整合GIS和GPS的車(chē)輛定位方法實(shí)踐研究

李功權(quán),肖周林 (長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,湖北荊州434023)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)有的交通運(yùn)輸管理與服務(wù)手段已不能適應(yīng)交通運(yùn)輸業(yè)和城市管理的需求。雖然GPS的應(yīng)用開(kāi)始于軍事領(lǐng)域,但隨著近年來(lái)GPS技術(shù)的民用化,它逐漸成為一個(gè)全球性的工具,通過(guò)GPS提供的實(shí)時(shí)定位功能來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的實(shí)時(shí)定位,完全可以替代以前通過(guò)語(yǔ)音傳送車(chē)輛位置信息的通信方式[1]。運(yùn)用GPS的定位技術(shù)也可以在城市管理的許多單位得到應(yīng)用,如交通、銀行等,甚至可在商業(yè)車(chē)隊(duì)運(yùn)營(yíng)公司使用,如出租車(chē)管理公司等[2～6]。但這種定位方法獲得的僅僅是一個(gè)精確的地理坐標(biāo),無(wú)法與該坐標(biāo)周?chē)牡乩憝h(huán)境聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行分析和評(píng)估,而地理信息系統(tǒng)(GIS)是以地理空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用地理模型分析方法,適時(shí)地提供多種空間的和動(dòng)態(tài)的地理信息,為地理研究和地理決策服務(wù)。可見(jiàn),整合GPS和GIS的車(chē)輛的定位系統(tǒng)將會(huì)在社會(huì)生活中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。為此,筆者整合GIS和GPS技術(shù),并將其運(yùn)用到車(chē)輛定位的實(shí)踐中。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

車(chē)輛的定位離不開(kāi)電子地圖的支持,因而電子地圖的基本操作,如對(duì)地圖進(jìn)行放大、縮小、漫游、全幅顯示、查詢(xún)等操作需要作為最基本的功能提供給用戶(hù)使用,用戶(hù)可根據(jù)自己的需要來(lái)選擇地圖的顯示比例和所需要觀(guān)察的地圖的范圍。要對(duì)車(chē)輛進(jìn)行定位,不僅能準(zhǔn)確地知道移動(dòng)目標(biāo)當(dāng)前所在的位置,而且能在電子地圖上實(shí)時(shí)的觀(guān)測(cè)到移動(dòng)目標(biāo)隨著時(shí)間位置發(fā)生的變化,能對(duì)過(guò)去某一目標(biāo)的移動(dòng)位置進(jìn)行回放。

車(chē)輛具體位置的獲取主要來(lái)自安裝在各個(gè)車(chē)輛上的GPS提供的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)定時(shí)更新到車(chē)輛管理數(shù)據(jù)庫(kù)中,系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中抽取車(chē)輛的位置等信息用來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。定位操作和地圖顯示以及結(jié)果顯示應(yīng)在同一界面方便操作和觀(guān)察。另外,還需要增加定位操作的控制功能 (包括開(kāi)始、暫停、繼續(xù)、停止等)。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

1.2 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析,車(chē)輛的定位系統(tǒng)可以看成是基于電子地圖的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用,可由2部分組成(見(jiàn)圖1):一部分是電子地圖的基本操作,包括地圖數(shù)據(jù)讀取、地圖顯示、地圖操作等,這些操作可以采用目前流行的GIS平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn),作為一個(gè)通用圖層來(lái)管理;另外一部分是車(chē)輛定位,由GPS數(shù)據(jù)讀取、動(dòng)態(tài)定位、位置成圖、軌跡回放等模塊組成,以GPS數(shù)據(jù)為專(zhuān)題圖層,車(chē)輛定位操作以該圖層為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行分析。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 GPS數(shù)據(jù)文件的讀取

GPS的數(shù)據(jù)輸出一般以語(yǔ)句 (＄GPGGA)開(kāi)始,這是一幀GPS定位的主要數(shù)據(jù)。其標(biāo)準(zhǔn)格式為:＄GPGGA,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),M,(10),M,(11),(12) ＊hh(CR)(LF)。如:

＄GPGGA,050901,3931.4449,N,11643.5123,E,1,07,1.4,76.2,M,-7.0,M,＊65。其對(duì)應(yīng)的含義為:

(1)定位UTC時(shí)間:05∶09∶01;

(2)緯度 (格式ddmm.mmmm:即dd度,mm.mmmm分);

(3)N/S(北緯或南緯):北緯39度31.4449分;

(4)經(jīng)度 (格式dddmm.mmmm:即ddd度,mm.mmmm分);

(5)E/W(東經(jīng)或西經(jīng)):東經(jīng)116度43.5123分;

(6)質(zhì)量因子 (0=沒(méi)有定位,1=實(shí)時(shí)GPS,2=差分GPS):1=實(shí)時(shí)GPS;

(7)可使用的衛(wèi)星數(shù) (0～8):可使用的衛(wèi)星數(shù)=07;

(8)水平精度因子 (1.0～99.9);水平精度因子=1.4;

(9)天線(xiàn)高程 (海平面,-9999.9～99999.9,單位:m);天線(xiàn)高程=76.2m);

(10)大地橢球面相對(duì)海平面的高度 (-999.9～9999.9,單位:m):-7.0m;

(11)差分GPS數(shù)據(jù)年齡,實(shí)時(shí)GPS時(shí)無(wú):無(wú);

(12)差分基準(zhǔn)站號(hào) (0000～1023),實(shí)時(shí)GPS時(shí)無(wú):無(wú);(CR)(LF)回車(chē),換行。通過(guò)使用ifstream類(lèi)來(lái)將數(shù)據(jù)讀取到一個(gè)Vector類(lèi)型的變量中,來(lái)保存當(dāng)前GPS的實(shí)時(shí)信息。

2.2 車(chē)輛的定位方法

通過(guò)讀取GPS數(shù)據(jù)填充車(chē)輛信息數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)的數(shù)據(jù)表之后,就可以使用一個(gè)定時(shí)器從車(chē)輛信息數(shù)據(jù)庫(kù)中提取目標(biāo)車(chē)輛位置等信息,并在電子地圖上繪制出來(lái)從而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)定位效果。如果需要進(jìn)行車(chē)輛軌跡回放,實(shí)現(xiàn)方法與動(dòng)態(tài)定位類(lèi)似,只是需要給定回放的起始和終止時(shí)間即可。ArcGIS Engine中的Tracking Analyst的擴(kuò)展模塊,是基于時(shí)間序列的可視化和分析工具,可以實(shí)現(xiàn)帶有時(shí)間屬性的事物和現(xiàn)象變化的歷史回放,以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示?？捎糜诨胤跑?chē)輛、衛(wèi)星等的動(dòng)態(tài)位移;離散發(fā)生的犯罪、雷擊事件;氣象臺(tái)站的風(fēng)向監(jiān)測(cè)信息;以及社會(huì)現(xiàn)象的變化遷移等?？梢?jiàn),采用ArcGIS Engine提供的T racking Analyst組件完全可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的定位功能。

2.3 組件式開(kāi)發(fā)技術(shù)

在對(duì)比了國(guó)內(nèi)外常用的GIS組件平臺(tái)后,鑒于A(yíng)rcGIS Engine組件可以提供該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的所有功能,因而選用ArcGIS Engine組件作為開(kāi)發(fā)平臺(tái),采用VC++作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,Access作為車(chē)輛管理數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)構(gòu)建車(chē)輛定位系統(tǒng)。其中電子地圖采用其可視化組件MapControl和ToolbarControl。由于Map-Control模塊能直接讀取.mxd文檔,可見(jiàn)只需要在A(yíng)rcMap中編輯好研究區(qū)的電子地圖并保存為該格式后,就可以直接顯示成電子地圖,而 ToolbarControl有一個(gè)控件命令選擇集,可以提供電子地圖操作的基本功能。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 GPS信號(hào)的模擬發(fā)送

為了測(cè)試該系統(tǒng),采用模擬GPS的實(shí)時(shí)信息的方式進(jìn)行,利用Window s編程的消息發(fā)送機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬GPS發(fā)送數(shù)據(jù)這個(gè)功能。首先自定義一個(gè)消息用來(lái)進(jìn)行模擬GPS信號(hào)的發(fā)送,然后創(chuàng)建一個(gè)接收消息的進(jìn)程。在定位操作的視圖中當(dāng)點(diǎn)擊開(kāi)始模擬的按鈕時(shí)候,通過(guò)調(diào)用SendMessage()函數(shù)向車(chē)輛信息管理模塊發(fā)送GPS數(shù)據(jù),以達(dá)到動(dòng)態(tài)更新車(chē)輛位置的效果。

3.2 電子底圖的編輯和整飾

在地理信息系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)管理的基本思想是將地球表層信息按其特性的不同進(jìn)行分層,每個(gè)圖層存儲(chǔ)特征相同或相似的地理對(duì)象集,如河流、湖泊、道路、土地利用和建筑物等構(gòu)成不同的圖層,然后分層管理和存儲(chǔ)。該電子地圖也按照該模式進(jìn)行編輯,可分為道路、行政區(qū)劃、水系和主要企事業(yè)單位等圖層。每個(gè)圖層對(duì)應(yīng)一個(gè)Shape文件。ESRI公司的Shape文件是一種二進(jìn)制文件,能夠同時(shí)存儲(chǔ)空間圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。一個(gè)Shape文件包括3個(gè)文件:一個(gè)主文件 (*.shp)、一個(gè)索引文件 (*.shx)和一個(gè)dBASE(*.dbf)表。主文件是一個(gè)直接存取變量記錄長(zhǎng)度文件,其中每個(gè)記錄描述一個(gè)有它自己的vertices列表的shape。在索引文件中,每個(gè)記錄包含對(duì)應(yīng)主文件記錄離主文件頭開(kāi)始的偏移,dBASE表包含了實(shí)體的屬性數(shù)據(jù)。圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)通過(guò)索引號(hào)建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

在整理好各個(gè)圖層的數(shù)據(jù)源之后,在A(yíng)rcMap中進(jìn)行編輯和整飾。當(dāng)用ArcMap編輯完一幅地圖后,它會(huì)把當(dāng)前地圖的頁(yè)面設(shè)置,圖層的符號(hào)顯示等配置信息存儲(chǔ)為mxd格式的文件。該系統(tǒng)首先將當(dāng)前目錄下的mxd格式的地圖數(shù)據(jù)讀取,作為車(chē)輛定位的電子底圖,通過(guò)調(diào)用MapControl控件中的LoadMxFile方法直接讀取.mxd文檔,這時(shí)就可以看到在A(yíng)rcMap中編輯好的地圖 (見(jiàn)圖2)。此時(shí)也可以進(jìn)行地圖放大、縮小、漫游等操作。

3.3 應(yīng)用效果分析

車(chē)輛定位信息可以看作是車(chē)輛隨著時(shí)間序列變化而發(fā)生的位置變化。實(shí)時(shí)定位的實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)ADO訪(fǎng)問(wèn)車(chē)輛信息數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)時(shí)提取車(chē)輛位置信息;通過(guò)Tracking Analyst組件生成Track圖層,然后加到電子地圖中,如圖3所示。加粗的黑線(xiàn)條就是某個(gè)車(chē)輛的運(yùn)行軌跡。該功能既可以實(shí)施跟蹤車(chē)輛的位置,也可以回放車(chē)輛走過(guò)的路徑。

圖2 加載電子地圖后的系統(tǒng)界面

圖3 定位演示結(jié)果全圖

4 結(jié) 語(yǔ)

以ArcGIS Engine作為開(kāi)發(fā)組件,實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛實(shí)時(shí)信息的管理。實(shí)際應(yīng)用測(cè)試說(shuō)明,在GPS中整合GIS,不僅可以更好地發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì),而且也可以擴(kuò)大兩者在實(shí)際社會(huì)生活中的應(yīng)用范圍。通過(guò)試用,該系統(tǒng)不僅可以滿(mǎn)足日常車(chē)輛管理的需要,還能借助GIS的空間分析功能優(yōu)化車(chē)輛行駛路線(xiàn),具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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