嵌入式GIS跨平台技术的研究与实现

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　文章编号：１６７３－６３３８（２０１２）０３－０２１４－０４
嵌入式ＧＩＳ跨平台技术的研究与实现
张江水１，华一新１，唐衡丽２，李翔１
（１．信息工程大学测绘学院，河南郑州　４５００５２；２．７５７１９部队，湖北武汉　４３００７９）
摘要：在分析常用软件跨平台技术的基础上，提出了基于嵌入式ＧＩＳ图形中间件和数据中间件实现嵌入式
ＧＩＳ跨平台的方法。通过构建嵌入式图形接口描述表、图像缓存驱动、图形缓存驱动和ＧＤＩ适配器的图形中
间件以及基于地理空间数据访问引擎、数据管理引擎和数据定制技术的数据中间件，满足了嵌入式ＧＩＳ快速
跨平台开发的需求。
关　键　词：嵌入式ＧＩＳ；跨平台；图形中间件；数据中间件；地理空间数据
中图分类号：Ｐ２０８　　　文献标识码：Ａ　　　ＤＯＩ编码：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－６３３８．２０１２．０３．０１４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｒｏｓｓ－Ｐｌａｔｆｏｒｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ－ＧＩＳ
ＺＨＡＮＧ　Ｊｉａｎｇｓｈｕｉ　１，ＨＵＡ　Ｙｉｘｉｎ１，ＴＡＮＧ　Ｈｅｎｇｌｉ　２，ＬＩ　Ｘｉａｎｇ１
（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍａｐｐｉｎｇ，Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５００５２，Ｃｈｉｎａ ；
２．７５７１９　Ｔｒｏｏｐｓ，Ｗｕｈａｎ　４３００７９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ａｎａｌｙｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ－ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，ａ　ｃｒｏｓｓ－ｐｌａｔｆｏｒｍ
　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ－ＧＩＳ　ｇｒａｐｈｉｃｓ　ｍｉｄｄｌｅｗａｒｅ　ａｎｄ　ｄａｔａ　ｍｉｄｄｌｅｗａｒｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈ
ｔｈｅ　ｇｒａｐｈｉｃｓ　ｍｉｄｄｌｅｗａｒｅ　ｗｈｉｃｈ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ　ｏｆ　ｆｏｕｒ　ｐａｒｔｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｅ　ｉｍａｇｅ　ｃａｃｈｅ　ｄｒｉｖｅｒ，ｔｈｅ　ｇｒａｐｈｉｃａｌ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ
ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ　ｔａｂｌｅｓ，ｔｈｅ　ｇｒａｐｈｉｃｓ　ｃａｃｈｅ　ｄｒｉｖｅ　ａｎｄ　ＧＤＩ　ａｄａｐｔｅｒ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｍｉｄｄｌｅｗａｒｅ　ｗｈｉｃｈ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ　ｏｆ　ｔｈｅ
ｇｅｏｓｐａｔｉａｌ　ｄａｔａ　ａｃｃｅｓｓ　ｅｎｇｉｎｅ　ａｎｄ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｅｎｇｉｎｅ，ｔｈｅ　ｎｅｅｄｓ　ｏｆ　ａ　ｖａｒｉｅｔｙ　ｏｆ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ－ＧＩＳ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｕｎｄｅｒ
　ｔｈｅ　ｑｕｉｃｋ　ｃｒｏｓｓ－ｐｌａｔｆｏｒｍｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ　ｗｅｒｅ　ｍｅｔ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｍｂｅｄｄｅｄ－ＧＩＳ；ｃｒｏｓｓ－ｐｌａｔｆｏｒｍ；ｇｒａｐｈｉｃｓ　ｍｉｄｄｌｅｗａｒｅ；ｄａｔａ　ｍｉｄｄｌｅｗａｒｅ；ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ　ｓｐａｔｉａｌ　ｄａｔａ
　　跨平台是软件开发中的一个重要概念，它泛
指既不依赖于操作系统，也不依赖于硬件环境的
软件特性。由于嵌入式ＧＩＳ应用开发具有相当的
复杂度［１］，需要较长的开发周期，因此嵌入式ＧＩＳ
的应用开发对于跨平台的要求尤为迫切［２］。
１　软件跨平台技术分析
对软件领域跨平台技术研究包含多个方面，
与之对应的也衍生出了多种跨平台技术。
１．１　基于中间件的跨平台技术
中间件是一种独立的系统软件或服务程序，
分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间
共享资源。中间件位于平台（操作系统、硬件）与
应用软件之间，能够应用于多种软硬件平台，支持
分布计算、有标准的协议和接口。程序员通过调
用中间件提供的大量ＡＰＩ实现异构环境的通讯，
从而屏蔽异构系统中复杂的操作系统和网络协
议［３－５］。
１．２　基于虚拟机和解释器的跨平台技术
基于虚拟机的跨平台技术是对中间件技术的
一种延伸，其中Ｊａｖａ虚拟机最具代表性。一般的
高级编程语言如果要在不同的平台上运行，至少
需要编译成不同的目标代码。而Ｊａｖａ语言编译
的程序只需生成在Ｊａｖａ虚拟机上运行的目标代
码，就可以在多种平台上不加修改地运行。Ｊａｖａ
虚拟机在执行目标代码时将其解释成具体平台上
的机器指令执行。
１．３　基于标准接口规范和支持库的跨平台技术
前面两种跨平台技术都是通过建立一个中间
层来实现上层软件平台与复杂的底层环境的分
离。它在嵌入式系统中应用的主要问题是会降低
上层软件的运行效率。为了尽可能不影响应用软
件的效率，人们提出了基于标准规范的跨平台技
术。其实现理念是为不同的底层平台提供相应的
收稿日期：２０１２－０２－１８；修回日期：２０１２－０４－１６。　　　　
作者简介：张江水（１９７９－ ），男，河南平顶山人，讲师，博士生，主要研究方向为嵌入式地理信息系统。
２０１２年
第２９卷第３期
测绘科学技术学报
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｍａｔｉｃｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
２０１２
Ｖｏｌ．２９Ｎｏ．３
底层库支持。用户进行软件开发时面对的是一套
标准的接口规范。只要软件遵循相应的规范，并
且在底层平台存在相应的底层库支持，应用软件
就可以在该平台上运行。但是由于嵌入式软硬件
平台种类繁多，到目前为止对于一些通用接口如
ＯｐｅｎＧＬ，在嵌入式平台下没有得到广泛的支持。
目前常用的软件跨平台技术在嵌入式ＧＩＳ
中使用主要存在两方面的问题。一是由于现有的
中间件、虚拟机等都是第三方的独立产品，这就使
得嵌入式ＧＩＳ的跨平台特性严重受到第三方的
制约；二是在嵌入式ＧＩＳ应用中，用户对软件的
实时性要求较高，而第三方软件的使用则会大大
降低嵌入式ＧＩＳ的执行效率。
２　中间件思想的嵌入式ＧＩＳ跨平台结构设计
虽然目前对于软件的跨平台存在多种解决方
案，但是由于嵌入式ＧＩＳ的特殊性［６］，使得许多
现成的技术并不能够适用于跨平台嵌入式ＧＩＳ
的开发。用户往往需要根据实际情况针对软件的
性能、效率等参数进行深层次的定制。如果采用
虚拟机、中间件等第三方软件来实现嵌入式ＧＩＳ
的跨平台，它所能胜任的嵌入式工作环境则会在
很大程度上取决于这些第三方软件的执行效率。
因此嵌入式ＧＩＳ的跨平台必须从软件的底层做
起，即用户能够根据实际应用的需要从嵌入式
ＧＩＳ平台的底层实现开始进行定制。基于中间件
思想的嵌入式ＧＩＳ结构如图１所示。
图１　嵌入式ＧＩＳ跨平台结构
为了实现嵌入式ＧＩＳ的跨平台特性，就必须
使其能够屏蔽多种嵌入式计算机平台之间的差
异，实现与它们之间的统一交互。嵌入式ＧＩＳ与
嵌入式平台间交互的主要内容包括数据交互和图
形设备交互。首先，嵌入式ＧＩＳ处理的地理空间
数据都存储在嵌入式计算机的存储介质中，因此
必须通过数据交互来实现对地理空间数据的保存
与加载；其次，对地理空间信息的可视化表达是嵌
入式ＧＩＳ的重要特色，而进行可视化输出就必须
对嵌入式平台的图形设备进行操作。基于传统中
间件软件的思想，把屏蔽嵌入式ＧＩＳ数据交互的
中间层称为嵌入式ＧＩＳ数据中间件；把屏蔽嵌入
式ＧＩＳ图形设备交互中间层称为嵌入式ＧＩＳ图
形中间件。
３　嵌入式ＧＩＳ图形中间件的实现
嵌入式ＧＩＳ图形中间件是处于嵌入式ＧＩＳ
图形功能层与嵌入式操作系统之间的中间产品。
向上它能够屏蔽多种嵌入式系统对图形设备接口
描述的差异，为嵌入式ＧＩＳ的图形功能层提供统
一图形设备操作方法。向下则针对不同的嵌入式
平台，实现各种具体的可视化输出功能。
在嵌入式ＧＩＳ中，图形中间件不只是一套简
单的操作系统图形设备接口的屏蔽软件，还应能
够根据用户对嵌入式ＧＩＳ性能、效率的不同要
求，提供相应的图形中间件实现方案。此处提出
了一种基于递进结构的嵌入式ＧＩＳ图形中间件
实现方法，其结构如图２所示。
图２　嵌入式ＧＩＳ图形中间件的递进结构图
３．１　嵌入式ＧＩＳ图形接口描述表
由于嵌入式ＧＩＳ的图形功能复杂，需要使用
到大量嵌入式操作系统提供的ＧＤＩ（图形设备接
口），而不同嵌入式操作系统的ＧＤＩ往往存在很
多差异，这就为嵌入式ＧＩＳ图形功能的跨平台带
来了极大的不便。嵌入式ＧＩＳ图形接口描述表
主要用于替代各个嵌入式操作系统的ＧＤＩ，使嵌
入式ＧＩＳ的所有图形功能都基于这个图形接口
描述中的接口来完成。这样在需要进行嵌入式
ＧＩＳ跨平台移植时，只需要建立相应嵌入式操作
系统ＧＤＩ与嵌入式ＧＩＳ图形接口描述表中接口
的一一映射。
第２９卷第３期张江水，等：嵌入式ＧＩＳ跨平台技术的研究与实现　　２１　５
３．２　图像缓存驱动
图像缓存驱动即嵌入式ＧＩＳ图形中间件的
栅格数据显示引擎，其工作原理与ＷｅｂＧＩＳ中的
ＷＭＳ（Ｗｅｂ　Ｍａｐ　Ｓｅｒｖｉｃｅ）类似。首先，在嵌入式
ＧＩＳ的数据准备阶段，针对嵌入式ＧＩＳ应用环境
和数据范围对电子地图进行显示比例尺分级和瓦
片切分。其次，在ＰＣ平台的ＧＩＳ软件中对相应
的数据进行符号化生成电子地图，并根据设定的
显示比例尺和瓦片切分原则将生成的电子地图保
存为图像文件（或数据块），同时记录相应的索引
信息。当嵌入式ＧＩＳ开始运行时，将这些索引信
息加载到图像缓存驱动的缓存描述表中。当嵌入
式ＧＩＳ的图形功能层发出地图可视化申请时，图
像缓存驱动从图像缓存描述表中找到相应分级和
分块的地图图像文件，将其加载到地图输出缓存
中，并最终通过图像绘制接口进行显示。
３．３　图形缓存驱动
在图像缓存驱动中嵌入式ＧＩＳ只能静态显
示生成好的电子地图，图形缓存驱动技术则可使
用户直接显示矢量地图符号。图形缓存驱动需要
在内存中开辟一个连续的图形显示缓冲区，在该
缓冲区中的数据位与显示屏幕上的像素一一对
应。当用户调用图形接口描述表中的图形绘制功
能时，将对像素的操作改为对图形缓冲中数据位
的操作。当所有的图形绘制完成后，通过将图形
缓存中的数据直接拷贝到显示设备的相应位置来
实现ＧＩＳ图形的输出。
３．４　ＧＤＩ适配器
图形缓存驱动大大减少了嵌入式ＧＩＳ在不
同嵌入式操作系统间移植的工作量。但是由于其
需要独立在内存中完成图形绘制，实现难度大，并
且对嵌入式计算机的计算性能和存储资源要求都
相对较高。因此采用嵌入式操作系统提供的ＧＤＩ
实现图形接口描述表中的内容是嵌入式ＧＩＳ图
形中间件最基本的功能，ＧＤＩ适配器就是为了实
现这一目的而设计的。ＧＤＩ适配器根据嵌入式
操作系统的不同，分别调用相应操作系统下的
ＧＤＩ来实现图形接口描述表中定义的图形功能。
并最终通过条件编译的方式，在代码的编译阶段
就完成ＧＤＩ与图形接口描述表的绑定。
３．５　嵌入式ＧＩＳ图形中间件的工作方式
当嵌入式ＧＩＳ图形功能层需要进行地理空
间信息可视化时，需要通过调用嵌入式ＧＩＳ图形
接口描述表进行具体的图形操作。具体实现方式
为：首先嵌入式ＧＩＳ图形中间件将检查图像缓存
驱动，如果存在满足需要的地图图像时，直接通过
图像缓存驱动加载相应的地图图像并通过ＧＤＩ
适配器进行显示［７］；否则将调用图形缓存驱动实
现图形接口描述表中定义的图形功能，并最终通
过ＧＤＩ适配器将缓存中的内容进行显示；最后如
果用户没有定制图像缓存驱动和图形缓存驱动，
也可以通过ＧＤＩ适配器直接调用嵌入式操作系
统提供的ＧＤＩ完成图形绘制。
ＧＤＩ适配器是嵌入式ＧＩＳ图形中间件实现
图形功能在嵌入式硬件设备上显示的最后环节。
它有２种实现方式，一种是轻量型的实现方式，即
在ＧＤＩ适配器中只实现栅格图像的绘制，而具体
的栅格图像则是通过图像缓存驱动或图形缓存驱
动来获得。另一种实现方式是完整实现方式，即
ＧＤＩ适配器通过调用具体嵌入式操作系统的
ＧＤＩ实现所有的图形接口描述表中定义的图形
功能。这时，嵌入式ＧＩＳ可以不通过图像缓存驱
动和图形缓存驱动，直接通过ＧＤＩ适配器实现地
理空间信息的可视化。
４　嵌入式ＧＩＳ数据中间件的实现
嵌入式ＧＩＳ数据中间件负责为嵌入式ＧＩＳ
提供跨多种嵌入式平台的、统一的地理空间数据
的调度和访问方法。它可以看作是一个轻量型地
理空间数据引擎的扩展。一方面为嵌入式ＧＩＳ
平台用户提供统一的地理空间信息存储、查询、检
索等操作；另一方面则需要处理多嵌入式平台为
地理空间数据带来的存储差异。嵌入式ＧＩＳ数
据中间件的结构如图３所示。
图３　嵌入式ＧＩＳ数据中间件的结构设计
４．１　地理空间数据访问引擎
地理空间数据访问引擎主要为嵌入式ＧＩＳ
提供统一的地理空间数据模型管理和数据访问方
法。它需要对加载到内存的数据建立地理空间数
据模型，并按照系统设定的原则对这些数据模型
进行管理。当用户需要操作具体的地理对象时，
２　１６　　测绘科学技术学报２０１２年
它会根据用户提出的数据申请对其管理的内存区
域进行检查。如果存在该地理对象，则直接将其
返回给用户。否则，它将继续向地理空间数据管
理引擎发出数据请求。
４．２　地理空间数据管理引擎
地理空间数据管理引擎主要负责地理空间数
据存储细节的实现。根据数据存储方式的不同，
它又分为基于文件的地理空间数据管理引擎和基
于数据库的空间数据管理引擎。在地理空间数据
管理引擎中维护着嵌入式ＧＩＳ地理空间数据的
基本元数据，包括这些数据的比例尺、数据范围、
图名、存储状态等［８］。这些信息在嵌入式ＧＩＳ数
据中间件的初始化阶段便加入到系统的内存中
来，作为数据检索的最高层次的索引，同时也是决
定是在数据文件还是在数据库中检索数据的依
据［９］。当它接收到数据申请时，需要在元数据中
检索数据，并比较数据的存储方式。当数据在数
据库中存储时，它将数据申请转换为ＳＱＬ语句并
将其发送给数据库系统；如果数据在文件中存储
时，它需要搜寻索引文件，将数据申请转换为具体
的文件名和存储地址并加载相应的数据。
４．３　地理空间数据定制
为了尽可能减少由于数据结构差异带来的额
外处理工作，嵌入式ＧＩＳ数据中间件并不提供对
多种开放数据源的支持［１０］。而是通过在ＰＣ平台
上的数据定制软件，将各种来源的地理空间数据
转换为统一、高效的数据组织方式以供嵌入式
ＧＩＳ使用。地理空间数据定制需要完成以下５项
工作［１１］。
１）一致化处理。对数据按位进行排序，使其
能够在不同嵌入式平台以统一的方式进行访问。
２）数据过滤。通过数据过滤，剔除与应用无
关的数据。
３）格式转换。将地理空间数据转换为更为
紧凑的数据格式。
４）建立索引。根据数据特点，建立高效的空
间数据索引。
５）数据入库。针对嵌入式数据库，将地理空
间数据存储为数据库中的表。
５　结论
在所提出的嵌入式ＧＩＳ跨平台技术基础上，
设计并实现了相应的嵌入式ＧＩＳ平台。该平台
能够在ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ，ＶｘＷｏｒｋｓ，ＲｅＷｏｒｋｓ以及
Ｌｉｎｕｘ等多种嵌入式操作系统和Ａｒｍ，ｘ８６以及
ＰｏｗｅｒＰＣ等多种嵌入式硬件平台下运行，实现基
本的地理空间数据显示和查询分析功能。通过实
验，得出以下４点结论。
１）基于图像缓存驱动的嵌入式ＧＩＳ地图显
示具有较快的绘制效率和较好的绘制效果，但是
对嵌入式系统的存储量要求较高。
２）图形缓存驱动的跨平台特性最好，但是它
对嵌入式平台的内存容量和运算速度要求较高。
３）基于ＧＤＩ适配器的嵌入式ＧＩＳ图形显示
对嵌入式平台的额外需求最少，但是对各个嵌入
式操作系统ＧＤＩ的封装较为繁琐。
４）嵌入式ＧＩＳ数据中间件可实现实验环境
中所有平台下的地理空间数据管理和访问工作。
与传统的嵌入式ＧＩＳ技术相比，使用嵌入式
ＧＩＳ图形中间件和数据中间件技术，能够大大提
高嵌入式ＧＩＳ系统的跨平台性。用户能够以此
为基础，快速搭建自己的嵌入式ＧＩＳ应用，从而
使得嵌入式ＧＩＳ应用得到进一步的推广。
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责任编辑　安敏
第２９卷第３期张江水，等：嵌入式ＧＩＳ跨平台技术的研究与实现
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2014-10-1 08:28 上传

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