嵌入式GIS（精选三篇）
嵌入式GIS 篇1
1 系统体系结构及工作原理
个人GIS助理系统由便携式终端和监控平台两个部分组成,其体系结构如图1所示。
系统的工作原理:便携式终端由个人携带,可以为用户实现定位、导航以及遇险报警等功能,当用户开启报警按钮时,用户所在位置的GPS数据信息通过GPRS网络发送到监控平台,并在数字矢量地图中显示出用户的位置,便于用户得到及时救助。
2 便携式终端的设计与实现
2.1 终端的硬件结构
便携式终端直接与用户交互,完成数字地图显示及定位、导航及报警信号的发送任务,硬件结构由如下几个部分组成:ARM处理器、显示模块、GPS模块、GPRS模块、存储模块和报警模块等,如图2所示。
2.1.1 ARM处理器
ARM处理器是整个便携式终端的核心,需要处理大量的数据及运算。为适应系统的整体性能,选用三星公司的S3C2410处理器。S3C2410基于ARM 920T内核,频率为203MHz,具有MMU虚拟内存管理单元,搭配第三方公司生产的接口板,可扩充串口、网卡、USB接口、LCD接口、JTAG接口等,方便系统的调试和运行。
2.1.2 GPS模块
GPS数据接收模块采用ROCKWELL公司的JUPITER接收器,它具有12个并行通道和高灵敏度RF部分,可快速捕捉卫星信号,在开阔空间,冷启动约1分钟,定位精度小于15m,并提供自动存储功能,可以在掉电时将当时信息固化在芯片内部。
2.1.3 GPRS模块
通用分组无线业务GPRS (General Packet Radio Service)是在GSM基础上发展起来的一种分组交换的高效数据传输方式。相对于低传输速率的GSM(916Kb/s),GPRS具有最高可达17 112Kb/s的传输速率。GPRS具有“永远在线”的优点,按照数据流量计费,计费方式更符合用户需要。此外,GPRS支持TCP/IP协议,用户可以直接访问Internet站点。它还可以提供一系列交互式业务:点对点面向连接的数据业务、点对点无连接型网络业务、单点对多点业务等[1]。
本设计采用西门子公司的MC39终端,它支持GPRS/GSM两种网络方式,硬件接口采用标准的RS232串口,通过它向GPRS模块发送AT命令,可以对GPRS模块进行初始设置和实现网络连接、数据传送等功能。
2.2 终端的软件设计
便携式终端的软件设计主要分为嵌入式操作系统的移植、Microwindows和PPP拨号程序的移植、嵌入式GIS程序以及报警和通信模块设计。
2.2.1 嵌入式操作系统和Microwindows的移植
众所周知,Linux系统是一款免费、开源的操作系统,具有极强的稳定性和可移植性,用户可以根据自己的需要随意更改源代码,使其适应不同的应用。
Linux移植到嵌入式平台一般分为下面几个步骤:下载源码、建立交叉编译环境,配置编译内核,制作文件系统,下载、调试内核。
Microwindows起源于NanoGUI项目,是由Gregory Haerr组织的一个开放源代码项目,也是嵌入式系统中广为使用的一种图形用户接口(GUI)。它采用了类似GAL层和IAL层的设计思想,使用分层结构设计方法,可移植性非常好。另外,它还提供了多种应用程序接口(API)。考虑到开发成本和移植的相对简单性,本设计采用Microwindows作为便携式终端的GUI。
Microwindows是一个可配置的软件包,可以针对嵌入式系统的不同需求进行配置、裁剪、正确的配置是成功移植Microwindows的关键。配置内容包括基本发行包的设置,各种字体的选择和各种图像处理包的安装等。配置完成后,就可以进行下一步的编译工作了。
如果编译成功,在mwsrc/bin目录下会产生Nano-X的服务器程序nano-X、Nano-X窗口管理器程序nanowm和一些演示程序;在mwsrc/lib目录下会产生libmwin.a、libnano-X.a等Microwindows/Nano-X API函数库,用户可以利用这些函数库来开发自己的应用。
2.2.2 PPP拨号程序的移植及建立GPRS无线通信链路
PPP (Point to Point Protocol)是专门为解决Modem拨号上网的问题而设计的。PPP在连接过程中所处的主要状态有死亡、建立、认证、网络和终止[2]。当链路是死亡时没有物理层连接,成功建立物理连接后链路变成建立,这时LCP选项商议开始,如果成功则进入认证。如果在LCP阶段要求了认证,此时就可以检查PEER的标志,然后进入网络阶段,采用相应的NCP协议配置网络层。在完成数据传输后,链路进入终止阶段,并返回死亡。PPP链路建立简要流程如图3所示。
PPP拨号程序移植成功后,就可以利用脚本程序拨号上网了,下面是它的一个简单示例[3]:
2.2.3嵌入式GIS绘图引擎的设计
地图显示是GIS系统最基本的一个功能,实现的关键是了解GUI提供的接口,从地图文件中取得图层相关数据,然后用图形工具显示出来。在本设计中,利用Microwindows提供的Nano-X API实现。
Nano-X使用Xlib类型的窗口,绘图时使用窗口的标识值,它采用客户/服务器模式,客户端向服务器端发送绘图请求,服务器端调用图形库对应函数实现最终的绘制命令。服务器端为各种类型的绘图元素分配资源,以后所有的绘图操作都在服务器端完成。所以在运行客户应用程序前必须先启动服务器进程Nano-X。Nano-X的服务模式如图4所示。
下面是绘图程序的框架,API的入口点是标准C语言函数Main():
2.2.4 报警及数据通信模块的设计
报警及数据通信程序采用TCP套接字的客户/服务器模式实现,客户和服务器分别对应便携终端和监控中心,其基本流程如下:运行客户端程序,读取GPS数据信息并存储于本地缓存器,通过GPRS无线链路与具有独立公网IP的监控中心建立SOCKET连接,实现数据的无线传输。
3 监控平台设计
作为个人GIS助理系统的重要组成部分,监控平台应能够实时接收便携式终端用户所发送的位置信息,完成接收报警、发送指令等功能。在硬件方面需要有一台具有公网独立IP的X86体系结构的计算机,运行Windows操作系统,在软件结构上主要分为GPS数据接收及解析、GIS功能模块、位置信息显示以及报警系统四大模块,如图5所示。
工作原理如下:GPS数据通过无线链路传送到监控中心后,首先经过数据解析程序解析成人们容易理解的时间、经纬度、速度等信息,同时调用GIS模块,绘制数字地图,并将解析后的位置信息显示在地图上。如果此时用户发生意外并发出报警信号,监控人员就可以及时准确地掌握事故发生位置,快速提供帮助。
监控平台的软件采用Delphi编写,所采用的数字地图由中科大GPS实验室具有独立知识产权的数字地图生产平台制作。图6是监控平台软件的截面图。
本文介绍的个人GIS助理系统在中科大校园的测试中取得了良好的效果,它利用GPRS网络作为网络传输途径,充分发挥通用分组无线业务传输速率高、系统延时小的特点,但该系统也受到了移动通信信号强弱的限制,在实际测试中,如果遇到信号盲区,数据传输就会延误,使得监控平台端的数字地图上信息显示发生滞后。
另外,便携式终端采用了ARM嵌入式系统,它具有强大的运算能力以及良好的可移植性,用户可方便地加入自己的应用以及后续开发工作,为系统功能的进一步完善提供了途径。
参考文献
[1]历容卫．GPRS技术与嵌入式系统应用[J]．江苏技术师范学院学报，2003，9(4)．
[2]罗亮，彭容修．GPRS在嵌入式手持终端上的实现[J]．现代电子技术，2004，(4)．
嵌入式GIS 篇2
系统整体结构如图1所示。
其中，底层硬件平台采用我们研制的基于ARM微处理器的嵌入式地理信息系统硬件平台，包括GPS接口、各种存储介质(例如CF卡、Flash等)、各种接口(例如USB、RS-232串行口、以太网接口)、人机交互接口等。
软件平台可以选用Windows、Linux、WinCE、Nucleus等操作系统，利用该平台可以屏掉底层硬件平台的差异。
操作系统适配层(即中间件)定义和设计适合各种操作系统的适配层。该层具备操作系统的主要特征(例如多任务多线程的封装、调度)，向下与相应的各种操作系统相适配，向上提供与操作系统无关的统一接口。该层包括任务管理、消息管理、通信等模块。为了屏蔽掉底层操作系统的差异，该层的设计要求与操作系统接口的函数要尽可能少，与硬件系统有关的代码也要尽可能的少。
终端软件框架的设计思想是在操作系统适配层之上，根据地理信息系统这一特殊应用，开发自己GUI、文件系统、内存管理、军标符号库、基于消息驱动的多窗口控制。人机交互接口、专用的地理信息数据库、统一接口的适合GIS的通信接口、任务管理等。
应用层在终端软件框架的基础上实现地图的浏览、编译、查询、标绘，组合导航，地形分析，图层管理，位置报告等功能，并带有三维显示引擎。
嵌入式GIS 篇3
陕西省地形复杂, 高原平原山地盆地都有分布, 森林以水土保持林为主。长期以来, 地方的林业与国土部门经过实地考察, 野外勘测, 积累了大量的土地利用及森林物种等方面的信息, 但这些数据比较分散, 且数据的格式及尺度都不尽相同, 这就为后期的管理与决策等应用带来了极大的困难。本文通过构建森林数据库, 以陕西省森林资源统计为目标, 以县级区划为单位, 采用嵌入式GIS技术, 构建了桌面版GIS森林数据库, 使空间与属性数据得到了统一, 为后期森林资源的管理与决策提供了有力的手段。
1 森林数据库系统设计
系统采用客户机/服务器 (C/S) 体系结构, 在服务器端组建局域网, 安装Oracle 10i数据库, 同时采用Arc SDE作为空间数据引擎, 它与Oracle数据库之间关联, 实现与客户端开发平台的互通。客户端部分采用嵌入式Arc GIS Engine, 对数字化后的数据进行检查、转换、更新、查询、浏览及维护等功能, 森林数据库的总体结构如图1所示。
森林数据库中的空间数据包括:行政区划、居民点以及通过遥感影像解译得到的土地利用分类;属性数据主要有森林实地调查得到的林木分类及语义描述。将空间与属性数据采用Arc GIS进行编辑整合, 生成shpfile格式文件, 由服务器端Oracle10i导入Arc SDE中, 生成研究区森林数据库分类表, 见表1。数据库中的数据为矢量数据, 它们的属性包括要素、要素特征及要素内容三个方面, 居民点为点状数据, 行政区划为线状数据, 土地利用分类为面状数据。
空间数据与属性数据共同组成了数据库服务器端的数据。我们基于Arc GIS Engine嵌入式组件开发时, 选择陕西省县级地名的汉语拼音作为关键字段建立两种数据的连接, 得到了带有空间与属性统一数据的森林数据库系统。
2 陕西森林资源数据库系统开发
基于上述的设计方案, 我们在WIN7操作系统中, 基于Arc GIS Engine10.2组件包, 在Visual Studio2010平台中, 采用C#语言, 开发出了具有两层结构的C/S陕西森林资源数据库系统。图2为该系统的欢迎界面, 界面中包括文件与选项两个菜单。图3显示了系统的主界面, 文件菜单具有数据导入、保存、格式转换等功能。工具栏中包括6个快捷功能:图层读取、放大、缩小、漫游、全图显示以及图层识别的功能。左边目录管理是对矢量数据的图层进行分类管理, 包括陕西区域、陕西居民点及陕西边界三个图层。右下部为图层属性信息查询, 数据库中整合了森林资源的属性信息, 该栏显示了与空间数据的语义描述。主界面左边有一个View Details选项 (细节浏览) 的选项, 细节描述中包括陕西各市县的名称, 选中其中某个名称字段, 主界面图4中的区域会以高亮显示, 同时右下部会显示不同土地利用信息的面积, 单位为平方米。由图4中可以看出, 这时地图上部出现带有选中区域的选项卡, 点击此名称选项卡, 会出现该区域土地利用栅格分类图 (见图5) 。
在整个客户端开发过程中, 主要利用了COM关键技术。COM (组件对象模型) 是一种以组件为发布单元的对象模型, 这种模型使各软件组件可以用一种统一的方式进行交互[3]。
3 小结
本文阐述了森林资源数据库系统的构建原理, 以陕西森林资源管理为例, 采用嵌入式GIS技术, 开发了桌面版C/S陕西森林资源数据库系统, 避免了从底层开发网络应用和空间数据库访问的技术难度, 为森林资源管理与数据共享研究提供参考依据。后期的工作中, 系统需要增加网络发布的功能, 最终实现跨平台、高效率地森林资源数据库系统。
摘要：本文分析了基于嵌入式GIS技术的森林数据系统的设计原理, 并以陕西省林业资源为数据源, 采用C#语言与Arc GIS Engine组建构建了桌面版森林数据库系统, 整合了森林资源的空间与属性信息, 满足了林业地理信息的统一存储, 为研究区林地资源的管理与决策提供了有效的参考依据。
关键词：森林数据库,嵌入式GIS技术,空间数据,属性数据
参考文献
[1]洪军, 蔡体久.基于GIS的森林分类经营区划[J].东北林业大学学报, 2002, 30 (4) :14-18.
[2]Chen W, Zheng J.Re-engineering of the forest stand database:case study of Bilahe Forestry Bureau, Inner Mongolia of China[J].Journal of Forestry Research, 2008, 19 (3) :231-234.