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基于谷歌地球和GPS的物品定位跟踪系统


3014 2011, Vol. 32, No.9

计算计机算工机程工与程设与设计计 ComputerComputerEngineeringEngineeringandandDesignDesign

基于谷歌地球和 GPS 的物品定位跟踪系统
陈修治 1,2,3, 陈燕乔 1+, 苏泳娴 1,2,3
(1. 广州地理研

究所,广东 广州 510070;2. 中国科学院 广州地球化学研究所,广东 广州 510640; 3. 中国科学院研究生院,北京 100049)
摘 要:介绍了基于 Google Earth 和 GPS 进行目标物品定位跟踪系统开发的研究背景,借 助相关技术进行了目标物品定位跟 踪

系统的总体构架设计以及功能设计,并 选择基于 C# 语言、ASP.NET 技术以及 Microsoft Visual Studio 2005 开发工具实现了 编码 开发。进行了实测轨迹实时定位跟踪实验,实 验结果表明,基于 Google Earth 和 GPS 的目标物品定位跟踪系统能准确的 实时定 位、跟踪目标物品,达 到了预期目的。提出的 Google Earth 和 GPS 技术相结合的开发思路,为地图位置服务提供了方 法依据。 关键词:Google Earth( 谷歌地球); GPS( 全球定位系统); 定位; 跟踪; 系统 中图法分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1000-7024 (2011) 09-3014-05

Objects location and tracking system based on Google Earth and GPS
CHEN Xiu-zhi1,2,3, CHEN Yan-qiao1+, SU Yong-xian1,2,3
(1. Guangzhou Institute of Geography, Guangzhou 510070, China; 2. Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 3. Graduate University, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
Abstract:Study background of the objects site location and tracking system based on Google Earth and GPS is introduced. General frame scheme and primary functions for this software are given by certain related technology. C# programming language, ASP. NET technology and Microsoft Visual Studio 2005 development tools are selected for programming and software developing. Location and tracking on the practical survey trajectory indicated that the target objects location and tracking system based on Google Earth and GPS can realize real-time target objects positioning and tracking accurately and reached the expected goal. The design and development idea combining Google Earth and GPS provides a theory basis for the map position services. Key words:Google Earth; GPS; location; tracking; system

0 引



GIS 属性信息布置在一个虚拟的三维地球模型上,使地图数据 信息十分详尽。目前,其全球地表影像的空间分辨率至少为 100m,通常为 30m,有些区域如大城市、著名风景区的分辨率 甚至可以达到 1m 或者 0.6m[2],且 Google 公司会不断更新地图 影像数据,使用户可以十分方面的在 3D 地图上搜索特定区 域,免费查询获取需要的最新地图信息。但是目前却无法在 Google Earth 中实现像 GPS 技术一样的实时定位、追踪以及导 航功能。 如果能够在 Google Earth 上实现 GPS 的定位、追踪、导航 等技术,免费利用 Google Earth 所提供的详尽三维地图来弥补 GPS 地图的信息不详、无法实时更新等缺点,将会大大减少 GPS 监测系统的成本,进而充分发挥其在交通运输、物流管 理、危险物品监测、车辆追踪等方面得应用。近年来,随着 Google Earth Com API 和 KML(keyhole makeup language) 文档

全球定位系统(global positioning system,GPS),是美国国防 部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度 导航和定位要求而建立的,以卫星为基础的无线电测时、导航 系统 ,其具有全天候、高精度、自动测量、方便灵活以及全球 覆盖能力。近年来,随着 GPS 技术的蓬勃发展,GPS 追踪系 统、GPS 导航系统、GPS 定位系统作为一种高科技产品在民用 方面(尤其在手机定位、汽车导航、物流方面)得到了快速广泛 的应用[1]。但是,现有的 GPS 设备需要的所有电子地图都不是 免费的,而且 GPS 地图的数据信息不够详尽,并且无法实时更 新,给用户带来很多不便。 Google Earth(谷歌地球)是一款美国 Google 公司开发的免 费为用户使用的虚拟地球软件,它把卫星影像、航空照片和
收稿日期:2010-09-30;修订日期:2010-11-28。 基金项目:国家自然科学基金项目 (40771218)。
[1]

作者简介:陈修治 (1986-),男,安徽淮北人,博士研究生,研究方向为遥感与 GIS 应用; +通讯作者:陈燕乔 (1979-),女,广东饶平人, 硕 士,研究方向为城市生态; 苏泳娴 (1985-),女,广东中山人,硕士研究生,研究方向为生态规划与 GIS 应用。E-mail:chen_xz86@163.com

陈修治,陈燕乔,苏泳娴:基于谷歌地球和 GPS 的物品定位跟踪系统
的发布,越来越多的人被吸引到这个巨大的开放性资源的开 发工作中来
[3-10]

2011, Vol. 32, No.9 3015

装配的操作系统,不仅保证了智能移动终端能够具备 GPS 定 位功能,而且保证了移动终端可以进行定制式的功能扩展,进 而我们可以在智能移动终端内嵌入本系统的数据发送功能模 块,于是智能移动终端便可以通过 GPRS 无线网络随时将接 受的 GPS 定位信息转发给系统服务器。 系统的基本原理是:目标物品绑定智能移动终端,智能移 动终端便会随时记载目标物品的 GPS 定位信息,于是智能移 动终端中嵌入的数据发送功能模块将通过 GPRS 无线网络实 时的将 GPS 定位信息发送给系统服务器;系统服务器不断的 侦听、接收数据,将其存储在数据库中;用户 (监控终端) 可以 即时的从数据库中读取位置数据,并利用 Google Earth 浏览器 从 Google Earth 公共地图服务器调用地图数据信息,将目标物 品位置及其动态轨迹实时显示出来。

。Su 等

[3]

基于 Google Earth 和 GPS 技术,为了

较少工矿运输中出现的交通事故,建立了一个 3D 监视系统, 提供 3D 数据信息和实时监控功能,减少了交通事故的发生。 刘有贵
[4]

等使用 GPS/GPRS 车载设备定位实现车辆的定位跟
[5]

踪原理,提供了一套在实践中使用的 GPS/GPRS 定位跟踪应 用系统,为车辆的定位跟踪提供了技术保障。张全志 等在 分析物流配送监控系统的基础上,设计了基于 Google Earth 的 物流配送监控系统的架构和主要组成部分的功能,而达到对 物流配送进行监控的目的。本文基于计算机网络、SQL 数据 库、Google Earth 以及 GPS 等先进技术,建立了具有开放体系 结构、易移植、易维护、并具有良好人机交互界面的 B/S 结构 式目标物品实时跟踪系统,为把 Google Earth 应用到现实生活 中提供方法依据。

2 系统功能
通过分析,本系统应具有以下功能 ( 如图 2 所示):①基础 地图浏览功能:主要包括对地图的放大、缩小、平移等功能。 这些功能在 Google Earth 都已经实现了,因此不需要本系统重 新开发,用户只需要在客户端装上 Google Earth 浏览器,并开 通互联网即可;②数据处理功能:主要负责对 GPS 原始数据进 行处理,提取所需要的定位跟踪信息,该模块安装在智能终端 上;③通信功能:通信模块一部分安装在智能移动终端上,负 责向系统发送 GPS 定位信息;一部分则安装在服务器系统上, 负责接收从移动终端 GPS 发射器发来的车辆位置信息;④定 位 跟踪功能:将接收到的目标物品定位信息,动态地显示在 Google Earth 上,实现实时的跟踪监控目标物品的功能,并显 示 行走轨迹;⑤目标物品行走轨迹回放功能:在实时显示目标 物 品位置时,系统以一定的数据格式将目标物品的位置信息 记录 下来,存放到数据库服务器的物品行走轨迹库中,用户可 以在 需要的时候选择将监控车辆的历史轨迹进行回放;⑥管 理员模 块:主要负责用户的账号管理以及设定用户查看跟踪 轨迹权限 问题;⑦用户模块:包括用户登录功能以及用户个性 化设置功

1

系统构架
软件采用了基于浏览器 / 服务器软件体系结构 ( 即 Browser/

Server 结构,简称 B/S 结构) 的程序设计模式。在 B/S 软件体系 结构下,用户界面完全通过 WWW 浏览器实现,大部分事务逻 辑以及系统安装、修改、维护等全在服务器端实现,大大减轻 了客户端的负载,节约了开发成本。因此,基于 B/S 软件体系 结 构 设 计 “ 基 于 Google Earth 和 GPS 的 目 标 物 品 跟 踪 系 统”,客 户端只需要开通互联网,下载并安装 Google Earth 浏 览器,即 可运行服务器端的全部功能模块,几乎达到了“零客 户端”的 功能,且系统很容易在运行时进行维护、升级。
系统整体构架如图 1 所示,分为 GPS 卫星、Google Earth 公 共地图服务器、系统服务器、用户(监听终端 )以及智能移动终 端等 5 个部分。其中 Google Earth 公共地图服务器是由 Google

司免费提供的公共服务器;智能移动终端需具备互联网功能 以 及 GPS 定位功能。本系统采用的智能移动终端为可进行嵌 入 式开发并集成了 GPS 模块的智能手机,该类智能移动终端

用户即监控终端

能,如:选择不同的轨迹观看视角,设置轨迹线性、 颜色等。

通过 Google Earth 浏览器访问 互联网 数据接收以及数 据处理模块

数据接收模块

数据处理模块 GPS 定位导航卫星 基于 Google Earth 公共地图服务器 GPS 定位信息 通过 GPRS 无线网络 转发 GPS 定位信息 目标物品和智能移动终端
系统服务器

实时定位 跟踪功能

创建 KML 文件 GE 上实时显示

数据发 送模块

智能移 动终端

Google Earth 和 GPS 的目标 物品定 位跟踪 系统

服务器

轨迹回放功能

轨迹回放 用户账号管理

管理员模块 用户权限管理 用户登录模块 用户模块 个性化设置



1

系统构架
图 2 系统功能结构

3016 2011, Vol. 32, No.9 3 开发语言及工具

计算机工程与设计 Computer Engineering and Design
间等),全部保存在以“$ GPGGA”字段开头的那一行中,具体
格式是:$ GPGGA,UTC 时间,纬度,北纬/南纬,经度,东经/ 西

“基于 Google Earth 和 GPS 的目标物品跟踪系统”使用 C#

语言进行编码开发。由于 GPS 发射器发送的物品定位信息数 据量比较大,系统接收和处理数据的任务比较繁重,因此设计 的程序要有很高的运行效率,而且该程序必须能够通过网络 将 GPS 定位信息实时的发送给服务器。由于 C#支持 COM 技 术以及纯 API 调用,使得 C++程序员可以高效地开发程序,而 不损失 C/C++原有的强大高效功能,而且程序员可以在 Microsoft . NET 平台上事半功倍的构建应用程序的扩展框架,使任 何 组件可以轻松地转化为 XML 网络服务,通过 Internet 被任 何 操作系统上运行的任何程序调用。所以选择 C# 作为本系 统开 发语言。 系统的 Web 构架选用 ASP.NET 技术进行设计开发。ASP. NET 是 Microsoft 推出的新一代 Active Server Pages 脚本语言, 它是一种建立在通用语言上的程序构架,适用于在服务器上 建 立强大的 Web 应用程序,较 ASP 技术而言,其执行效率大 幅 提高,平台实用性强,服务器配置简单,高效可管理,且简单
易学[11]。因此,本文使用 ASP.NET 技术开发“基于 Google Earth

和 GPS 的目标物品跟踪系统”。 开 发工具选用 Microsoft 公司的 Microsoft Visual Studio 2005(VS 2005) 。 VS 2005 完全支持可标记语言 (XML) 描述的数 据结构类型,提供了 XML 设计器,使得创建 XML 构架更加 容 易。由于 Google Earth 地图浏览器中用于地理数据交换的文 件格式 KML 文档框架是基于 XML 格式的,选择 VS 2005 作 为 开发工具,大大简化了将 GPS 定位信息转化为 Google Earth 识 别的 KML 文档的工作。

4
4.1

关键算法
智能终端模块
(1) GPS 定位数据处理算法:GPS 定位数据处理算法被嵌 入到

智能移动终端系统中,负责 GPS 定位数据(经度、纬度、高 程、时 间等)的提取。智能移动终端 GPS 模块接收到的 GPS 定

位信息为 NMEA-0183 格式[12-13]。NMEA-0183 协议是 GPS 接 收 机遵守的标准协议,也是目前 GPS 接收机使用最广泛的协 议, 大多数常见的 GPS 接收机、GPS 数据处理软件、导航软 件都遵 守或者至少兼容这个协议。具体格式如下: $GPZDA,071405.00,06,02,2007,00,00*60 $ GPRMC, 071406.00, A, 2232.17764, N, 11400.21433, E, 8.233,259.56,060207,,,A*6F $GPVTG,259.56,T,,M,8.233,N,15.256,K,A*0F $GPGGA, 071406.00,2232.17764, N, 11400.21433, E, 1,09, 1.20,9.8,M,-2.3,M,,*4E $GPGSA,A,3,02,17,05,04,24,29,26,10,12,,,,2.56,1.20,2.26*08 $ GPGSV, 4,1,14,02,51,005,43,17,22,144,36,05,21,266,30,04, 36,066,37*7D $GPGLL,2232.17764,N,11400.21433,E,071406.00,A,A*6C 本系统所需要提取的 GPS 定位信息(经度、纬度、高程、时

经,质量因子,可使用的卫星数,水平精度因子,天线高程, 大 地椭球面相对海平面的高度,差分 GPS 数据年龄,差分基 准站 号,总和校验域,总和校验数。基于上述格式的 GPS 数 据,本 文设计了如下 GPS 定位数据提取算法: /* 该算法用于处理 NMEA-0183 格式的 GPS 数据,从以 “$ GPGGA”字段为开头的数据行中提取经度、纬度、高程、 时间 信息,其中 GPGGA 代表着以“$GPGGA”字段为开头的 那一行 数据字符串*/ //提取纬度字符串 AfxExtractSubString(latitude,(LPCTSTR) GPGGA,3,','); //提取“度”保存在 CString 变量 strdu 中 strdu = latitude.Mid(0,2); /*将小数点前的“分”保存在 CString 变量 strfen1 中*/ strfen1 = latitude.Mid(2,2); /*将小数点后的“分”保存在 CString 变量 strfen2 中*/ strfen2 = latitude.Mid(5,5); /*将分转化成 long 型,并转化成“度”,保存 6 位小数*/ longfen = 1000000*atol(sfen1)/60.0 + 1000000*atol(strfen2)/ 60.0; /* 将分再次转化成 CString 型 ,以便向服务器发送定位 信息*/ ltoa(longfen,strfen,10); strfen.Format("%s",str); int z = strlen(strfen); //如果 sfen 位数小于 6,在高位补 0 while( z < 6){ strfen = "0" + strfen; z++; } z = strlen(strdu); while(z<3) { //如果“度”少于 3 位,高位补 0 sdu = "0" + sdu; z++; } /*将 CString 型的“度”和“分”通过小数点联接起来,共 10 位*/ latitude = strdu + "." + strfen; 注:经度、高程、时间等其它 GPS 定位信息的提取均可 以 采用类似的算法实现。
(2) GPS 定位数据发送算法:在提取出 GPS 定位数据后, 智能 移动终端需要将获得的经度、纬度、时间、高程信息发送 给服务 器,具体操作是,首先创建一个 post 请求头,然后创建 一个连接, 连接到 IP 地址为 hostIP 的服务器上,端口号为 nPort,

连接创建后,程序访问服务器系统的 GPS 定位数据接收页面 GetData.aspx,然后发送数据,具体代码如下: //设置 post 请求头 strHeaders = "Content-Type: application/x-www-form-urlencoded\r\n"; /*创建连接:服务器 IP 为 hostIP,端口号为:nPort*/

陈修治,陈燕乔,苏泳娴:基于谷歌地球和 GPS 的物品定位跟踪系统
pConnection = session. GetHttpConnection (_T ("hostIP"), nPort); /*创建一个连接,指定发送类型为 post 类型,并指定响应 服务器接收数据页面 GetData.aspx*/ pFile = pConnection->OpenRequest (CHttpConnection:: HTTP_VERB_POST,_T("/Web%20Server/GetData.aspx")); //CHttpFile 对象发送数据 pFile->SendRequest (strHeaders, (LPVOID) (LPCTSTR) sendData[i],sendData[i].GetLength());

2011, Vol. 32, No.9 3017

5

实验与结果

自动使用 Google Earth 浏览器打开该 KML 文件,将目标物品的

定位信息以及运行轨迹实时动态的显示在 Google Earth 上。

4.2

系统服务器
(1) GPS 定位数据接收算法:系统服务器端口不断的监听 是

否有连接请求,当监听到有连接请求时,接收该连接,并从
POST 请求中接收 GPS 经度、纬度、高程、时间等数据信息。相 关 原理是使用 Request.Form[" "].ToString().Trim()函数从发送的

POST 请求中获取相应的 GPS 定位数据(经度数据、纬度数据、 高程数据、时间数据)。
(2)创建 KML 文件:KML,是 Keyhole 标记语言(keyhole ma-

rkup language)的缩写,是一种采用 XML 语法与格式,用于描述 和保存地理信息(如点、线、图像、多边形和模型等)的语言[14]。 KML 文件就是一种在 Google 地图浏览器中用于交换地理数 据 的文件。它定义了一些规定地理数据的显示方式 [15]。其用 途主 要有:①指定地点的图标和注记;②为每一个地理特征创 建不 同的视角位置;③在地球上叠放图像;④指定地理特征显 示的 样式;⑤编写地理特征的 HTML 描述,包括超链接和内嵌 图 像;⑥使用文件夹对地理特征进行群集;⑦KML 文件的动态 获取及修改;⑧显示三维地物。相关格式如下: <Placemark> <name>线名称</name> <description>描述</description> <styleUrl>线类型</styleUrl> <LineString> <extrude>线标号</extrude> <tessellate>线标号</tessellate> <altitudeMode 高程模式</altitudeMode> <coordinates> 经度,纬度</coordinates> </LineString> </Placemark> <Placemark> <name>点名称</name> <description> 描述信息</description> <Point> <coordinates>经度,纬度</coordinates> </Point> </Placemark>
本文首先根据以上 KML 格式动态创建 KML 文件,然后不 断的将实时接收到的经度、纬度等 GPS 定位信息写入 KML 文 件的“<coordinates></coordinates>”标签内,然后利用 IApplictionGE 类中的 OpenKmlFile 函数读取生成的 KML 文件,此时,系统将会

2009 年 2 月 13 日,该系统进行了一次实测轨迹实时定位 跟踪实验,路线从深圳市深圳大学出发到广州市海珠北路,历 时 10 个半小时,验证结果表明,系统可满足实时定位并跟踪 目标物品的要求,达到了预期目的。结果如图 3 所示。

图 3 2009 年 2 月 13 号实测轨迹

6

结束语
本文结合 GPS 技术与 Google Earth,描 述了“基于

Google Earth 和 GPS 的目标物品定位跟踪系统”的总体构架和主 要 功能,进行了相应的编码开发工作,并使用实测数据进行了 初步试验验证,验证结果达到了预期目的。目前,有极少数 软 件能在 Google Earth 上实现像 GPS 技术一样的实时定位、 追 踪功能,但都不是免费使用的。因此,开发“基于 Google Earth 和 GPS 的目标物品定位跟踪系统”,在 Google Earth 上 实现 GPS 的追踪、定位等技术,免费利用 Google Earth 所提 供 的详尽三维地图来弥补 GPS 地图的信息不详、无法实时更 新 等缺点,将会大大减少 GPS 监测系统的成本,进而充分发 挥 其在交通运输、物流管理、危险品与贵重物品监测、车辆追 踪 等方面的应用,为 Google Earth 与 GPS 技术相结合的、并 能高 效应用到现实生活中的定位跟踪系统提供了理论基础与设 计方法。

参考文献:
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(上接第 2942 页) [5]
从图 2 可以看出当 和 不变时,随着 QI 的变化,本文的

tacker's confidence:An alternative to k-anonymization W a n g K , F u n g B , Y u P . H a n d i c a p p i n g a t [J]. Knowledge and Information Systems:An International Journal,2007,11(3):345-368.

算法执行时间没有变化,因为不管 QI 怎么变化,对应的都是 一条 记录,对本文算法没有影响;而 QI 越多, Top-Down 要处理 的泛 化组合越复杂,时间复杂度越高。从上述两个方面的实 验结果都表 明,本文算法在执行效率上要明显优于基于泛化 的处理方法,而且 在 2.2 节中也已经分析了其信息损也更小。

4

结束语
( , )-匿名模型是一种有效的个性化隐私保护方法,传统 实

现该模型的方法是基于泛化 / 隐匿的技术或者在此基础上 改进 的 eIncognito 和 Top-Down 方法,该类方法首先需要详细 分析 各个 QI 属性的取值范围,并定义它们的泛化层次,而且 在实 现过程中,随着 QI 数目的增加以及 和 约束参数的变 化其 性能存在很大的变化,总体来讲效率低,信息损失量大。 本文 引入有损连接的思想通过损失部分准标识符属性和敏感 属性间 的关联来发布隐私数据,并提出了基于贪心策略的 ( , - 匿名聚类算法 (( , )-GCA) 来实现该思想。实验结果表 明,本文的方法具有明显的效率优势,可以获得更高质量的隐 私保护。

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