基于GIS的嵌入式路径导航系统的设计与实现

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文章编号: 0494-0911( 2013) 04-0082-04 中图分类号: P208 文献标识码: B
基于GIS 的嵌入式路径导航系统的设计与实现
李翔，华一新，张江水
( 信息工程大学地理空间信息学院，河南郑州450052)
Embedded Path Navigation System Based on GIS: Design and Implementation
LI Xiang，HUA Yixin，ZHANG Jiangshui
摘要: 阐述基于GIS 的嵌入式路径导航系统设计与实现的过程，介绍路径导航系统的系统环境，重点分析系统的技术方案和导航
路径规划、导航路径管理、兴趣点管理、实时导航等功能的实现流程，可为嵌入式路径导航服务提供可靠的平台。
关键词: GIS; 嵌入式; 路径导航; 路径规划; 兴趣点管理
收稿日期: 2012-02-07
基金项目: 信息工程大学地理空间信息学院硕士学位论文创新与创优基金( S201206)
作者简介: 李翔( 1987—) ，男，河南郑州人，硕士生，主要研究方向为地图制图学与地理信息系统。
一、引言
随着经济的快速发展、城市建设的加快、汽车
使用量的增加和道路网的拓展，交通系统日益复
杂，交通拥堵现象日益严重。因此，智能交通系
统［1］( ITS) 将成为今后交通发展的主要方向［2］。而
随着中国汽车行业的快速崛起和嵌入式软硬件技
术的发展，导航系统在我国进入了一个前所未有的
发展阶段，市场上已相继出现了一批自主研发的相
关产品。同时，地理信息系统［3］( GIS) 的广泛应用
和自身独特的优势［4-6］，更加丰富了路径导航的功
能，能够帮助司机选择最佳路径，提高效率，为司机
提前提供道路信息，如道路转弯、交通事故易发区
的提示，以降低交通事故发生率。
本文系统阐述了基于GIS 平台的嵌入式路径导
航系统的设计与实现过程，重点介绍了导航路径规
划、导航路径管理、兴趣点管理、实时导航等功能的
实现，以性能稳定、界面友好、成本较低为设计目
标，可为用户提供最佳路径的选择和信息服务。
二、系统环境介绍
嵌入式导航系统通常主频为200 ～ 400 MHz，内
存为32 ～ 128 MB，不带硬盘，但大多数系统会带有
CF、SD 等扩展存储卡接口。系统的显示屏较小，掌
上电脑一般为3 ～ 5 in，分辨率为320 像素× 240 像
素，平板电脑、车载电脑一般为6 ～ 8 in，分辨率为
640 像素× 480 像素到800 像素× 600 像素［7］。
本系统采用具有自主产权的国产嵌入式操作
系统ReWorks4． 6 作为开发平台，在国产嵌入式软
件集成开发环境ReDe4． 0 下运行，能够实现嵌入式
应用软件的设计、编程、编译、调试、配置、仿真及系
统运行监控等功能的一体化集成，可有效提高开发
效率和质量。其中包含目标机工具链、目标机系统
定制与裁剪的相关资源等，支持应用仿真与调试。
其技术特点［8］如下:
1) 完全自主知识产权。拥有全部核心代码，方
便进行现场支持。
2) 强实时性。实时响应时间达到微秒级。
3) 微内核、可裁剪、可扩充，最小内核达到30 KB。
4) 兼容VxWorks /POSIX 接口，方便移植
VxWorks应用，也可移植Windows、Linux。
5) 支持多个硬件平台，如x86、ARM、XScale 等
处理器芯片。
6) 集成嵌入式图形工具，所见即所得。仿真运
行的分辨率支持800 像素× 600 像素、1024 像素×
768 像素。
7) 提供用户扩展接口，提高了系统的可扩展性。
三、系统的设计与实现
1． 技术方案
路径导航系统是在嵌入式平台下，基于用户界
面库、图形支撑环境、时间与定位服务及GIS，通过
人机交互界面，实现路径规划、路径管理、实时导航
及兴趣点管理等功能。其系统技术方案如图1
所示。
2． 功能模块设计
本系统的导航功能模块框架图如图2 所示。其
主要分为以下几个部分:
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图1 嵌入式路径导航系统技术方案
图2 嵌入式路径导航系统功能模块结构
( 1) 路径规划模块
路径规划是帮助驾驶员在旅行前或旅行中规
划行驶线路的过程，是路径导航中的一个基本模
块，也是实现导航功能的前提条件。它能为行驶在
城市内密集道路网中的车辆提供依照不同侧重点
从当前位置到达目的地的路线方案，如最短时间、
最优路径、最高性价比等，为驾驶员在道路选择上
提供更多的选择，成为驾驶员快速、高效、经济地驾
驶车辆必不可少的手段和决策依据。其实质是在数
字地图及道路网络图层中的任意两个或者两个以上
节点之间寻找一条最佳通道。该模块可实现在数字
地图上手动绘制导航路径或输入的起始点、目的点坐
标，用户通过路径分析来自动规划路径，并将规划完
成的路径提交路径处理显示且保存入库。
( 2) 路径管理模块
路径管理是在驾驶员完成路径规划和路径选择
操作后，对存入导航路径数据库的路径进行管理和操
作。用户通过该模块能够查看导航路径信息，并增
加、删除、修改导航路径。通过完成手动规划路径时
与图形支撑环境的事件交互，用户能够将规划好的导
航路径保存入库，还可以接收导航路径并解析保存入
库。实现了导航路径的选择、修改、删除操作处理。
( 3) 实时导航模块
实时导航是驾驶员在驾车行驶过程中，根据导
航路径的规划选择方案，对行进道路实时导航的过
程，是路径导航的核心功能模块。该模块实现了启
动和停止实时路径导航功能，存储的电子地图及与
地图有关的信息数据，支持应用程序的调用。根据
预先拟制的导航路径和当前实际行动轨迹实时计
算航线的偏移距离和方向，然后通过导航提示进行
导航引导和偏航告警提示用户，并利用电子地图中
的道路信息数据对定位部分的输出结果进行自动
修正，将车辆位置匹配到合适的道路上。按一定的
条件( 如最短行驶距离或时间) 快速生成最佳行驶
路线供驾驶员参考。如果实时的交通信息平台已
完善，还能对行驶路线作及时调整以适应交通状况。
( 4) 兴趣点管理模块
兴趣点管理是针对不同用户的需求，在旅行中对
感兴趣的地点及经常路过的地点进行操作的过程。
在电子地图上它能够快速显示出常用兴趣点的标记，
为用户的路径选择给出一个清晰明了的提示，帮助用
户作出最方便、快捷的驾驶路线的选择。该模块实现
了兴趣点信息管理功能，能够添加、删除、修改用户常
用的地点信息，根据用户的需要和地点实际情况，进
行地点名称、地点的经纬度及地点类型的修改。
( 5) 系统参数设置模块
系统参数设置是用户根据自身的路径导航需要而
进行的个性化设置，通过对不同功能中参数的设置，使
路径导航的界面显示和导航功能更加友好、美观、个性
化，以满足不同类型用户的需求。该模块实现了设置
路径颜色和实际行动轨迹颜色的功能，能够设置告警
提示的最大偏移量，以及设定导航路径运行速度。
四、系统实现方案
1． 路径规划的实现
路径规划模块主要由数据显示模块和数据解
码模块组成。用户通过人机界面引导用户在数字
地图上找到需要规划的路径位置，输入导航路径的
各个点位数据，并将规划完成的导航路径存入路径
数据库中。数据显示模块主要负责根据系统的参
数配置将用户规划的导航路径以可视化的方式显
示出来; 数据解码模块主要负责将接收到的远程传
送的编码数据恢复为导航路径数据。用户可以通
过鼠标或者触摸屏在系统界面上完成手动路径的
绘制和规划。路径规划的实现效果如图3 所示。
2． 路径管理的实现
路径管理主要由路径保存模块、路径浏览模块
和路径删除模块组成。首先用户可以通过路径保
存模块将规划或接收的导航路径保存到指定的文
件中。用户可通过读取文件系统上的导航路径，当
用户需要查看导航路径时可以通过路径浏览模块
2013 年 第4 期 李 翔，等: 基于 GIS 的嵌入式路径导航系统的设计与实现 83
以列表的形式查看所有保存的导航路径，当用户选
定一条导航路径时，还可以在电子地图上以可视化
的方式查看该导航路径。当需要删除一条导航路
径时可以指定该导航路径，然后通过路径删除模块
在文件中删除该路径。用户所有的输入操作和路
径管理的输出操作均通过与人机界面交互完成。
图3 路径规划图
3． 实时导航的实现
实时导航主要由轨迹记录模块、数据显示模块
和偏航报警模块组成。其中，轨迹记录模块负责实
时接收当前位置信息，并记录和保存历史轨迹信
息; 数据显示模块负责将当前位置信息和历史轨迹
信息按照系统参数设定，并以可视化的方式进行显
示［9］; 偏航报警模块负责计算当前位置与导航路径
的偏移量，当偏移量大于系统设定的最大阀值时向
用户报警。用户的所有输入操作与实时导航输出
操作或者效果展示也均通过与人机界面交互完成。
其效果和执行序列如图4、图5 所示。
图4 实时导航效果图
图5 实时导航执行序列图
4． 兴趣点管理的实现
常用地点管理主要由数据显示模块和数据管理
模块组成。数据显示模块主要负责将常用地点信息
在数字地图上以符号化的方式进行显示; 数据管理模
块主要负责对常用地点信息的查询和增加、删除、修
改等操作。用户通过人机界面完成对常用地点的输
入、查询、编辑等操作，同时以列表方式对常用地点信
息进行浏览。
5． 系统参数设置的实现
参数设置执行方案主要通过人机交互界面完成
对偏航阀值、导航轨迹显示和导航路径显示颜色等参
数的设定，参数设置功能返回对应的设置结果。用户
可以通过鼠标或者触摸屏直接根据自身的要求进行
参数的设置，点击“确定”完成设置，并显示在导航电
子地图上。其实现效果如图6 所示。
图6 参数设置效果图
五、结束语
基于GIS 的嵌入式路径导航系统，通过GIS 服
务、时间与定位服务、图形支撑环境和用户界面，实
现了路径规划及管理、实时导航、兴趣点管理和参
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数设置等功能，有以下几个方面的特点:
1) 开发平台具有创新性。本系统采用国产嵌
入式Reworks4． 6 操作系统，采用ReDe4． 0 软件进行
底层开发，开拓了国内嵌入式路径导航的研究和开
发市场。
2) 功能结构。系统采用了功能模块化的结构
设计思路，将各个模块的功能分化开来，从底层开
发，提高了系统的运行效率和流畅程度。
3) 多接口支撑。系统结合了GIS、时间与定位
服务、图形支撑环境和用户界面等外部接口［10］，提
供了最短路径分析与地理数据的可视化、时间校准
与定位等功能，更好地将GIS 应用到导航系统中。
4) 具有友好的人机交互。全系统都是根据用
户的需求，进行了人机交互的设计理念，更好地向
系统用户靠拢，最大限度地发挥了人机交互的作
用，让整个导航系统更加方便实用。
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数据格网转换分析和基于格网的要素与地名地址
二维空间位置表示研究，对验证地理格网编码体系
的正确性、合理性与实用性有重要作用，并可推进
地理格网的推广应用。随着信息时代的来临，以快
递为支撑的电子商务迅速发展，满足位置服务要求
的地理格网社会化应用将会越来越广泛。
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