一種基于無線通信技術的ＧＩＳ集成系統

(1.中國科學院 遙感應用研究所， 北京 100101； 2.解放軍信息工程大學 測繪學院， 河南 鄭州 450052； 3.河南盈科交通工程有限公司， 河南 鄭州 450052)

摘要：在探討無線網絡關鍵技術的基礎上，提出了將無線網絡與GIS結合的必要性。介紹了一種移動GIS系統——IMGIS，它集成了WebGIS技術、無線網絡以及通信技術等。IMGIS拓展了GIS的應用領域和應用范圍，使得空間信息服務成為一種移動的信息服務技術，并詳細討論IMGIS的系統實現架構以及實現方法。

關鍵詞： 無線網絡; GIS; IMGIS; WebGIS; 集成系統

中圖法分類號： TN915文獻標識碼： A

文章編號： 1001 3695(2006)08 0254 04

Integrated System of Wireless Communication Technology and GIS

SUN Qing hui 1，2 ， WANG Xiao li2， CHI Tian he1， SUN Wei ping3

(1.Institute of Remote Sensing Applications， CAS， Beijing 100101， China； .College of Surveying Mapping， PLAIEU， Zhengzhou Henan 450052， China； 3.Hennan Yingke Transportation Engineering Limited Corporation， Zhengzhou Henan 450052， China)

Abstract: This paper discusses key technologies of Mobile GIS and puts forward an integration mode of wireless communication technology and GIS. IMGIS (Integrated Mobile

GIS) is a kind of mobile GIS system Use IMGIS and wireless network， users can enlarge the traditional application areas of WebGIS and make the spatial information service to be a kind of mobile service.The system structure of IMGIS and the realization of it are described in details.

Key words: Wireless Communication Network; GIS; IMGIS; WebGIS; Integration

在資源管理、社會經濟活動和日常生活中，人們所關心的信息中有80%以上與空間位置有關。GIS是將計算機硬件、軟件、地理數據以及系統管理人員組織而成的對任意形式的地理空間信息進行高效獲取、存儲、更新、操作、分析及顯示的集成系統。無線通信技術以及網絡技術與GIS技術的結合，提供了一種方便的空間信息服務技術——移動GIS。移動GIS(Mobile GIS)是基于移動設備，以高性能有線和無線通信網絡進行信息數據傳輸，提供隨時隨地的基于位置的信息服務的分布式GIS。移動GIS為用戶基于位置的信息交換、信息獲取、共享和發布提供了便捷、經濟的技術途徑。

目前利用無線通信技術與GIS的結合進行行業方面的應用有很多，主要分為兩種應用，即進行位置服務(LBS)和進行導航應用。許多學者在這兩個方面進行了研究，如GPS利用定位功能來更新數據和定位服務[6]。在導航應用方面，主要用來進行智能交通 [9]和智能導航應用[10]。同時針對這些應用許多公司已經研制出了系列軟件和硬件產品，如美國環境系統研究所(ESRI)的ArcPad，PowerLOC Technologies公司生產的Destinator，以及TeleType公司的TeleType等。但這些系統在無線網絡的應用方面主要限于袖珍PC系統本身所帶功能，其靈活性比較差。以上的應用均是特定行業的特定應用，這些應用對硬件終端的要求比較苛刻，如需要GPS接收機以及專門定制的智能導航儀器等。因此這些應用主要針對相關專業領域，而不是一種通用系統，不能滿足人們對于地理信息隨時隨地的需求。

為了解決上述不足，筆者開發了一套集成的地理信息系統軟件——IMGIS。它集成了GIS、GPS、移動通信以及計算機網絡等，將這些技術的優勢進行整合，以高性能通信網絡為信息傳輸，實現行業以及公眾信息服務的移動信息化。本文在論述上述技術的基礎上，描述了移動GIS的關鍵技術以及技術集成的架構，并介紹了IMGIS應用系統及其系統運行情況。

1 無線網絡技術發展現狀

無線網絡技術和無線設備的發展為移動GIS的發展和應用提供了基礎和保障。未來寬帶互聯網的接入層面，無線將是關鍵技術。不管是固定接入還是移動接入，無線寬帶技術將在信息服務方面起到巨大的作用。目前主流的無線網絡技術主要包括GSM（Global System for Mobile Communication，全球移動通信）、GPRS（General Packet Radio Service，通用無線分組業務）以及WAP（Wireless pplication Protocol，無線應用通信協議）等。

GSM是1992年歐洲標準化委員會統一推出的標準，它采用數字通信技術、統一的網絡標準，使通信質量得以保證，并可以開發出更多的新業務供用戶使用。GSM相對模擬移動通信技術是第二代移動通信技術(2G)。

GPRS是一項高速數據處理的技術，其方法是以分組的形式傳送數據。目前，GPRS移動通信網的傳輸速度可達115kbps。GPRS是在GSM基礎上發展起來的技術，是介于第二代數字通信和第三代分組型移動業務之間的一種技術，所以通常稱為2.5G。

WAP是移動通信與互聯網結合的第一階段性產物。該技術讓使用者可以用手機之類的無線裝置上網，透過小型屏幕遨游在各個網站之間。中國移動開通GPRS之后，WAP就行駛在GSM和GPRS兩條馬路上，而行駛在GPRS馬路上可以提高數據傳輸速度。因此，現有WAP上的內容一樣可以通過GPRS進行瀏覽和應用。WAP是2.5G的協議。

目前，移動通信網絡3G技術尚未完善，標準也沒有統一，現尚處于試用階段，預計明年將推廣3G網絡?，F在廣泛應用的是GSM和GPRS2.5G移動網絡。由于2.5G的移動網絡具有較高的傳輸速率，在3G網絡未正式使用之前，能夠滿足空間信息服務和各種業務信息發布。

2 無線通信技術與GIS技術的耦合

2.1 GIS以及WebGIS

地理信息系統是地理信息科學的技術系統，它是在計算機軟硬件的支持下，利用系統工程和信息科學的理論和方法，綜合地、動態地獲取、存儲、管理、分析和利用地理信息的空間信息系統[1]。GIS的應用日趨廣泛，被公認為21世紀的支柱產業。目前WebGIS是GIS技術的發展和應用的主流，WebGIS是利用網絡技術發布和出版空間數據信息，為用戶提供空間數據瀏覽、查詢和分析等功能。WebGIS的應用模式主要有C/S和B/S兩種。對于C/S結構的應用，要求在客戶端安裝客戶端運行程序，客戶的請求由客戶端和服務器端協作來完成；對于B/S應用模式，在客戶端不需要安裝客戶端程序，客戶的請求信息均由服務器來完成。

目前WebGIS的應用主要集中在有線網絡(Internet或Intranet)方面，隨著無線通信技術的發展以及人們對于空間信息需求的日益增加，基于有線網的WebGIS的不足就逐漸表現出來，主要體現在以下幾個方面：

(1)應用靈活性差。傳統的WebGIS的應用必須依賴于有線網絡，當客戶無法獲取有線網絡時不能享受WebGIS所帶來的服務。

(2)移動性差。傳統基于有線網應用WebGIS的客戶不具有地理位置隨意移動的優勢。

(3)應用領域受限。傳統的WebGIS主要是用來實現空間信息的采集、存儲、 管理和分析等功能，如何使GIS能夠走向大眾以及為大眾提供便利的服務，一直是GIS從業者所思考的問題。

鑒于上述不足，我們利用無線網絡技術和設備以及WebGIS技術，來實現無線通信設備、無線通信網絡、Internet技術以及WebGIS技術的融合，使得GIS的應用更廣泛和更靈活。

2.2 無線網絡模型與GIS技術的耦合

在移動GIS中，移動終端采用無線的方式實現與GIS的信息交互。移動終端的信息通過無線網絡進行傳輸，GIS的數據信息是通過Internet有線網絡來實現的。如何實現移動終端與GIS的耦合，主要體現在無線網絡與有線網絡的鏈接。目前移動終端網絡主要采用WAP模型和WWW模型[2]。

WAP（無線應用協議）是一組實現移動設備接入Internet 的通信協議。WAP 技術實現了移動通信系統與數據通信系統的完美結合，使移動用戶可以不受網絡種類、網絡結構、運營商的承載業務以及終端設備的限制，充分利用自己的移動設備，隨時隨地接入Internet[1] 。如何利用WAP技術的優勢將該技術與GIS進行耦合，是實現無線技術與GIS技術集成的關鍵。在WAP模型中需要網關平臺進行WAP和TCP/IP協議間的轉換和減少數據流量的編碼解碼處理，這種應用模型主要在WAP手機上來進行實現。

WWW模式的移動終端采用PDA，沿用Intenet技術，沒有中間協議轉換網關平臺，在終端仍然采用TCP/IP協議。目前由于硬件性能的增強和無線寬帶的增大，該模型的應用比較廣泛[3]。

WAP網絡架構由三部分組成，即WAP網關、WAP手機與WAP內容服務器，這三方面缺一不可。其中WAP網關起著協議的翻譯作用，是聯系GSM網與萬維網的橋梁；WAP內容服務器存儲著大量的信息，以提供WAP手機用戶來訪問、查詢、瀏覽等。

在GIS與無線網絡的耦合過程中，我們充分利用兩者的優勢。在WAP模型的無線網絡中，WebGIS服務器與WAP服務器進行連接，移動用戶的請求信息要進行通信協議的轉換（從WAP到TCP/IP），之后才能通過WAP服務器發送到有線網絡上，并傳遞給WebGIS服務器進行處理。WebGIS服務器將處理結果發送給WAP服務器，在WAP服務器上進行協議的轉換（從TCP/IP到WAP），之后將信息發送給移動用戶。而對于WWW無線網絡，因為有線網絡和無線網絡均采用TCP/IP協議，因此沒有必要進行協議的轉換，在耦合過程中，只要將WebGIS作為整個網絡的一個節點。WebGIS與無線網絡的耦合模式如圖1所示。

2.3 GPRS技術與GIS技術的集成

GPRS是一種新的GSM數據業務，它在移動用戶與數據網絡之間提供一種連接，為移動用戶提供高速無線IP和X.25分組數據接入服務。GPRS網絡是基于現有的GSM網絡來實現的。在現有的GSM網絡中需要增加一些節點，如GGSN（Gateway GPRS Supporting Node，GPRS網關支持節點）和SGSN（Serving GSN，GPRS服務支持節點）。GSN是GPRS網絡中最重要的網絡節點。GSN具有移動路由管理功能，它可以連接各種類型的數據網絡，并可以連到GPRS寄存器。GSN可以完成移動終端與各種數據網絡之間的數據傳送和格式轉換。它可以是一種類似于路由器的獨立設備，也可以與GSM中的MSC集成在一起。GSN有兩種類型，即SGSN（Serving GSN，服務GSN）和GGSN（Gateway GSN，網關GSN或GPRS路由器）。SGSN的主要作用是記錄移動終端的當前位置信息，并且在移動終端與GGSN之間完成移動分組數據的發送和接收；GGSN主要是起網關作用，它可以與多種不同的數據網絡連接，如ISDN，PSPDN和LAN等。GGSN可以把GSM網中的GPRS分組數據包進行協議轉換，從而可以把這些分組數據包傳送到遠端的TCP／IP或X.25網絡。

利用GPRS傳輸GIS空間信息的過程中，移動用戶發送的請求信息首先要進行網絡通信協議的轉換，之后將信息交由WebGIS服務器進行處理。信息處理的結果通過Internet發送給GGSN，在GGSN上完成網絡通信協議的轉換（從TCP/IP到無線網絡協議）后，將信息傳遞給用戶。GPRS與WebGIS結合的網絡結構如圖2所示。

3 集成系統描述

3.1 系統架構的描述

IMGIS的用戶系統為了滿足用戶的需求，它兼容了目前國家通用的無線通信網絡模型，將WebGIS的應用拓展到基于無線通信技術的應用。使用戶更能方便地利用GIS對于空間信息處理和分析的服務優勢來獲取空間信息服務。

IMGIS的應用架構主要采用成熟的B/S模式。其中數據庫采用SQL Server軟件進行空間信息和用戶信息的管理。GIS服務器主要進行空間信息的處理，應用服務器主要進行用戶注冊信息的匹配和處理工作。系統的實現架構如圖3所示。

從圖3可以看出，整個系統主要由Session Manager，Content Manager，Device Awareness，Manager，GIS Server，Database Engine以及空間數據庫組成。其中Session Manager，Content Manager，Device Awareness和Manager主要部署在應用服務器上，GIS Server和Database Engine部署在系統GIS服務器上。

(1)Session Manager。它主要完成用戶與系統的連接會話服務，包括會話的建立和中止功能。

(2)Manager。在Session Manager建立的會話基礎上，它主要完成系統的事務日志，實現會話的認證授權計費的管理以及其他服務如DNS，NMS以及Billing System等的管理工作。

(3)Device Awareness。它主要是根據所接收的用戶信息，實現設備識別以及與已注冊設備的匹配工作。

(4)Content Manager。它實現將用戶的信息進行解譯，成為調用請求，將請求發送給GIS服務器進行處理，并將處理結果發送回去。

(5)GIS Server。它根據用戶的請求進行空間信息的處理工作，包括數據信息的處理、地圖顯示控制、信息的查詢和信息的分析統計功能。這是整個系統信息服務的核心。

(6)Database Engine。它實現GIS Server與空間數據庫的連接，空間信息處理和操作需要訪問和調用空間數據庫中的數據，著重調用工作主要是通過該模塊來完成的。

(7)空間數據庫。它存儲系統需要的空間信息，著重空間信息包括屬性信息、空間位置信息以及空間關系信息等。

3.2 系統用戶管理功能

系統對用戶信息的注冊可以采用多種方式，但若要求服務器自動處理用戶信息注冊及管理服務，則主要采用短消息方式來進行。以下主要側重于對自動用戶信息處理功能的描述。

在服務器端，自動用戶信息處理針對用戶的短消息主要有以下步驟：

(1)信息監聽。服務器端運行的消息接聽程序實時監聽用戶所發送的短消息，驗證其合法性，及時將符合條件的短消息傳遞給下一處理模塊。

(2)信息分析。將信息監聽模塊傳入的短消息加以分析，根據短消息的類型將該短消息及時分派給相對應的功能模塊。

(3)信息處理。專門負責處理用戶的請求或所要求的服務，根據請求的具體內容作出響應，實現用戶所需的相應請求或服務。

服務器端可實現功能的用例圖如圖4所示。

用戶信息的注冊和匹配功能主要由用戶管理模塊來實現。因用戶終端與服務器之間采用短消息形式傳遞信息，服務器端主要依據ID號碼（如對于手機用戶為手機號）來標志用戶，依據用戶信息所含設備信息來識別和匹配用戶設備。所以服務器端對用戶信息的管理主要有注冊、注銷，以及用戶登錄三大功能。用戶管理模塊的具體處理流程如圖5所示。

4 IMGIS的開發和實現

4.1 系統開發描述

IMGIS的開發遵循軟件工程的基本原理，用分階段的生命周期計劃進行管理，遵守RUP統一軟件開發過程，利用瑞理公司的可視化建模工具Rose進行需求分析和建模，微軟公司的一體化開發環境(Integrated Development Environment，IDE)進行系統的源碼開發和管理及可執行應用程序的編譯實現。IMGIS的開發自始至終采用面向對象的方法來考慮并解決問題。面向對象思想體現在系統從分析、設計，到編碼實現的各個環節。具體來說，系統的開發可以分為系統需求分析、系統設計、系統編碼和測試維護等幾個主要階段。系統的實現方式是采用微軟公司的COM技術以組件方式來進行的。

如圖6所示是用Rational Rose 工具軟件并利用面向對象方法，對GIS系統的空間地理對象結構進行描述。將所有的地理對象以層為單位進行組織，每個層又包含了一個地理對象集合，及其相對應的一個地理對象屬性集合，另外還包括了地理對象的繪制接口和數據初始化接口等。

4.2 系統的實現

整個系統的實現是在Windows XP操作系統利用Microsoft Visual Studio.NET 2003開發平臺來完成的。IMGIS系統集成了無線通信技術和WebGIS技術，主要實現了如下功能：

(1)空間位置信息定位。用戶利用無線設備完成自身定位信息的查詢功能。這種查詢功能利用無線設備的GPS定位功能將用戶的位置信息以及請求地圖信息傳遞給服務器，服務根據這些信息進行處理，并將處理結果以JPG圖片的形式傳遞給用戶進行顯示。

(2)報警功能。用戶可以利用無線設備進行報警，在系統的服務器上可以進行報警信息的定位，并將定位結果以JPG圖像的形式傳遞給公安部門。

(3)路徑分析功能。用戶可以進行路徑的查詢和分析，服 務器將用戶的請求進行處理，并將處理結果以JPG圖像的形式傳遞給用戶，完成路徑分析功能。

5 結論

本文討論了移動GIS集成系統——IMGIS。該系統集成了無線通信技術、WebGIS技術等，拓展了傳統的WebGIS的應用領域和范圍。本文描述的IMGIS只是一個試驗系統，要想進行行業的規模化應用，還需要做大量的努力去完善和優化該系統。在下一步工作中我們主要集中解決系統實現中的難點，如多傳輸協議的進一步集成和完善，系統和用戶的安全性的完善以及系統的行業應用模式等。

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作者簡介：孫慶輝(1974 )，男，河南葉縣人，講師，博士研究生，主要研究方向為GIS及其應用技術等；王曉理(1975 )，男，河南洛陽人，講師，博士研究生，研究方向為GIS及其應用技術等；池天河(1961 )，男，福建長樂人，工程中心主任，研究員，學士，研究方向為數字城市、GIS及其應用技術等。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。