS 系统,存储了该地区或该目标的众多空间信息,这些信

息能随时方便地从数据库中调用,能快速地以图形、图像、表格或文本形式在屏幕

上显示,或者打印、绘制出来,并且可以对这些信息进行综合分析、提取有用信息,

通过计算来模拟真实世界,进而提出相应的决策意见,它是规划、管理和决策的有

效工具。图 2-1 表明了 GIS 的这么一个性能。

数据库管理数据分析

数据源用户、决策者

测量评价

图2-1如同规划、管理和决策工具的地理信息系统

从GIS这个功能可看出,一个GIS 系统应有三个主要的组成部分：（1）计算机

及其外围设备,这是其硬件基础；（2）一系列的应用软件模块,包括数据和图形的输

入/输出、图形和图像处理、图形和图像的显示、数据库管理、统计分析、模拟计

算以及实际应用模式等；（3）组织有序的信息内容,即数据库中要有充分的与地理

位置有关的信息。我们还可以从另一个角度(如图2-2所示)了解GIS的各个组成部分

以及它们之间的相互关系：

信息查询、调用、显示或打印

数据输入

信息收集、采集

数据转换和模拟

决策

真实世界

嵌入式地理信息系统的设计和实现

图2-2 地理信息系统构成框架图

1、硬件环境

地理信息系统的硬件配置一般包括以下几个部分：计算机主机、数据输入设

备、数据存储设备、数据输出设备、数据通信传输设备等。

2、软件环境

软件环境是指地理信息系统运行所必须的各种程序，通常包括：

计算机系统软件：操作系统、汇编系统、编译程序、诊断程序、库程序以

及各种维护使用手册、程序说明等。这些是地理信息系统正常运行所必须

的。其中操作系统可以是UNIX、Linux、Windows 2000、NT、Macintosh

等。

地理信息系统软件和其他支持软件：可以是地理信息系统工具专门开发的

地理信息系统软件包，也可以包括数据库管理系统、计算机图形软件包、

CAD图像处理系统等，用于支持空间数据输入、存储、转换、输出、和与

用户的接口。目前常见的GIS系统软件有ARC/INFO、MGE、GeoMedia、

GenaMap、MapInfo、AutoDesk Map、ArcView、MapObjects、MapX、

Maptitude、MapGIS、GeoStar、MapEngine等。

应用分析程序：这是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编

制的用于没中特定应用任务的程序，是系统功能的扩充和延伸。应用程序

作用于地理专题和区域数据，构成地理信息系统的具体内容，这是用户最

为关心的真正用于地理分析的部分，也是从空间数据库中提取地理信息的

关键。用户进行系统开发的大部分工作是开发应用程序，而应用程序的水

平在很大程度上决定着系统的优劣和成败。

3、地理信息数据

地理信息数据是地理信息系统的操作对象与管理内容。地理信息系统和普通

的数据库管理系统之间的一个重要区别就是地理信息系统所能够处理的数据的类

使用人员

数据源

地理信息数据

GIS 软硬件

系统维护人员

组织管理机构

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摘要：

嵌入式地理信息系统的设计和实现I摘要目前，人类正进入以计算机、网络和卫星通信为特征的信息社会，人员流动的日益频繁使每个人对空间信息有了更多的依赖，尤其是在户外和移动过程中，对地理信息的需求非常普遍。人们更加关心“当前我在哪里？”、“目的地在哪里”、“如何到达？”等问题。为了满足人们的这种需求，我们开发了一个基于嵌入式设备的地理信息系统。它已经具备了地图的显示、放大、缩小、漫游以及图文互查等基本的GIS功能。该系统最显著的特点是在开发的过程中没有借助任何商业的GIS系统软件，并且选用Linux作为操作系统。这样不仅可以节约开发的成本，同时也可以搞清楚整个GIS系统(从文件的解析到地图、查询结果的...

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