移动GIS

前言：GIS经历几个阶段后，不仅与Internet结合紧密，而且和无线通信技术紧密结合。

移动GIS是指将GIS、GNSS（全球性、全天候、连续性、实时性的导航、定位、定时和测量技术）和移动互联网一体化的技术和系统。

 

1.空间移动服务与移动通信

移动互联网：“互联网+移动通信”，即将移动通信技术与Internet平台、技术、模式及应用融合起来形成的一种含有终端、网络与服务的应用体系：

        空间移动服务：主要包括GIS、RS、GNSS、移动通信、INS（惯性导航）、互联网通信等技术，如LBS（基于位置服务）、MLS（移动位置服务），具体的“我在哪儿？”，“我的车子停哪？”，“我怎么能快速的到达目的地？”等。LBS和MLS对与地理空间位置相关的大量信息进行深入加工实现为用户提供高效空间移动服务的目的（回答用户的问题）。当用户与现实世界中的一个模型交互时，在不同时间、不同地点，该模型会动态地向不同的用户按需提供个性化、智能化、多样化的空间移动服务。

        无线网络技术：摆脱线缆的约束，实现随时随地的无线接入。无线接入包括：基于CPN（数字蜂窝移动电话移动，如2G、3G、4G、5G）的接入技术（即移动通信技术），基于局域网（如蓝牙，WLAN无线局域网（如Wi-Fi））的接入技术。

        移动智能终端：掌上电脑、平板电脑、智能手机、车载计算机等。这些移动技术设备所处的环境成为移动计算环境。

移动通信技术	标准制式
2G（第二代移动通信技术）	GSM、CDMA
3G（第三代移动通信技术）	WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA（我国）
4G（3G和WLAN的结合）	TD-LTE、FDD-LTE
5G	5GNR

5G的应用场景：eMBB（增强移动宽带），mMTC（海量机器类通信）、uRLLC（超高可靠低时延通信）

2.移动GIS产生与发展

前言：网络技术、空间信息技术、无线/移动通信技术、多媒体技术、VR（虚拟现实技术）、AR（增强现实技术）的结合，使得无线、移动GIS的产生成为必然。

2.1 位置服务进展

移动地理信息系统，简称移动GIS，是移动通信技术与空间信息技术结合的产物。

移动GIS是以空间位置为核心的信息服务系统。

移动定位技术（如基于LBS的百度地图、高德地图）的逐步成熟和应用规模的急剧扩大，推动着移动GIS与大数据、云计算、物联网等新技术的交叉融合。

2.2 移动GIS的发展

基于无线通信

产生：PMR（个人移动电台）

发展中期：GIS+GPS

发展现状：GIS+GNSS+Internet

        无线定位技术：无线通信技术、GIS技术及Internet技术相结合的技术。

        LBS：无线定位技术的衍生服务，是Internet、无线通信、移动定位技术（包括卫星定位、手机定位等定位技术）、GIS相结合的技术，实现GeoInformation for Anyone、Anything、AnyWhere、AnyTime。

发展前景：智能化

        云计算、大数据、人工智能技术将为移动GIS提供智能、高效处理技术；云存储、5G等技术将提高移动GIS的数据传输速率。移动计算环境将成为主流计算环境。

        无线通信、蓝牙、Wi-Fi、红外线等多种通信方式相结合形成新的移动通信技术。

3.移动GIS的组成和特点

3.1移动GIS的组成

主要有四部分：

        Internet：是移动GIS的网络传输、存储和计算环境，连接地理应用服务器、空间数据库及各种外部设备，并经由无线通信网络与移动终端设备连接。Internet有无线和有线部分，无线是对有线的补充

        无线通信网络：包括三方面，PMR，GNSS网络，基于蜂窝通信系统的GSM、GPRS、CDMA等。

        移动终端设备：。

        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，为用户提供大范围的地理服务及潜在的空间分析和查询操作服务

        空间数据库：用于组织、存储和管理与地理位置相关的空间数据及相应的属性描述信息，是地理应用服务器实现地理信息服务的数据来源。充当了“数据泵”的作用，使得移动设备可以与多种数据源进行交互。

3.2移动定位技术

主要包括：

        卫星定位技术：GPS具有全天候、高精度、自动化、高效率等特点；

        手机定位技术：

                早期采用基于基站代码的定位技术：由网络侧获取用户当前所在的基站信息以确定用户当前位置，定位精度取决于移动基站分布及覆盖范围；

                发展基于蜂窝电话网络的三角运算定位技术：根据手机接收到不同基站发出的信号到达该手机的时间差来计算该用户所在的位置；

                当前高通公司的GPSone技术：利用全球定位系统（卫星信号不稳定）和手机定位（基站覆盖率低）进行混合定位，弥补二者在不同定位环境的不足。

        惯性导航技术：测量加速度-积分求得瞬时速度和位置；误差随时间迅速积累。

        射频识别定位技术：RFID，不需要卫星、手机网络，精度在于RFID读写器的分布。

        室内导航定位技术：通过Wi-Fi、蓝牙、RFID、UWB（超宽带）、航迹推算等定位方式计算人和物体在室内的实时位置。主要要三类技术，无线信号交叉、指纹数据和航迹推算。

3.3移动GIS的特点

运行平台延伸：从Internet到无线、移动网络；

分布式数据源：由于移动用户的位置是不断改变的，所以需要的数据源是地理上分布的各种数据源；

终端多样性：；

信息载体多样性：与WebGIS相比，移动终端用户与服务器及其它用户的交互手段更加丰富，包括位置服务、视频、音频、文本、图像、图形等

移动GIS还具有移动环境的特点：

移动性：终端可以自由移动，通过通信网络保持与固定节点连接；

频繁连接性：移动终端经常会主动地接入或被动地断开（由于网络信号不稳定），这种松散耦合连接方式要求移动GIS在不同情况下能随时重新连接，并且可以独立运行；

弱可靠性：终端远程访问系统资源，数据传输容易被盗用，带来一系列安全问题；

非对称性：移动终端的上行与下行数据通信非对称；

资源有限性：移动终端的电源能力有限，通信网络带宽及存储、算力等性能相当有限；

空间位置依赖性：通过无线网络通信需要在网络覆盖范围内。

4.移动空间数据管理

前言：

移动空间数据：用来描述空间位置、空间关系、空间方向等的载体，

移动空间数据并不适合用移动GIS进行存储、传输、分析计算与可视化，因此对移动空间数据的管理与传输是移动GIS提供高效空间移动服务的关键技术。有几种解决方案：

        提高存储速率：优化存储格式，压缩编码，建立高效空间索引

        提高传输速率：渐进式、金字塔传输技术，5G

        降低网络依赖：数据缓存

移动GIS相对于桌面GIS，移动终端因存储容量较小、CPU处理能力较弱导致在处理复杂空间分析、路径规划等高级功能时需要依赖网络服务器来完成。这种网络的过度依赖是移动GIS的一大瓶颈，因此降低网络依赖、实现移动空间数据的高效管理对移动GIS有重大意义。

4.1 移动空间数据的存储与编码

4.1.1移动空间数据存储

移动空间数据包括两个位置的数据：服务器端数据和移动客户端数据。默认指的是移动客户端数据。

移动空间数据存储方式有两种：

        文件存储：适合非结构化数据，数据结构简单，操作简单，主要格式：JPEG、Shapefile、JSON、KML、GML、GeoJSON、Mobile SVG等。如：ArcGIS地图底图切片包文件标准格式tpk（栅格切片包，切片格式包括：PNG 8、PNG 24、PNG 32和JPEG）和vtpk（矢量切片包，切片格式包括：GeoJSON、KML、PDF等）。此外，ArcGIS for Server发布的地图底图切片服务有两种模式：紧凑型，扩展名为.bundle和.bundlx，多在ArcGIS的服务器中使用；松散型，扩展名为.PNG，可以在非ArcGIS服务器中使用。

        嵌入式数据库：实现对结构化数据的管理（属性数据的增删改查事务），常见的 嵌入式数据库有SQLite、Berkeley DB、LevelDB、UnQLite等。如：SQLite是开源轻量级嵌入式关系型数据库，它的体系核心是VDBE（虚拟数据库引擎），类似于Java中的JVM，和.NET平台的CLR（公共语言编辑库），编译器将SQL语言翻译成虚拟机指令；SQLite一般和扩展开源库SpatiaLite配合使用，其集成了空间分析的开源库如GEOS库，使得SQLite支持高效的空间查询功能 

文件存储无法对属性数据进行管理，所有移动终端一般使用文件存储和嵌入式数据库存储混合模型

4.1.2 移动空间数据压缩

按空间数据结构分为

        矢量数据结构压缩：基本原理是在减少曲线上点的数量的同时尽可能保证图形要素主要特征，也称为抽稀。按是否有数据损失分为有损压缩和无损压缩，主要为无损压缩，包括垂距限值法、角度限值法、光栏法、道格拉斯-普克法、基于小波计算的压缩算法等。

        栅格数据结构压缩：通过减少编码冗余、像素冗余和心理视觉冗余来减少数据量，从而提高数据存储效率，包括链式、游程、块码、四叉树编码。基于区域分割、基于神经网络、基于小波变换的编码等。

4.2 移动空间数据的传输

4.2.1渐进式传输

渐进式传输是小比例尺概略表达到大比例尺详细表达的过程。基本思想：首先向客户端快速传输分辨率低的轮廓数据，然后根据用户需求逐步传输分辨率高的数据，同时客户端对接收的数据进行集成。目的：减少首次访问数据时的加载事件。

按传输的数据类型分为：

        栅格影像的渐进式传输：其关键技术是图像可分级编码，包括信噪比（SNR）分级编码、空间分辨率分级编码、感兴趣区域（POI）分级编码。利用基本层码流提供图像轮廓信息，增强层码流不断解码持续提供图像细节信息。JPEG2000图像就是实现了渐进式传输，网络GIS中通常以JPEG格式作为栅格数据传输格式。

        矢量数据的渐近式传输：其关键技术在于服务器端矢量空间数据的多尺度表达，包括建立高效的LOD模型（如当地图比例尺缩小时使用概化算子减少图面地物表达的复杂程度，常用的概化算子有：选取/删除，合并，简化/平滑，夸大等，道格拉斯算法就是简化/平滑算子）和LOD模型的有效组织和管理（采用多分辨率曲线模型存储多层次细节，将矢量数据以树的形式组织的层次结构）

归纳渐进式传输的关键技术：

        使用合适的算法对生成的不同分辨率层次细节模型进行编码（物理模型）；

        使用高效的数据结构对层次细节模型进行组织和管理（逻辑模型）；

        保证空间数据在传输时不丢失拓扑关系；

        实现不同层级的数据的集成

4.2.2移动空间数据缓存

以空间资源消耗为代价来减少网络流量和用户等待时间。包括两种方式：

移动端数据缓存：

        内存存储：将短时间内频繁访问的数据暂时缓存在内存中

        文件存储：将数据保存在本机计算机上

服务器端数据缓存：

        代理缓存：在移动终端和GIS服务器中间建立Web缓存服务器，将客户端频繁请求响应的内存保存在代理缓存中。目的：减少GIS服务器的访问次数；

        服务器缓存：当代理缓存无法满足客户端需求时。包括IIS缓存、ASP.NET输出缓存等。

4.3 移动空间数据的调用

包括三种方式：离线模式，在线模式，混合模式。

对于长时间不易变化的空间数据（比如行政区区划边界、江河湖库界限等），一般存储在本地用离线模式；对于实时动态更新的数据则实时想服务器端请求用在线模式。

5.移动GIS设计与开发

5.1移动GIS应用系统结构

 现在的移动终端设备几乎都可以直接通过HTTP协议接入Internet，早期由于移动终端设备（需要考虑手机的运算能力）和无线网络的限制通过WAP来接入，WAP是专门为小屏幕、有限存储容量、低处理能力的移动终端和窄带宽、长时延的无线传输环境量身定做的，在传输时采用一定的压缩编码格式以减少传输的数据量，以兼容移动终端上的维浏览器。可以说WAP是简化了的WEB协议。WAP和WEB并称的时候，前者是指基于WAP协议的手机网站，后者是指基于HTTP协议的电脑网站。

5.2 Android简介

Android是基于Linux内核开发的开源操作系统。

5.2.1Android系统架构

主要包括：

        应用程序层：位于最上层，包括Android自带的应用程序（短信、日历，浏览器、联系人等），以及使用者安装的第三方应用（王者荣耀、金铲铲之战等）。

        应用程序框架层：对Android核心库和接口的进一步封装，包括活动管理器、窗口管理器、电话管理器等10个部分，开发者可以自由访问和调用相关的API开发并发布自己的功能模块。

        运行库层：由一系列二进制动态库构成，一般基于C/C++实现，通常被系统服务加载进进程中，通过接口进行调用。Android的运行环境由核心库和Dalvik虚拟机组成，核心库中包含了应用程序层和应用程序框架层依赖的Java库。

        Linux内核层：是硬件和软件的中间层。

5.2.2Android的特点

开源：众多厂商二次开发Android系统，如小米公司的MIUI和华为公司的EMUI；

跨平台：一方面Android用Java语言开发有跨平台优势，另一方面Android基于Linux平台保证了Android具有抢到的可移植性，能兼容不同的硬件环境；

无缝集成Google应用：在软件方面可以为Android提供邮件、地图、搜索、云存储等服务，在技术层面可以保证Android系统的持续更新和完善，能够吸引Google生态中庞大的用户和开发者群体。

5.2.3Android程序结构

build：编译时自动生成的文件；

libs：存放第三方jar包；

java：存放java源代码；

res：存放图片，布局文件等资源文件和字符串、样式、颜色等配置文件；

AndroidMainfest.xml:存放整个项目的配置文件,程序中定义的四大组件要在其中注册之后才能使用

5.3 Android基本组件

四大组件：（后面再补充）

Activity组件：有四种状态，运行、暂停、停止、销毁

Service组件：

BroadcastReceiver组件：

ContentProvider组件：

5.4Android界面编程

两种方式：一是在java代码中调用相关方法进行控制；二是使用XML布局文件控制界面。

5.5Android传感器

主要有三大类：描述运动状态，描述环境状况，描述空间位置。

6.移动GIS应用

6.1移动GIS应用基础：移动电子地图

关键技术：嵌入式技术，蜂窝移动网络技术，定位技术，空间数据库技术及并发处理技术等。

嵌入式系统的软硬件可以根据需要进行裁剪，适应功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标有严格要求额应用场合。

分类：分为掌上电脑移动地图，平板电脑移动地图，手机移动地图。

6.2空间位置信息服务

6.3VGI志愿者地理信息