移动GIS及其在国土资源信息化中的应用

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移动GIS及其在国土资源信息化中的应用

来源：国土资源部信息中心    作者：李成名 刘 勇 王继周 印 洁　　    发布时间：2006.12.12
—、移动GIS的概念及其建立的必要性
现实生活当中，许多客观现象均不是传统的静态GIS所擅长解析的。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，它们均是移动的空间实体(GPS点位坐标)放置在相对静止的空间实体群中(地图中的空间实体集合)。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部分问题，而非最优解决之道。又如，在天空中飞行的机群，在海面上航行的舰队，若以其中N架飞机或N艘船只作为目标实体，其余为参考实体群。那么目标实体集与参考实体集无论在空间位置，还是内部之间、两者相互之间的空间关系都是时间T的数学函数，即随时间变化而变化，这也不是传统静态GIS解析所长。
就传统的地形图与目前的GIS数据而言，不难发现其中的空间实体除发生变更、消亡以外，实体的空间位置和实体之间的相对空间关系，在研究、工程允许的误差范围内和一定时期内是固定不变的，具有这种特征的地图与GIS分别谓之静态地图和静态GIS。
对于静态GIS，实体间的空间关系在—定时期内具有不变性，可以预先计算并存储下来，便于查询、检索和分析等数据处理。随着电子计算机整体性能的不断改进，也可以根据空间实体的绝对位置动态计算。从理论上讲，一旦空间实体的绝对位置确定，彼此间的关系随之而定。
从上面的定义可见，运动GIS可以根据参考背景的运动状态分为两类：移动GIS(MovingGIS)和动态GIS(Mobile GIS)。移动GIS参考背景实体群处于相对静止状态。动态GIS参考背景实体群处于相对运动状态。
在电子地图与G1S中，当有一个或多个移动实体(Moving Object处于相对静止的实体群中，或处于移动的实体群中，对移动实体及背景参考实体群(相对静止或移动)的模拟、表达、处理、查询、检索和分析的软硬件系统称之为运动GIS(Dynamic GIS)。
因此，技术的进步和新的应用需求使运动GIS的理论、方法的研究十分必要。本文根据这种需求主要探讨运动GIS中移动GIS的原理与体系结构。
二、移动GIS的原理与体系结构
1、硬件构成
与静态GIS相比，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，其存储汁算功能相对较弱，把全部静态空间数据存储其上是极为不现实的。因此，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串间数据技术和设备必不可少。目前，移动GIS系统的硬件构成主要包括：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四部分，见图1所示。

2、软件构成：
在移动GIS系统中，软件系统包括：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，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清求数据量较小，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3-5分钟，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GPS坐标的获取、定位及查询分析和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。对移动目标GPS坐标的获取，以及在获取时刻对该目标与其他静态目标集中元素关系的查询、分析都比较容易。而当移动目标处于两个GPS坐标获取时刻之间时，它的位詈以及它与周围目标空间关系的查询就相对比较复杂，需要根据移动日标的运动速度、方向及特点进行模拟、预测。
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汁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，研究适用于低性能移动终端的高效数据结构势在必行。
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坐标的保密技术处理。
三、移动GIS系统主要功能实现
依据上述理论与方法，我们研制了一套移动GIS系统(PNS-I型)，其硬件构成如图2所示，它是GPS、GSM、GPRS、PDA、GIS高度有机集成的结果。
该系统可以进行地图浏览、城市信息查询，内置GPS导航定位、轨迹跟踪，可以进行无线通话功能、GPRS无线上网，可以实现个人信息管理与移动办公。
1、GPS读取功能
Windows CE开发环境提供丁对串口读写的类，据此可以将GPS串口数据读入到一个缓冲区字节数组，并将其转换为字符串，判断GPS坐标标志“＄GPRMC‘’，截取坐标数据，技术流程如图3所示。

2、基于PDA的图形数据结构及其主要功能实现由于在PDA上管理大范围的矢量数据效率较低，与传统数据结构方法不同的是宜采用分块分层数据结构。层次编号越小，覆盖的范围越大，层次编号越大，覆盖的范围越小。但是，他们对应的屏幕显示尺寸均一样，为了保持不同层在PDA上显示屏幕可视度(数据量／面积)基本一致，层次越低数据内容越简化、层次越高数据内容越复杂。
假设空间数据分为N层，每层纵向分为块，横向分为块，1代表层数，i代表l层的第i块，代表1层第几行，代表1层第几列，那么，

1)图形放大
当对空间数据进行放大操作时，由1层到了1+1层，每层纵向分为块，横向分为块，为放大后的编号，那么：

将式5代入式2就可以计算出所有放大后待显示的块数。
2)图形缩小
当对空间数据进行缩小操作时，由l层到了1-1层，每层纵向分为块，横向分为块，为缩小后的编号，那么：

将式7代入式2就可以计算出所有缩小后待显示的块数。
3)图形漫游
当屏幕图形漫游时，假设左上角块号为，那么：
左移时：
i‘=i-1
右移时：
i‘=i+1
上移时：
i‘=i-n1。
下移时：
i‘=i+n1。
3)空间数据的非线性保密技术处理
由于移动GIS系统中的空间数据属于秘密级地图资料，若不进行保密技术处理，则有损国家安全。但在进行保密处理时，必须依据以下原则：
(1)保证采用的地形图加密的数学函数表达式没有反函数，不能利用加密前后少数控制点数据，进行精确的数学反算；
(2)保证采用的地形图加密的数学函数表达式为非线性，使变形在全国范围内非均匀；
(3)保证变换函数全国范围内采用一个连续函数，以保持加密后地图的连续性和相对误差在不影响工程需要的误差范围内。
(4)国家系列基本比例尺地形图采用同一个变形函数进行变换，以保证系列比例尺地形图使用一致性。
根据上述原则，变形函数包括全国性等值平移项、全国性趋势项和扰动变形项。其中扰动变形项包含六部分内容，分别为：低幅高频初项、低幅高频项、中幅中频初项、中幅中频项、高幅低频初项和高幅低频项。全国性等值平移项和全国性趋势项分别相当于传统的简单平移和线性变换，扰动变形项既保证局部范围几何精度的降低，又使相对误差控制在—定范围，能够满足导航的需要。
四、移动GIS系统在国土资源调查中的应用分析
在传统的静态GIS的技术方法已不能满足应用需求的情况下，移动GIS应运而生，并成为GIS的重要发展方向之一。本文所实现的移动GIS系统技术先进，应用范围十分广泛。以国土资源领域为例，可以用于土地利用现状变更调查，调查员利用移动GIS系统，可以标定区域的位置、属性等，手持移动GIS系统，沿调查区域行走一周，系统可以白动绘制行程轨迹、 自动统计面积等，并能够通过GSM或GPRS将结果传输到信息处理中心，极大的提高了工作效率。另外，在地质、导航、监控等领域， 也存在着巨大的应用前景，总之，移动G1S系统用途广博，有待专业人士结合专业领域的实际需求深入开发。GIS的研究内容由静止对象到运动对象是该学科进步的必然，人类所生存的现实的运动世界为移动GIS的发展提供了广阔的空间。