GPS和嵌入式數(shù)據(jù)庫

GPS

　　GPS系統(tǒng)的應用非常廣泛。包括車輛導航、地球物理資源勘探、市政規(guī)劃控制、海洋救援、飛機導航、導彈制導等等。不過最能夠被我們感受到的還是和我們生活最密切相關的導航服務。

　　GPS系統(tǒng)一般由地面控制系統(tǒng)、空間衛(wèi)星、地面接收裝置三部分組成。用在導航的設備當中只有一個地面接收裝置。地面裝置接收來自空間衛(wèi)星的信號，并計算出自己的位置。有了位置信息以后配合復雜的空間數(shù)據(jù)處理技術，導航設備就能夠輕松地將你送到目的地，并查詢出你感興趣的信息。

　　近年來，GPS導航設備越來越普及。在日本，使用GPS信號的車載導航設備面世已經(jīng)有將近20年的歷史了。很多人目睹了車載導航設備從昂貴的奢侈品到大量普及的過程。日本現(xiàn)有十多家廠商生產(chǎn)車載導航設備，除了在新車銷售同時配裝的原裝導航設備之外，現(xiàn)在日本年零售的車載導航設備有50多個品種，年銷售100萬臺左右。

　　據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)在日本的車載導航設備的普及率在36％左右，因為商用車使用率比較低，所以如果只限家用轎車的話，普及率應該更高。另外，還有大量的個人導航設備(PND，Personal Navigation Device)正在被使用。

　　自動導航法和GPS

　　車載導航設備是GPS導航服務最廣泛的應用之一。但是，車載導航設備最早只是裝載有車速脈沖、羅盤傳感器等自動導航法的裝置。使用這種自動導航法的裝置，要依靠裝置自身來推算出車輛的位置。因此，只能夠粗略地告訴駕駛員現(xiàn)在的位置及駛向目的地的路線。行駛開始一段時間后，必須對行駛到的地點、行駛方向和行駛角度進行調整，使用起來極不方便也談不上多準確，只是一個大概的位置服務。所以，最早在日本的車展上看到車載導航設備時，很多廠商的宣傳重點都在車輛的準確定位上。

　　現(xiàn)在GPS方法非常盛行，該方法通過GPS推算出車輛的位置。不過只靠GPS的話，不管怎樣設計總會有某種程度的誤差。在日本當時就因為美國衛(wèi)星發(fā)送信號的誤差，沿著海邊行駛的車輛，其導航設備上的自車標志(一個三角形箭頭)經(jīng)常會跑到海上去，讓人啼笑皆非。

　　因此，為了彌補雙方的缺點，日本的廠商將GPS和自動導航法裝置結合來推算出車輛的位置，很好地解決了車輛自律準確定位的問題?，F(xiàn)在即使是車輛進入山洞等無法接收衛(wèi)星信號的地方，導航設備上自車位置也會很準確地在地圖的道路上顯現(xiàn)。隨著技術的進步，單純使用GPS信號的導航設備也大量進入市場。GPS逐漸成為各種導航設備的主流技術。

　　GPS導航和LBS

　　僅有GPS所獲得的準確的空間位置坐標是毫無意義的。導航設備必須和基于位置的信息服務(LBS)相結合才會方便人們的生活，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。隨著GPS模塊嵌入到諸多的移動設備上去，LBS逐漸成為移動運營商大力發(fā)展的下一個增值業(yè)務。在日本的汽車GPS導航設備中，LBS非常人性化。導航設備檢測出車輛自身的位置后，根據(jù)需要查詢出用戶感興趣的信息(POI)并提示給用戶。

　　日本的導航設備內地圖的POI量非常豐富，比如加油站、飲食店、銀行、郵局，甚至廁所等等。開車到相對陌生的地區(qū)或者深更半夜時，這種功能十分有效，可以短時間解決問題。另外，外出旅游時，也可以通過檢索的選項(比如車站、休閑、地址等)了解某個區(qū)域內的名勝古跡，紀念堂、博物館、服務處、體育場、休閑地等等。檢索、保存等操作也十分簡便，只要用手指往自己想去的方向點劃，就可鎖定想去的目標。導航設備內還存儲了日本黃頁中1000萬個電話號和3000萬個家庭電話號。也就是說只要輸入電話號碼，就可以很輕易地檢索到從車輛位置到達目的地的路徑。一些已經(jīng)去過的地方，只要在保存過的目錄中搜一下，馬上就可以激活。外出回家時，只需按一下回家鍵，導航設備便會依據(jù)最早設定的條件，檢索出一條便捷的回家路線。

　　日本導航設備的地圖顯示也體現(xiàn)了位置服務。比例為50米以下時，地圖上還會顯示單行道及其方向。比例為10米時，甚至可以設定自己的車在道路的哪一側。地圖的顯示可以是平面的，也可以是立體的，立體又可以顯示為鳥瞰式和駕駛視野式的，立體圖像會在相應地點顯示標志性建筑。

　　GPS導航和ITS

　　智能交通系統(tǒng)(ITS)將道路、駕駛員和車輛有機地結合在一起，加強三者之間的聯(lián)系。將交通信息、堵車信息等不斷變化的道路狀況實時提供給需要的人們，以增強行車安全，減少行車時間，并指導行車路線。

　　日本的政府和企業(yè)組成了一個ITS的聯(lián)合組織。這個組織在道路上裝配了各種監(jiān)視器和智能設備，實時采集道路的動態(tài)信息。如：車速、流量、路面狀況等。然后將這些信息進行匯總和分析，最終通過無線網(wǎng)絡傳輸給感興趣的導航設備。有了這些信息，導航設備在檢索目的地時，可以按照不同的優(yōu)先條件提供多條行車線路。開車人根據(jù)自己的喜好決定其中的一條線路就可以輕松上路了。當然，開車人如果不放心，也可以在上路前查閱每條檢索的路線內容。這時導航設備就會顯示每個區(qū)段經(jīng)過的道路名稱和距離，包括使用收費道路時的費用等等。

　　當你決定了一條路線后，這條路線就會在導航設備的地圖上顯示為比較醒目的粗線條，直行或拐彎一目了然。導航設備一路都會用聲音提示你行車線路。在各個交叉路口，畫面會顯示和實際道路上指路牌一樣的標識和內容，包括每個交叉路口的名稱。開車的人只需聽著語音導航就可以確認自己所在位置和應該前行的方向。在多又路口會告訴你具體走哪個車道，轉向左還是右。畫面會同時顯示交叉口有幾個車道，是否有左拐右轉的專用車道的詳細畫面。即使因為種種原因錯過路口轉彎的時機，導航設備馬上會自動根據(jù)車輛的位置重新檢索一條路線來引導你。除了顯示地圖、導航和行車軌跡外，還顯示指南針、時間、堵車信息、距離目的地的剩余路程和預定時間，以及現(xiàn)在車輛所在的行政區(qū)劃和具體地名等等。所有這些都會實時用語音告訴駕駛員。

　　GPS導航和娛樂

　　隨著導航設備的普及和眾多廠家的競爭需要，很多廠家將娛樂功能和導航設備集成在一起。日本的車載導航設備已經(jīng)能夠看電視、聽音樂、看影碟甚至上網(wǎng)，將家庭能夠享受到的娛樂環(huán)境都搬到了車內。

　　導航設備的數(shù)據(jù)

　　GPS的數(shù)據(jù)屬于地圖數(shù)據(jù)，GIS的數(shù)據(jù)屬于地理數(shù)據(jù)。地圖數(shù)據(jù)是地理數(shù)據(jù)的子集。地圖數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)一樣基本由空間數(shù)據(jù)、非空間數(shù)據(jù)和時間因素組成?？臻g數(shù)據(jù)是對具有空間特征的地物對象的數(shù)據(jù)化表示?？臻g特征是指空間地物的位置、形狀和大小等幾何特征，以及與相鄰地物的空間關系。在GPS系統(tǒng)中，每個物體空間都是一組具有經(jīng)緯度和高程度的坐標的點組成的。

　　各個物體的空間關系也是通過坐標點計算所得。而日常生活中，人們都是依靠各個物體的相對位置關系來確定空間位置的。非空間數(shù)據(jù)主要是空間目標的屬性特征。它是指除了時間和空間特征以外的空間現(xiàn)象的其他特征。如交通流量、天氣、空氣污染程度、道路寬度等等。時間特性是對空間目標及其屬性隨著時間變化的一種描述和表現(xiàn)，如擁堵狀況會隨著時間的變化而變化。

　　根據(jù)GPS數(shù)據(jù)的特性．人們將復雜的空間對象進行抽象，用數(shù)學表達為四大類：數(shù)字線劃數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型和屬性數(shù)據(jù)。其中數(shù)字線劃數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)是現(xiàn)在GPS導航系統(tǒng)中最感興趣的數(shù)據(jù)。數(shù)字線劃數(shù)據(jù)是將空間地物直接抽象為點、線、面的實體，用坐標描述它的位置和形狀。數(shù)字線劃數(shù)據(jù)是GPS的核心，也是地圖數(shù)據(jù)處理的主要對象。不過，GPS變得如此豐富，應用如此廣泛，給我們帶來極大方便的還是它的屬性數(shù)據(jù)?？臻g目標的屬性數(shù)據(jù)是沒有限制的，根據(jù)不同的目標可以設定任意多的必要的相關屬性。

　　目前在地圖數(shù)據(jù)的處理模型中用的最多的是拓撲矢量數(shù)據(jù)模型(空間目標可以描述成矢量數(shù)據(jù)。拓撲矢量數(shù)據(jù)模型是表示這些矢量數(shù)據(jù)之間的包含、相交、相離、相鄰等拓撲關系的一種數(shù)學模型)，而屬性數(shù)據(jù)模型通常用的是關系模型。拓撲矢量的圖形數(shù)據(jù)和關系型屬性數(shù)據(jù)之間用何種方式來連接也是一個需要仔細推敲的問題。目前比較常見的辦法是擴展RDBMS增加空間數(shù)據(jù)管理。

　　無論是導航、位置服務還是智能交通，都需要對地圖數(shù)據(jù)進行大量的查詢、更新和刪除，因此如何對空間數(shù)據(jù)建立索引就顯得非常重要。常見的空間索引方法一般都是逐級劃分地理空間，把查詢空間分成若干區(qū)域．從而形成各種空間索引結構。被劃分的區(qū)域包含空間要素并且有唯一標識。我們常見的網(wǎng)格系列索引和R樹系列索引都是建立在空間劃分基礎上的，只不過前者是基于規(guī)則分割法的劃分。后者是基于對象的劃分。

　　空間(導航)數(shù)據(jù)庫

　　空間數(shù)據(jù)庫能夠很好地將空間數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)無縫連接，是地理信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理的主流。導航數(shù)據(jù)庫可以看作空間數(shù)據(jù)庫的一個子集(也有人認為是交集)，是指為處理GPS的各種空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)而建立的具有統(tǒng)一技術標準的地圖數(shù)據(jù)庫。它能夠存儲空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，并且對這些數(shù)據(jù)建立索引，方便其他應用系統(tǒng)快速地訪問這些數(shù)據(jù)，同時負責處理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的關系。從內容上可以描述成以空間數(shù)據(jù)(道路網(wǎng)等)為骨架的地理框架信息，其上疊加著屬性數(shù)據(jù)(社會經(jīng)濟信息以及交通信息)等。

　　市場上成熟的幾個企業(yè)級的空間數(shù)據(jù)庫都是將空間數(shù)據(jù)存儲在RDBMS中，但是RDBMS一開始并沒有提供空間數(shù)據(jù)類型(如點、線、多邊形等)，也沒有提供對這些空間數(shù)據(jù)類型的操作(如：判斷空間對象之間的包含、相鄰、相交等關系及求差、距離、最短路徑等計算)。后來人們在RDBMS的基礎上發(fā)展了支持空間數(shù)據(jù)的存儲和操作。常見的處理辦法如下：

　　在數(shù)據(jù)庫中可以定義多種空間數(shù)據(jù)類型，每種空間數(shù)據(jù)都以二進制的形式存儲具體的信息，同時存儲對該二進制數(shù)據(jù)的描述信息(稱為空間元數(shù)據(jù))。每個空間目標(對象)就是符合這個二進制字段規(guī)格的具體數(shù)值。把空間數(shù)據(jù)以二進制的字段形式存儲，就能夠在同一張表內同時允許空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)同時存在，大大方便了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的操作。

　　除了空間數(shù)據(jù)以外，隨著導航設備的發(fā)展，影像數(shù)據(jù)的處理和多媒體數(shù)據(jù)的處理也是必須解決的問題。這涉及到另外一個話題——多媒體數(shù)據(jù)庫。不過一些大型的企業(yè)級數(shù)據(jù)庫提供商的產(chǎn)品，基本上可以滿足空間數(shù)據(jù)庫和多媒體數(shù)據(jù)庫的處理要求?？臻g數(shù)據(jù)庫提供了容易理解和調用的各種接口，屏蔽了復雜而抽象的各種空間數(shù)據(jù)的存儲和計算方法，使得最終用戶不需要花費多大的精力來理解這些復雜的過程就能夠輕松地進行空間數(shù)據(jù)的處理。

　　如：Empress數(shù)據(jù)庫對空間數(shù)據(jù)的存儲、插入、修改操作完全和普通關系型數(shù)據(jù)一樣，一個Insert／update語句就可以；查詢空間目標之間的關系，也可以用簡單的SQL語句來實現(xiàn)。一條簡單的select語句就可以查詢出幾個空間對象之間相鄰、相交、包含等復雜的拓撲關系?？臻g數(shù)據(jù)庫在很好地完成空間數(shù)據(jù)的存儲和操作以外，還為開發(fā)者提供了簡單方便的調用方式?？臻g數(shù)據(jù)如何組織也會影響具體的應用。在導航中應用時，數(shù)據(jù)的組織應該以路徑優(yōu)化和目標查找的高效為目標。這樣，在數(shù)據(jù)存儲的時候，就應該考慮具體的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)如何劃分成不同的集合并關聯(lián)，進而，使得具體的應用變得更加高效。尤其是在嵌入式領域，由于資源的限制和效率的要求，必須進行有針對性的優(yōu)化。嵌入式領域的Empress空間(導航)數(shù)據(jù)庫

　　現(xiàn)在，企業(yè)級應用當中，大家都會使用空間數(shù)據(jù)庫來處理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，以及二者之間的關系，對這些信息進行檢索和更新都非常方便。在嵌入式領域則很難有比較好的空間數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品。這是因為嵌入式領域內存和磁盤的存儲空間有限，CPU的處理能力也有限?，F(xiàn)有的一些嵌入式數(shù)據(jù)庫的提供商基本上只能提供最基本的關系型數(shù)據(jù)處理引擎或結構化數(shù)據(jù)處理引擎，基本上沒有針對空間數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)處理引擎。不過Empress嵌入式數(shù)據(jù)庫有30年的積累，不僅提供關系型和結構型的數(shù)據(jù)引擎，也有專門針對空間數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)庫引擎，在北美的許多軍事項目中有很多實例。當然，正如前文所說，針對導航領域的優(yōu)化是必要的，Empress也正在為全球著名的廠商進行這方面的工作。

　　在國內的嵌入式領域，許多廠家仍然堅持文件的方式，原因很簡單，主要是沒有看到國內有成熟的嵌入式數(shù)據(jù)庫在這個領域的成功應用，一時也很難說服自己。所以，以下簡單列舉嵌入式領域空間數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)的對比。

　　Empress嵌入式領域的空間數(shù)據(jù)管理引擎不僅提供標準的和擴展的SQL語句，還提供了高速靈活的C語言接口。因為。嵌入式領域往往穩(wěn)定性、速度和性能是首要的，為了減少系統(tǒng)開銷。增加數(shù)據(jù)處理的靈活性，必須要有高速靈活的接口。

　　另外，嵌入式領域對數(shù)據(jù)庫的引擎尺寸也很敏感。Empress嵌入式領域的空間數(shù)據(jù)管理引擎的尺寸根據(jù)客戶選擇的功能多少會有差距。引擎是可以嵌入到最終的應用程序中去的，對最終用戶是透明的，不需要維護。

　　下面簡單介紹一下全球最大的某汽車廠商使用Empress嵌入式空間數(shù)據(jù)庫為車載導航設備的數(shù)據(jù)處理核心組件以后帶來的一些變化。

　　首先，可以進行復雜的復合檢索、模糊檢索。如：“要在距離北京天安門10公里范圍內，并距離北京火車站3公里的范圍內的地方尋找名字當中有‘錦’字的三星級以上賓館”。這種檢索要用文件方式恐怕很難實現(xiàn)，即使勉強實現(xiàn)代價也非常昂貴。在嵌入式空間數(shù)據(jù)庫內，則很容易實現(xiàn)，效率也非常高。

　　其次，可以對數(shù)據(jù)庫內的空間數(shù)據(jù)及其屬性數(shù)據(jù)進行實時的更新，同時要保證這些更新的安全性，防止重復更新、無效更新甚至對原有數(shù)據(jù)的一致性產(chǎn)生破壞。Empress空間數(shù)據(jù)庫利用事務、各種粒度的鎖等來達到這些目的。

　　最后，不同的使用者可以設定自己的個性化數(shù)據(jù)和個性化功能。在使用導航時會根據(jù)個人的身份數(shù)據(jù)的不同。而產(chǎn)生不同的檢索結果。并且，可以對使用者的隱私數(shù)據(jù)進行引擎級別的加密，保證絕對安全。