嵌入式软件开发与
Embedded-GIS
马常杰
2005-03-27
1.嵌入式软件开发
市场现状
嵌入式操作系统
嵌入式软件开发特点
嵌入式软件开发过程
2.Embedded-GIS系统
系统概述
系统及模块结构
系统功能与特点
3.项目应用
4.前景展望
提
纲
1.嵌入式软件开发
1.1 市场现状
嵌入式设备在日常生活中无处不在,手机,MP3,数码
相机,洗衣机,彩电,冰箱,电话机,CD机,游戏机……
里面可能都有嵌入式软件.
由于嵌入式系统所特有的高效性,自动性,智能性,
低耗性,高可靠性和高品质特点,不仅在日常生活中受到
广泛关注,而且在工业,农业和商业活动中,嵌入式系统
同样也得到了越来越广泛的应用,嵌入式设备的应用数量
是通用PC的10倍以上,嵌入式系统被公认为是后PC时代的
计算机应用的重要特征.
2002年我国嵌入式软件市场销售额达到118.56亿元,
随着移动通信,信息家电和工业控制等领域的不断成熟,
我国嵌入式软件产业将迎来新一轮的快速增长,并将成为
我国软件企业发展的重要领域.
1.2 嵌入式操作系统
嵌入式实时操作系统与桌面操作系统在设计之初对应用
环境的3种截然不同的假设:
1.桌面操作系统假定硬件体系结构是标准的而且不变
的.
如Windows是专门针对PC设计的,Solaris是专门为Sun工
作站设计的;
而嵌入式实时操作系统则假定每个应用在硬件上是不同
的,因此嵌入式实时操作系统具有天然的易移植性.
Continue
2.桌面操作系统假定应用程序是经常变化的(如5分钟
之前在玩游戏而现在正在运行字处理软件),甚至几个
各不相干的应用同时运行(如在写C程序的同时在听
MP3).
也就是说,桌面操作系统是一个通用的操作系统,它以
不变应万变.它把用户可能用到的所有功能统统封装在
一起,不管应用程序怎么变化它都能应付.
嵌入式应用往往是专用系统,如一台路由器只要完成路
由功能就行了,它不用考虑明天是否会有人在上面玩游
戏.所以嵌入式实时操作系统都是可裁剪的,这对于提
高设备的可靠性和稳定性也是有帮助的.
Continue
3.桌面操作系统假定应用程序是不可靠的.
桌面操作系统对应用程序员采取的"态度"是"不信任"
的.
嵌入式实时操作系统对程序员采取的"态度"不是"防着
点"或"留一手",而是"充分的信任".
也就是说,嵌入式实时操作系统对应用程序员是充分开
放的.
1.2 嵌入式软件开发特点
嵌入式软件产品特别强调"量身定制"的原则,也
就是说基于某一种特殊用途的需求,因而特别针
对该项要求而设计开发出与其他产品完全不同的
系统,这也就是所谓的个性化(personality)和
定制化(customization).
与通用PC系统开发的区别
Continue(硬件系统):
(1)嵌入式微处理器:
特点有:体积小,重量轻,可靠性高和能耗低等.
代表产品:PowerPC,MIPS,ARM,StrongARM和
Xscale,以及51/98单片机系列等.
(2)嵌入式DSP处理器(Digital Signal Processor )
嵌入式DSP处理对系统结构和指令进行了特殊设计,
使得嵌入式DSP处理器适合于实时的进行数字信号处
理,它的范围主要是在数字通信和无线通信等领域.
代表产品有:美国德州仪器公司TI的DSP系列.
Continue
:
Continue:
(3)嵌入式系统的整合芯片(System On Chip):
嵌入式系统整合芯片(SOC)把整个嵌入式系统的大
部分都集成到一块或几块芯片中,使得应用系统电路
变得简单,对于减小整个应用系统的体积和功耗,提
高可靠性非常有利.
相比之下,通用PC系统的处理器种类相对比较少,主
要有Intel x86系列及其兼容系列(如AMD)和苹果机
(Macintosh)系列.
Continue(软件系统):
嵌入式系统的操作系统软件也比较多,
主要有微软的WinCE;WindRiver的VxWorks;ATI的
Nucleus;Palm的PalmOS;Express Logic的ThreadX以
及EmBedLinux等.
而PC系统的操作系统软件相对较少,主要有微软的
Windows系列;Macintosh的Mac OS和Linux等.
Continue(系统资源):
嵌入式系统要求体积小,能耗低,重量轻,可
靠性高,因此在资源方面就有所限制,特别是存储
介质,嵌入式系统大都采用能耗低的ROM和FlashROM
等,在容量上也有限制.
而PC系统由于在空间和能耗上没有什么限制,
随意可以采用一些能耗大,存储容量大的存储介
质.
Continue(开发工具):
个人计算机系统具有完善的接口,在开发时,一般使
用通用的开发调试工具,比如微软的Visual C/C++
Compiler 和Borland C/C++ Compiler.
而嵌入式系统则不一样,不同的处理器,有各自不同
的开发调试工具(如:Control C/C++ Compiler,
High C/C++ Compiler等.
1.3 嵌入式软件开发过程
嵌入式系统的开发和PC系统有紧密的联系
我们通常都是在通用PC系统上,借助一些程序编写
软件(如C语言,VC等)来编写代码;
然后再使用相应的编译器把程序代码编译成目标代
码(OBJ代码);
最后再把所有的目标代码链接(link)成可执行的
代码;
并通过一些相关的工具把可执行的代码下载到嵌入
式系统的控制板上;
这样,在PC上编写的程序就可以在这块控制板上运
行了.如果此时程序有任何问题,我们可以借助PC
系统和专用的工具来进行调试.
2.Embedded-GIS系统
2.1 系统概述
Embedded-GIS系统应用面向对象和构件技术,并整
合最新的GIS技术,嵌入式操作系统和网络通讯技术,
实现了在嵌入式GIS系统有限的资源条件下(硬件处理
速度,存储容量等)大容量空间信息的压缩与检索技
术,有效地支持嵌入式地理信息终端与大型GIS系统的
交互,网络服务(Web Service)以及实现系统间功能
的互操作,实现在小型嵌入式设备上的空间信息管理,
空间信息浏览,可视化,空间信息查询,空间分析处理
等GIS功能,并有机地集成3S(GIS,GPS,RS)技
术,实现矢量,影像结合的电子地图浏览与查询等功
能.
2.2系统结构
Embedded-GIS是能够在大型GIS系统与终端
设备间提供无缝信息交换与服务的嵌入式GIS
系统平台,可灵活适应不同的应用系统,支持
多种操作系统,可以广泛应用于掌上电脑,车
载导航,野外数据采集,智能手机,机顶盒以
及其他小型嵌入式设备.
总体结构图如下:
公用
电话
查询
终端
大型地理信息系统
大型空间数据库
掌上电脑
移动
电话
车载
导航
笔记本电脑Internet
NC
PCPC
移动NC
2.3模块结构
掌上
电脑
…
基本硬件平台
外部设备
构件,中间件平台
其它通信
选件
CDMAGPRSGPS
通信
协议
GUI文件
系统
设备
驱动
系统应用
构件库
操作系统内核层
智能
手机
车载
导航
行业
应用
GPS数据同步与功能交互数据编辑
信息交换投影变换数据库
浏览器空间
分析
数据
管理
检索
查询
安全
体系
可视化
大型空间
数据库
2.4功能与特点
-空间数据管理
-空间数据可视化
-影像数据管理
-编辑与交互模式
-GPS的接口
-与大型GIS交互和移动服务
-可移植的系统设计
2.5空间数据管理
数据管理模型
空间实体模型
数据压缩机制
空间索引和分析
2.5.1数据管理模型
地图工程,图层,要素集等三个管理层次,其中,要素集相当
于数据容器,主要负责对空间各类对象(要素)的存取,建立空间
索引,实现对要素的持久存储,并且为每一个要素分配惟一标识,
从而实现对空间对象的调度,完成各种基本的空间查询,维护空间
对象的一致性.
要素集
简单要素集拓扑多边形要素集网络要素集动态目标要素集
静态标注集
地图图层地图工程
2.5.2空间实体模型
运用面向对象的泛化,聚合和封装等技术将GIS空间实体抽象为
如下对象图:
抽象对象
空间要素静态标注显示规则
属性实体
复合要素
拓扑要素
简单实体
动态目标
线要素点要素区要素拓扑元素
节点要素拓扑区要素路径要素拓扑线要素几何元素
点集
简单多边形
线实体
点节点
拓扑多边形
拓扑线
2.5.3数据压缩
针对嵌入式系统存储空间小的特点,本系统采用"数据引用机
制",将空间对象实体(要素)与其空间位置存储管理相分
离,从而达到对GIS存储的优化.
节点,弧段,拓扑多边形
点,线,面
拓扑元素
要素
几何元素
1
1..*
1
1
11
采用的方法:
用short型代替float或double型;
确定映射范围并以该范围为虚拟屏幕进行
"滤点压缩
"长边加点
"解决
"偏移量压缩
"中的例外
.
2.5.4空间索引/查询
在MAPGIS已有的高效空间索引技术(金字塔索引技术,多重四叉
树编码索引技术,空间四叉树索引技术等)和空间运算算法的基础
上,进一步研究动态空间索引技术和智能化空间检索技术(网格索
引和八叉数,A树和R树等树索引),在高效率空间索引的支持下
实现嵌入式系统中空间数据的快速查询检索,实现快速的由图查
文,由文查图及图文互查.开发空间数据查询检索构件.
考虑对于嵌入式GIS应用,基于地名,地址的查询非常多,需要
研发地名,地址簿管理和匹配模块,实现快速地名查询和模糊地名
匹配.
2.5.5空间分析
路径分析是嵌入式GIS系统应用相当广泛的一种网络分
析功能,主要用来求解在导游导航过程中最优路径和最短路
径,并能提供该路径上的相关信息.
此外,该模块提供了公交线路中经由站点的路径计算,
查询以及信息存储等功能.
提供对于点,线,面实体的缓冲区分析
2.6空间数据可视化
提供基本的地图浏览:放大,缩小,复位,移动等工具.
提供在嵌入式系统中影像数据的快速可视化以及矢量数据
的还原显示功能,从而丰富了嵌入式GIS系统的地图信
息.
具有用户自定义功能,使用方便,灵活的符号库,线形
库,图案库和颜色库管理.
应用显示规则,从而实现地图数据的可视化的定制功能以
及空间数据符号表现.
地图文字的动态和静态标注,不但增强了地图的信息量,
而且实现了地图制图过程的整饰功能.
可视化结构图
基本显示接口
地图显示接口
基本显示类
地图显示类
区域填充
坐标变换
冲突检测
库管理符号库
投影变换
视图封装类
2.7空间影像数据管理
系统结合嵌入式设备特点提供空间影像数据的转换,压
缩,可视化等功能.
通过与MAPGIS平台交互,实现将各种影像数据格式文件(包
括Tiff,GeoTiff,Raw,Bmp,Jpeg等)以及源格式影像数据
转换为MAPGIS专用影像文件格式(MSI),在此基础上,嵌入
式GIS系统利用动态增量压缩,小波压缩等技术将MSI格式的
影像数据进行二次压缩转换为MSE文件.
系统通过集成的GPS接收定位设备,可将获取的地理坐标记
录存储下来或上传到数据服务器,并在地理背景中随时叠置
显示.同时,系统通过矢量,空间影像数据一体化组织存储
管理体系,在嵌入式设备中将RS影像与矢量图形在统一的坐
标系下显示,为栅-矢叠加分析提供了友好的视图效果.
2.8编辑处理与交互模式
提供可视化的完成空间数据的添加,删除,复制,移动等编
辑,并能根据用户的需要设置相应显示样式.
提供地图整饰文字的录入,修改以及动态标注(由属性数据转
地图数据)的编辑等功能.
空间实体拓扑关系的自动建立,维护,编辑,和查询.
可视化的空间数据和属性数据的关联查询和修改
基本工具类
放大显示工具缩小显示工具移动显示工具编辑工具
录入线工具录入面工具静态注记工具录入点工具选择要素工具ToolTip工具
折线工具
曲线工具
流线工具
平行线工具
菱形线工具
三角形线工具
椭圆线工具
矩形线工具
平行四边形线工具
录入点静态注记工具
录入线静态注记工具
录入面静态注记工具
修改注记内容工具
更新显示参数工具
删除注记工具
浏览要素属性工具
移动要素工具
修改要素属性工具
删除要素工具
复制要素工具
旋转要素工具
2.9 GPS的接口
GPS通讯是嵌入式GIS系统通讯的重要方式之一,也是实
现导游导航不可或缺的功能,该模块提供了相应的GPS信
号处理接口,进而扩展了系统的应用范围.
支持常用的GPS数据格式的解析,如NEMA0183,并实现
与接受GPS数据的串口通讯
提供GPS数据实时记录,历史回放等功能,为数据的统计
和分析提供了良好的支持
2.10与大型GIS互操作
进行了以MAPGIS为基础服务平台的互操作开发:
基本完成基于OGC规范的WMS, WFS服务的开发.
基本完成客户端的WMS浏览,WFS信息浏览和转换.正在进行
嵌入式客户端的WFS信息接收和转换工作.
完成基于WEB的空间信息发布,空间信息查询系统.
完成基于WEB的动态目标监控系统.
2.11空间信息移动服务
(Web Services)
主要实现基于SOAP和XML的空间信息Web Services,
系统利用大型地理信息系统的空间数据库和应用逻辑服务
器的功能,提供空间数据的存取,交换,空间分析和空间
运算,空间信息查询等空间信息服务.
目前支持的服务有:
通用数据访问服务(Common Data Access Services)
查询服务(Query Services)
空间分析服务(Spatial Analyze Services)
制图服务(Render Services)
2.12可移植的系统设计
嵌入式操作系统种类繁多,为便于在不同的嵌入式操作系
统上运行应用程序,要求嵌入GIS系统具有较高的可移植性和
跨平台的能力.
导航应用环境地质调查系统应用…
可移植性
FrameWork
操作系统应用程序接口适配层(API Adaptor Layer)
可移植性嵌入式GIS平台
Windows CEWindows CE.NET和欣系统
3.项目应用
与中国地调局合作
-数字区域地质调查系统
-数字环境地质调查系统
与元征科技公司合作
-车载GPS智能导航系统
与湖南省公路局合作
-公路养护调查系统
其他
-安全局电子跟踪系统
-移动导航导游系统
3.1安全跟踪定位
3.2车载GPS智能导航系统
移动GPS导航系统
-快速地图显示/操作
-兼容各种GPS设备
-实时路径分析
-语音导航
-信息查询
-实时轨迹记录与回放
-数据交换和数据加密
3.3移动导游导航系统
导游导航系统(Smart-Guide)能较好的满足
旅游区高端游以及自驾车游客的需要,为游客提
供了导游,导航,导购等一系列方便,快捷,个
性化的服务.本系统提供如下功能:
提供丰富的查询类别:包括景点,宾馆,加油站,购物中心等
等.
提供丰富的查询方式:包括一般查询和基于当前位置的周边信息
查询.
提供丰富的查询内容:包括基于本机存储的基本信息介绍与基于
WEBGIS网络服务器存储的详细信息介绍.
路线管理:实现预先存储的黄金路线的管理.
实现用户自己编制的自建路线的管理.
收藏夹:提供丰富的收藏资料类别:文本,声音,图片.
提供基本的管理方式:添加,删除,修改(文本).
3.4区域地质调查系统
(RGMap)
基于GIS理论与应用技术建立的数字填图系统
(RGMap)为相关地质调查数据采集信息化奠定了基
础;该系统与GPS相集成可以随身携带在野外工作,将
基于PRB数字填图过程(地质点POINT过程,分段路线
ROUTING过程,点间界线BOUNDARY过程)数字化,自动
化,从而实现了以电子野外记录簿取代传统的野外记
录簿,不仅规范了记录方式,也提高了定位精度和速
度.
兼容各种GPS设备
较高的GPS精度和数据采集准确度
动态数据保存.提取和交换,实时浏览和编辑
实现PRB野外地质填图数据模型及与其相应的可视化过
程
实现了地质观察的图,文,像的数字化信息采集,具
有可视化的多源空间数据获取,存储与管理功能.
3.5军事标图系统
依托嵌入式GIS的支撑,军事标图系统被赋予了强大
的属性管理功能和实时编辑功能,既有方便的属性
管理方式,如联动显示和修改;更重要的在于其几
乎可以支持任意的数据类型,包括图像,声音,动
画等,这些多媒体数据的添加,又进一步体现增强
了它的功能.
在军事标图系统中,按照军标对象分类,有扯旗,
小旗,箭标,运动军标;而每一大类下面又有若干
小类.从操作方面分类,可以输入,修改,删除,
参数设置,属性修改管理,缺省参数存储,对箭
标,运动军标还可进行播放.
3.6公路养护系统
4,前景展望
Embedded-GIS以MAPGIS大型平台为后
盾,将会不懈的推进标准和互操作发展,开发与
标准一体化互操作性的信息模型,系统架构.
充分的利用嵌入式设备,嵌入式操作系统的特点,
更加有效的集成GIS/GPS/RS技术, 不断完善和
增强,以适应更加广泛的应用空间,提供更加
完善的移动信息服务!
谢谢!
E-mail:machangjie@hotmail.com