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—、移動(dòng)GIS的概念及其建立的必要性
現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中，許多客觀現(xiàn)象均不是傳統(tǒng)的靜態(tài)GIS所擅長解析的。例如：車載導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)、船載導(dǎo)航系統(tǒng)、掌上型導(dǎo)航定位系統(tǒng)等，它們均是移動(dòng)的空間實(shí)體(GPS點(diǎn)位坐標(biāo))放置在相對(duì)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(duì)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(xiàn)有的原理和方法只能解決這些現(xiàn)象的部分問題，而非最優(yōu)解決之道。又如，在天空中飛行的機(jī)群，在海面上航行的艦隊(duì)，若以其中N架飛機(jī)或N艘船只作為目標(biāo)實(shí)體，其余為參考實(shí)體群。那么目標(biāo)實(shí)體集與參考實(shí)體集無論在空間位置，還是內(nèi)部之間、兩者相互之間的空間關(guān)系都是時(shí)間T的數(shù)學(xué)函數(shù)，即隨時(shí)間變化而變化，這也不是傳統(tǒng)靜態(tài)GIS解析所長。
就傳統(tǒng)的地形圖與目前的GIS數(shù)據(jù)而言，不難發(fā)現(xiàn)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(duì)空間關(guān)系，在研究、工程允許的誤差范圍內(nèi)和一定時(shí)期內(nèi)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(duì)于靜態(tài)GIS，實(shí)體間的空間關(guān)系在—定時(shí)期內(nèi)具有不變性，可以預(yù)先計(jì)算并存儲(chǔ)下來，便于查詢、檢索和分析等數(shù)據(jù)處理。隨著電子計(jì)算機(jī)整體性能的不斷改進(jìn)，也可以根據(jù)空間實(shí)體的絕對(duì)位置動(dòng)態(tài)計(jì)算。從理論上講，一旦空間實(shí)體的絕對(duì)位置確定，彼此間的關(guān)系隨之而定。
從上面的定義可見，運(yùn)動(dòng)GIS可以根據(jù)參考背景的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為兩類：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(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。動(dòng)態(tài)GIS參考背景實(shí)體群處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
在電子地圖與G1S中，當(dāng)有一個(gè)或多個(gè)移動(dòng)實(shí)體(Moving Object處于相對(duì)靜止的實(shí)體群中，或處于移動(dòng)的實(shí)體群中，對(duì)移動(dòng)實(shí)體及背景參考實(shí)體群(相對(duì)靜止或移動(dòng))的模擬、表達(dá)、處理、查詢、檢索和分析的軟硬件系統(tǒng)稱之為運(yùn)動(dòng)GIS(Dynamic GIS)。
因此，技術(shù)的進(jìn)步和新的應(yīng)用需求使運(yùn)動(dòng)GIS的理論、方法的研究十分必要。本文根據(jù)這種需求主要探討運(yùn)動(dòng)GIS中移動(dòng)GIS的原理與體系結(jié)構(gòu)。
二、移動(dòng)GIS的原理與體系結(jié)構(gòu)
1、硬件構(gòu)成
與靜態(tài)GIS相比，移動(dòng)GIS研究的對(duì)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，原來相對(duì)靜止的實(shí)體集僅作為參考目標(biāo)。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、外觀設(shè)計(jì)優(yōu)雅的智能化終端設(shè)備。由于智能終端的簡化，其存儲(chǔ)汁算功能相對(duì)較弱，把全部靜態(tài)空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)其上是極為不現(xiàn)實(shí)的。因此，從固定服務(wù)器通過有線或無線通信技術(shù)動(dòng)態(tài)刷新智能終端中的串間數(shù)據(jù)技術(shù)和設(shè)備必不可少。目前，移動(dòng)GIS系統(tǒng)的硬件構(gòu)成主要包括：服務(wù)器端的相關(guān)設(shè)備、無線通信技術(shù)設(shè)備、智能終端設(shè)備、移動(dòng)目標(biāo)空間定位設(shè)備四部分，見圖1所示。
2、軟件構(gòu)成：
在移動(dòng)GIS系統(tǒng)中，軟件系統(tǒng)包括：服務(wù)器端的空間信息服務(wù)與分發(fā)系統(tǒng)、無線傳輸軟件系統(tǒng)、智能終端軟件系統(tǒng)和定位導(dǎo)航軟件系統(tǒng)。
1) 服務(wù)器端的空間信息服務(wù)與分發(fā)系統(tǒng)
移動(dòng)GIS服務(wù)器端存放了大量的、多尺度的空間數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)、檢索及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等功能屬于空間數(shù)據(jù)管理的范疇。另外，服務(wù)器端的軟件系統(tǒng)要能夠響應(yīng)來自各處智能終端的并發(fā)服務(wù)請(qǐng)求，并自動(dòng)啟動(dòng)空間數(shù)據(jù)管理引擎，依據(jù)請(qǐng)求自動(dòng)完成裁切、拼接、轉(zhuǎn)換等，及時(shí)把智能終端需求的數(shù)據(jù)反饋到用戶并刷新。
2)無線傳輸軟件系統(tǒng)
服務(wù)器端和智能終端主要依靠無線方式傳送數(shù)據(jù)、交換信息。應(yīng)當(dāng)說，從終端向服務(wù)器發(fā)送的清求數(shù)據(jù)量較小，但服務(wù)器響應(yīng)請(qǐng)求并發(fā)回的空間數(shù)據(jù)量相對(duì)無線傳輸速率卻十分龐大。從理論上分析一個(gè)中等城市的數(shù)據(jù)需要3-5分鐘，如此長的等待時(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(tǒng)
在智能終端，移動(dòng)目標(biāo)GPS坐標(biāo)的獲取、定位及查詢分析和靜態(tài)目標(biāo)的快速顯示等功能都是智能終端軟件系統(tǒng)的重要組成部分。對(duì)移動(dòng)目標(biāo)GPS坐標(biāo)的獲取，以及在獲取時(shí)刻對(duì)該目標(biāo)與其他靜態(tài)目標(biāo)集中元素關(guān)系的查詢、分析都比較容易。而當(dāng)移動(dòng)目標(biāo)處于兩個(gè)GPS坐標(biāo)獲取時(shí)刻之間時(shí)，它的位詈以及它與周圍目標(biāo)空間關(guān)系的查詢就相對(duì)比較復(fù)雜，需要根據(jù)移動(dòng)日標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度、方向及特點(diǎn)進(jìn)行模擬、預(yù)測。
此外，適合于個(gè)人計(jì)算機(jī)的柵格、矢量等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于個(gè)人汁算機(jī)的掌上型智能終端運(yùn)行時(shí)，圖形的顯示、縮放、查詢、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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)勢在必行。
4)導(dǎo)航定位軟件系統(tǒng)
通過紅外或串口獲取GPS位置信息，轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航地圖的坐標(biāo)系統(tǒng)，并進(jìn)行GPS坐標(biāo)的保密技術(shù)處理。
三、移動(dòng)GIS系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)
依據(jù)上述理論與方法，我們研制了一套移動(dòng)GIS系統(tǒng)(PNS-I型)，其硬件構(gòu)成如圖2所示，它是GPS、GSM、GPRS、PDA、GIS高度有機(jī)集成的結(jié)果。
該系統(tǒng)可以進(jìn)行地圖瀏覽、城市信息查詢，內(nèi)置GPS導(dǎo)航定位、軌跡跟蹤，可以進(jìn)行無線通話功能、GPRS無線上網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)個(gè)人信息管理與移動(dòng)辦公。
1、GPS讀取功能
Windows CE開發(fā)環(huán)境提供丁對(duì)串口讀寫的類，據(jù)此可以將GPS串口數(shù)據(jù)讀入到一個(gè)緩沖區(qū)字節(jié)數(shù)組，并將其轉(zhuǎn)換為字符串，判斷GPS坐標(biāo)標(biāo)志“＄GPRMC‘’，截取坐標(biāo)數(shù)據(jù)，技術(shù)流程如圖3所示。
2、基于PDA的圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其主要功能實(shí)現(xiàn)由于在PDA上管理大范圍的矢量數(shù)據(jù)效率較低，與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方法不同的是宜采用分塊分層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。層次編號(hào)越小，覆蓋的范圍越大，層次編號(hào)越大，覆蓋的范圍越小。但是，他們對(duì)應(yīng)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(shù)據(jù)量／面積)基本一致，層次越低數(shù)據(jù)內(nèi)容越簡化、層次越高數(shù)據(jù)內(nèi)容越復(fù)雜。
假設(shè)空間數(shù)據(jù)分為N層，每層縱向分為塊，橫向分為塊，1代表層數(shù)，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(dāng)對(duì)空間數(shù)據(jù)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(hào)，那么：
將式5代入式2就可以計(jì)算出所有放大后待顯示的塊數(shù)。
2)圖形縮小
當(dāng)對(duì)空間數(shù)據(jù)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(hào)，那么：
將式7代入式2就可以計(jì)算出所有縮小后待顯示的塊數(shù)。
3)圖形漫游
當(dāng)屏幕圖形漫游時(shí)，假設(shè)左上角塊號(hào)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(shù)據(jù)的非線性保密技術(shù)處理
由于移動(dòng)GIS系統(tǒng)中的空間數(shù)據(jù)屬于秘密級(jí)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(jù)以下原則：
(1)保證采用的地形圖加密的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式?jīng)]有反函數(shù)，不能利用加密前后少數(shù)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)反算；
(2)保證采用的地形圖加密的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式為非線性，使變形在全國范圍內(nèi)非均勻；
(3)保證變換函數(shù)全國范圍內(nèi)采用一個(gè)連續(xù)函數(shù)，以保持加密后地圖的連續(xù)性和相對(duì)誤差在不影響工程需要的誤差范圍內(nèi)。
(4)國家系列基本比例尺地形圖采用同一個(gè)變形函數(shù)進(jìn)行變換，以保證系列比例尺地形圖使用一致性。
根據(jù)上述原則，變形函數(shù)包括全國性等值平移項(xiàng)、全國性趨勢項(xiàng)和擾動(dòng)變形項(xiàng)。其中擾動(dòng)變形項(xiàng)包含六部分內(nèi)容，分別為：低幅高頻初項(xiàng)、低幅高頻項(xiàng)、中幅中頻初項(xiàng)、中幅中頻項(xiàng)、高幅低頻初項(xiàng)和高幅低頻項(xiàng)。全國性等值平移項(xiàng)和全國性趨勢項(xiàng)分別相當(dāng)于傳統(tǒng)的簡單平移和線性變換，擾動(dòng)變形項(xiàng)既保證局部范圍幾何精度的降低，又使相對(duì)誤差控制在—定范圍，能夠滿足導(dǎo)航的需要。
四、移動(dòng)GIS系統(tǒng)在國土資源調(diào)查中的應(yīng)用分析
在傳統(tǒng)的靜態(tài)GIS的技術(shù)方法已不能滿足應(yīng)用需求的情況下，移動(dòng)GIS應(yīng)運(yùn)而生，并成為GIS的重要發(fā)展方向之一。本文所實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)GIS系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，應(yīng)用范圍十分廣泛。以國土資源領(lǐng)域?yàn)槔?，可以用于土地利用現(xiàn)狀變更調(diào)查，調(diào)查員利用移動(dòng)GIS系統(tǒng)，可以標(biāo)定區(qū)域的位置、屬性等，手持移動(dòng)GIS系統(tǒng)，沿調(diào)查區(qū)域行走一周，系統(tǒng)可以白動(dòng)繪制行程軌跡、 自動(dòng)統(tǒng)計(jì)面積等，并能夠通過GSM或GPRS將結(jié)果傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行?，極大的提高了工作效率。另外，在地質(zhì)、導(dǎo)航、監(jiān)控等領(lǐng)域， 也存在著巨大的應(yīng)用前景，總之，移動(dòng)G1S系統(tǒng)用途廣博，有待專業(yè)人士結(jié)合專業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際需求深入開發(fā)。GIS的研究內(nèi)容由靜止對(duì)象到運(yùn)動(dòng)對(duì)象是該學(xué)科進(jìn)步的必然，人類所生存的現(xiàn)實(shí)的運(yùn)動(dòng)世界為移動(dòng)GIS的發(fā)展提供了廣闊的空間。
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