【文章內(nèi)容簡介】 動 GIS 平臺 UCMap 簡介 UCMap[8]是當前主流的移動 GIS 開發(fā)組件， 其拓展了 GIS 在移動端的應(yīng)用，提供了、 Windows iOS、 Android 等系統(tǒng)下的開發(fā)包 SDK、 DEMO 演示程序和相關(guān) 說明 文檔，便于開發(fā)人員在手機或平板電腦上建立移動 GIS 應(yīng)用。共有五種開發(fā)模式： 1) 支持本地矢量地圖，即 Shapefile、 MapInfo 等格式的數(shù)據(jù)經(jīng) UCMap 地圖配置程序轉(zhuǎn)換成適合手機顯示的格式 ； 2) 支持 OGC 標準的地圖服務(wù)，即以網(wǎng)絡(luò)在線配合本地緩存的模式訪問支持 OGC 標準GIS服務(wù)即 WMS、 WFS、 WCS、 WFST，如主流的 ArcGIS Server、 Geoserver、 Mapserver、Mapguide 等 ； 3) 支持互聯(lián)網(wǎng)地圖，即訪問 Google Maps、 Google 影像、微軟 Bing Maps 并提供坐標糾正服務(wù)，以及本地矢量疊加 ； 4) 支持自定義 title 地圖瓦片，即用戶采用自定義的切圖工具生成地圖瓦片，并提供相關(guān)瓦片坐標參數(shù)和命名規(guī)則，用戶自行搭建服務(wù)端可以網(wǎng)絡(luò)在線、本地緩存的模式來訪問 ； 5) 支 持在 Google Maps 、 Bing Maps、自定義瓦片上疊加本地矢量數(shù)據(jù)或 WFS 查詢的矢量數(shù)據(jù)，可以網(wǎng)絡(luò)在線、本地緩存的模式來訪問 。 UCMap 技術(shù)優(yōu)勢：支持大數(shù)據(jù)量的離線矢量 shp 地圖和影像，且地圖瀏覽速度遠超其他任何 GIS 平臺；支持自定義點、線、面矢量符號的制作、渲染以及變換操作 ；擁有豐富的矢量交互編輯功能支持各種空間查詢和空間分析 。 第 2 章 開發(fā)環(huán)境及相關(guān)技術(shù)簡介 5 Socket 通信機制簡介 TCP/IP 通信協(xié)議是一種可靠的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議， 傳輸層向應(yīng)用層提供了套接字 Socket接口， Socket 封裝了下層的數(shù)據(jù)傳輸細節(jié)，應(yīng) 用層的程序通過 Socket 來建立與遠程主機的連接，以及進行數(shù)據(jù)傳輸。 即利用 Socket 進行通信的兩個程序通過一條雙向通信鏈路實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。通信的兩個終端都稱為一個 Socket。 在客戶 /服務(wù)器通信模式中，服務(wù)器程序 需要運行在一條有固定 IP 的主機上，并通過 ServerSocket 監(jiān)聽該臺主機上的一個固定端口，等待客戶端的連接請求。當服務(wù)器端接收到客戶端的連接請求之后，為了記錄下客戶端的地址及端口信息，服務(wù)器端也需要創(chuàng)建與客戶連接的 Socket，然后通過此 Socket 的輸入輸出流與客戶端進行通信?？蛻舳顺绦蛟趧?chuàng) 建 Socket 時，也會監(jiān)聽一個端口，但該端口由客戶端所在主機的系統(tǒng)自動分配，需要通過服務(wù)器的地址和監(jiān)聽的端口，去請求連接服務(wù)器，當服務(wù)器接收客戶端的連接請求之后，服務(wù)器和客戶端之間就建立了一條雙向通信鏈路，通過 Socket 的輸入輸出流，客戶端和服務(wù)器便可以進行通信。 由于 Android 開發(fā)是基于 java 語言的，所以在手機端 Socket 通信機制和 java Socket 通信機制互通。 所不同的是手機的 IP 是由運營商動態(tài)分配的，所以手機端不用來做服務(wù)器。 主要 定位算法 位置指紋定位算法 信 號的多徑傳播對環(huán)境具有依賴性 [9]，呈現(xiàn)出非常強的特殊性，對于空間中的每個位置而言，該位置上信道的多徑結(jié)構(gòu)是唯一的，信號發(fā)射終端發(fā)射的無線電波經(jīng)過反射和折射，產(chǎn)生與周圍環(huán)境密切相關(guān)的特定模式的多徑信號，這樣的多徑特征可以認為是該位置的“指紋”。因此，可以事先選取一些樣本點，采集這些樣本點處的信號特征存儲在數(shù)據(jù)庫中，定位階段再采取所在點出的信號強度特征，與數(shù)據(jù)庫中的指紋數(shù)據(jù)進行匹配，找出最相似的樣本點來進行定位。 位置指紋定位算法的實施共有兩個階段 [10]： 1) 離線采樣階段：在離線訓練階段主要工作是在所需定位區(qū)域的選取適當?shù)臉颖军c并采集樣本點的信號特征，例如 WiFi 信號強度，多徑相角等，將一個樣本點編號和一組信號特征值構(gòu)成一組記錄插入數(shù)據(jù)庫的指紋表中以便定位階段進行比對。 2) 定位階段：在該階段主要工作是通過采集終端接收機當前所在位置處的信號特征將其與指紋表中的樣本點進行比對，尋找最相似的樣本點進行定位。最常用的比對算法有歐式距離。 中國民航大學本科畢業(yè)論文 6 位置指紋算法是基本的室內(nèi)定位算法，相比較三邊定位法而言，其 原理簡單，容易理解，易實現(xiàn)，定位精度比較高且可充分利用現(xiàn)有資源，部署成本低，系統(tǒng)升級對客戶的影響也較小。但是位置指紋定位算法也存在一些缺點：當所需定位的室內(nèi)空間比較大時需要建立強大的指紋數(shù)據(jù)庫，離線訓練階段將耗費很多的人力。此外，當指紋數(shù)據(jù)庫過于龐大時，定位階段采集到的信號特征如果和指紋庫中的所有樣本點一一進行比對，會花費大量的時間導致定位效率低下，而且有可能影響定位精度 。 最近鄰法 最近鄰法是一種最基本的確定性位置指紋匹配算法。該方法實際上是利用離線訓練階段采集到的樣本點處的信號特征作為樣本點“指紋”。 在定位階段，將實時采集到所在位置點處的信號強度與數(shù)據(jù)庫中樣本點的指紋進行比對，選擇指紋特征最相似的一個樣本點，將該點的經(jīng)緯度看做當前位置的近似估算值?？梢圆捎脷W式距離也可以采用權(quán)值的方式來描述樣本點和待定位處信號特征相似程度。 若采用歐式距離，則在定位階段將采集到的信號特征與指紋庫中每一個樣本點的指紋進行比對，求歐式距離，然后選取歐式距離最小的一個樣本點作為位置近似估計點，然后返回給定位請求客戶端。 K 近鄰法 當前位置指紋匹配算法的研究目標是進一步提高定位精度。 K 近鄰法就是在最近鄰法思想的基礎(chǔ) 上提出來的另一種位置指紋匹配算法。其實質(zhì)就是在定位階段從指紋庫中選取與待定位點的位置特征最相近的 K個點，然后取出這 K個位置點處的經(jīng)緯度，并對這三個點的經(jīng)緯度求均值，將此均值當作待測位置點的定位結(jié)果。采用此方法可以在一定程度上減小由于信號特征不穩(wěn)定導致的定位誤差的問題，而且可以更好的描述待定位點的位置，提高定位精度。 本章小結(jié) 本章首先整體介紹了系統(tǒng)開發(fā)所需搭建的軟硬件環(huán)境，然后詳細闡述了 Android移動 GIS 開發(fā)平臺 UCMap 的幾種開發(fā)模式和相關(guān)技術(shù)優(yōu)勢。并介紹了 java Socket通信機制的 基本原理。對室內(nèi) WiFi 定位通常采用的位置指紋識別算法的基本原理和實施過程進行了詳細介紹，并且介紹了兩種基本的位置指紋匹配算法最近鄰法和 K近鄰法第 3 章 系統(tǒng)需求分析 7 第 3 章 系統(tǒng)需求分析 系統(tǒng)目標 隨著 Android 智能手機用戶人數(shù)的普遍增長，人們對于基于 手機的位置服務(wù)需求也越來越強烈 。 本文在分析了當前定位形勢的基礎(chǔ)上對本定位系統(tǒng)提出以下目標： ? 為用戶提供高精度和高可靠性的室內(nèi)外定位服務(wù)； ? 使用戶可以在室內(nèi) WiFi 定位系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)通過該定位系統(tǒng)，獲取其所在位置信息； ? 使用戶可以在室外環(huán)境下通過 GPS 獲取自己的位置 信息； ? 實現(xiàn)圖形用戶界面，操作簡單，給用戶提供良好的使用體驗 ； ? 定位服務(wù)器端可以迅速處理客戶端的定位請求，并將定位結(jié)果返回給客戶端。 系統(tǒng)描述 本 定位系統(tǒng)分為 室內(nèi)和室外 兩個模塊。其中 室內(nèi)定位系統(tǒng)包括客戶端和服務(wù)器兩個模塊，客戶端 是帶有 WiFi 接收功能的 Android 智能手機。 離線訓練階段需要 進行 WiFi 信號的掃描，將采集到的 WiFi 信號強度傳遞給服務(wù)器端，幫助服務(wù)器端完成樣本指紋庫的建立。定位階段將實時采集到的 WiFi 信號強度傳遞給服務(wù)器端，并及時接收 和解析 定位服務(wù)器返回的定位結(jié)果（經(jīng)緯度），將 定位結(jié)果顯示在本地矢量圖中 實現(xiàn)圖形用戶界面，讓用戶可以很直觀的知道自己當前所在的位置 。 服務(wù)器端主要用來建立和維護樣本指紋庫，實時響應(yīng)客戶端的定位請求，離線采樣階段接收客戶端發(fā)送過來的樣本點的信號強度，將其插入后臺數(shù)據(jù)庫的樣本指紋表中， 實時 定位階段接收 并解析 移動客戶端發(fā)送過來的 WiFi 信號強度，將其與指紋庫中的樣本點的信號強度進行比對 ，然后按照一定的選擇規(guī)則，選取最相似的樣本點處的經(jīng)緯度，當作定位結(jié)果 并將 該 結(jié)果發(fā)送給客戶端。 室外定位系統(tǒng)則只有移動端，其通過手機在室外接收到的衛(wèi)星信息，利用 GPS獲取經(jīng)緯度， 然后根據(jù)經(jīng)緯度將客戶端位置信息標注在手機端的校園矢量地圖上，使用戶可以知道自己當前的位置信息。 系統(tǒng)功能需求 1) 服務(wù)器功能 離線訓練：服務(wù)器接收智能手機采集的各個樣本點處 3 個路由器的信號強度，將中國民航大學本科畢業(yè)論文 8 其插入一張 collection_tb 表中，同時求出信號強度均值，將其插入另外一張名為average_tb 的表中，完成樣本庫的建立。 實時定位：服務(wù)器端接收手機實時采集到的路由器的信號強度，將其與樣本指紋庫中各個樣本點的信號強度進行比對，選出最接近的一個樣本點，近似看做是手機此刻的位置，然后根據(jù)該點的樣本點編 號從另一張經(jīng)緯度比對表 pare_tb 中取出該樣本點的經(jīng)緯度并發(fā)送給手機端，同時將手機當前位置的經(jīng)緯度插入歷史軌跡表history_loc_tb 和當前位置表 current_loc_tb 中，以達到記錄客戶端位置信息的目標。 歷史軌跡查詢：響應(yīng)客戶端的歷史軌跡查詢請求，按照查詢條件，從數(shù)據(jù)庫中取出響應(yīng)客戶端的歷史位置點，然后處理后發(fā)送給客戶端。 2) 移動端功能 在離線訓練階段，移動端對每個樣本點處的 WiFi信號強度進行采樣，通過 Socket套接字 發(fā)送給服務(wù)器，幫助服務(wù)器完成樣本指紋庫的建立。 在線定位階段， 若 移動端 在室內(nèi)環(huán)境中，則 實時采集所在點處的 WiFi 信號強度，將其發(fā)送給定位服務(wù)器，然后接收服務(wù)器發(fā)送過來的定位結(jié)果，然后將自己的當前位置顯示在本地矢量地圖中。 當移動端在室外時，通過 GPS 確定自己的當前位置，當位置發(fā)生變化時，實時更新手機地圖上的位置信息。 3) 歷史軌跡查詢 有時移動客戶端需要查詢自己一天的歷史軌跡信息。本系統(tǒng)還提供了室內(nèi)客戶端歷史軌跡查詢 功能。當客戶端想要查詢自己的歷史軌跡時，可以向服務(wù)器端發(fā)送歷史軌跡查詢請求，然后服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫中取出該客戶端當天的歷史軌跡，按照時間先后順序發(fā)送給客戶端，客戶端解 析之后，在本地地圖中回放自己的歷史軌跡。 本章小結(jié) 為了開發(fā)出讓用戶體驗良好的系統(tǒng)，本章在第一章研究現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的需求進行了詳細分析。并對服務(wù)器和客戶端的功能需求分開進行了詳細闡述。為后面系統(tǒng)的整體設(shè)計提供了很好的指引作用。第 4 章 系統(tǒng)設(shè)計 9 第 4 章 系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)整體架構(gòu) 本定位系統(tǒng)分為室內(nèi)和室外兩個模塊。室內(nèi)定位系統(tǒng)采用 C/S 架構(gòu) 分為客戶端和服務(wù)器兩個模塊，其系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖 41 所示。整個系統(tǒng)流程分為離線采樣建立指紋 數(shù)據(jù) 庫和實時定位兩個階段。 用 戶 1用 戶 2用 戶 3無 線 訪 問 點后 臺 數(shù) 據(jù) 庫 服 務(wù) 器定 位 服 務(wù) 器數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù) 圖 41 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖 服務(wù)器端設(shè)計 服務(wù)器功能模塊劃分 PC 服務(wù)器端端主要功能有樣本庫的建立與維護，響應(yīng)移動手機端的定位請求，并根據(jù)手機端實時發(fā)送過來的 WiFi 強度，進行定位計算，并將定位結(jié)果發(fā)送給手機端。服務(wù)器端功能模塊圖如圖 42 所示。 數(shù) 據(jù) 庫 模 塊服 務(wù) 器 端存 儲客 戶端 的位 置信 息定 位 模 塊存 儲樣 本點 的信 息接 收客 戶端 的定 位請 求向 客戶 端發(fā) 送定 位結(jié) 果 圖 42 服務(wù)器功能模塊圖 中國民航大學本科畢業(yè)論文 10 服務(wù)器端功能描述 1) 數(shù)據(jù)庫模塊 服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫模塊用來存放數(shù)據(jù)信息，包括樣本點的位置指紋信息，經(jīng)緯度信息，方便在定位階段進行定位 計算。另外，該數(shù)據(jù)庫中還存放了定位時客戶端的當期位置信息和歷史軌跡信息，實現(xiàn)對移動目標的監(jiān)控。 2) 離線采集模塊 該模塊 在 離線采集階段， 負責 接收并解析客戶端發(fā)送過來的樣本點指紋信息，然后 將數(shù)據(jù)進行處理后存入后臺數(shù)據(jù)庫。 3) 定位模塊 在實時定位時，服務(wù)器端定位模塊，主要負責接收客戶端的定位請求，然后 通過定位算法進行計算，將定位信息發(fā)送給客戶端同時將其插入后臺數(shù)據(jù)庫。 4) 歷史軌跡查詢模塊 實時響應(yīng)客戶端歷史軌跡查詢請求，取出數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)客戶端的歷史軌跡信息取經(jīng)過處理之后，將其發(fā)送給客戶端。 移動客戶端設(shè)計 移動客戶端功能模塊劃分 移動客戶端主要負責在離線訓練階段，采集各樣本點的信號強度，提交給服務(wù)器，幫助服務(wù)器完成指紋數(shù)據(jù)庫的建立。在定位階段，實時采集所在位置點的信號強度，將其提交給服務(wù)器 進行定位計算 ，并接收服務(wù)器返回過來的定位結(jié)果，將其顯示在UCMap 加載的本地矢量圖中，以圖形用戶界面的形式向用戶展示當前位置。此外，移動客戶端還可以向服務(wù)器請發(fā)送歷史軌跡查詢請求并接收服務(wù)器返回過來的結(jié)果，實現(xiàn)歷史軌跡的回放，其功能模塊圖如圖 43 所示。 移 動 端離 線 采 集 模 塊 定 位 顯 示 模 塊 歷 史 軌 跡 查 詢 模 塊掃 描W i F i信