基於行動裝置的衛星定位、遙感及地理信息集成方法
2023-05-11 14:35:26
專利名稱：基於行動裝置的衛星定位、遙感及地理信息集成方法
技術領域：
本發明涉及移動空間信息採集領域，特別是涉及基於行動裝置的衛星定位、遙感及地理信息集成方法。
背景技術：
GPS(Global Positioning System)-全球定位系統，主要是通過多個衛星來實現對移動終端的定位。移動終端接收到GPS信息，通過其本身或網絡服務中心進行處理，從而確定移動終端所在的實際位置。自從美國前總統柯林頓頒布法令2000年5月1日起停止S/A政策，對民用碼不加幹擾，使民用定位精度大大提高，同時這也加快和擴展了GPS在各行各業的應用。GPS技術的廣泛應用與發展，出現了多種不同類型的GPS接收機。目前GPS接收機類型主要有二種測量型、導航型。從測量方式上主要有單點定位、實時動態RTK、靜態差分定位、信標差分定位等方式。從體積上從較大體積的測量型接收機到適合於掌上電腦的各種CF型GPS接收機，再到現在的與PDA集成的GPS接收機等等。GPS的發展為相關行業的應用提供了強有力的支持。在綠化調查與管理中，GPS以全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點為綠化信息的採集提供了較為成熟的定位技術。
遙感(remote sensing)是60年代初由美國Pruitt提出的名稱，1962年美國地理學會正式公開使用。1972年美國陸地衛星發射成功，MSS圖像獲得巨大效益，得到世界範圍的認可和支持，使遙感成為一門高新技術並得以長足發展。遙感用於實時地或準實時地、快速地提供目標及其環境的語義或非語義信息，發現地球表面上的各種變化，及時地對GIS進行數據更新。遙感技術朝著多傳感器、多遙感圖像的空間解析度、多光譜解析度和多時間解析度，以及對遙感圖像自動判讀的精確性、可靠性和定量量測的精度都在不斷地提高，使之不僅用於觀測和監測地面變化狀況，而且將主要用於地表信息的採集和更新，成為地理空間基礎框架建設中空間數據獲取與更新的基本手段之一。遙感技術將進一步與GIS和GPS結合，廣泛應用於數字城市建設、生態環境保護、自然災害監測與預報以及資源調查與評估等領域。
地理信息系統(Geographic Information System，簡稱GIS)是一門集地球科學、空間科學、環境科學、地理信息學、自動製圖技術等最新成就的新興邊緣學科。它以計算機為手段，用於採集，存儲、管理、分析、描述和表達空間數據的信息系統。自從地理信息系統在20世紀60年代逐步形成以來，隨著計算機技術、資料庫技術、遙感技術、數字圖形圖像技術等相關技術的發展，地理信息系統已逐步在測繪、地質、遙感、礦山、環境、水利、農業、林業、土地管理、氣象、海洋、城市規劃、航空、區域可持續發展、軍事、政府辦公管理及決策中得到廣泛應用。
移動GIS掌上電腦的移動性及便攜性，為地理信息系統的發展帶來了契機，通過掌上電腦，人們可以突破基於個人電腦的地理信息系統使用的限制，自由地使用獲得個性化的地理信息。移動地理信息系統把地理信息作為載體，集成了社會、經濟、文化等方面的信息，實現了信息的動態更新。移動GIS建立在嵌入和無線通訊基礎之上，不僅僅指隨物理載體移動的GIS系統，也不僅僅指可以提供移動目標信息，也不是常規GIS的精簡以便於能夠在小計算機上實現GIS操作，它是一個使用根本性不同的事例所構建的系統，與地理信息服務緊密聯繫在一起，是技術、信息、服務的集成。
全球定位系統、遙感、移動GIS都在各自的技術領域中得到了應用，但把三者集成起來解決實際問題的應用尚無報導。
發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基於行動裝置的衛星定位、遙感及地理信息集成方法。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現基於行動裝置的衛星定位、遙感及地理信息集成方法，其特徵在於，該方法採用行動裝置內置的嵌入式Windows CE作業系統及其提供的內嵌式開發環境，包括基於行動裝置的嵌入式地理信息系統(GIS)數據模型、衛星定位(GPS)與行動裝置GIS的集成、行動裝置與遙感(RS)數據的集成。
所述的基於行動裝置的嵌入式GIS數據模型基於面向對象的方法，採用空間實體封裝一地物基類，然後在地物類的基礎上主要派生出點狀地物類、線狀地物類和面狀地物類，且其它複雜地物類亦在這些類的基礎上派生，同時，將對具有同一性質與用途的地物的管理封裝為圖層類；整個GIS內核由實體對象和圖層對象構成；該實體對象對地理實體進行了封裝，封裝的數據包括圖形和屬性數據，圖形數據分為點、線、面圖形，其中線圖形又包括多線圖形，面圖形又包括多面圖形，圖形數據不僅包括圖形的坐標串數據，還包括圖形的外界矩形、顏色、線型、填充數據；實體對象下面又派生出點、線、面對象，分別用來管理圖形數據的點、線、面圖形；所述的圖層對象中封裝了該圖層中所有地理實體的屬性欄位的欄位定義，包括欄位名稱、類型；所述的圖層對象包括複合圖層。
所述的基於行動裝置的嵌入式GIS數據模型在邏輯上，是以圖層為單位對空間對象進行操作的；首先，獲得圖層對象集合的大小，然後從中遍歷，獲得每一圖層對象指針；其次，在每一圖層中，分別獲得點對象集合、線對象集合和面對象集合大小，對點對象的操作，即從點對象集合中遍歷，獲得每一點對象，對線、面對象的操作，即從線對象集合、面對象集合中遍歷，獲得每一線對象、面對象指針，並從每一線對象、面對象中獲得點結構實體集合大小，從中遍歷，獲得每一線對象、面對象端點的坐標，達到對每一個空間對象的操作；同時圖層對象保存了圖形元素的公共信息，包括顏色、線型，圖形元素重建時只要取所在圖層的這些屬性值即可。
所述的基於行動裝置的嵌入式GIS數據模型在物理上，包括管理整個空間數據的主文件即GIS工程，該GIS工程包括整個GIS工程的配置、資料庫連接信息、影像數據的文件路徑，也包括GIS空間數據；在面向地理實體的整體GIS數據組織模型中，圖形和屬性數據都存放到一個二進位文件中，空間數據按圖層依次存放，每個地理實體構成一個相對獨立的數據段，在該數據段裡，先存放圖形數據再存放格式化的屬性數據，只需要存放一個文件即能將整個空間數據存儲起來；系統也支持對屬性的擴展，與圖形數據所關聯的屬性數據可以存儲到Pocket Access資料庫中，其圖形與屬性數據通過唯一標識ID號連接，遙感影像數據採用Bmp位圖文件管理；對屬性數據操作時，利用唯一標識ID的連接對資料庫進行訪問；在工程文件中，空間數據的存儲也是按照概念與邏輯一致的存儲結構，在空間數據存儲部分，按圖層個數，將空間數據分成不同的數據段，每一層的空間數據放在同一個數據段內；在同一層空間數據段內，先存儲圖層對象的數據，圖層對象包含了同一圖層空間對象的公共信息，再按照空間對象的類型(點、線、面等)分成不同類型空間對象的數據段，屬於同一類型的空間對象存儲到同一數據段內。
所述的GPS與行動裝置GIS的集成包括GPS接收機在進行與行動裝置連接時，都將接口統一識別為串口COM，GPS接收機可以採用多種方式與行動裝置連接，GPS接收機和不同的行動裝置，在進行連接時映射不同的串口，行動裝置GIS只需要操作行動裝置GPS接收機內部輸出的數據就能獲GPS定位信息；本方法統一將對串口操作的API函數都封裝到一個動態連結庫中，並在動態連結庫中將對串口的操作封裝成一個串口類，所有對串口操作的API函數都封裝到這個類中。
所述的GPS與行動裝置GIS的集成，對於更高精度應用來說，提供了對動態RTK GPS定位模式的支持，利用GPS RTK技術進行實測時，首先在已知控制點上架設GPS基站，在移動點上採用GPS移動站，即GPS接收器，行動裝置通過串口與GPS移動站連接，在基站上配備無線電臺，實時廣播GPS相位差分信息，移動站配備無線電臺接收模塊，實時接收相位差分信息，GPS移動站在實時差分處理GPS接收數據後，輸出符合NMEA-0183導航協議格式的GPS數據；行動裝置接收來自GPS移動站的GPS數據，並遵循NMEA-0183協議其進行實時解析，解析後獲得WGS84坐標系的大地坐標；根據實際採用的目標坐標系，確定橢球參數，包括橢球長半徑；確定投影參數，包括投影中央子午線；確定轉換參數，包括四參數；利用這些參數將WGS84坐標轉換成實際所採用的坐標系坐標。
所述的行動裝置與遙感RS數據的集成只建立原始的圖像信息與實際圖像信息的映射關係，在文件保存時，也只是附加保存原始的圖像信息與實際圖像的映射信息；在具體實現圖像放縮過程中，運用最優鄰近點算法對圖像進行重採樣處理，該最優鄰近點算法的核心思想，就是在圖像放大過程中，由於圖像的放大而使一些像素沒有了顏色值，這些沒有顏色值的像素就用與它最近的那個像素的顏色值填充。
所述的最優鄰近點算法將有關遙感圖像的操作封裝成一個設備無關圖類，圖像的顏色設置與顯示都在其繪圖函數裡；在顯示圖像過程中，判斷圖像是否在顯示區域，如不在顯示區域則不顯示，在對圖像的操作方式上，通過獲得圖像的對象指針，再利用圖像對象類的方法完成圖像的操作，在圖像類的繪圖函數裡設置了與矢量圖一樣的圖形變換。
採用以上技術方案實現的基於行動裝置的衛星定位、遙感及地理信息集成方法，在數據採集的應用中，減少了資源的消耗，提高了效率，實現了行動裝置上GIS圖形的快速更新、顯示及高效的檢索速度，不僅可以進行位置數據的採集，而且還可以基於個人位置的導航、空間信息移動服務等應用；實現了遙感影像的加載、遙感影像與矢量圖的疊加。
圖1為GIS數據模型的概念模型一；圖2為GIS數據模型的概念模型二；圖3為GIS數據模型的概念模型三；圖4為本發明的嵌入式GIS概念模型；圖5為根據圖4概念模型所設計的掌上電腦GIS邏輯與物理數據模型；圖6為基於移動的嵌入式GIS數據模型；圖7為GPS RTK採集實體的GIS表達；圖8為最優鄰近點算法的示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
如圖1～8所示GPS坐標轉換在進行GPS定位測量應用中，由於GPS定位結果是基於WGS-84坐標系，而我國測繪成果普遍表示在北京54坐標系中，並且大部分城市為了避免Gauss投影變形帶來的不便，而採用地方獨立坐標系。因此需要將GPS坐標轉換到相應的坐標系統中。根據已知控制點的起算數據的不同和應用領域對精度的要求的不同，相應的坐標轉換模型也不同。本實施例採用的集成GPS功能的掌上電腦，CPU運算速度低，內存較小，而坐標轉換往往需要進行較多的計算。為了克服硬體平臺資源的緊缺，本實施例提出了一種適合於移動環境下的GPS坐標轉換模型。利用最小二乘法進行了坐標轉換參數的求取與平差。
移動環境下，為了避免在硬體資源有限的掌上電腦上進行大量的計算，本實施例提出了這樣的轉換步驟，首先將目標坐標系下的大地坐標(B1L1H1)T根據高斯投影原理將目標坐標系下的大地坐標轉換為目標坐標系下的高斯坐標，其次將控制點WGS84大地坐標(B2L2H2)T根據高斯投影原理將大地坐標轉換為WGS84高斯平面坐標。然後將控制點WGS84高斯平面坐標與控制點在目標坐標系的高斯坐標一一對應，根據四參數平面轉換模型求取平面轉換參數，然後將該轉換參數應用到測區其它移動點的轉換。對於起算數據是控制點在目標坐標系下的高斯坐標或地方坐標的情況，則可省去目標坐標系下的大地坐標(B1L1H1)T投影到目標坐標系下的高斯坐標這一步。在起算數據是目標坐標系下的地方坐標的情況，充分考慮投影變形的影響，合理設定測區的投影中央子午線。一般得到的城市或測區的投影中央子午線只是一個近似值，如果近似值也不知道，則可選定在測區中央實測一點，取其經度作為中央子午線。最後根據控制點在WGS84坐標系下的高斯坐標與在目標坐標系下的高斯坐標或地方坐標之間建立一一對應關係，再根據4參數平面轉換模型求取平面轉換參數，並將轉換步驟與轉換參數應用到其它GPS移動點上。
基於PDA和Windows CE環境下嵌入式系統的開發原理掌上電腦(PDA)是近年來發展迅速的移動式便攜計算機，內置強大的嵌入式Windows CE作業系統，提供內嵌式開發環境用以程序設計。它集中了計算、管理個人信息與一體，可以通過有線或無線方式接入Internet，滿足人們隨時獲得信息的需求，是移動數位化測圖的理想平臺。掌上電腦不僅具備良好的軟硬體可擴充能力，同時還具備移動性，這為移動地理信息處理與服務發展提供了良好的支持，WINCE系列的掌上電腦一般的配置有32M的ROM和32M的RAM，處理器的處理能力已經可以相當與PC中奔騰的處理能力，如果需要大範圍的城市信息服務，可以通過FLASH或SDK卡來擴展掌上電腦的存儲能力。
Windows CE是Microsoft公司Windows家族的新成員。它是開放、可升級的32位與處理器無關的嵌入式作業系統，可以滿足多種設備的需要。Windows CE支持多種外設和網絡系統，包括鍵盤、光筆、觸控螢幕、串行口、並行口、乙太網卡、數據機、USB設備、印表機、音頻設備和存儲設備(如PCMCIA卡)。本實施例中採用的WindowsCE開發環境包括(1)Windows CE嵌入式開發工具包(eMbedded VB，eMbedded VC)。
(2)Windows CE Platform SDK軟體包，Windows CE Service軟體包。
Windows CE支持ATL和MFC，但不支持STL。程序開發雖然與普通Windows開發類似，但也有很多不同之處。
在本實施例開發的PDA GIS中實現了地圖的繪製及編輯、地圖瀏覽、圖形與屬性的連接、以及地理信息查詢等功能。GIS繪圖功能包括基本矢量元素的繪製與地理要素的繪製，其基本矢量元素包括點、直線、折線、圓、橢圓、矩形等，而地理要素主要包括道路、房屋、樹、綠地等。在本系統中地圖的繪製以不同的圖層處理，同時能夠進行地圖編輯與修改。圖形的編輯與修改包括圖形元素的選擇、刪除、端點移動、元素整體移動、圖形元素點的捕捉功能、圖形元素拷貝等。地理要素除了具備基本矢量元素的編輯功能外，還具備地理要素符號的自動生成等特性。
基於行動裝置的嵌入式GIS數據模型當前主要存在圖1、圖2、圖3所示的三種GIS數據模型。概念模型一如圖1所示。將每一個圖形元素都看作一個對象，不論是點對象、線對象、面對象或其它，都存放到一個對象集合裡。每個對象可記錄為唯一標識號、坐標串、圖層號、是否顯示等屬性。對每個對象屬性的修改，只需要找到需要修改的對象，對其修改就可以了。對每個對象顯示的控制，就是對其「是否顯示」屬性的控制。對對象圖層的控制，也是對其圖層號屬性的控制。
概念模型二如圖2所示。即點、線、面模型。每個圖形元素都是一個對象，不過要分別為點、線、面對象建立不同的對象集合。點元素對象存儲到點對象集合中，線元素對象存儲到線對象集合中，面元素對象存儲到面對象集合中。這樣，將概念模型一的一個對象集合按類別分為三個對象集合。
數據模型三如圖3所示。即基於圖層的數據模型。這種數據模型以圖層為單位對圖形進行管理。即一個圖層是一個對象，現實世界由不同的圖層組成，不同的圖層疊加在一起構成完整的地理景觀。不同的圖層對象由一個圖層對象集合管理起來。每個圖層對象下有點對象，線對象，面對象，但不加區分的部將其存放到一個對象集合裡。每個圖形元素對象不再有「是否顯示」這一屬性。取而代之的是圖層對象具有「是否顯示」以及圖層代碼等屬性。屬於這個圖層對象的點、線、面對象都存儲到這個圖層對象的對象集合裡。屬於另一個圖層對象的點、線、面對象都存儲到另一個圖層對象的對象集合裡。
針對掌上電腦的硬體技術特性，本實施例提出了如圖4所示的嵌入式GIS概念模型。採用面向實體對象的概念模型中，人們所看到的地理場景，不是幾何意義上的點，線、面等幾何圖形，而是具有實際意義的河流、旅館、書店等實體。因此，GIS系統所處理的圖形元素首先是一個個對象，然後這個對象是具有實在意義的實體。用面向實體對象的觀點來描述現實世界地理實體或現象(當作對象)的概念抽象和邏輯組織，符合人們對現實世界的認識模式，並且提供了有效的實現機制。它既可以用來建立GIS概念模型，又可以當作邏輯數據模型，把人們對地理空間的認識模式與計算機內部的地理數據表達自然地統一起來。圖5為根據圖4概念模型所設計的掌上電腦GIS邏輯與物理數據模型。
在邏輯上，嵌入式GIS數據模型在程序內部是以圖層為單位對空間對象進行操作的。首先，獲得圖層對象集合的大小，然後從中遍歷，獲得每一圖層對象指針。其次，在每一圖層中，分別獲得點對象集合、線對象集合和面對象集合大小。對點對象的操作，即從點對象集合中遍歷，獲得每一點對象。對線、面對象的操作，即從線對象集合、面對象集合中遍歷，獲得每一線對象、面對象指針，並從每一線對象、面對象中獲得點結構實體集合大小，從中遍歷，獲得每一線對象、面對象端點的坐標，達到對每一個空間對象的操作。同時圖層對象保存了圖形元素的公共信息，如顏色、線型等，圖形元素重建時只要取所在圖層的這些屬性值即可。避免了同一圖層中所有的圖形元素都保存重複信息。同時為了避免針對一種目的的分層，在面對其它目的時，缺乏適應性問題，在嵌入式GIS數據模型中還增加了一個特殊的圖層，那就是複合圖層。複合圖層允許用戶將需要進行特殊用途的地物加到複合圖層中，以便進行相應的空間分析與操作。
如圖6所示的基於移動的嵌入式GIS數據模型，整個GIS內核由實體對象和圖層對象構成。實體對象對地理實體進行了封裝，封裝的數據包括圖形和屬性數據。地理實體中描述其人文、環境等相關信息的屬性數據由實體對象封裝。點、線、面對象不需要各自建立屬性數據，只需從實體對象繼承數據即可。實體對象封裝的屬性數據根據需要可以動態增減，主要描述的是格式化的數據項，例如對於點實體(樹)，可以是樹的樹種、胸徑、養護等級等欄位項的值。實體對象封裝的屬性數據不是存儲在資料庫中，而是與實體對象封裝的圖形數據在一起構成整體的數據塊一「地理實體」。這就意味著在進行對地理實體的各項GIS操作時，只要獲得了地理實體的對象指針，就可以獲得該地理實體的所有數據，包括圖形數據與屬性數據。這樣不需要根據地理實體對象的唯一標識符ID與資料庫記錄進行關聯，避免了每次獲取屬性數據時都要從資料庫中檢索。這對於資源有限的掌上電腦來說，大大減少了系統訪問和操作資料庫的時間，提高了系統的運行效率。當然為了保持系統的可擴展性，系統也可以根據地理實體對象的唯一標識符ID與外掛資料庫記錄進行關聯，實現屬性數據的擴展。圖層對象是具有相同屬性欄位的地理實體集。在圖層對象中封裝了該圖層中所有地理實體的屬性欄位的欄位定義，例如欄位名稱、類型。因為在實體對象中封裝的屬性數據項只是具體屬性項的值而沒有屬性項的定義，例如對於點實體(樹)，實體對象存儲欄位「樹種」的值「銀杏」，而不存儲欄位名稱「樹種」，即對於動態定義的屬性項，實體對象本身並不知道各個屬性值的含義。但只要知道了地理實體所在層就能根據層中定義的欄位名稱知道各個屬性欄位值的含義。在同一圖層的地理實體按照圖層定義的欄位順序保存欄位的具體值，圖層對象不僅存儲層中對象屬性值的欄位定義，而且存儲層中對象共有的信息，如圖層顏色、可見性等，從而避免每個實體都重複存儲這些信息，這大大降低了掌上電腦上GIS數據的存儲量。
在物理上，在圖5所示的嵌入式GIS數據模型中，GIS工程是管理整個空間數據的主文件，其即包含整個GIS工程的配置、資料庫連接信息、影像數據的文件路徑等工程管理信息，也包括GIS空間數據。由於掌上電腦文件管理比較弱，而且沒有資料庫作業系統，所以在面向地理實體的整體GIS數據組織模型中，圖形和屬性數據都存放到一個二進位文件中。空間數據按圖層依次存放，每個地理實體構成一個相對獨立的數據段，在該數據段裡，先存放圖形數據再存放格式化的屬性數據。這樣在沒有外掛資料庫的擴展屬性數據的情況下，只需要存放一個文件即能將整個空間數據存儲起來，在掌上電腦上操作起來非常方便。為了通用，系統也支持對屬性的擴展，與圖形數據所關聯的屬性數據可以存儲到Pocket Access資料庫中，其圖形與屬性數據通過唯一標識ID號連接，遙感影像數據採用Bmp位圖文件管理。對屬性數據操作時，利用唯一標識ID的連接對資料庫進行訪問。在工程文件中，空間數據的存儲也是按照概念模型與邏輯模型一致的存儲結構。在空間數據存儲部分，按圖層個數，將空間數據分成不同的數據段，每一層的空間數據放在同一個數據段內；在同一層空間數據段內，先存儲圖層對象的數據，圖層對象包含了同一圖層空間對象的公共信息，再按照空間對象的類型(點、線、面等)分成不同類型空間對象的數據段，屬於同一類型的空間對象存儲到同一數據段內。在對數據進行訪問和操作時，可以避免訪問和操作不需要的數據段，大大加快了數據的訪問和操作。
因此，嵌入式GIS數據模型極大地提高了圖形檢索、繪製、選擇的速度並減少了相關數據的存儲。對於處理能力有限的掌上電腦來說，這種模型無疑是一種適應性較強的數據模型。
GPS與掌上電腦接口與數據處理目前與掌上電腦進行連接的GPS種類很多，有實時動態RTK GPS接收機、CF卡插槽式GPS、SD卡插槽式GPS、藍牙GPS、信標差分機等等。無論用什麼型號的GPS接收機，在進行與掌上電腦連接時，都將接口統一識為COM口，所以本實施例在進行與GPS接收機連接時，統一將對串口操作的API函數都封裝到一個動態連結庫中，並在動態連結庫中將對串口的操作封裝成一個串口類，所有對串口操作的API函數都封裝到這個類中，這樣就不需要在進行不同的GPS連接時，重複進行代碼的編寫，使得軟體的代碼保持了較高的通用性和靈活性。當用到動態連結庫時，主程序調用動態連結庫中封裝的類以及函數，不用時則不調用，減少了系統內存的消耗。
在GPS模塊動態連結庫中，主要完成的是對GPS接收機埠數據的讀取，而不涉及對埠的寫操作。GPS接收機有通過串口連接線與PDA連接的，也有通過CF卡插槽與PDA連接的。不同的GPS接收機和不同的PDA，在進行連接時映射不同的串口。為了方便用戶對GPS接收機進行串口的測試，本實施例軟體提供了COM口測試界面。測試好所用的GPS接收機串口，才能正常接收到GPS定位信息，進行GPS定位的相關應用。現在大多數GPS接收機埠輸出符合NMEA-0183導航協議格式的GPS數據，因此需要從這些輸出數據中解析出GPS定位信息以及其它所需的數據。
目前，本實施例實現了GPS接收機與掌上電腦GIS的集成，即不需要在PDA上另外連接GPS，行動裝置本身是一個PDA的同時，也是一個GPS接收機，掌上電腦GIS軟體只需要操作PDA內部GPS接收機輸出的數據就能獲GPS定位信息。特別是採用了GPS信標機對GPS定位數據進行差分，這樣不但減少了行動裝置的外圍設備，而且不需要另外架設GPS基站，同時GPS的定位精度也得到了很大的提高，也提高了實際綠化調查與更新的作業效率。
對於更高精度應用來說，本系統提供了對動態RTK GPS定位模式的支持。圖7為GPS RTK採集實體的GIS表達。GPS採集數據是離散的定位點，需要根據實際採集情況構成地理實體，例如樹、綠地等。在利用GPS RTK技術進行實測時，首先在已知控制點上架設GPS基站，在移動點上採用GPS移動站，掌上電腦通過串口與GPS移動站連接。在基站上配備無線電臺，實時廣播GPS相位差分信息。移動站配備無線電臺接收模塊，實時接收相位差分信息。GPS移動站在實時差分處理GPS接收數據後，輸出符合NMEA-0183導航協議格式的GPS數據。掌上電腦接收來自GPS移動站的GPS數據，並遵循NMEA-0183協議其進行實時解析，解析後獲得WGS84坐標系的大地坐標。根據實際採用的目標坐標系，確定橢球參數，如橢球長半徑等；確定投影參數，如投影中央子午線等；確定轉換參數，如四參數等。利用這些參數將WGS84坐標轉換成實際所採用的坐標系坐標。
掌上電腦GIS與GPS集成系統利用GIS操作時，根據採集的實體類型將GPS採集的離散點構成地理實體。在採集點狀實體(樹)時，首先創建一個點狀地理實體對象，然後利用轉換後的GPS坐標構造點對象的圖形數據，在GPS測量的同時也可以輸入這個點地理實體的屬性數據。在採集面狀實體(綠地)時，有兩種方法一種方法是先按點對象採集，等面狀實體上所有的點都採集完所後，執行GIS操作將創建一個以這些點串為圖形數據的面狀地理實體，然後輸入屬性數據；另一種方法是在採集面狀實體上的第一點時即創建一個面狀地理實體，並以這一點為圖形數據，在採集面狀實體上的其它點時，面狀地理實體實時將新採集的點加到其圖形數據的坐標串裡並更新圖形，在採集的同時可以輸入屬性數據。在GIS的圖形界面裡將實時顯示所測的地理實體的圖形及位置。地理實體對象創建完成後GIS將其加入到所屬的實體圖層裡，然後在GIS環境裡就可以對其進行任何GIS操作，如圖形瀏覽、圖形和屬性的編輯等。
掌上電腦與遙感(RS)數據的集成及處理為了進行多源數據的共享與融合以及進行基於遙感的相關應用，本實施例實現了遙感影像的加載，遙感影像與矢量圖的疊加，以及基於柵格影像的GIS數據數位化等功能。為了保留最原始的圖像信息，而不造成圖像信息的損失，不對其原始圖像信息進行更改，只建立其與實際圖像信息的映射關係，在文件保存時，也只是附加保存其與實際圖像的映射信息。
為了使影像與矢量圖一體化瀏覽，以及提高影像放縮過程的顯示質量，在具體實現圖像放縮過程中，運用最優鄰近點法對圖像進行重採樣處理，大大提高了圖像的顯示效果。最優鄰近點法進行重採樣的核心思想，就是在圖像放大過程中，由於圖像的放大而使一些像素沒有了顏色值，這些沒有顏色值的像素就用與它最近的那個像素的顏色值填充。如圖8為該算法的示意圖。為4個像素的圖像，其放大2倍後就變成了16個像素，如圖8右圖所示。如不進行重採樣，那麼放大後的16個像素的圖像就有12個像素沒有了顏色值。如簡單地將同一像素放後映射的4個像素賦予同一顏色值，那麼在圖像放到一定倍數時，顯示效果非常差。為了使圖像在放大時，像素顏色之間能夠平滑地過度，那些在放大後沒有顏色值的像素就用離其最近一像素的顏色值，如有多個像素與其離的最近，就用這些像素裡的任一像素的顏色值。這樣在圖像放大後，例如放大10倍後，對於圖8來說，第1行第10列的像素的顏色值就不再用原來第1行第1列的像素的顏色值，而是採用離它最近的顏色值，也即放大後第1行第11列的顏色值，同時也是放大前第1行第2列的顏色值。
運用這個算法，將有關遙感圖像的操作封裝成一個設備無關圖類，圖像的顏色設置與顯示都在其繪圖函數裡。在顯示圖像過程中，判斷圖像是否在顯示區域，如不在顯示區域則不顯示，這在一定程度上提高了顯示速度。在對圖像的操作方式上，與普通的空間對象操作方式一樣，通過獲得圖像的對象指針，再利用圖像對象類的方法完成圖像的操作。為了與矢量圖一體化瀏覽，在圖像類的繪圖函數裡設置了與矢量圖一樣的圖形變換。這樣在圖像放大縮小時，始終與矢量圖疊加在一起。
權利要求
1.基於行動裝置的衛星定位、遙感及地理信息集成方法，其特徵在於，該方法採用行動裝置內置的嵌入式Windows CE作業系統及其提供的內嵌式開發環境，包括基於行動裝置的嵌入式地理信息系統(GIS)數據模型、衛星定位(GPS)與行動裝置GIS的集成、行動裝置與遙感(RS)數據的集成。
2.根據權利要求1所述的基於行動裝置的衛星定位、遙感及地理信息集成方法，其特徵在於，所述的基於行動裝置的嵌入式GIS數據模型基於面向對象的方法，採用空間實體封裝一地物基類，然後在地物類的基礎上主要派生出點狀地物類、線狀地物類和面狀地物類，且其它複雜地物類亦在這些類的基礎上派生，同時，將對具有同一性質與用途的地物的管理封裝為圖層類；整個GIS內核由實體對象和圖層對象構成；該實體對象對地理實體進行了封裝，封裝的數據包括圖形和屬性數據，圖形數據分為點、線、面圖形，其中線圖形又包括多線圖形，面圖形又包括多面圖形，圖形數據不僅包括圖形的坐標串數據，還包括圖形的外界矩形、顏色、線型、填充數據；實體對象下面又派生出點、線、面對象，分別用來管理圖形數據的點、線、面圖形；所述的圖層對象中封裝了該圖層中所有地理實體的屬性欄位的欄位定義，包括欄位名稱、類型；所述的圖層對象包括複合圖層。
3.根據權利要求1或2所述的基於行動裝置的衛星定位、遙感及地理信息集成方法，其特徵在於，所述的基於行動裝置的嵌入式GIS數據模型在邏輯上，是以圖層為單位對空間對象進行操作的；首先，獲得圖層對象集合的大小，然後從中遍歷，獲得每一圖層對象指針；其次，在每一圖層中，分別獲得點對象集合、線對象集合和面對象集合大小，對點對象的操作，即從點對象集合中遍歷，獲得每一點對象，對線、面對象的操作，即從線對象集合、面對象集合中遍歷，獲得每一線對象、面對象指針，並從每一線對象、面對象中獲得點結構實體集合大小，從中遍歷，獲得每一線對象、面對象端點的坐標，達到對每一個空間對象的操作；同時圖層對象保存了圖形元素的公共信息，包括顏色、線型，圖形元素重建時只要取所在圖層的這些屬性值即可。
4.根據權利要求1或2所述的基於行動裝置的衛星定位、遙感及地理信息集成方法，其特徵在於，所述的基於行動裝置的嵌入式GIS數據模型在物理上，包括管理整個空間數據的主文件即GIS工程，該GIS工程包括整個GIS工程的配置、資料庫連接信息、影像數據的文件路徑，也包括GIS空間數據；在面向地理實體的整體GIS數據組織模型中，圖形和屬性數據都存放到一個二進位文件中，空間數據按圖層依次存放，每個地理實體構成一個相對獨立的數據段，在該數據段裡，先存放圖形數據再存放格式化的屬性數據，只需要存放一個文件即能將整個空間數據存儲起來；系統也支持對屬性的擴展，與圖形數據所關聯的屬性數據可以存儲到Pocket Access資料庫中，其圖形與屬性數據通過唯一標識ID號連接，遙感影像數據採用Bmp位圖文件管理；對屬性數據操作時，利用唯一標識ID的連接對資料庫進行訪問；在工程文件中，空間數據的存儲也是按照概念與邏輯一致的存儲結構，在空間數據存儲部分，按圖層個數，將空間數據分成不同的數據段，每一層的空間數據放在同一個數據段內；在同一層空間數據段內，先存儲圖層對象的數據，圖層對象包含了同一圖層空間對象的公共信息，再按照空間對象的類型(點、線、面等)分成不同類型空間對象的數據段，屬於同一類型的空間對象存儲到同一數據段內。
5.根據權利要求1所述的基於行動裝置的衛星定位、遙感及地理信息集成方法，其特徵在於，所述的GPS與行動裝置GIS的集成包括GPS接收機在進行與行動裝置連接時，都將接口統一識別為串口COM，GPS接收機可以採用多種方式與行動裝置連接，GPS接收機和不同的行動裝置，在進行連接時映射不同的串口，行動裝置GIS只需要操作行動裝置GPS接收機內部輸出的數據就能獲GPS定位信息；本方法統一將對串口操作的API函數都封裝到一個動態連結庫中，並在動態連結庫中將對串口的操作封裝成一個串口類，所有對串口操作的API函數都封裝到這個類中。
6.根據權利要求5所述的基於行動裝置的衛星定位、遙感及地理信息集成方法，其特徵在於，所述的GPS與行動裝置GIS的集成，對於更高精度應用來說，提供了對動態RTK GPS定位模式的支持，利用GPS RTK技術進行實測時，首先在已知控制點上架設GPS基站，在移動點上採用GPS移動站，即GPS接收器，行動裝置通過串口與GPS移動站連接，在基站上配備無線電臺，實時廣播GPS相位差分信息，移動站配備無線電臺接收模塊，實時接收相位差分信息，GPS移動站在實時差分處理GPS接收數據後，輸出符合NMEA-0183導航協議格式的GPS數據；行動裝置接收來自GPS移動站的GPS數據，並遵循NMEA-0183協議其進行實時解析，解析後獲得WGS84坐標系的大地坐標；根據實際採用的目標坐標系，確定橢球參數，包括橢球長半徑；確定投影參數，包括投影中央子午線；確定轉換參數，包括四參數；利用這些參數將WGS84坐標轉換成實際所採用的坐標系坐標。
7.根據權利要求1所述的基於行動裝置的衛星定位、遙感及地理信息集成方法，其特徵在於，所述的行動裝置與遙感RS數據的集成只建立原始的圖像信息與實際圖像信息的映射關係，在文件保存時，也只是附加保存原始的圖像信息與實際圖像的映射信息；在具體實現圖像放縮過程中，運用最優鄰近點算法對圖像進行重採樣處理，該最優鄰近點算法的核心思想，就是在圖像放大過程中，由於圖像的放大而使一些像素沒有了顏色值，這些沒有顏色值的像素就用與它最近的那個像素的顏色值填充。
8.根據權利要求7所述的基於行動裝置的衛星定位、遙感及地理信息集成方法，其特徵在於，所述的最優鄰近點算法將有關遙感圖像的操作封裝成一個設備無關圖類，圖像的顏色設置與顯示都在其繪圖函數裡；在顯示圖像過程中，判斷圖像是否在顯示區域，如不在顯示區域則不顯示，在對圖像的操作方式上，通過獲得圖像的對象指針，再利用圖像對象類的方法完成圖像的操作，在圖像類的繪圖函數裡設置了與矢量圖一樣的圖形變換。
全文摘要
本發明涉及基於行動裝置的衛星定位、遙感及地理信息集成方法，該方法採用行動裝置內置的嵌入式Windows CE作業系統及其提供的內嵌式開發環境，包括基於行動裝置的嵌入式地理信息系統(GIS)數據模型、衛星定位(GPS)與行動裝置GIS的集成、行動裝置與遙感(RS)數據的集成。本發明的實施，使得在數據採集的應用中，減少了資源的消耗，提高了效率，實現了行動裝置上GIS圖形的快速更新、顯示及高效的檢索速度，不僅可以進行位置數據的採集，而且還可以基於個人位置的導航、空間信息移動服務等應用；實現了遙感影像的加載、遙感影像與矢量圖的疊加。
文檔編號G01S17/89GK101051077SQ20061002540
公開日2007年10月10日 申請日期2006年4月3日 優先權日2006年4月3日
發明者童小華, 胡廣傑, 田根, 唐德昌, 蔡傑 申請人:上海市閘北區綠化管理局, 同濟大學