基于移动计算环境的GIS研究

基于移动计算环境的GIS研究余　涛 俞立中 王　铮

摘　要　数字移动通信、互联网的发展与整合,使移动计算很快成为主流计算环境,G IS作为IT行业最重要的信息技术之一,提供面向移动计算环境的信息服务是必然的发展趋势。本文首先介绍了GI S的发展历程,接着分析了移动计算环境的概念和特点,在此基础上讨论了在移动计算环境下G IS 的主要发展方向和关键技术,最后以空间定位信息服务(L BS)为例研究了G IS在移动环境中的应用。

关键词　地理信息系统　移动计算环境　空间定位信息服务

一、引言

地理信息系统(Geo g raphical Info rmat ion System,简称GI S)自20世纪60年代诞生以来,从单一的面向专业用户的大型集成系统逐渐拓展为面向非专业用户的模块化G IS、组件式G IS(Co mpo nent G IS)和基于互联网的W ebG IS等,由于该技术在土地利用、城市规划和商业服务等众多领域取得的巨大成功,GIS概念已得到社会的普遍认同,许多学者、国家政府认为应该从事关“数字地球”战略成败的高度来认识GI S。社会的需求极大地推动了GIS技术的进步和应用的深化,G IS逐步发展为当代最基本的信息服务系统之一。

迄今为止,GI S基本上都是基于固定主机和有线网络的,系统设计采用了一些默认的隐含假设,例如主机结点固定不变、对等通信条件、固定有线网络连接等等。随着互联网和移动通信(M o bile Communication)技术的高速发展,加上移动终端M T(M obile T er minal)如手机、便携式计算机、个人数字助理PDA(Per so nal D ig ital A ssist ant)等的大量使用,使得许多计算结点已经可以在自由移动的过程中与网络建立连接,上述的假设条件不再成立。因此,GIS在面向移动的应用中遇到了很多困难,例如根据用户的动态位置进行移动查询、实时监控等。研究G IS如何在移动环境下更好的为人类提供信息服务成为当务之急。

二、移动计算环境

互联网与移动通信技术的飞速发展使人类正在进入以移动互联网为中心的移动信息时代。未来绝大部分移动终端都将配备以无线网络为主的移动联网设备,移动互联打破了通信与地点之间固定连接的限制,使得随时随地在移动中获得信息服务成为可能。这将是一种更加灵活、复杂的分布计算环境,人们称之为“移动环境”(M obile Enviro nment)或“移动计算环境”(M obile Computing Env ir onment)。

在移动计算环境中,移动终端通常是通过移动服务支持节点M SS(M obile Ser vice Statio n,也称作移动基站)与固定连接的。图1展示了一种移动计算环境的典型体系结构。在这样一个计算环境中,高速有线网络部分结构连接固定节点的主干,固定网络中拥有若干移动服务支持节点M SS,每个M SS负责管理一个无线网络单元(如无线广播单元、无线局域网单元等),单元内的移动终端与M SS之间通过无线通信连接。相对于鲁棒性(Robustness)不高的无线网络单元,我们将固定网络部分称为可信部分。每个无线网络单元的覆盖范围取决于它们采用的无线通信技术,例如无线局域网单元只能覆盖直径几百米的一个小区,而采用卫星通信的无线网单

元只需几个即可覆盖整个地球。

图1　移动计算环境的典型体系结构

与基本固定网络的传统分布计算环境相比,由于无线网络带宽、移动终端电池容量等条件的限制,移动计算环境具有以下一些主要特点:

(1)移动性。在移动环境中,一个移动终端不仅可以在不同的地方联通网络,而且在移动的同时也可以保持网络连接。

俞立中　华东师范大学城市与环境动态过程开放研究实验室　教授　博士生导师　上海　200062余　涛　华东师范大学城市与环境动态过程开放研究实验室　博士研究生　上海　200062

这种计算平台的移动性可能导致系统访问布局的变化和资源的移动性。

(2)频繁断接性。移动终端在使用过程中,由于受使用方式、电源、无线通信费用、无线网络单元条件等因素的制约,一般不采用保持持续联网的工作方式,而是主动或被动地间歇性入网、断接。

(3)网络通信的非对称性。固定服务器节点一般拥有强大的发送设备,而移动终端的发送能力是非常有限的,所以下列链路(服务器→移动终端)和上行链路(移动终端→服务器)的通信带宽与代价相差很大,因此,一般移动网络通信都是非对称性的。

(4)低可靠性。无线网络在不同的时间可用的网络条件(如带宽、费用、延迟以及服务质量等)是变化多端的,与固定网络相比更容易出现网络阻塞故障,计算平台的可靠性较低;同时,由于移动终端的工作环境及便携性特点,比较容易受到磁场的干扰,与网络的断接状态不可预测,也给移动计算带来潜在的不可靠性。

(5)对空间位置的依赖性。有线网络上的主机结点是因固定的,其地理位置相对于他计算机系统而言是透明的,而在移动环境中,网络所提供的信息服务与移动终端的空间位置有很大的相关性,比如当用户希望知道距离自己当前位置最近的餐馆时,信息系统必须首先获得用户的空间位置坐标。因此移动终端需要随时向无线网络基站传送其位置数据,其地理位置是不透明的。

三、移动计算环境下GIS技术的发展

GI S是空间型信息系统,在处理与地理位置相关的海量数据时具有得天独厚的优势,从第一个应用系统开始,GIS的服务对象主要面向政府部门、各企事业单位或军队等集团用户,虽然近来的W ebGIS也可以通过I nter net向个人提供一些空间信息服务,但是由于有线网络先天的限制,即用户必须在某个定的地点上网访问才可得到想要的信息,无法达到“Any wher e A nytime A ccessing”——随时随地获得信息服务的要求,个人用户一直不是GI S服务的主流。在移动环境下,携带移动终端的个人和一些“小用户”如野外考察队、勘探队等对空间信息服务有大量的需求,他们将成为GIS的主要服务对象。下面我们从移动计算环境对G IS发展的影响出发,讨论移动环境下G IS的发展方向和关键技术。

1.人机系统以GIS为核心转变为以人为核心

GI S尽管在许多应用领域发挥着越来越重要的作用,但在人与G IS的交互关系中,GIS一直是主体,人在使用GIS时不得不“凑合”目前G IS所能提供的技术条件,人与G IS的关系是不甚和谐的。在移动计算环境下,GIS的设计理念应体现“以人为本”的信息服务的宗旨,建立和谐的交互方式,对信息的处理应该尽量符合人的感知和认知过程,使人与

G IS的关系变得和谐。移动信息时代要求G IS走出专业型信息系统的象牙之塔,成为面向整个社会的“大众化G IS”。

2.从只处理静态数据的被动式GIS,转变为也可以处理动态数据的主动式GIS

GIS提供信息服务的传统模式是“P U L L”方式(如图2),即人提出要求,G IS根据要求对相关数据进行空间分析后输出结果。这种信息服务模式的特点是只有当用户提出需求并且输入时GIS才运行,属被动式系统,人与G IS需要进行反复交互才可能得到所需要的信息,并且用于空间分析的数据也是事先录入系统的静态数据。

而在移动环境下,G IS必须面向大众提供空间信息服务,由于个体用户大多不具备G IS相关专业知识,在与系统的交互过程中不可能使用专业的操作方式,因此应该对GI S的信息服务模式进行修改: 提供自然的人机交互功能,例如“最近的书店在哪里”等基于自然语言的查询; 采用“P U SH”(推送)技校,变被动服务为主动服务,推送技术利用用户信息档案工作,它根据用户的兴趣来处理信息,在用户开始找信息之前就将他们需要的内容递送到。另外,还必须给G IS增加处理用户动态位置数据的功能,以适应移动服务。

3.从辅助决策支持,发展为输出知识提供智能决策——GIS智能化

目前G IS的大部分应用,都处于通过空间分析输出信息为人类提供辅助决策支持的阶段,缺乏知识处理、主动学习和推理的能力。但是在移动环境中,用户需要的不仅仅是信息,而是针对某种问题的知识甚至智能解决方案,用户希望在与GIS的交互过程中,GI S能通过知识学习逐步了解用户需求、习惯等,实现功能优化以便提供个性化的信息服务。因此开展基于知识的G IS智能化研究也是一个很重要方向。

4.“瘦”客户端/服务器结构模型

移动终端计算环境随空间位置的转移可能发生变化,终端的显示屏、内存等配置则受到硬件体积的限制,因此基于有线网络的客户机/服务器(C/S)模型不能适应移动环境下建立GI S的要求,应采用“瘦”客户端/服务器(T hin C/S)的结构

模型。“瘦”客户(T hin Client)的基本思想是指客户端在获取

信息时从服务器下载代码和数据,用完后丢弃。“瘦”客户端/服务器模型利用高效的网络协议,允许各种平台的客户端硬件通过任何一种网络连接去执行服务器上的应用软件。与传统的C/S相比,应用软件是100%在服务器上运行的,各种数据也在服务器端管理和维护。在网络中传输的仅仅是屏幕的更新部分、界面异航信息等等。而客户端上只有一个标准浏览器,任何用户都可以很快地掌握其使用方法。

5.关键技术讨论

移动计算环境下的GI S可以称为“移动GIS”(M obile GI S),其关键技术包括:

移动数据库技术。移动数据库要求支持用户在多种网络条件下都能够有效地访问所需数据,完成移动查询和事务处理。利用数据库复制/缓存技术或者数据广播技术,移动用户即使在断接的情况下也可以继续访问所需的数据,从而继续自己的工作,这使得GI S具有高度的可用性。

无线通信技术。带宽和速率一直是制约无线通信发展的瓶颈,目前GSM(全球数字移动通信)、G PR S(通用分组无线服务)还只能提供话音和有限的短消息服务,未来的第三代移动通信标准(3G)将支持各种多媒体数据业务(速率达2M bps),实现高质量、高频谱利用率、低成本的无线传输网络,从而使移动客户端和服务器之间传输包括图形在内的大量地理数据、属性数据成为可能。

推送技术。“推送”意味着用户自动地从网络服务器接收信息服务,这种技术使用动态个人助理(代理)的概念来主动寻找用户感兴趣的信息,有三种推送方式:覆盖推送(定期向客户端发布所有更新的信息)、过滤推送(用户需预先指明请求的大致内容)、发行和订阅推送(用户订阅某些特殊信息服务)。

!人机交互技术。与专业GIS相比,移动GIS的友好性是十分关键的,尤其是客户端人机交互的设计必须考虑到公众的心理,如界面简单明了、操作方便、信息输出的多媒体表现等等,这样既降低了G IS的操作难度,提高了趣味性,又增加了信息表现的内容和形式。

?软件智能化技术。利用知识来解决复杂问题是人类高级智能行为的表现,要让GI S具有智能行为,就必须采用基于知识的软件智能化技术,使G IS智能化。目前软件智能化研究的热点是“知识发现”(Kno wledge Disco ver y)和智能代理(I n-tellig ent A gent)技术。知识发现从数据库中抽取隐含的、以前未知的、潜在的有用信息,是G IS主动学习、获取知识的重要手段,知识积累得越丰富,GI S的推理能力就越强;智能代理是一种可以在网络上漫游的计算机程序,它有自治性、社会性、主动性和反应能力,能代表主人(智能代理的派遣者)在网络上搜索和收集所需要的信息或处理结果,然后返回主人所在的系统,智能代理使得在移动计算环境下的GIS具有跨平台互操作能力,包括交换计算和数据。

四、GIS在移动环境中的实际应用

——空间定位信息服务LBS

空间定位信息服务(L ocat ion Based Serv ice-LBS)也称位置服务,指的是在移动计算环境下,利用GIS技术、空间定位技术和网络通信技术,为移动对象提供基于空间地理位置的信息服务[4][5]。例如,一个在中心商业街购物的人想找一家距离最近而又经济实惠的餐馆,他只要在随身携带的移动终端上输入最短距离及愿意承受的就餐价位,L BS即可根据用户的当前位置、就餐条件找出符合条件的餐馆并在终端上显示出行走路线简图,还可询问用户是否需要更高级的服务(如当出现多目标选择时,为用户提供智能决策等)。据Fo rr ester 组织预测,这种“瘦”客户端、与空间位置关联的定位信息服务将主导移动数据应用和移动电子商务(M obile E-Co mmer ce)市场。许多著名的GI S开发应用商如ESRI、M A P-I NF O等都大大加强了L BS的研究和应用。

L BS的基本原理是:当移动用户需要信息服务或监控管理中心需要对某移动终端进行移动计算(跟踪监控、导航定位、搜索查询、实时调度等)时,首先移动终端通过内嵌的定位设备如GP S(全球定位系统)获得终端本身当前的空间位置数据,并实时地通过无线通信把数据(包括位置坐标、用户需求等)上传到网上的服务管理中心;中心G IS服务器根据终端的地理位置、服务项目或运算要求进行空间分析;分析结果再下传到移动终端或监控中心的计算机上,并在屏幕上可视化地表示出来。

针对目前特种车辆运输安全的现状和存在的问题,基于LBS原理,我们开了“特种车辆实时远程可视化监控管理系统”来研究GIS在实际移动计算环境中的应用。实车试验表明,该系统能准确地确定移动车辆运行时的经纬度、所在地的海拔高度及实时运行状况,在车辆遇到抢劫、路障、塌方等自然灾害或交通阻塞的情况下,可以根据实际情况采取相应的救援措施或调度方案,比如紧急制动、选择最佳路径等。GI S 的主要作用是:(1)路径导航。中心服务器可以根据用户的具体位置结合电子地图为用户提供指引行走路线的导航服务。

(2)信息查询。利用地址匹配运算进行移动查询,用户可以随时随地获取附近区域与地理位置相关的空间信息以及天气、交通等数据增值服务。(3)远程跟踪监控。由于采用了GIS技术处理远程车辆的位置信息,因此车辆的实时运行状况可以在中心的电子地图上动态、可视化地表示出来,一旦发现异常,相关职能部门可以立即采取措施,(4)轨迹回放。系统可以根据管理者的要求,从实时数据库中查询特定车辆的运行记录,并在电子地图上重新显示该车的运行轨迹。管理人员可对该车的运行轨迹进行分析、比较,若发现当前运行轨迹与预定

(下转第9页)

2.设计特点

(1)企业的供需链以奖金流为主线、以财务为中心,企业的所有业务皆与价格相联系,同时计算出成本与利润,进而供需物料流进行控制,从而提高企业经济效益。

(2)通过Ex tr anet,加强企业间的合作,同时增加企业间的动态联盟组成、监控、分配与清算功能,使企业间互惠互利,分担风险和分配利益以及联盟解体的财务清算功能。

(3)客户可直接在Internet网上浏览企业主页,查看其相关产品的特点及其性能价格比,同时可进行网上订货及电子交易,同时开展网上投标、网上招标以及合作伙伴的选取,使企业始终是开放的、不断发展的系统。

(4)丰富的优化模型和算法,企业在成本核算、新产品开发、合作伙伴选取、风险投资等方面都设置先进的模型和算法,保证企业具有强劲的市场竞争力。

(5)企业内部依靠决策子系统来协调各个子系统的相互关系,这样企业内部各部门相互协作,不仅具有快速的市场反应能力,同时具有敏捷制造A M(A g ile M anuf act ur ing)功能。

(6)模块化、插件式子系统设计,使得各个子系统高度集成,相对独立,同时综合了M R PⅡ、JIT、T Q C等先进的管理思想及理念。

3.系统配置

客户机端配置,硬件选用PII-266以上机型、内存64M 以上、4G以上硬盘、10/100M自适应网卡;软件安装Win95/ 98/2000操作系统、I nter net Ex plor er4.0及以上版本、SQ L Serv er fo r Client、Active Ser ver Pag e、Jav a1.0及以上版本。

服务器端配置,硬件选用P III-450以上机型、内存128M以上、10G以上硬盘、两片10/100M自适应网卡、D-L ink8路以上Hub电缆接口;软件安装W inNT4.0/5.0/ Win2000Ser ver版、IIS2.0及以上版本、SQ L Serv er fo r Ser v-er、A ctive Ser ver Pag e、Java1.0及以上版本。

以上列出的是系统的一般常用配置,可以有其他选择,例如操作系统可选W or ksta tio n、数据库服务器可选Sy base、O r-a cle以及I nfo rm ix等;同时为网络安全考虑,可安装防火墙软件。

五、结束语

传统的C/S结构的企业资源计划系统强调的是企业内部业务,其根本点是使企业自身运转更加有效和自动化,而B/S 结构的企业资源计划系统考虑了企业与外界的通信、连接和交易,将供需链扩展到所连接Inter net用户,其本身就是一开放的、发展的供需链体系。但在实施中有以下待解决的问题:企业观念的转变,企业管理层具有发展的战略眼光;制定一套优化的企业模型和评估方法,正确估算企业成本与利润;建立一套多数据库集成技术,同时要考虑基于W eb的数据库的设计等。

参考文献

[1]刘丽文,企业供需链管理的实施策略探讨[J],计算机集成

制造系统,2000.4,6(2)

[2]李贵勇,基于Br ow ser/Serv er方式的数据库访问技术[J],

重庆邮电学院学报,1999.9,11(3)

[3]王洪婷,基于Inter net的中间层应用服务器[J],计算机与

现代化,2000.4,68

[4]谢友柏,分布式设计知识资源的建设和运用[J],中国机械

工程,1999.9(2):16-18

(收稿日期:2001年7月31日)

(上接第12页)

路线不符,可立即采取应对措施,从而达到“防患于未然”的目的。

五、结语

数字移动通信、互联网的加速发展与技术整合,使移动计算很快成为主流计算环境,G IS作为IT行业最重要的信息技术之一,向社会提供基于移动计算环境的信息服务是必然的发展趋势。数量庞大的移动用户对空间信息服务有着潜在的巨大需求,GIS在新一轮的技术竞争中已经找到了持续发展的增长点。

参考文献

[1]张超等,《地理信息系统教程》,高等教育出版社,2000年8

月第一版

[2]张禄林等,移动互联网的结构及其技术发展趋势,通信世

界,2000.11,第21卷11期

[3]李东等,移动计算环境中应用系统中间件解决方案研究,

小型微型计算机系统,2000.11,第21卷11期

[4]Ar tem Car mash,M anagement o f Geo gr aphical Infor ma-

t ion in M o bile Envir o nment,M aster,s thesis,U niver sity of Jyv asky la,September14th,2000

[5]A ntti Rainio Lo catio n Based Ser vices and P erso nal N av i-

g atio n in M o bile Infor mation So ciety,N ew T echnolog y

fo r a N ew Centur y International Confer ence,M ay2001, K or ea

(收稿日期:2001年9月17日)

ISSN1007-757X

M icr ocom puter Applications

M onthly

(Since1985)W u Qidi

Edito r-in-Chief

Vo l.17,No.12(General No.104) December2001

Research&Design

Design and Analysis:a Solution to Connecting LAN to Internet Using ISDN P5

……………………………………………………

W ang Y ij un(Dep ar tment of Com p uter Science,A nhui E lectr o-M echanical Colleg e W uhu241000)

Abstract　ISD N is co nsider ed o ne o f the best w ays to connect a local ar ea net wo rk to Inter net.T his paper intro duces ISD N and its r elat ed technolog y.A pr actical solut ion to connect ing a netw or k la b t o Inter net is illustr ated.

Keywords　netw or k ISDN T A Intel InBusiness TM I nt ernet station

A Study on the Enterprise Resource Planning System Based on Browser/Server P7

………………………………………………Chen13o W ang J incheng M a X iaoj iang(School of M echanical Eng ineer ing,D alian U niver sity of Science and T echnology D alian 116023)

Abstract　T his paper intro duces pr inciples o f Ent erprise Resource P lanning and Br ow ser/Ser ver st ructure.It furt her pro po ses an Ent erprise R eso urce Planning System based on Br ow ser/Serv er.I ts subsy stems,infor mation flo w,features and basic co nfig-ur ation ar e illustra ted in detail.Other dimensions of it s implementation ar e also invo lv ed.

Keywords　Enter pr ise Reso ur ce Planning Bro wser/Ser ver supply and demand chain

On Geographical Information System in the Mobile Computing Environment P10

…………………………………………………

Y u tao Yu L iz hong W ang Zheng(Op en Research L abor atory of City and E nvir onmental Dy namics,H uadong N or mal U nivers ity Shanghai200062)

Abstract　T his paper intro duces t he ev olut ion of Geo gr aphical Infor mation Sy stem(G IS),and the concept and main featur es of M o bile Co mputing Enviro nment.It then describes the development tr end and key t echnolo gies o f G IS in the m obile computing envir onment.Finally,GIS applicat ion in it is illustr ated by an exa mple of L o ca tio n Based Ser vices(LBS).

Keywords　G IS mo bile com puting envir onment location-based serv ice

Research and Implementation:Data Simulate Program of Global Position System P13

……………………………………………

L in S hij iu Y ang Chunj in W ang H ang(3S T echnology L aborator y,School of I nf ormation T echnology,W uhan Univ er sity of S ci-ence and T echnology W uhan430063)

Abstract　T his paper intro duces the r ole o f a data simulate pro gr am o f G lo bal P osit ion Sy st em(G PS)in applying the G PS-O EM bo ard.I ts desig n idea and implementation method on the platfo rm o f DO S and Windo ws ar e described in detail.T he source co de o f the pr og ra m is also given.

Keywords　G PS applicat ion serial co mmunicatio n T urbo C Com m AP I

Development&Application

On Class Loading Mechanism of the Java Virtual Machine P16

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Y ang Fup ing Zhang L ip ing L i Chen(D ep artment of Comp uter S cience and Eng ineer ing,H uad ong U niver sity of Science and T echnology Shanghai200237)

Abstract　T his paper intro duces the class loading mechanism o f t he Java V ir tua l M achine(JV M).T he mechanism of class lo ad-ing a s w ell as the namespaces defined by it is illustr ated by a specific example.T he functio n of class lo ading in the framew o rk a r-chitecture o f Co ntainer/Compo nent/A bstr act is also descr ibed.

Keywords　ClassL o ader JVM Jav a deleg atio n namespace

Oracle Reports6i Applied in an Exploration Database System P20

…………………………………………………………………

L ong P ing H u J ie(School of Com p uter and I nf or mation Eng ineer ing,H ohai University N an j ing210098)

Abstract　T his paper descr ibes differ ent methods o f cr eating r epor ts based o n O racle R epo rt s6i.K ey implementatio n t ech-niques ar e illust rated by some exam ples of application.Ho w to creat e r epo rt s under Client/Serv er and Br ow ser/Serv er is also discussed.

Keywords　O ra cle Repor ts6i repor t-cr eating sy stem dat abase

On the Image/Text Management System of Digital CT Equipment P23

………………………………………………………………

W ang H uanan H u Shutao(S chool of E lectr omechanical Engineer ing and A utomation,S hang hai Univ er sity S hang hai200072) Microcomputer Applications Vol.17,No.12,2001　ABSTRACTS&KEYWORDS　微型电脑应用　2001年第17卷第12期