1、嵌入式可移动地理信息系统设计方案嵌入式可移动地理信息系统设计方案1.1 背景美国副总统戈尔在1998年1月21日提出建设“Digital Earth” （数字地球）的概念之后，中国学者特别是地学界的专家认识到“数字地球”战略将是推动我国信息化建设和社会经济、资源环境可持续发展的重要武器，并于1999年11月29日至12月2日在北京召开了首届国际“数字地球”大会。从这之后，与“数字地球”相关相似的概念层出不穷。“数字中国”、“数字省”、“数字城市”、“数字化行业”、“数字化社区”等名词充斥报端和杂志，成了当前最热门的话题之一。国家测绘局在2000年全国局长干部会议上明确提出，测绘局系统今后一个时
2、期的主要任务是构建“数字中国”的基础框架,从此数字城市的立项开始变得如火如荼。当下国内众多研究所、大学、公司积极学习国外的先进技术，研发自己的产品来分食“数字中国”这块大蛋糕，各类空间信息应用网站和系统的建设如雨后的春笋般迅速地发展壮大。在这一背景下，想要分得“数字中国”蛋糕中的一点奶油，就要研发新技术，创造出拳头产品，去争去抢。在这激烈竞争的背景下，研发B/S模式和C/S模式的地理信息系统技术已经没有多大竞争力，所以要提出新的目标，研创新的技术。在“数字地球”基础上提出建设技术更先进、应用更广泛、使用更方便的嵌入式可移动地理信息系统。1.2 嵌入式可移动地理信息系统概念嵌入式可移动地理信息系
3、统是建立在移动计算环境、有限处理能力的可移植移动终端条件下，提供移动中的、分布式的、随遇性的移动地理信息服务的GIS，是一个集GIS、GPS、移动通信(GSM/GPRS/CD2MA)三大技术于一体的系统。它通过GIS完成空间数据管理和分析，GPS进行定位和跟踪，利用掌上电脑、智能手机等完成数据获取功能，借助移动通信技术完成图形、文字、声音等数据的传输。 与传统GIS相比，嵌入式可移动地理信息系统的体系结构略微复杂些，因为它要求实时地将空间信息传输给服务器。移动GIS的体系结构主要由三部分组成：客户端部分、服务器部分和数据源部分，分别承载在表现层、中间层和数据层。表现层是客户端的承载层，直接与用
4、户打交道，是向用户提供GIS服务的窗口。该层支持各种终端，包括手机、掌上电脑、车载终端，还包括PC机，为移动GIS提供更新支持。数据层是移动GIS各类数据的集散地，确保GIS功能实现的基础和支撑。中间层是移动GIS的核心部分，系统的服务器都集中在该层，主要负责传输和处理空间数据信息，执行移动GIS的功能等。系统包括Internet、Web Server、Map Server等组成部分。1 “掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统总体设计2.1 嵌入式可移动地理信息系统综述“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统是针对移动智能终端和大众化空间信息服务领域设计研发的新一代高度可移植的嵌入式服务型地理信息系
5、统，是伴随着智能手机、掌上电脑的普及、移动互联网的出现而兴起的新应用，在内核设计上不同于桌面GIS或WEBGIS，“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统更注重内存使用和性能效率，需要设计精巧的GIS数据逻辑组织模型和物理存储格式，以减少内存占用，提高地图显示的效率。“掌控地球”嵌入式地理信息系统设计采用：软件构件化（模块化）技术、中间件技术（Middleware）、嵌入技术、GPS技术、遥感影像技术、网络无线通信技术（GPRS/EDGE/3G等），结合嵌入式操作系统原理和软件设计，实现嵌入式终端设备和无线网络环境中的GIS应用和功能开发。软件构件化介绍：构件化是指解决一个复杂问题时自顶向下逐层把
6、系统划分成若干模块的过程，有多种属性，分别反映其内部特性，是一种处理复杂系统分解为更好的可管理模块的方式，用来分割，组织和打包软件。每个模块完成一个特定的子功能，所有的模块按某种方法组装起来，成为一个整体，完成整个系统所要求的功能。中间件技术介绍：中间件技术是一类连接软件组件和应用的计算机软件技术，它包括一组服务，以便于运行在一台或多台机器上的多个软件通过网络进行交互。该架构通常用于支持分布式应用程序并简化其复杂度，它包括web服务器、事务监控器和消息队列软件。嵌入技术介绍：嵌入式技术是指可随意安装执行专用功能并被内部计算机控制的设备或者系统。嵌入式系统（Embedded Systems）是以
7、应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、体积、功耗严格要求的专用应用系统。GPS技术介绍：GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。遥感影像技术介绍：是指处理航空、航天等遥测设备采集的地物电磁波，生成人眼可辨别、计算机可分析解译的图片技术。网络无线通信技术介绍：利用网络、无线电波传输声音、文字、数据和图像的通信方式。 2.2“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统特点 软件构件化（模块化）：根据系统的需要，设计先进
8、、独立的功能模块，构建可随意组装搭建的嵌入式可移动地理信息系统，提高服务效率。 软件兼容性强：使用高级语言汇编，可在Linux、WinCE5-6、WinMobile、SmartPhone、Android、iOS、Windows Phone、Symbian、Ecos内核、ucos-II内核、ThreadX内核等等运行。 完全独立的图形用户界面：图形用户界面基本数据显示和可视化完全独立，不依赖任何操作系统和Kernel（内核）。 服务实时性：移动GIS最大的特点就是在各种导航定位设备的支持下，在移动的过程中，不受限制地把采集到的相关信息及时处理并发布给用户，并将用户在终端编辑的数据实时上传到服务器
9、。 信息载体的多样性：与传统GIS相比，移动终端用户与服务器及其他用户的交互手段更加丰富，包括定位服务、视频、语音、图像、图形、文本等。 数据资源分散、多样性：移动GIS运行平台向无线网络的延伸进一步拓宽了其应用领域。由于移动用户的位置是不断变化的，移动用户需要的信息也是多种多样的，这就需要系统支持不同的传输方式，任何单一的数据源都无法满足所有的移动数据请求。 用户自定义数据：提供用户自定义格式数据接口，支持不同行业定制行业内数据，并跟整个平台有机融合。 海量空间信息管理：高效的海量空间数据压缩和存储，实现全国数据的无缝漫游、获取、检索。 空间分析和投影实时变换：“掌控地球”提供城市内部网络分
10、析、省间网络分析、全国网络分析和坐标系实时变换显示等功能。 嵌入式3S技术：真正集合通信及定位技术（GPRS/EDGE/3G/GPS）、GIS技术、影像技术（RS），精确的GPS地图定位和匹配。2.3 “掌控地球”以用户为中心的应用模式一切以用户为中心的应用模式2.4 “掌控地球”总体架构设计“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统由运维支撑层、数据层、服务层和应用层等四个具有内在联系、层次结构分明的部分有机组成。见下图：“掌控地球”四层体系架构运维支撑层主要是构建基于政务网、公网、无线网、局域网的网络接入环境，以及数据库集群服务、存储备份、安全保密控制和管理的软硬件环境。数据层主要是依托基础地理
11、信息数据提取部分要素和内容，并应用软件进行多尺度无缝集成、可视符号配置、地名地址扩充、地图瓦片输出等整合压缩加工，形成满足系统要求的数据体、瓦片、地图配置文件三种组织方式协同服务。服务层基于服务型GIS软件，通过在线调用、用户交互、信息检索、空间分析、数据编辑、精确定位、实时通信等多种形式的地理信息服务，提供信息化时代地理信息集成与共享完整解决方案，满足不同用户的多样化需求。应用层是面向公众用户和政府部门的具体应用。采用移动终端和电脑终端交互的模式，不同的用户通过统一的服务接口，或者实现查询分析功能的直接应用，或者通过功能扩充构建专题的应用系统，或者通过服务调用实现已有应用的扩展与深化，真正地
12、实现通过网络的地理信息在线服务与应用。数据层是地理信息网的基础，服务层则是地理信息网的核心，是应用服务的具体实现，更是管理服务系统的功能体现。因此，服务层架构设计是否合理与先进将决定整个网站的效能和后续的生命力，直接影响着地理信息应用效益和生命力。1.1 服务框架设计1.1.1 资源规划设计一个资源就是任何可作为超链接目标的事物，一个数据集中可能包含多个资源。下面列出了本系统设计的地理信息服务中所涉及的数据集及资源：地理信息服务数据集数据集说明空间数据图层地理信息服务中发布的空间数据集合(图层)数据处理流程服务(WPS)提供的处理功能集数据处理流程的算法集合，如Buffer, convexhu
13、ll, overlay, routing等地图依据国家标准制作的所有地图地理信息的服务资源表资源类型资源一次性资源(门户资源)1.空间数据列表(1个)2.WPS功能列表(1个)每个对象对应的资源3.提供服务的空间数据图层(若干)4.空间数据集中包含的每个空间对象(很多)5.WPS提供的空间数据处理功能(若干)数据集执行算法的结果资源6.移动终端请求时得到的地图(无数个)7.移动终端请求时得到的空间对象集(无数个)8.服务器端处理结果集(无数个)1.1.2 系统资源URI命名任何可能被引用的对象都应该有自己的命名，也就是对所有要暴露的资源进行URI命名，本系统设计描述中使用http:/*.*.*
14、.*/gws/为根URI，描述资源时使用相对URI，例如/resources/china_river，实际指http:/ *.*.*.*/gws/ resources/china_river。1.1.3 来自客户端的表示设计以上已经设计好了要暴露的资源，并为它们设计好了URI，这一步为客户端的请求设计表示，表示即HTTP请求中的实体主体，用来确定发送到服务端的数据类型与内容。对于地图数据服务以及获得空间数据列表、图层和对象的几种地理信息服务，客户端的请求一般使用GET方法进行资源访问，发送到服务端的内容可以在URI内或请求的实体主体内使用KVP(Key-Value Pairs，关键字-值对)来
15、表达。对于WPS的几项处理服务，设计使用POST方法进行请求，其中要发送几何对象这种比较复杂的数据结构，应当采用JSON或XML这类可扩展的文件格式来进行表示。由于GIS的特殊性，简单的自定义结构的XML和JSON并不能很好的适应空间对象的描述，本系统设计采用GML、KML和GeoJSON三种扩展来实现发送内容的表示。GML是OGC的地理标记语言规范；KML原本是GoogleEarth、GoogleMaps中使用的地标交换文件格式，在2008年也成为OGC的标准之一；GeoJSON是一个对JSON文件扩展的格式，专门用来对所有的空间数据对象进行统一规则的描述，这三种格式不仅有很好的可扩展性，在
16、GIS领域也具有标准性，有利于描述数据的共享与互操作。1.1.4 返回客户端的表示设计和客户端发来的表示一样，发给客户端的表示指返回的数据及采用的数据格式。这个表示一般会包含：请求资源的当前状态；可能的下个应用状态或资源状态的链接。资源状态包括资源的全部信息。包含下个应用状态的目的是实现服务的连通性，把所有资源通过链接连通起来，从一个资源推进到另一个。空间数据列表服务返回的内容采用XHTML格式的表单，表单包含数据名称等基本描述以及进行查看每一条空间数据的超链接。系统设计服务资源表示方法资源表示1空间数据列表XHTML格式的表单2WPS功能列表XHTML格式的表单3提供服务的空间数据图层XHT
17、ML4空间对象GML、KML或GeoJSON，根据客户端类型请求确定5WPS提供的空间数据处理功能XHTML格式的表单6终端请求时得到的地图PNG、JPEG等格式的Image文件7终端请求时得到的空间对象集根据WFS规范使用GML文件8WPS处理结果集GML、KML或GeoJSON，根据客户端类型请求确定1.1.5 资源连通性设计用超链接和表单把所有资源联系起来。本系统的设计中，客户端从服务的“首页”(资源列表)开始，通过链接查看某一图层资源，进入地图或空间数据表现，然后通过地图缩放、漫游等链接进行地图或空间数据的浏览，客户端也可以选择某个空间对象，进行WPS处理，通过链接来查看结果数据集，其
18、中通过链接得到的资源可以通过导航链接访问到以前的资源。设计的地理信息Web服务的连通性如下图所示。地理信息服务的连通图1.2 建设原则“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统建设和服务中应遵循四条基本原则，即通用性原则、先进性原则、唯一性原则和安全性原则。1.2.1 通用性原则要求“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统应面向数字城市建设与应用中各群体对地理空间信息的共性需求，满足大部分与空间位置关联的政府及其部门信息化、企事业单位信息化和公众基于位置社会化服务的一般性空间定位需要，突出体现其“公共性”的特征和地位。1.2.2 先进性原则要求“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统应通过地理空间信息的对象
19、化、实体化处理及一体化无缝组织，开发适宜各种网络条件下的应用功能，以适应地理空间信息在信息化时代的分发服务需要，突破传统服务模式，实现实时化、网络化的信息发布与服务。1.2.3 安全性原则要求“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统应建立可靠的系统运行环境，若在政府内、外网和社会公网上向政府及其各部门、企事业单位和社会公众提供服务，应根据我国现行法律法规的要求，对数据集进行分级分类；涉密数据对社会提供、或在政府外网和社会公网上运行，应按照国家的统一要求进行技术处理。“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统联网，是单向通信，一般情况下只允许从服务器端下载相应数据资料，不允许从客户端上传，只有在用户开通相
20、应权限后才可互通。“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统中所有的地图数据，图片，文字传送都是以压缩加密的形式发送，尽可能的保证安全。1.3 “掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统政府部门系统应用环境为了更好的为政府部门提供服务，建议在部门内部设立服务器，与移动终端实时交互，提供更加便捷工作方法。“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统对服务器、存储设备、通信服务器、网络设备等硬件环境具有严格的要求，同时需构建安全保障系统，抵御可能发生的网络攻击、信息泄露等行为，满足系统可用性、保密性和完整性要求。1.3.1 建议系统环境配置由于系统所在的服务器是关键核心，因此为了保证服务器7*24小时不间断运行，设计
21、服务器采用双机热备的方案，使用两台服务器，互相备份，提供系统的高稳定、高可用性。当其中运行着的一台服务器出现故障无法启动时，另一台备份服务器会通过双机软件的诊测将业务接管，保证用户的各项应用在短时间内完全恢复正常使用。所以“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统需配备应用服务器2台用于双机热备。1.3.2 系统安全保障系统为了“掌控地球”整个系统能够稳定安全的运行，部门数据更加安全须在网关部署防火墙。同时还应考虑整个网络环境的防病毒等安全问题。1.3.3 可选配置通信服务器通信服务器（Communication Server），是一个独立系统，为政府部门本地网络上需要通过远程通信链路传送文件或访问
22、远地系统或网络上信息的用户提供通信服务。通信服务器根据软件和硬件能力为一个或同时为多个用户提供通信信道。具有网关功能、调制解调器、桥接器和路由器功能、电子函件服务器、无线通信功能。在配置通信服务器后，整个系统的信息传输速度更快，还可以脱离电信等部门独立运行，实现部门内部在线通信，无线通信等功能，减少政府部门运行费用。1.3.4 建议配置独立专用的机房配备独立专用的机房，搭建标准的机房环境。“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统的可靠运行要依靠信息系统机房的严格技术条件来保证。1.3.5 建议配置智能移动终端配备移动终端，实现真正移动办公，不必为没有带电脑再烦恼，部门业务数据可以通过“掌控地球”嵌
23、入式可移动地理信息系统实时通信传送。2 掌控地球系统数据库设计2.1 数据库组成“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统主要有基础地理信息数据库、专题数据库、部门业务数据库三个分库。2.2 数据组织“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统采用了多库一体化的组织方式。多库集成可以使多种数据库之间能够全面交互、配合解决问题，使用户既能方便地访问多种数据库，同时也保持各库独立性。通过基础地理信息数据建立统一的空间索引，可以快速调度数据库中任意范围的数据，达到对整个数据的无缝漫游。数据库从整体上是一个集成化的逻辑数据库，所有数据能在同一界面下进行调度、浏览，各种比例尺、各种类型的基础地理信息和数据能够相互套合
24、、互相迭加、互相参考与选择性编辑。用户完全不需要了解这些数据的具体存储位置和存储方式，就能实现对所需数据的实时访问。在完成城市地物分类的城市空间数据进入数据库后，如果将城市范围内海量的空间数据进行传统方式的分幅存储和管理，则会大大地降低了操作效率和响应速度，因此，数据库在数据采用无缝拼接的方法进行自动化或半自动化入库，使整个城市的空间数据不再有图幅和区块的概念，实现真正意义上的连续，用户可以自由地漫游整个数据库。为了实现海量无缝数据的高效访问，数据库入库时采用成熟的四叉树算法，在空间数据入库时设计采用多个线程存取数据和建立索引，不仅提高了数据的入库速度，而且优化了数据的查询性能。在业务关系数据
25、库中，建立属性项的索引可加快属性数据的查询速度。同样，在空间数据中通过建立图层的空间索引，可以避免检索整个表，减少索引的数据记录数量，从而减少磁盘输入/输出的操作，加快了对空间数据查询的速度。2.3 数据精简与保密处理面向社会化服务时，地理信息必须按照国家相关政策法规进行数据简化内容、降低精度等技术处理。在精度降低方面，按照国家政策要求，必须进行空间位置技术处理，降低其几何精度，以达到公开使用的要求，“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统中的数据处理应由国务院测绘行政主管部门指定的机构采用国家规定的方法统一实现。在简化内容方面，按照国家强制性标准GB 20263导航电子地图安全处理技术基本要求，
26、删除其中涉及军事内容和重大国计民生的地理要素。同时，可根据公众兴趣类别扩充部分要素。扩充的兴趣对象以点状目标表示（简称兴趣点），主要以现有的数据基础进行更新，具体类别包括： 交通运输 金融保险 生活购物 城建房产 政府机关 专业市场 餐饮住宿 文教科研 通讯服务 休闲娱乐 医疗卫生 居民服务3 数据集成设计“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统中的数据是在基础地理信息数据的基础上，根据国家和行业的相关标准规范，通过要素删除、信息扩充、图形组织等工艺后加工完成的数据集，它与基础地理信息有联系，又有本质的区别。“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统的建设，总结和分析了对两者之间的差异，采用集成处理后的
27、数据，使数据保留内容丰富的同时，数据量不会变大，保证移动终端地图数据的响应速度。3.1 标准与规范依据“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统的制作主要采用以下国家、行业的相关政策、标准和规范： 中华人民共和国测绘法 中华人民共和国保守国家秘密法 测绘管理工作国家秘密范围的规定 地图审核管理规定 公开地图表示内容的若干规定 公开地图内容表示补充规定 对外提供测绘成果的有关规定 数字城市地理空间框架建设技术大纲 数字城市地理信息地理信息网技术规范 数字城市地理信息地理信息网地名/地址分类与编码规则 数字城市地理空间框架建设规范 地理空间信息地理信息网基本规定3.1.1 地图表达基础地理信息数据在表现
28、方式上仍然是一系列点、线、面要素的组合，需要进行符号化和可视化的配置，形成具有良好用户视觉感受的地图。系统设计把基础数据和用户数据作分离处理，基础数据部分是用户开展应用的基础，此部分数据是系统自定义的数据格式和数据存储结构，作为独立数据的部分，其可以很好的跟现有数据库等相关技术进行结合，充分扩展和支持无限网络环境中的应用数据需求。“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统采用无损矢量压缩方法，将海量空间地理数据存储到嵌入式设备中，在数据压缩的同时，根据需求建立多种空间索引，保证数据的高效加载和检索，并且，对数据的操作进行缓冲优化，保证系统运行不会因为数据量的改变而需要额外的内存，从而保证系统显示的速
29、度，更能避免不必要的系统资源浪费。数据组织原理图3.1.2 多尺度无缝集成空间数据的多尺度集成与表示是符合人类推理习惯的一种自然表达方式。作为一种分析和思想方法，不仅仅是为了满足使GIS能自动化地、合理地、且自适应地提供多种详细程度的空间数据，实现空间数据的多尺度可视化，同时它也是一种更自然的空间认知和空间分析方法。“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统将这些多尺度数据无缝集成，使用户在使用时能够流畅地感知现实世界的空间状况，无需不停地的切换。3.2 遥感影像数据叠加显示“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统设计独立影像叠加功能使得系统在更多的行业领域有了更好的发展空间，尤其在野外数据采集中，配合
30、电子地图与遥感影像和定位模块的移动终端将能更好地完成各种数据的采集服务。数据叠加示意图数据叠加效果图3.3 用户自定义数据“掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统提供用户自定义格式数据接口，支持不同行业定制行业内数据，并跟整个平台有机融合。系统针对数据使用提出系统基础数据和用户自定义数据的概念，系统基础数据属于背景类数据，是用户工作的基本数据，在此数据的支持和依托下，不同的用户可以根据业务的需要开展自己的数据采集和数据处理；用户自定义数据由不同的应用行业定义，体现了平台的扩展性和广泛的应用范围，同时，用户数据可以随时加载、卸载和共享，方便用户的操作，不同用户自定义的数据可以方便交换及编辑。4 “掌
31、控地球”嵌入式可移动地理信息系统PC 网页版栏目设置以方便快捷为目的，遵守直观易懂的原则，“掌控地球”嵌入式地理信息系统电脑网页版配置“矢量地图、遥感影像、三维模型展示窗口”、“功能菜单栏”、“信息控制面板”三个面向用户的栏目。其中“矢量地图、遥感影像、三维模型展示”设置在一个窗口中，矢量地图和遥感影像数据可以叠加显示，使信息显示更加直观。“功能菜单栏”将系统中所有的功能以快捷按钮的形式整合在菜单栏中，方便用户快速的找到自己需要的功能。用户在“功能菜单栏”中选择了自己需要的功能后，就可以在“信息控制面板”中，设定系统各项功能的服务条件，使系统更快速、更加准确的提供服务。“系统后台管理”是一个面向系统管理员而设定的栏目。5 “掌控地球”嵌入式可移动地理信息系统移动终端栏目设置以简单易用，方便快捷为目的，“掌控地球”嵌入式可移动地理息系统移动终端设置“空间信息显示窗口”、“菜单选项”、“业务应用”三个栏目。“空间信息显示窗口”是显示地图数据和系统服务结果的主要窗口，在这里用户可以在矢量地图、遥感影像、三维模型数据之间随意切换。“菜单选项”主要整合了搜索、获取路线、我的位置、
