面向?qū)ο罂焖僭O(shè)計(jì)安卓室內(nèi)地圖服務(wù)系統(tǒng)

曹新運(yùn)，汪云甲，王 堅(jiān)，張儷文，蔣 龍

(中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

1 引言

在移動(dòng)應(yīng)用商店中，各種基于位置的服務(wù)(location based service，LBS)應(yīng)用層出不窮，一方面是手機(jī)性能的提升使地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)中復(fù)雜的計(jì)算可以在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)，另一方面一些大型地圖公司(如GoogleMap、OpenStreetMap)，提供的地圖服務(wù)較為成熟，使應(yīng)用開發(fā)的難度大大降低[1-2]。

雖然LBS應(yīng)用的功能涉及到生活中的各個(gè)方面，但應(yīng)用范圍以室外地圖服務(wù)為主，室內(nèi)的地圖服務(wù)很少。主要原因是室內(nèi)地圖服務(wù)目前還處于研發(fā)階段，沒有成熟的開發(fā)平臺出現(xiàn)；室內(nèi)地圖對于不同的建筑往往有不同的需求，個(gè)性化較強(qiáng)，難于推廣；室內(nèi)定位較為困難，精度比較低。一些物聯(lián)網(wǎng)公司開始嘗試在一些場景中進(jìn)行開發(fā)，但在開發(fā)的過程中往往更加關(guān)注信號傳輸和服務(wù)器架設(shè)[3-4]，導(dǎo)致地圖系統(tǒng)的顯示效果差，運(yùn)行效率低。

本文詳細(xì)介紹嵌入式系統(tǒng)面向?qū)ο蟮慕＿^程及各過程的功能，并將其引入到安卓(Android)平臺的室內(nèi)地圖構(gòu)建過程中，以廣州白云機(jī)場室內(nèi)地圖設(shè)計(jì)為例，完成該實(shí)驗(yàn)場地的室內(nèi)地圖設(shè)計(jì)與功能分析，重點(diǎn)介紹瓦片地圖[5-6]，地圖概括[7-8]和路徑導(dǎo)航[9-10]三方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，提高系統(tǒng)地圖顯示效率。

2 嵌入式系統(tǒng)的快速面向?qū)ο筮^程

嵌入式系統(tǒng)的快速面向?qū)ο筮^程(rapid object-oriented process for embedded system，ROPES)是20世紀(jì)九十年代提出的針對嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的面向?qū)ο蠼＿^程[11]。與經(jīng)典的面向?qū)ο?object-oriented class model，OO)建模相比，ROPES過程更適合嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，對狀態(tài)圖和對象圖進(jìn)行反復(fù)的修改和細(xì)化，在時(shí)間上和容錯(cuò)方面有著比PC機(jī)更高的要求。小型嵌入式系統(tǒng)的ROPES過程用到了以下幾個(gè)開發(fā)活動(dòng)：

(1)分析

小型嵌入式系統(tǒng)的分析只包括下面的兩個(gè)步驟：需求分析和對象分析，需求分析是典型的黑盒分析，主要針對系統(tǒng)的功能需求和性能需求。對象分析包括對象的結(jié)構(gòu)分析和行為分析：結(jié)構(gòu)分析的重點(diǎn)是分析各個(gè)對象之間的關(guān)系，進(jìn)一步完善和驗(yàn)證協(xié)作圖，而行為分析的重點(diǎn)是分析對象內(nèi)部如何響應(yīng)各種來自內(nèi)外的消息。

(2)設(shè)計(jì)

得到分析模型之后需要對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，保證了需求的一致性。包括體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)，維持軟件和硬件之間協(xié)調(diào)，完善對象之間的協(xié)作，進(jìn)一步細(xì)化和優(yōu)化類內(nèi)部成員。

(3)轉(zhuǎn)換

將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為代碼，包括單元級的測試。在測試過程中會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)與實(shí)際要求不相符的情況，比如響應(yīng)時(shí)間，需要對算法進(jìn)行改進(jìn)或者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及特殊機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化。

(4)測試

包括完整性測試和有效性測試。完整性測試是檢驗(yàn)系統(tǒng)模型是否滿足所需的功能，有效性測試是檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能是否達(dá)到要求。

3 Android平臺的室內(nèi)地圖的ROPES設(shè)計(jì)分析

3.1 需求分析

從功能上講，室內(nèi)地圖系統(tǒng)包括兩個(gè)部分：顯示地圖的GIS系統(tǒng)和顯示商家信息的管理信息系統(tǒng)(management information system，MIS)，本文的重點(diǎn)是在嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的GIS功能，因此在MIS系統(tǒng)上沒有進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計(jì)。限于文章篇幅，本文主要描述的室內(nèi)地圖系統(tǒng)功能有：底圖顯示、地圖目標(biāo)顯示和路徑導(dǎo)航。

在底圖顯示上，考慮平板電腦的內(nèi)存較小，整幅圖像的顯示會(huì)消耗大量的存儲(chǔ)空間和時(shí)間，經(jīng)測試分析，在Android2.2的模擬器上一次性加載800 kB的整幅圖像就會(huì)造成溢出錯(cuò)誤，因此選擇瓦片金字塔技術(shù)實(shí)現(xiàn)地圖顯示。在地圖目標(biāo)的顯示上，除了裁剪問題，還有在目標(biāo)顯示時(shí)不能出現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)的重疊顯示，需要進(jìn)行地圖概括。在路徑導(dǎo)航上，考慮通過減少節(jié)點(diǎn)的數(shù)量來滿足導(dǎo)航計(jì)算時(shí)間需求，同時(shí)保證正常的顯示路徑，沒有穿越墻壁等不符合邏輯的錯(cuò)誤。

3.2 對象分析

系統(tǒng)中的用例協(xié)作體系是一致的，分為數(shù)據(jù)層、計(jì)算層和顯示層，不同用例在細(xì)節(jié)上做了少量調(diào)整以保證需求的完整性。通過對各個(gè)用例遞歸分析得到了完整對象集，將基本對象進(jìn)一步合并和優(yōu)化，形成帶有屬性的類圖。具體改進(jìn)如下：為了方便程序?qū)崿F(xiàn)，將計(jì)算對象作為顯示對象的一個(gè)成員；將文件讀取作為一個(gè)公共輔助類，方便各種文件的讀取和轉(zhuǎn)換，用例-對象如表1所示。

表1 用例-對象表

3.3 機(jī)械設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中使用的觀察者模型沒有提供主動(dòng)注銷的功能，范圍和比例尺數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，所有的圖層中的相關(guān)參數(shù)都進(jìn)行相應(yīng)更新。數(shù)據(jù)集的索引文件和顯示文件使用了容器模式，瓦片地圖的放大和縮小中使用了接口模式。

數(shù)據(jù)庫可以使用嵌入式輕量級數(shù)據(jù)庫SQLite，支持基本的SQL功能，數(shù)據(jù)量極小。系統(tǒng)中可以使用兩個(gè)數(shù)據(jù)庫保存地圖目標(biāo)數(shù)據(jù)和路徑數(shù)據(jù)，分別設(shè)為HotPoint和Path數(shù)據(jù)庫，其各自屬性如下表2～表4所示。

表2 HotPoint屬性表

表3 PathPointT屬性表

表4 PathLine屬性表

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

以廣州白云機(jī)場為例，按照上述室內(nèi)地圖的ROPES設(shè)計(jì)過程，根據(jù)用戶體驗(yàn)提出的要求列出需求分析，將瓦片地圖模型、地圖概括和路徑導(dǎo)航文件組織進(jìn)行優(yōu)化，滿足如下表5的要求。

表5 交互的需求分析

4.1 系統(tǒng)加速4.1.1 瓦片地圖加速

傳統(tǒng)的金字塔模型采用2倍的分辨率變化函數(shù)，適用于跨度較大的地圖數(shù)據(jù)，但對于地圖數(shù)據(jù)的跨度較小時(shí)，如室內(nèi)地圖，區(qū)域?qū)ｎ}地圖，這類模型將不再適合，動(dòng)態(tài)縮放顯示時(shí)畫面會(huì)產(chǎn)生跳躍和斷層；圖像在幾何比例縮放時(shí)，會(huì)產(chǎn)生細(xì)節(jié)顯示模糊的情況，從而影響地圖表達(dá)，因此本文主要采用系數(shù)為0.2的線性分辨率變化函數(shù)。

(1)平移

按照改進(jìn)的算法實(shí)現(xiàn)了瓦片地圖的顯示，但是在時(shí)間上卻不能滿足需求分析中的用例要求。為了解決顯示時(shí)間較長的問題，這里引用緩沖機(jī)制，減少顯示圖片時(shí)使用的時(shí)間。具體做法：引入緩沖隊(duì)列，在讀取瓦片時(shí)，將瓦片鄰接的對象一同讀入緩存；顯示瓦片，先從緩存中讀取，如果沒有再從文件中讀取。以X方向平移500個(gè)像素，Y方向平移300個(gè)像素為例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

每次時(shí)間消耗相差較大，是由顯示范圍的瓦片個(gè)數(shù)造成的，顯示區(qū)域空白較多，顯示時(shí)間就短，反之時(shí)間較長。加速后，平均時(shí)間有了大幅度的減少，可以滿足需求分析中的特殊要求。

(2)放大縮小

添加緩存機(jī)制可以滿足平移的要求，但在放大縮小時(shí)，需要清空緩存，這就造成在放大縮小時(shí)顯示速度較慢的問題。解決方法：在放大縮小中加入Animation，填充讀取的時(shí)間；同時(shí)加開線程，讀取將要顯示的瓦片，在Animation結(jié)束后，添加到緩存中。

4.1.2 地圖概括加速

網(wǎng)格內(nèi)地圖概括在平移操作過程中，并不需要進(jìn)行重新計(jì)算，將計(jì)算過的網(wǎng)格保存在緩存中，可以減少計(jì)算次數(shù)。網(wǎng)格間的地圖概括計(jì)算的對象相對較多，會(huì)占用較多時(shí)間，但是放在單獨(dú)的線程中并不會(huì)加快速度。實(shí)驗(yàn)中選擇10組相同的三類目標(biāo)來顯示，使用時(shí)間見表7。

表6 加速前時(shí)間消耗

表7 地圖概括多線程對比

與不加線程相比，加線程的速度反而慢了一些。這是由于地圖概括的順序是先進(jìn)行網(wǎng)格內(nèi)的概括，后進(jìn)行網(wǎng)格間的概括，網(wǎng)格間的概括并行計(jì)算時(shí)間上并沒有和原來的計(jì)算有時(shí)間上的重疊，因此不會(huì)減少消耗的時(shí)間，反而增加了線程操作影響了速度。

4.1.3 路徑導(dǎo)航加速

在使用Dijkstra算法過程中，減少節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，只記錄路徑點(diǎn)。優(yōu)化前的節(jié)點(diǎn)數(shù)目為325個(gè)，優(yōu)化后僅為78個(gè)，如圖1所示。通過減少節(jié)點(diǎn)，算法消耗的時(shí)間大大減少，優(yōu)化前需要的15 s，優(yōu)化后僅為200 ms。

圖1 路徑節(jié)點(diǎn)優(yōu)化示意圖

減少節(jié)點(diǎn)后，起點(diǎn)和終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的選取和顯示需要進(jìn)行計(jì)算。起點(diǎn)和終點(diǎn)的選取使用到索引文件，由點(diǎn)所在的網(wǎng)格找到網(wǎng)格中距離點(diǎn)最近的路徑段，再由路徑段找到節(jié)點(diǎn)。路徑顯示時(shí)，起點(diǎn)和終點(diǎn)部分需要和路徑進(jìn)行垂線截取，以保證路徑的美觀。

4.2 系統(tǒng)效果

進(jìn)入系統(tǒng)后會(huì)進(jìn)入默認(rèn)的比例尺和范圍，如圖2所示。地圖中的藍(lán)色原點(diǎn)代表用戶所處的位置，左上角的藍(lán)色圖標(biāo)是地圖目標(biāo)列表。點(diǎn)擊地圖目標(biāo)列表，會(huì)出現(xiàn)下拉菜單，如圖3所示。系統(tǒng)采用地圖目標(biāo)分類顯示，方便用戶快速找到感興趣目標(biāo)。

圖2 系統(tǒng)主界面

圖3 地圖目標(biāo)列表

點(diǎn)擊地圖目標(biāo)列表的選項(xiàng)，會(huì)在地圖上顯示相應(yīng)的地圖目標(biāo)。小比例尺顯示時(shí)，地圖概括程度大，被刪去的地圖目標(biāo)多，需要保留重要的地圖目標(biāo)，系統(tǒng)默認(rèn)最后選中的地圖目標(biāo)類別的優(yōu)先級最大，地圖概括效果如圖4所示。

圖4 各分辨率地圖目標(biāo)顯示

在地圖目標(biāo)顯示的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行路徑導(dǎo)航。起始位置是用戶所在位置(用戶位置由室內(nèi)定位系統(tǒng)提供，這里使用示例數(shù)據(jù)，僅供顯示使用)，終點(diǎn)位置是地圖目標(biāo)位置，導(dǎo)航開始時(shí)會(huì)出現(xiàn)對話框，確定是否導(dǎo)航。其他的地圖目標(biāo)移除，只顯示起點(diǎn)和終點(diǎn)，顯示細(xì)節(jié)見圖5所示。

圖5 路徑導(dǎo)航效果圖

在路徑導(dǎo)航過程中，如果用戶位置偏移導(dǎo)航路線較多，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)如圖6所示的提示，用戶可以選擇重新導(dǎo)航和不再提醒。

圖6 路徑變化對話框

5 結(jié)論

考慮ROPES更適合嵌入式軟件設(shè)計(jì)的過程，將其引入到Android系統(tǒng)的室內(nèi)地圖服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。本文描述ROPES的設(shè)計(jì)過程后，分析了室內(nèi)地圖的需求分析、對象分析、機(jī)械設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，并以廣州白云機(jī)場室內(nèi)地圖設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)講解了瓦片地圖、地圖概括和路徑導(dǎo)航的優(yōu)化過程，滿足實(shí)驗(yàn)場地用戶人員的需求。得到如下結(jié)論：

(1)對于室內(nèi)地圖，使用線性變換分辨率函數(shù)不會(huì)使得原始圖像在放大的過程中經(jīng)常出現(xiàn)模糊斷點(diǎn)的現(xiàn)象，引入緩存機(jī)制能夠很好的減少圖片顯示時(shí)間，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求；

(2)將地圖概括分為網(wǎng)格內(nèi)概括和網(wǎng)格間概括，減少了計(jì)算次數(shù)，在不加并行計(jì)算的前提下，提高了計(jì)算效率；

(3)刪除路徑上的冗余點(diǎn)，能夠加快路徑導(dǎo)航的計(jì)算效率；

(4)基于ROPES的室內(nèi)地圖服務(wù)系統(tǒng)彌補(bǔ)了PC機(jī)上設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的不足，能夠很好的滿足用戶的需求。

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