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第六期移動(dòng)GIS及其在國土資源信息化中的應用
來(lái)源：國土資源部信息中心 作者：李成名 劉 勇 王繼周 印 潔 發(fā)布時(shí)間：2006.12.12
—、移動(dòng)GIS的概念及其建立的必要性
現實(shí)生活當中，許多客觀(guān)現象均不是傳統的靜態(tài)GIS所擅長(cháng)解析的。例如：車(chē)載導航系統、機載導航系統、船載導航系統、掌上型導航定位系統等，它們均是移動(dòng)的空間實(shí)體(GPS點(diǎn)位坐標)放置在相對靜止的空間實(shí)體群中(地圖中的空間實(shí)體集合)。其中需要研究的是移動(dòng)實(shí)體與相對靜止實(shí)體及實(shí)體群的位置、關(guān)系等特性，利用靜態(tài)GIS中現有的原理和方法只能解決這些現象的部分問(wèn)題，而非最優(yōu)解決之道。又如，在天空中飛行的機群，在海面上航行的艦隊，若以其中N架飛機或N艘船只作為目標實(shí)體，其余為參考實(shí)體群。那么目標實(shí)體集與參考實(shí)體集無(wú)論在空間位置，還是內部之間、兩者相互之間的空間關(guān)系都是時(shí)間T的數學(xué)函數，即隨時(shí)間變化而變化，這也不是傳統靜態(tài)GIS解析所長(cháng)。
就傳統的地形圖與目前的GIS數據而言，不難發(fā)現其中的空間實(shí)體除發(fā)生變更、消亡以外，實(shí)體的空間位置和實(shí)體之間的相對空間關(guān)系，在研究、工程允許的誤差范圍內和一定時(shí)期內是固定不變的，具有這種特征的地圖與GIS分別謂之靜態(tài)地圖和靜態(tài)GIS。
對于靜態(tài)GIS，實(shí)體間的空間關(guān)系在—定時(shí)期內具有不變性，可以預先計算并存儲下來(lái)，便于查詢(xún)、檢索和分析等數據處理。隨著(zhù)電子計算機整體性能的不斷改進(jìn)，也可以根據空間實(shí)體的絕對位置動(dòng)態(tài)計算。從理論上講，一旦空間實(shí)體的絕對位置確定，彼此間的關(guān)系隨之而定。
從上面的定義可見(jiàn)，運動(dòng)GIS可以根據參考背景的運動(dòng)狀態(tài)分為兩類(lèi)：移動(dòng)GIS(MovingGIS)和動(dòng)態(tài)GIS(Mobile GIS)。移動(dòng)GIS參考背景實(shí)體群處于相對靜止狀態(tài)。動(dòng)態(tài)GIS參考背景實(shí)體群處于相對運動(dòng)狀態(tài)。
在電子地圖與G1S中，當有一個(gè)或多個(gè)移動(dòng)實(shí)體(Moving Object處于相對靜止的實(shí)體群中，或處于移動(dòng)的實(shí)體群中，對移動(dòng)實(shí)體及背景參考實(shí)體群(相對靜止或移動(dòng))的模擬、表達、處理、查詢(xún)、檢索和分析的軟硬件系統稱(chēng)之為運動(dòng)GIS(Dynamic GIS)。
因此，技術(shù)的進(jìn)步和新的應用需求使運動(dòng)GIS的理論、方法的研究十分必要。本文根據這種需求主要探討運動(dòng)GIS中移動(dòng)GIS的原理與體系結構。
二、移動(dòng)GIS的原理與體系結構
1、硬件構成
與靜態(tài)GIS相比，移動(dòng)GIS研究的對象不再是關(guān)系具有不變性的實(shí)體集，而是少量有限的移動(dòng)實(shí)體集，原來(lái)相對靜止的實(shí)體集僅作為參考目標。同時(shí)，硬件環(huán)境也發(fā)生了較大變化，在移動(dòng)端需要采用輕便、靈活、易于攜帶、外觀(guān)設計優(yōu)雅的智能化終端設備。由于智能終端的簡(jiǎn)化，其存儲汁算功能相對較弱，把全部靜態(tài)空間數據存儲其上是極為不現實(shí)的。因此，從固定服務(wù)器通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)動(dòng)態(tài)刷新智能終端中的串間數據技術(shù)和設備必不可少。目前，移動(dòng)GIS系統的硬件構成主要包括：服務(wù)器端的相關(guān)設備、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)設備、智能終端設備、移動(dòng)目標空間定位設備四部分，見(jiàn)圖1所示。
2、軟件構成：
在移動(dòng)GIS系統中，軟件系統包括：服務(wù)器端的空間信息服務(wù)與分發(fā)系統、無(wú)線(xiàn)傳輸軟件系統、智能終端軟件系統和定位導航軟件系統。
1) 服務(wù)器端的空間信息服務(wù)與分發(fā)系統
移動(dòng)GIS服務(wù)器端存放了大量的、多尺度的空間數據，這些數據的查詢(xún)、統計、檢索及數據格式轉換等功能屬于空間數據管理的范疇。另外，服務(wù)器端的軟件系統要能夠響應來(lái)自各處智能終端的并發(fā)服務(wù)請求，并自動(dòng)啟動(dòng)空間數據管理引擎，依據請求自動(dòng)完成裁切、拼接、轉換等，及時(shí)把智能終端需求的數據反饋到用戶(hù)并刷新。
2)無(wú)線(xiàn)傳輸軟件系統
服務(wù)器端和智能終端主要依靠無(wú)線(xiàn)方式傳送數據、交換信息。應當說(shuō)，從終端向服務(wù)器發(fā)送的清求數據量較小，但服務(wù)器響應請求并發(fā)回的空間數據量相對無(wú)線(xiàn)傳輸速率卻十分龐大。從理論上分析一個(gè)中等城市的數據需要3-5分鐘，如此長(cháng)的等待時(shí)間令人難以容忍。因此在服務(wù)器端引入壓縮、智能終端引入解壓技術(shù)十分重要。
3)智能終端軟件系統
在智能終端，移動(dòng)目標GPS坐標的獲取、定位及查詢(xún)分析和靜態(tài)目標的快速顯示等功能都是智能終端軟件系統的重要組成部分。對移動(dòng)目標GPS坐標的獲取，以及在獲取時(shí)刻對該目標與其他靜態(tài)目標集中元素關(guān)系的查詢(xún)、分析都比較容易。而當移動(dòng)目標處于兩個(gè)GPS坐標獲取時(shí)刻之間時(shí)，它的位詈以及它與周?chē)繕丝臻g關(guān)系的查詢(xún)就相對比較復雜，需要根據移動(dòng)日標的運動(dòng)速度、方向及特點(diǎn)進(jìn)行模擬、預測。
此外，適合于個(gè)人計算機的柵格、矢量等數據結構，在性能遠遠低于個(gè)人汁算機的掌上型智能終端運行時(shí)，圖形的顯示、縮放、查詢(xún)、分析等功能的效率都比較低，研究適用于低性能移動(dòng)終端的高效數據結構勢在必行。
4)導航定位軟件系統
通過(guò)紅外或串口獲取GPS位置信息，轉換到導航地圖的坐標系統，并進(jìn)行GPS坐標的保密技術(shù)處理。
三、移動(dòng)GIS系統主要功能實(shí)現
依據上述理論與方法，我們研制了一套移動(dòng)GIS系統(PNS-I型)，其硬件構成如圖2所示，它是GPS、GSM、GPRS、PDA、GIS高度有機集成的結果。
該系統可以進(jìn)行地圖瀏覽、城市信息查詢(xún)，內置GPS導航定位、軌跡跟蹤，可以進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通話(huà)功能、GPRS無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)，可以實(shí)現個(gè)人信息管理與移動(dòng)辦公。
1、GPS讀取功能
Windows CE開(kāi)發(fā)環(huán)境提供丁對串口讀寫(xiě)的類(lèi)，據此可以將GPS串口數據讀入到一個(gè)緩沖區字節數組，并將其轉換為字符串，判斷GPS坐標標志“＄GPRMC‘’，截取坐標數據，技術(shù)流程如圖3所示。
2、基于PDA的圖形數據結構及其主要功能實(shí)現由于在PDA上管理大范圍的矢量數據效率較低，與傳統數據結構方法不同的是宜采用分塊分層數據結構。層次編號越小，覆蓋的范圍越大，層次編號越大，覆蓋的范圍越小。但是，他們對應的屏幕顯示尺寸均一樣，為了保持不同層在PDA上顯示屏幕可視度(數據量／面積)基本一致，層次越低數據內容越簡(jiǎn)化、層次越高數據內容越復雜。
假設空間數據分為N層，每層縱向分為塊，橫向分為塊，1代表層數，i代表l層的第i塊，代表1層第幾行，代表1層第幾列，那么，
1)圖形放大
當對空間數據進(jìn)行放大操作時(shí)，由1層到了1+1層，每層縱向分為塊，橫向分為塊，為放大后的編號，那么：
將式5代入式2就可以計算出所有放大后待顯示的塊數。
2)圖形縮小
當對空間數據進(jìn)行縮小操作時(shí)，由l層到了1-1層，每層縱向分為塊，橫向分為塊，為縮小后的編號，那么：
將式7代入式2就可以計算出所有縮小后待顯示的塊數。
3)圖形漫游
當屏幕圖形漫游時(shí)，假設左上角塊號為，那么：
左移時(shí)：
i‘=i-1
右移時(shí)：
i‘=i+1
上移時(shí)：
i‘=i-n1。
下移時(shí)：
i‘=i+n1。
3)空間數據的非線(xiàn)性保密技術(shù)處理
由于移動(dòng)GIS系統中的空間數據屬于秘密級地圖資料，若不進(jìn)行保密技術(shù)處理，則有損國家安全。但在進(jìn)行保密處理時(shí)，必須依據以下原則：
(1)保證采用的地形圖加密的數學(xué)函數表達式?jīng)]有反函數，不能利用加密前后少數控制點(diǎn)數據，進(jìn)行精確的數學(xué)反算；
(2)保證采用的地形圖加密的數學(xué)函數表達式為非線(xiàn)性，使變形在全國范圍內非均勻；
(3)保證變換函數全國范圍內采用一個(gè)連續函數，以保持加密后地圖的連續性和相對誤差在不影響工程需要的誤差范圍內。
(4)國家系列基本比例尺地形圖采用同一個(gè)變形函數進(jìn)行變換，以保證系列比例尺地形圖使用一致性。
根據上述原則，變形函數包括全國性等值平移項、全國性趨勢項和擾動(dòng)變形項。其中擾動(dòng)變形項包含六部分內容，分別為：低幅高頻初項、低幅高頻項、中幅中頻初項、中幅中頻項、高幅低頻初項和高幅低頻項。全國性等值平移項和全國性趨勢項分別相當于傳統的簡(jiǎn)單平移和線(xiàn)性變換，擾動(dòng)變形項既保證局部范圍幾何精度的降低，又使相對誤差控制在—定范圍，能夠滿(mǎn)足導航的需要。
四、移動(dòng)GIS系統在國土資源調查中的應用分析
在傳統的靜態(tài)GIS的技術(shù)方法已不能滿(mǎn)足應用需求的情況下，移動(dòng)GIS應運而生，并成為GIS的重要發(fā)展方向之一。本文所實(shí)現的移動(dòng)GIS系統技術(shù)先進(jìn)，應用范圍十分廣泛。以國土資源領(lǐng)域為例，可以用于土地利用現狀變更調查，調查員利用移動(dòng)GIS系統，可以標定區域的位置、屬性等，手持移動(dòng)GIS系統，沿調查區域行走一周，系統可以白動(dòng)繪制行程軌跡、 自動(dòng)統計面積等，并能夠通過(guò)GSM或GPRS將結果傳輸到信息處理中心，極大的提高了工作效率。另外，在地質(zhì)、導航、監控等領(lǐng)域， 也存在著(zhù)巨大的應用前景，總之，移動(dòng)G1S系統用途廣博，有待專(zhuān)業(yè)人士結合專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際需求深入開(kāi)發(fā)。GIS的研究?jì)热萦伸o止對象到運動(dòng)對象是該學(xué)科進(jìn)步的必然，人類(lèi)所生存的現實(shí)的運動(dòng)世界為移動(dòng)GIS的發(fā)展提供了廣闊的空間。
