整合GIS和GPS的車輛定位方法實踐研究

李功權,肖周林 (長江大學地球科學學院,湖北荊州434023)

隨著我國社會經(jīng)濟和現(xiàn)代信息技術的不斷發(fā)展,現(xiàn)有的交通運輸管理與服務手段已不能適應交通運輸業(yè)和城市管理的需求。雖然GPS的應用開始于軍事領域,但隨著近年來GPS技術的民用化,它逐漸成為一個全球性的工具,通過GPS提供的實時定位功能來實現(xiàn)車輛的實時定位,完全可以替代以前通過語音傳送車輛位置信息的通信方式[1]。運用GPS的定位技術也可以在城市管理的許多單位得到應用,如交通、銀行等,甚至可在商業(yè)車隊運營公司使用,如出租車管理公司等[2～6]。但這種定位方法獲得的僅僅是一個精確的地理坐標,無法與該坐標周圍的地理環(huán)境聯(lián)系起來進行分析和評估,而地理信息系統(tǒng)(GIS)是以地理空間數(shù)據(jù)為基礎,采用地理模型分析方法,適時地提供多種空間的和動態(tài)的地理信息,為地理研究和地理決策服務。可見,整合GPS和GIS的車輛的定位系統(tǒng)將會在社會生活中發(fā)揮越來越重要的作用。為此,筆者整合GIS和GPS技術,并將其運用到車輛定位的實踐中。

1 系統(tǒng)設計

1.1 需求分析

車輛的定位離不開電子地圖的支持,因而電子地圖的基本操作,如對地圖進行放大、縮小、漫游、全幅顯示、查詢等操作需要作為最基本的功能提供給用戶使用,用戶可根據(jù)自己的需要來選擇地圖的顯示比例和所需要觀察的地圖的范圍。要對車輛進行定位,不僅能準確地知道移動目標當前所在的位置,而且能在電子地圖上實時的觀測到移動目標隨著時間位置發(fā)生的變化,能對過去某一目標的移動位置進行回放。

車輛具體位置的獲取主要來自安裝在各個車輛上的GPS提供的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)定時更新到車輛管理數(shù)據(jù)庫中,系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中抽取車輛的位置等信息用來實現(xiàn)定位。定位操作和地圖顯示以及結(jié)果顯示應在同一界面方便操作和觀察。另外,還需要增加定位操作的控制功能 (包括開始、暫停、繼續(xù)、停止等)。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

1.2 總體設計

根據(jù)需求分析,車輛的定位系統(tǒng)可以看成是基于電子地圖的一個實際應用,可由2部分組成(見圖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平臺來實現(xiàn),作為一個通用圖層來管理;另外一部分是車輛定位,由GPS數(shù)據(jù)讀取、動態(tài)定位、位置成圖、軌跡回放等模塊組成,以GPS數(shù)據(jù)為專題圖層,車輛定位操作以該圖層為基礎來進行分析。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術

2.1 GPS數(shù)據(jù)文件的讀取

GPS的數(shù)據(jù)輸出一般以語句 (＄GPGGA)開始,這是一幀GPS定位的主要數(shù)據(jù)。其標準格式為:＄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。其對應的含義為:

(1)定位UTC時間: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=沒有定位,1=實時GPS,2=差分GPS):1=實時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)天線高程 (海平面,-9999.9～99999.9,單位:m);天線高程=76.2m);

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

(11)差分GPS數(shù)據(jù)年齡,實時GPS時無:無;

(12)差分基準站號 (0000～1023),實時GPS時無:無;(CR)(LF)回車,換行。通過使用ifstream類來將數(shù)據(jù)讀取到一個Vector類型的變量中,來保存當前GPS的實時信息。

2.2 車輛的定位方法

通過讀取GPS數(shù)據(jù)填充車輛信息數(shù)據(jù)庫中相關的數(shù)據(jù)表之后,就可以使用一個定時器從車輛信息數(shù)據(jù)庫中提取目標車輛位置等信息,并在電子地圖上繪制出來從而產(chǎn)生動態(tài)定位效果。如果需要進行車輛軌跡回放,實現(xiàn)方法與動態(tài)定位類似,只是需要給定回放的起始和終止時間即可。ArcGIS Engine中的Tracking Analyst的擴展模塊,是基于時間序列的可視化和分析工具,可以實現(xiàn)帶有時間屬性的事物和現(xiàn)象變化的歷史回放,以及實時數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。可用于回放車輛、衛(wèi)星等的動態(tài)位移;離散發(fā)生的犯罪、雷擊事件;氣象臺站的風向監(jiān)測信息;以及社會現(xiàn)象的變化遷移等。可見,采用ArcGIS Engine提供的T racking Analyst組件完全可以實現(xiàn)車輛的定位功能。

2.3 組件式開發(fā)技術

在對比了國內(nèi)外常用的GIS組件平臺后,鑒于ArcGIS Engine組件可以提供該系統(tǒng)開發(fā)的所有功能,因而選用ArcGIS Engine組件作為開發(fā)平臺,采用VC++作為開發(fā)語言,Access作為車輛管理數(shù)據(jù)庫來構(gòu)建車輛定位系統(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,可見只需要在ArcMap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有一個控件命令選擇集,可以提供電子地圖操作的基本功能。

3 應用實例

3.1 GPS信號的模擬發(fā)送

為了測試該系統(tǒng),采用模擬GPS的實時信息的方式進行,利用Window s編程的消息發(fā)送機制來實現(xiàn)模擬GPS發(fā)送數(shù)據(jù)這個功能。首先自定義一個消息用來進行模擬GPS信號的發(fā)送,然后創(chuàng)建一個接收消息的進程。在定位操作的視圖中當點擊開始模擬的按鈕時候,通過調(diào)用SendMessage()函數(shù)向車輛信息管理模塊發(fā)送GPS數(shù)據(jù),以達到動態(tài)更新車輛位置的效果。

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行分層,每個圖層存儲特征相同或相似的地理對象集,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。該電子地圖也按照該模式進行編輯,可分為道路、行政區(qū)劃、水系和主要企事業(yè)單位等圖層。每個圖層對應一個Shape文件。ESRI公司的Shape文件是一種二進制文件,能夠同時存儲空間圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。一個Shape文件包括3個文件:一個主文件 (*.shp)、一個索引文件 (*.shx)和一個dBASE(*.dbf)表。主文件是一個直接存取變量記錄長度文件,其中每個記錄描述一個有它自己的vertices列表的shape。在索引文件中,每個記錄包含對應主文件記錄離主文件頭開始的偏移,dBASE表包含了實體的屬性數(shù)據(jù)。圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)通過索引號建立一一對應的關系。

在整理好各個圖層的數(shù)據(jù)源之后,在ArcMap中進行編輯和整飾。當用ArcMap編輯完一幅地圖后,它會把當前地圖的頁面設置,圖層的符號顯示等配置信息存儲為mxd格式的文件。該系統(tǒng)首先將當前目錄下的mxd格式的地圖數(shù)據(jù)讀取,作為車輛定位的電子底圖,通過調(diào)用MapControl控件中的LoadMxFile方法直接讀取.mxd文檔,這時就可以看到在ArcMap中編輯好的地圖 (見圖2)。此時也可以進行地圖放大、縮小、漫游等操作。

3.3 應用效果分析

車輛定位信息可以看作是車輛隨著時間序列變化而發(fā)生的位置變化。實時定位的實現(xiàn)方法是通過ADO訪問車輛信息數(shù)據(jù)庫,實時提取車輛位置信息;通過Tracking Analyst組件生成Track圖層,然后加到電子地圖中,如圖3所示。加粗的黑線條就是某個車輛的運行軌跡。該功能既可以實施跟蹤車輛的位置,也可以回放車輛走過的路徑。

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

以ArcGIS Engine作為開發(fā)組件,實現(xiàn)了車輛實時信息的管理。實際應用測試說明,在GPS中整合GIS,不僅可以更好地發(fā)揮兩者的優(yōu)勢,而且也可以擴大兩者在實際社會生活中的應用范圍。通過試用,該系統(tǒng)不僅可以滿足日常車輛管理的需要,還能借助GIS的空間分析功能優(yōu)化車輛行駛路線,具有較高的實用價值。

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