基于移动GIS的GPS定位导航系统

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：

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：

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。

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：

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。