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  1. 城市建设系 地理信息系统专业课程 WebGIS原理与方法 第五章 移动GIS

  2. 内容导航 1 移动GIS概述 2 移动GIS的关键技术 3 移动空间信息服务

  3. 重点难点 • 重点: 移动GIS的关键技术,结构体系,服务内容; • 难点: 移动定位技术,移动空间信息服务体系结构。

  4. 5.1 移动GIS概述 • 5.1.1移动GIS概念: • 国际GIS界将GIS, GPS和无线因特网一体化的技术称为“移动GIS”。 • 我们平常所见的GSM,GPRS都是移动通信网络的类型。

  5. 移动通信网络有哪些?(补充) • 在移动通信领域,无线接入技术可以分为两类:一是基于数字蜂窝移动电话网络的接入技术,目前已有CDMA,GPRS,GSM,TDMA,CDPD,EPGE等多种无线承载网络;二是基于局域网的接入技术,如蓝牙,无线局域网等技术。

  6. 移动通信网络有哪些?(补充) 1、模拟网我国早期建设的手机通信网络;1996年我国各省的模拟移动电话系统实现了联网并自动漫游,该网已逐渐被数字网络所替代,具有信道数量少,保密性差等不足。

  7. 移动通信网络有哪些?(补充) • 2、GSM(Globe System for Mobile Communication)即全球移动通信系统,是世界上主要的蜂窝系统之一。 • 它是根据欧洲标准而确定的,频率范围900-1800Mhz,是数字移动电话系统,GSM 1991年投入使用,1997年底已在100多个国家运营。截止2004年9月,全球的GSM移动用户已经超过11亿,覆盖了1/6的 人口,GSM在世界数字移动电话领域所占的比例已经超过70%,我国的GSM网基本上覆盖了全国,拥有2.76亿万的GSM用户,成为世界第一大运营网络,目前的主要服务项目是话音业务和短信息服务。具有良好的保密性和抗干扰性,音质清晰,通话稳定,并具备容量大,频率资源利用率高,接口开放,功能强大等优点。

  8. 移动通信网络有哪些?(补充) 3、CDMA网(code Division Multiple Access 码分多址)它是根据美国标准(IS-95)而设计的频率在900-1800Mhz范围的数字移动通信系统。CDMA手机话音清晰,接近有线电话,信道覆盖好,不易掉线

  9. 移动通信网络有哪些?(补充) 4、GPRS网(General Packet Radio System)即通用无线分组业务,是一种基于GSM系统的无线分组交换技术,其优势在于速度很快,并且“永远在线” 5、PHS网(personal handyphone system)即个人手机系统,是日本电报公司开发出来的,其涵盖范围小,较适合城市型区域,相对费用较低,提供多种上网接口

  10. 移动通信网络有哪些?(补充) 6、3G网(Third Generation Technology)即第三代移动通信技术,该技术规定,移动终端以车速移动时,其传输速率为144Kbs,室外静止或步行时为384Kbs,而在室内则为2Mbs。 3G网允许用户从专有网络(以太网,无线LAN等)到公共网络的无缝漫游。 第一代移动通信系统 模拟移动通信 第二代移动通信系统 GSM及窄带CDMA 第三代移动通信系统 3G (WCDMA、CDMA2000,TD-SCDMA)

  11. 移动通信网络与GIS结合 • 移动通信网络的发展,以及无线因特网技术的应用,GIS能够通过无线通讯及无线因特网技术与移动用户进行交互,使用户能够在移动中获取空间信息服务。 • 移动智能终端,无线因特网技术与这些移动智能终端相配套的GPS,GSM等外围设备,拓宽了移动智能终端的应用领域,而这些与GPS、GIS的结合,又极大的拓宽了GIS的应用领域,丰富了GIS的理论与技术。

  12. 移动通信网络与GIS结合 • 移动GIS与传统GIS不同,移动GIS中的终端设备具有移动数据通信的功能,与我们日常固定位置的PC不一样,可以实现4A目标,满足信息时代动态地理信息不断增长的需求。 • 目前很多的位置服务即是移动通信网络与GIS结合的产物。

  13. 位置服务(补充) • 位置服务,也称为定位服务,是通过无线通信网络,获取无线用户的位置信息,在GIS平台支持下提供相应服务的一种无线增值业务 • 广义上来说,只要是基于位置的服务均属于位置服务,包含GPS定位方式,我国北斗双星定位方式等等。 • 如娱乐消息、交通报告、地图和向导、目标广告、交互式游戏、车辆跟踪、远程信息处理和网络管理系统。

  14. 5.1.2 移动GIS的发展 • 早期 (20世纪90年代初 ) 主要针对公司室内外办公需要而研究,解决的主要问题是数据双向通信以及数据的管理,以便及时获取信息,发布信息 (雏形阶段) • 这一时期的移动GIS通信传输方式也有多种形式,如基于GSM蜂窝电话的数据通信、基于个人移动电台的数据通信等。通信连接主要有直接连接和室外架设天线两种方式。 • 早期的移动GIS功能还不强大,受到许多技术上的限制,应用范围比较狭小,且专业性强,移动终端对移动环境的要求较高。

  15. 5.1.2 移动GIS的发展 • 中期 (20世纪90年代中) • 移动GIS进入了以GPS为核心的阶段。这个时期的移动GIS主要被用作室外移动办公的辅助工具,典型的应用领域包括:图像导航,环境调查,国土资源调查等。 • 图像导航方面,国外学者利用移动GIS实现了基于图像导航的多功能3D虚拟现实系统。在他们的移动GIS里,利用地磁仪、旋转仪及差分GPS测出大致的方位角及位置坐标,然后利用图像系统分析并用地面标识线计算出数码相机的精确位置及方位,系统自动检测以上数据后,利用空间数据库的3D模型进行图像实时覆盖,从而实现基于图像导航的多功能3D虚拟现实。

  16. 5.1.2 移动GIS的发展 • 中期 (20世纪90年代中) • 在环境调查方面,利用移动GIS进行野外环境资源的调查及监测。野外作业人员通过数字化仪器进行环境数据的实时监测与采集,以供环境监测与评价。 • 在国土资源调查方面,移动GIS以掌上电脑,GPS以及数码相机等为工具完成数据的采集和处理。它可以搜集被调查区域的最新数据资料,对国土资源信息进行观测和观察,并进行空间数据的掌上矢量化,最后在室内完成移动GIS数据的整合及更新处理。

  17. 5.1.2 移动GIS的发展 • 中期 (20世纪90年代中) • 这一时期的移动GIS利用GPS技术进行各种资源调查,数据精度基本满足要求。但也存在诸多不足,特别是在城市区域或地势切割很深、山体坡度陡峻的情况下问题会比较突出,因为卫星信号易被高大建筑物、树木或山体阻挡,在城市中还会受到交通和通信工具的干扰。

  18. 5.1.2 移动GIS的发展 • 现状 web技术的发展,无线通信技术与GIS、Internet结合,形成一种新的技术即无线定位技术,也随之衍生出新的服务,即基于位置的服务(LBS,将通信与GIS进行整合的技术),是当前移动GIS的主要应用方向之一,其方向是真正实现地理信息的4A目标。

  19. 5.1.2 移动GIS的发展 • 现状 • 目前主要的传输网络还是数字蜂窝移动电话网络,采用基站与客户端通信的方式,由于受到传输网络和周围环境的影响,移动GIS的数据传输效率较低,信息质量也不高,同时客户端的小型化使得处理大量数据和进行大型的数据运算受到限制。移动GIS将会随着新技术和网络传输标准的出现获得更大的发展空间。

  20. 5.1.2 移动GIS的发展 • 发展前景 • 移动通信与网络技术的高速发展及相互融合,使移动GIS的移动环境发生了极大的变化和改善,也是移动GIS向”以四大无线通信网络为核心支持转变“。可以预见在不久的将来,移动计算将逐渐成为主流计算环境,这一趋势将使得移动GIS在辅助野外工作方面(如野外数据采集,测量成图,设备巡测,水情勘探等)发挥出巨大效能。

  21. 5.1.2 移动GIS的发展 • 发展前景 • 新的移动通信标准的提出以及新的移动通信技术的应用将为移动GIS带来信的机遇和挑战,移动GIS将突破仅由无线通信网络作为传输媒质的限制,向着多元化、多途径的方向发展,并将在推动紧急救援、智能交通系统、消防抢险等城市生命线工程建设和移动黄页查询、移动电话防盗管理以及与位置有关的计费等个人服务方面起重要作用。 • 蓝牙、无线局域网、红外线等多种移动通信方式将拓宽移动GIS的应用,向多元化多途径的方向发展。

  22. 移动GIS的组成(1) 1、无线通信网络 • 移动GIS的无线通信网络有以下几个方面: • 20世纪90年代初期移动GIS刚形成时的个人移动电台 • GPS卫星系统的通信网络 • 基于蜂窝通信系统的GSM、GPRS、CDMA。(移动GIS运行的主要通信网络之一) • 目前发展移动无线互联网主要是从蜂窝移动电话向移动数据业务演化,从第二代的GSM(CDMA)经过2.5代的GPRS(CDMA1X)向第三代(3G)的WCDMA(CDMA2000\TD-SCDMA)演化。

  23. 移动GIS的组成(2) 2、移动终端设备 • 便携式、低功耗、适合于地理应用,并且可以用来快速、精确定位和地理识别的设备。 • 便携计算机、PDA、WAP手机等,此外还有手持GPS机等。 • 移动GIS的应用是基于移动终端设备的,随着科技的进步,移动通信服务也由以前的简单的通话短信业务转变成位置服务,移动地理信息查询服务等。

  24. 移动GIS的组成(3) 3、地理应用服务器 • 移动GIS中的地理应用服务器是整个系统的关键部分。也是系统的GIS引擎。它位于固定场所,为移动GIS用户提供大范围的地理服务以及潜在的空间分析和查询操作服务。 • 地理应用服务器应具备以下作用和特征: • 提供高质量地图数据下载及各种空间查询与分析等服务功能 • 能同时处理大量请求服务以及不间断的访问请求。 • 能同时处理巨大数据集以及大数据量的应用请求,并在不中断操作的情况下增加处理能力。

  25. 移动GIS的组成(3) 3、地理应用服务器 • 必须具有可扩展性能,以便适应今后用户数量的增加和新设备的接入。 • 地理服务必须保证时刻都可获得,因此服务器必须稳定可靠,使用成熟的技术以及GIS和数据库管理系统软件配置,以保证其可靠性 • 移动GIS技术虽然还不成熟,但是发展迅速,因此所用的技术要尽可能地符合标准(如xml),这样可以保证系统以后的兼容性和可扩展性。

  26. 移动GIS的组成(4) 4、空间数据库 • 空间数据库用于组织和存储与地理位置有关的空间数据及相应的属性描述信息,移动GIS中的空间数据库往往被称为移动空间数据库,它是移动GIS 的数据存储中心,并且能对数据进行管理,为移动应用提供各种空间位置数据,是地理应用服务器实现地理信息服务的数据来源。 • 移动空间数据库还充当了数据泵的作用,它使得移动设备可以和多种数据库进行交互,屏蔽固定网络环境的差异,优化查询条件,提供无线长事务处理,使整个移动GIS具有良好的灵活性和适应性。

  27. 移动GIS的特点(1) • 运行平台延伸 与传统webgis相比,移动GIS的运行平台已从传统的Internet网延伸到了无线网络 • 终端的多样性传统桌面PC,移动终端,移动电话,PDA,PocketPC,专用GIS嵌入式设备

  28. 移动GIS的特点(2) • 分布式数据源移动GIS能通过无线通信网与web交互,产生了很多新应用,这些应用用到分布式数据,比如移动GIS终端智能手机或PDA可以通过网络与Internet连接,然后在手机终端进行在线的查询服务,可能涉及到多种不同来源的数据,如地图数据,天气数据,交通线路数据等等,这些数据分布在不同的部门。

  29. 移动GIS的特点(3) • 信息载体的多样性有LBS,视频,音频,语音,文本,图像,图形等多种形式。 • 此外移动GIS还有移动环境下的一些特点: • 移动性移动终端可以自由移动,移动时通过通信网络保持与固定节点(如地理应用服务器)或其他移动节点的连接(如两通话的手机) • 频繁间接性 具有松散耦合性,移动GIS需随时能连接,并且可独立运行 • 弱可靠性移动终端远程访问,数据易被盗用和侵害 • 非对称性移动GIS终端存在上行和下行数据通信非对称问题

  30. 移动GIS的特点(4) • 资源有限性移动GIS终端设备多样,但电源能力有限,并且通信网络的带宽以及移动设备的存储、计算性能也有限。 • 对空间位置的依赖性 受移动通信网络覆盖限制,服务仅限于此空间范围内的用户。

  31. 5.2 移动GIS的关键技术 • 5.2.1 移动定位技术 • 5.2.2 移动计算 • 5.2.3 移动数据库 • 5.2.4 移动终端应用技术

  32. 5.2.1 移动定位技术(1) • 1 GPS单点定位 GPS 20世纪70年代开始研制,历时20年,耗资200亿美元,1994年全面建成 GPS定位方式有单点定位和相对定位,但相对定位目前不宜用于移动定位,而单点定位也具有一定缺陷(易受建筑物遮挡的城市中心或在室内都无法实现定位),其特点是:精度10~20m,能满足一般移动目标的定位要求,并且定位范围大,能覆盖全球。

  33. 5.2.1 移动定位技术(2) • 2、手机基站定位(6种方式) • (1)起源蜂窝小区定位技术 (COO,cell of origin,也称CellID) • 最简单的定位技术,根据移动台所处的小区识别号ID来确定用户的位置。 • 原理:根据移动台当前服务基站的位置和小区覆盖范围来定位移动台,移动台位于以服务基站为中心,半径为小区覆盖半径的圆形或扇形区域内。 • 优缺点:无需对现有网络和手机进行修改,响应时间短,一般在3s以内。定位精度取决于移动台所处的小区的大小,精度较差。

  34. 5.2.1 移动定位技术(2) • 2、手机基站定位(6种方式) • (2)角度到达定位技术(AOA,arrival of angle) • 测量信号方向的定位技术,需要在基站采用专门的天线阵列来测量特定信号的来源方向。 • 原理:根据信号达到的角度,确定移动台相对基站的角度,而同时测同一移动台对两个不同基站的方向就可以确定移动台的位置。 • 优缺点:改善了天线增益模式和话音质量,可以在话音信道上工作,不需要高度的系统定时。需要复杂天线,且非视线传输时会带来不可预测的误差,且其测量精度随基站与移动台之间距离的增加而不断减少。

  35. 5.2.1 移动定位技术(2) • 2、手机基站定位(6种方式) • (3)抵达时间定位技术(TOA,time of arrival ) • 原理:是基于测量信号从移动台发送出去并达到消息测量单元(3个以上)的时间来定位的。移动台位于以基站为圆心,移动台到基站的电波传播距离为半径的圆上。三个圆即可确定移动台位置。 • 优缺点:该技术在现有的CDMA中,在市区提供的定位精度较好,但要求精确的时间同步,要用时间戳区分信息发出时间,并且响应时间长。

  36. 5.2.1 移动定位技术(2) • 2、手机基站定位(6种方式) • (4)抵达时间差异定位技术(TDOA, time difference of arrival ) • 原理:通过检测信号到达两个基站的时间差来确定移动台位置,移动台位于以两个基站为焦点的双曲线方程上,需要两个以上双曲线方程,即至少需要三个基站接收移动台信号,两个双曲线的交点就是移动台的位置。 • 优缺点:降低了对时间同步的要求,不要求知道信号传播的具体时间,通常情况下,精度高于TOA方法,但为了保证定时精度,需改造基站设备。

  37. 5.2.1 移动定位技术(2) • 2、手机基站定位(6种方式) • (5)增强型观测时间差定位技术(TDOA, time difference of arrival ) • 原理:手机对服务小区基站和周围几个基站进行测量,算出测量数据之间的时间差,然后计算用户相对基站的位置。对同步网,移动台测量几个基站信号的相对到达时间,对于非同步网,信号同时还需要被一个位置已知的定位测量单元接收,确定了基站到手机的信号时间就可确定基站与手机之间的几何距离,最终确定手机位置。 • 优缺点:是目前使用最多的技术,能在终端或基站网络中计算,不需要增加任何硬件设备,但是要求终端必须有足够的处理能力和储存容量。

  38. 5.2.1 移动定位技术(2) • 2、手机基站定位(6种方式) • (6)辅助全球卫星定位系统定位技术(Assistant-Globe Positioning System,A-GPS ) 是目前较实用的技术,也是非常成熟的技术 • 原理:在定位时,网络跟踪GPS卫星信号,解调出GPS导航信号,并将这些信息传送给移动台,移动台利用这些信息可以快速的搜索到有效的GPS卫星,接收GPS卫星信号后,计算移动台位置的工作可以由网络实体或移动台完成。 • 优缺点:定位精度高,定位半径可以达几米,十几米。移动台需内置GPS天线和GPS芯片等模块,网络也要进行调整,不适用于紧急救援定位。

  39. 5.2.1 移动定位技术(3) • 3、Wi-Fi定位——概念 • Wi-Fi(Wireless Fidelity,无线保真)是在办公室或家庭中使用的短距离无线技术。使用2.4GHz附近的频段。 • 两个标准:IEEE802.11a,IEEE802.11b (IEEE,institute of electrical and electronic engineers,美国电气电子工程师协会)

  40. 小知识 • 热点即hotspot,指提供免费或付费方式获得WiFi服务的地方,实际上就是指这些地方安装了无线路由器,有无线上网信号。 • 无线宽带上网是指电脑通过无线传输的方式以宽带的速率登录互联网,笔记本电脑具有无线传输网络协议,台式电脑只需插无线网卡就可以上网。

  41. 5.2.1 移动定位技术(3) • 3、Wi-Fi定位——技术原理 • 原理:搜集城市里每个WiFi无线接入点的位置,并存入数据库中,通过路测每条街道获取802.11无线信号,并对每个无线路由器进行唯一标识,并将这些接入点的具体位置,通过选择几个信号与参考数据库的信息比较计算出用户的位置信息,一个地方WiFi信号越多定位更精确。

  42. 5.2.1 移动定位技术(3) • 3、Wi-Fi定位——技术优势 • 优点:在城市地区Wi-Fi比移动通信定位系统更加精确,不受室内外环境影响,定位精度高,在城区特别是人口密度大的地区应用前景很好。

  43. 5.2.2 移动计算 1、概念:利用移动终端,通过无线和固定网络与远程服务器交换数据的分布计算环境即为移动计算(Mobile competing) 2、三要素:通信、计算、移动 3、移动计算研究的主要内容有以下几个: 无线通信网络:移动计算网络的两种方案 广域:以无线蜂窝数字通信网络和卫星通信网络作为移动计算的物理网 局域网:利用无线局域网,采用IEEE802.11标准 开发工具:用于移动应用开发的工具 软件平台:指客户端的操作系统windows95/2000/xp,palmOS,WinCE 进一步开展的研究:Agent智能化等。

  44. 5.2.3 移动数据库 1、概念:指移动环境下的分布式数据库,是传统分布式数据库的延伸和发展 其中时态空间数据库技术是移动GIS的关键 2、研究的主要方面 移动数据库复制/缓存技术 移动查询技术 数据广播 移动事务处理 移动Agent技术及移动数据库安全技术

  45. 5.2.4 移动终端应用技术 • 1、基于嵌入式开发的终端应用(略) 这种应用方式主要针对掌上电脑或PDA等类型的终端 主流产品有:WinCE系列,PalmOS,J2ME,EPOC,嵌入式Linux

  46. 5.2.4 移动终端应用技术(2) • 2、基于WAP方式的终端应用 无线应用协议(wireless application protocol,WAP)的提出和发展是基于在移动中接入Internet的需求。 WAP是一种协议,通信协议,提供了一种应用开发和运行环境,支持当前最流行的嵌入式操作系统。 WAP定义了一套软硬件接口,实现了这些接口的移动设备和网站服务器可以使人们像使用PC机一样使用移动电话收发电子邮件甚至浏览Internet 支持目前使用的绝大多数无线设备,支持目前各种移动网络GSM,GPRS,3G等。

  47. 5.2.4 移动终端应用技术(2) 2、基于WAP方式的终端应用 (1) WAP的发展: 1997年6月,phone.com与Nokia,Ericsson,Motorola合作建立了WAP论坛,旨在为在移动通信中使用Internet业务制定统一的应用标准 1997.9 WAP论坛出版了第一个WAP标准架构 1998.5 WAP1.0版正式推出 1999.6 WAP1.1版

  48. Web服务器 Wml/HTML WML OVER HTTP 移动通信网 WAP网关 (HTML过滤 器协议转化等) 因特网 WAP协议 HTTP OVER HTTP Web服务器 HTML 5.2.4 移动终端应用技术(2) 2、基于WAP方式的终端应用 (2)基于 WAP的移动因特网:

  49. 5.2.4 移动终端应用技术(2) 2、基于WAP方式的终端应用 (2)基于 WAP的移动因特网: WAP应用系统三类实体 • 具有WAP代理功能的移动终端,并且终端使用无线标记语言WML显示各种文字和图像数据。 • WAP代理:包括协议网关,实现WAP协议栈与Internet协议栈之间的转换;信息内容编解码器;错误校正技术。 • 源数据服务器 基于WAP的终端应用是一种典型的瘦客户机端模式,不需要在客户端嵌入任何程序模块。

  50. 5.2.4 移动终端应用技术(3) 3、基于SMS方式的终端应用 SMS,short message service的简称。是目前移动通信运营最为成功的增值服务。 SMS采用存储转发模式,用户发送的短消息被发送到短消息中心(SMC),再由smc转发到接收方,因此即时接收方当时关机或不在服务区内,过后也能收到,是一项有保证的双向服务。