基于Google Earth的導(dǎo)航電子地圖設(shè)計

姚冰冰，袁志敏，吳 梅

（1.西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710129；2.陜西飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司設(shè)計研究院 陜西 漢中 723213）

隨著現(xiàn)代無人機(jī)的發(fā)展，為了能更好地監(jiān)視無人機(jī)的飛行狀況并對無人機(jī)進(jìn)行控制，人們使用了各種地面設(shè)備，包括人工水平儀、慣性測量單元指示器、3D視景[1]、電子地圖等，來輔助操作員對無人機(jī)的飛行數(shù)據(jù)和任務(wù)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時地監(jiān)控。其中電子地圖是伴隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的地圖新形式，Google Earth是其中的典型代表。

傳統(tǒng)的紙質(zhì)地圖在人類歷史上扮演了重要角色，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)明了更加精確、靈活的電子地圖。從20世紀(jì)80年代起，歐美很多國家就開始了相關(guān)研究，到現(xiàn)在電子地圖技術(shù)已得到了很大發(fā)展,廣泛的應(yīng)用到了交通和導(dǎo)航領(lǐng)域[2]。

Google Earth是Google公司開發(fā)的一款虛擬地球軟件，它把航拍照片、衛(wèi)星圖像和GIS數(shù)據(jù)整合在一起，形成一個地球的三維模型[3]。Google Earth的數(shù)據(jù)大都來源于美國國家航空航天局（NASA）的衛(wèi)星圖像，用戶可以通過它來足不出戶的瀏覽世界。Google Earth還可以進(jìn)行二次開發(fā)，來實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的應(yīng)用需求。

1 Google Earth及其二次開發(fā)

目前針對Google Earth的開發(fā)主要有兩種方式，第一種是基于Google Earth的API；第二種是基于KML文件[4]。編寫程序時，為了實(shí)現(xiàn)特定功能，需要結(jié)合使用這兩種開發(fā)方式。

1.1 Google Earth API介紹

Google公司提供了Google Earth API類庫，基于此用戶可以在外部程序中調(diào)用Google Earth的功能。Google Earth API類庫包含十一個類，主要用到的有：

1）IApplicationGE類，該類是Google Earth API的入口類，通過該類可以控制Google Earth客戶端的開啟、關(guān)閉，獲取視圖窗口句柄、主窗口句柄，還可以進(jìn)行獲取地圖視場照相機(jī)對象、Google Earth版本號、轉(zhuǎn)換坐標(biāo)等復(fù)雜操作[3]；

2）ICameraInfoGE類，該類表示Google Earth地圖上某一點(diǎn)的視場照相機(jī)，通過該類可以獲取并設(shè)置視場照相機(jī)的焦點(diǎn)位置、轉(zhuǎn)角、仰角、方位角等參數(shù)；

3）IPointOnTerrainGE類，該類是IApplicationGE類的成員函數(shù) GetPointOnTerrainFromScreenCorrds（）的返回類型，通過該類可以將Google Earth坐標(biāo)系內(nèi)一點(diǎn)轉(zhuǎn)化為經(jīng)緯度信息。

其 他 的 類 還 有 ：IFeatureGE、IFeatureCollectionGE、IView ExtentsGE、ISearchControllerGE、ITourControllerGE、IAnimation ControllerGE、ITimeGE、ITimeIntervalGE，分別用來實(shí)現(xiàn)不同的功能。

1.2 KML文件介紹

KML是一種基于XML語法與格式的、用于描述和保存地理信息（如點(diǎn)、線、圖像、多邊形、模型等）的編碼規(guī)范，KML文件可以被Google Earth識別并顯示。

像XML一樣，KML使用基于 tag的表達(dá)方式，tag以結(jié)尾。Google Earth定義了種類繁多的tag，包括地標(biāo)、說明、地面疊加層、路徑和多邊形等。本文主要用到的 tag有：Placemark，地標(biāo)元素，包含了其它元素；LookAt，視場照相機(jī)所處位置元素，包含longitude、latitude、altitude、heading、tilt、range 元素；visibility 元素， 可見性；LineString，路徑元素，包含 altitudeMode、coordinates元素；coordinates元素，坐標(biāo)元組，每個包括經(jīng)度、緯度和海拔的浮點(diǎn)值；altitudeMode元素，用來指定如何解釋與之對應(yīng)的coordinates元素中的海拔分量；Style元素，設(shè)定一個樣式；Point元素，點(diǎn)元素，包含altitudeMode、coordinates 元素[5]。

KML文件的tag使用了包含關(guān)系，這樣就可以修改單個Placemark元素的LookAt屬性，或是對單個LineString元素或Point元素的altitudeMode屬性進(jìn)行設(shè)置。

2 導(dǎo)航電子地圖設(shè)計

作為監(jiān)控?zé)o人機(jī)飛行狀態(tài)的地面設(shè)備的一部分，導(dǎo)航電子地圖應(yīng)該實(shí)現(xiàn)地圖顯示、地圖定位、規(guī)劃航跡、顯示實(shí)時航跡、重現(xiàn)航跡等功能，本文由于篇幅所限，僅重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)一些功能。

這里在Microsoft Visual Studio 2008開發(fā)環(huán)境中基于MFC編寫程序?qū)崿F(xiàn)所需功能，主要包括視圖嵌入、繪制航跡、查看航跡等功能。

2.1 嵌入Google Earth視圖窗口

1）將所用到的類導(dǎo)入到所建項目中。所用到的類型庫為“Google Earth 1.0 Type Library<1.0>”，在項目中添加即可。

2）啟動Google Earth客戶端。先調(diào)用IsInitialized（）判斷客戶端是否初始化成功，否則調(diào)用CreateDispatch（）來啟動Google Earth客戶端，其中 CreateDispatch（）接受一個 CLSID類型的參數(shù)，在Google Earth COM API官方文檔可查到Google Earth的CLSID值。

3）將Google Earth視圖窗口嵌入到主程序界面中。分別調(diào)用 GetMainHwnd（）和 GetRenderHwnd（）得到 Google Earth主窗口句柄和Google Earth視圖窗口句柄，然后調(diào)用Windows API函數(shù) SetWindowPos（）函數(shù)將 Google Earth的界面隱藏掉，再調(diào)用Windows API函數(shù)SetParent（）函數(shù)將Google Earth視圖窗口嵌入到主程序界面中。

程序執(zhí)行效果圖1所示：

圖1 Google Earth視圖嵌入效果Fig.1 Embedded effect of the Google Earth view window

2.2 在Google Earth視圖中規(guī)劃航跡

規(guī)劃航跡要將一些地點(diǎn)加入到航跡中，這里用兩種方式實(shí)現(xiàn)添加航跡點(diǎn)：1，在Google Earth視圖中添加；2，輸入經(jīng)緯度來添加。第一種方式需要使用鉤子技術(shù)，彈出右鍵菜單功能，轉(zhuǎn)換坐標(biāo)方法等，兩種方式都要用到KML文件。

2.2.1 鉤子技術(shù)

瀏覽Google Earth視圖是了解某一地區(qū)地形和相對位置最直觀的方式，有時需要將某個地點(diǎn)加入到航跡中，這里實(shí)現(xiàn)右鍵彈出菜單的功能，在菜單中決定是否將選中地點(diǎn)加入航跡。

Google Earth沒有提供和鼠標(biāo)按鍵有關(guān)的接口函數(shù)[6]，需要通過響應(yīng)鼠標(biāo)右鍵消息來進(jìn)行相應(yīng)動作，但鼠標(biāo)在Google Earth視圖窗口中點(diǎn)擊產(chǎn)生的消息會被Google Earth攔截，導(dǎo)致響應(yīng)不了自定義的右擊消息的響應(yīng)。要實(shí)現(xiàn)上述功能需要使用鉤子（Hook）技術(shù)。

Windows系統(tǒng)是建立在以消息為基礎(chǔ)的事件驅(qū)動機(jī)制上的，操作系統(tǒng)將硬件產(chǎn)生的消息（如鼠標(biāo)移動或鍵盤按下）、操作系統(tǒng)產(chǎn)生的消息和其他Windows程序傳送過來的消息放在消息隊列中，等待應(yīng)用程序調(diào)用[7]。而鉤子可以截獲并處理這些消息，以實(shí)現(xiàn)自己期望的功能。鉤子分為線程鉤子和系統(tǒng)鉤子，線程鉤子只能攔截當(dāng)前線程的消息，而系統(tǒng)鉤子則能攔截系統(tǒng)中所有線程的事件消息。因為系統(tǒng)鉤子會影響系統(tǒng)中所有的應(yīng)用程序，其鉤子函數(shù)需要放在動態(tài)鏈接庫（dll）中。系統(tǒng)鉤子原理如圖2所示。

對本文的程序來說，Google Earth視圖窗口嵌入到主程序的界面后，Google Earth在后臺運(yùn)行，當(dāng)前線程所屬進(jìn)程是主程序，綜上考慮需要采用系統(tǒng)鉤子。

在MFC下實(shí)現(xiàn)右鍵彈出菜單，可以選擇響應(yīng)WM_RBUTTONDOWN、WM_RBUTTONUP或 WM_CONTEXTMENU消息，這里選擇響應(yīng)WM_CONTEXTMENU消息。

在動態(tài)鏈接庫中編寫鉤子處理函數(shù)，攔截到WM_RBUTTONUP消息后，向主窗口發(fā)送WM_CONTEXTMENU消息；主程序中在WM_CONTEXTMENU消息的處理函數(shù)中進(jìn)行彈出菜單的動作。程序執(zhí)行效果如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)鉤子原理Fig.2 Principle of system hook

圖3 Google Earth視圖窗口右鍵效果Fig.3 Effect of right button clicked on Google Earth view window

2.2.2 Google Earth坐標(biāo)系與屏幕坐標(biāo)系

在Google Earth視圖中將選中地點(diǎn)添加到航跡時，還需要取得選中地點(diǎn)的屏幕坐標(biāo)，傳遞給主程序，一方面WM_CONTEXTMENU消息的處理函數(shù)需要這個數(shù)值，以在鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊的地點(diǎn)彈出菜單；另一方面，需要將該所選地點(diǎn)的屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度信息寫入KML文件，以進(jìn)一步使用。

Google Earth沒有提供獲取屏幕坐標(biāo)的函數(shù)，也沒有提供從屏幕坐標(biāo)系向地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的函數(shù)，只提供了從Google Earth坐標(biāo)系向地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的Get Point On Terrain From ScreenCoords（）[6]函數(shù)，該函數(shù)在 IApplicationGE類中定義，接受兩個參數(shù)，分別是選中地點(diǎn)在Google Earth坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，因此需要先得到這兩個參數(shù)的值。

Google Earth坐標(biāo)系和屏幕坐標(biāo)系對應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

圖中xoy為Google Earth坐標(biāo)系，橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)范圍都為-1到1；XOY為屏幕坐標(biāo)系，虛線部分為Google Earth視圖窗口，（L，T）為其左上角頂點(diǎn)在屏幕坐標(biāo)系坐標(biāo)，（R，B）為其右下角頂點(diǎn)在屏幕坐標(biāo)系坐標(biāo)，（Ox，Oy）為視圖中心在屏幕坐標(biāo)系坐標(biāo)。

通過圖4所示對應(yīng)關(guān)系，可以得到屏幕坐標(biāo)系中一點(diǎn)（x，y）與 Google Earth 坐標(biāo)系中對應(yīng)點(diǎn)（GEx，GEy）的關(guān)系：

（x-Ox）/（R-L）=（GEx-0）/（1-（-1）），

圖4 Google Earth坐標(biāo)系和屏幕坐標(biāo)系對應(yīng)關(guān)系Fig.4 Correspondence of google earth coordinate and screen coordinate

（Oy-y）/（B-T）=（GEy-0）/（1-（-1））。

其中，屏幕坐標(biāo)（x，y）由鉤子程序取得，傳給主程序；頂點(diǎn)坐標(biāo) （L，T）、（R，B） 可調(diào)用 Windows API函數(shù) Get Window Rect（）得到；視圖中心坐標(biāo)（Ox，Oy）可由（L，T）、（R，B）計算得到，由此可計算出 Google Earth坐標(biāo)（GEx，GEy）。然后用上面提到的函數(shù)Get Point On Terrain From ScreenCoords（）將之轉(zhuǎn)化為地理坐標(biāo)，寫入KML文件中。

2.2.3 讀寫KML文件

KML文件本質(zhì)上還是XML文件，讀寫XML文件的方法有很多，這里使用CMarkUp類來修改KML文件內(nèi)容。

添加航線和航跡點(diǎn)時，可以事先在KML文件中預(yù)先寫好一定數(shù)量的LineString元素和Point元素，在添加時按次序修改。但由于每次要添加的航線數(shù)和航跡點(diǎn)數(shù)是不同的，上述方法并不合適，這里根據(jù)KML語法特征構(gòu)建一個線模版KML文件和一個點(diǎn)模版KML文件[8]，添加航線或航跡點(diǎn)時，復(fù)制該模版文件，然后修改所復(fù)制的文件的相應(yīng)元素。

對于所添加航跡點(diǎn)，要設(shè)置標(biāo)記來突出顯示，這可以通過使用Style元素來實(shí)現(xiàn)。

添加航線流程圖如圖5所示。

圖5 添加航線流程圖Fig.5 Flow chart of adding track routes

流程圖中，l用來計數(shù)當(dāng)前添加的是第幾條航線；p用來計數(shù)當(dāng)前添加的是第幾個航跡點(diǎn)，以給復(fù)制的文件命名及之后調(diào)用。

添加新航線之前，應(yīng)隱藏上一條添加的航線和航跡點(diǎn)，這可以通過修改KML文件的visibility元素的值做到，其值為1表示可見，為0表示不可見。

讀KML文件時，使用IApplicationGE類的OpenKmlFile（）函數(shù)，該函數(shù)接受兩個參數(shù)，第一個參數(shù)為要讀取的KML文件的絕對路徑，第二個參數(shù)為1。每次添加航跡點(diǎn)后，都需要讀取l-p.kml，使選中的地點(diǎn)顯示出標(biāo)記效果。

完成添加航跡點(diǎn)后，使用OpenKmlFile（）函數(shù)讀取l.kml文件，即可在Google Earth視圖上形成航跡，繪制航跡效果如圖6所示。

圖6 繪制航跡效果圖Fig.6 Effect of drawing track route

2.3 查看規(guī)劃好的航跡

完成添加航線后，有時需要查看已經(jīng)規(guī)劃好的航跡，可以在地圖上直觀查看其地理位置或者查看某條航跡上的航跡點(diǎn)信息，這些需要用到一個帶復(fù)選框的List Box控件。MFC沒有提供帶復(fù)選框的List Box控件，可以修改其Owner Draw屬性和Has Strings屬性，并將綁定的控件類型改為CCheckListBox即可。

每次添加新航線后，要在List Box控件中生成一個新條目，以便全部添加完成后查看該航線信息。

通過勾選條目之前的復(fù)選框狀態(tài)，來決定是否在地圖上顯示某航跡。復(fù)選框狀態(tài)改變后，會發(fā)送ON_LBN_SELCHANGE消息，在該消息的處理函數(shù)OnSelchangeList（）中添加代碼，實(shí)現(xiàn)顯示某條航線的功能。顯示航線流程圖如圖7所示。

流程圖中，i和j分別用來給條目和航跡點(diǎn)計數(shù)，由于條目編號從0開始，而航線編號從1開始，因此條目i對應(yīng)的航線號為i+1。

通過雙擊條目來顯示某條航跡的詳細(xì)信息。雙擊List Box會發(fā)送ON_LBN_DBLCLK消息，在該消息的處理函數(shù)OnBnDBClickedListBox（）添加代碼，通過 CMarkUp類來讀取所點(diǎn)擊航線對應(yīng)的KML文件，獲取其coordinates元素信息，經(jīng)過字符串處理，就能得到該航線各個航跡點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和海拔值。

2.4 在Google Earth視圖中顯示實(shí)時航跡

顯示實(shí)時航跡就是要在電子地圖上動態(tài)顯示無人機(jī)的飛行過程，以檢驗飛行效果和任務(wù)執(zhí)行情況。這里需要讀取保存無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)的EXCEL文件，讀取EXCEL文件的方法有很多，本文選用BasicExcel類來讀取[9]。

圖7 顯示航線流程圖Fig.7 Flow chart of displaying track route

首先建立一個包含Point元素和Style元素的KML文件，其LookAt元素和coordinates元素修改為無人機(jī)的初始位置，設(shè)置Style元素標(biāo)記用來表示無人機(jī)；使用LineStyle元素來給表示實(shí)時航跡的線條設(shè)置不同的顏色和粗細(xì)度，以區(qū)別于規(guī)劃的航跡。

每隔固定時間，通過讀取EXCEL文件得到經(jīng)緯度信息，依此來修改KML文件中coordinates元素的值，然后讀取KML文件。這樣每次讀取，無人機(jī)標(biāo)記就會顯示在其實(shí)際飛行位置。實(shí)時航跡顯示效果如圖8所示。

圖8 實(shí)時航跡顯示效果圖Fig.8 Effect of Real-time track routes display

圖中，細(xì)線為規(guī)劃的航跡，粗線為實(shí)際飛行航跡。

3 結(jié)束語

Google Earth是Google公司開發(fā)的一款優(yōu)秀軟件，普通用戶可以通過它來免費(fèi)瀏覽全球各地的高清晰度衛(wèi)星圖片。而有特殊需求的用戶則可以通過二次開發(fā)做出特定功能。本文基于Visual Studio 2008平臺，利用Google Earth API和KML文件，編寫程序?qū)崿F(xiàn)了規(guī)劃航跡、查看航跡和顯示實(shí)時航跡等功能。

[1]DanielPerez，Ivan Maza， Fernando Caballero， David Scarlatti， Enrique Casado， Anibal Ollero.A Ground Control Station for a Multi-UAV Surveillance System[J].Journal of Intelligent&Robotic Systems，2013，69（1-4）:119-130.

[2]王倩.基于GIS的電子導(dǎo)航圖和任務(wù)規(guī)劃[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[3]江寬，龔小鵬.Google API開發(fā)詳解：Google Maps與Google Earth雙劍合璧[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[4]馬俊.基于GoogleEarth的無人機(jī)地面站監(jiān)控系統(tǒng)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

[5]Google.Google Developers：Keyhole 標(biāo) 記 語 言 [EB/OL].（2013-09-30）[2013-11-08].https://developers.google.com/kml/documentation/kmlreference?hl=zh-CN.

[6]馬謙.智慧地圖：Google Earth/Maps/KML核心開發(fā)技術(shù)揭秘[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[7]侯俊杰.深入淺出MFC[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.

[8]楊鑫，鄭新奇.Google Earth二次開發(fā)制圖接口設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].中國科技論文在線精品論文，2011，4（18）：1692-1696.YANG Xin，ZHENG Xin-qi.An interface for drawing features in secondary development of Google Earth[J].Highlights of Sciencepaper Online，2011，4（18）:1692-1696.

[9]劉瑞通，茍先太，馬超，等.基于BasicExcel的讀寫Excel方法研究[J].計算機(jī)與現(xiàn)代化，2011（8）:198-200.LIU Rui-tong，GOU Xian-tai，MA Chao，et al.Methods of accessexcelbased on basicExcel [J].Computerand Modernization，2011（8）:198-200.