位置信息服务(LBS)关键技术及应用(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：李勇,徐小涛,杨志红,葛雯

出版社：人民邮电出版社

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位置信息服务(LBS)关键技术及应用试读：

前言

在移动电话和互联网高速发展的信息时代，人们不仅希望能获得关于某些事件的信息，还希望能知道自己所处的位置，并获取与自身位置相关的感兴趣的信息。位置信息服务（LBS）就是这样一种为使用者提供与其位置相关信息的服务类型。位置信息服务是一项集成系统，是地理信息系统、空间定位、移动通信、无线互联网等技术的综合体，是通过无线通信网络获取无线用户的位置信息（经纬度坐标或高程数据），在地理信息平台的支持下提供相应服务的一种无线增值服务。目前，无论是公众用户还是行业用户，对于获得位置及其相关服务都有着广泛的需求，包括娱乐消息、交通报告、地图和向导、目标广告、交互式游戏、车辆跟踪、运程信息和网络管理等众多领域。

本书在吸收、消化大量国内外资料的基础上，结合多年技术研究与教学工作经验，系统梳理了位置信息服务的技术体系和系统结构，重点对位置信息服务的关键技术与典型应用进行研究和分析。编写本书的目的是为各类大专院校学生、科研工作人员和技术开发人员提供一本合适的参考书籍，也为各类院校开展该研究方向课程提供一本内容较为全面的参考读物。

本书详细介绍和分析了位置信息服务的基本概念、组成结构、技术体系和应用情况，重点对位置信息服务所涉及的关键技术（地理信息系统、移动定位、移动通信、数据库和Web Service等）进行了详细介绍，对各信息技术当前最新研究情况进行分析，并结合位置信息服务在几个行业领域的典型应用进行了研究。本书分为11章。第1章对位置信息服务进行总体介绍，重点介绍了位置信息服务的基本概念、体系结构及相关应用领域，并对其未来发展进行了展望。第2、3、4、5、6、7、8章分别介绍了位置信息服务涉及的相关技术。其中，第2章介绍了地理信息系统的有关内容，第3章介绍了移动定位技术相关知识，第4章介绍了移动通信技术，第5章介绍了数据库技术，第6章介绍了Web Service相关技术，第7章介绍了移动平台开发技术，第8章主要介绍了道路匹配、路径分析、兴趣点查询、信息发布和隐私保护等技术。第9、10、11章分别介绍了位置信息服务在行业领域的典型应用。其中，第9章介绍了智能交通系统的相关内容，并分析了位置信息服务在智能交通中的应用；第10章介绍了应急救援系统的相关内容；第11章介绍了位置信息服务在社交娱乐和物联网等方面的应用。

本书第1、2、3、8、9章由李勇编写，第4、5、11章由徐小涛和葛雯编写，第6、7、10章由杨志红编写。

由于编写人员水平有限，而且位置信息服务系统的相关技术发展也很迅速，本书内容难免存在疏漏、过时甚至错误之处，敬请读者批评指正。

第1章 概述

在信息社会，人类对位置的精确描述和定位已成为社会各组织结构正常运行的基本要求。位置信息服务（LBS）以其集通信、定位、查询、分析和信息服务于一体的功能特点，在社会多个行业领域都得到了广泛应用，成为信息时代新的研究热点。本章主要对LBS的基本情况作简要介绍，1.1节介绍LBS的概念、发展历程及特点，1.2节介绍LBS的结构框架，包括其技术体系、标准体系、系统体系和应用体系等，1.3节介绍LBS的相关应用领域，第四节介绍LBS的未来发展。

1.1 LBS基础

随着时代的发展和科技的进步，信息已经成为人类社会财富的源泉，人们对信息的需求越来越多，层面也越来越高。在日常生活中，人类每时每刻都在与空间信息进行最密切的“交互”。据粗略估算，人类生活中接触到的信息有60％～80％是与空间信息密切相关的。位置信息已成为整个社会信息流中的重要组成部分，“我在什么位置？周围有什么？如何到达目标位置？我感兴趣的事物在什么位置？”等问题已成为人们关注的重要需求，并逐渐发展成为当今社会满足人类生活需求的一种最基本的信息服务模式，位置信息服务应运而生。1.1.1 LBS概念“位置信息服务”，也称“位置服务”或“基于位置的信息服务”，来源于英语Location Based Service，英文缩写为LBS。从名称中可以看出，其核心功能是为用户提供当前位置的定位，同时提供当前位置周边的事物信息。

早在1994年，美国学者Schilit首先提出了位置服务的三大目标：你在哪（位置信息）、你和谁在一起（社会信息）、附近有什么资源（查询信息），这也成为LBS的基础内容。2004年Reichen Bacher又将LBS的服务内容归纳为5类：定位（个人位置定位）、导航（路径导航）、查询（查询某个人或事物）、识别（识别某个人或事物）、呼叫（当出现特殊情况时发送带求救或查询的个人位置信息）。这些新思想的提出为LBS的发展奠定了坚实的理论基础。

从技术层面来讲，位置信息服务是一项集成系统，是地理信息系统、空间定位、移动通信、无线互联网等技术的综合体。因此，对LBS的定义有很多，不同技术领域的从业人员对其也有不同的理解。地理信息行业人员从地理信息服务的角度来看，认为LBS是基于地理位置信息而开展的服务，LBS作为地理信息系统（Geography Information System，GIS）领域的重要组成部分，是移动环境下的GIS（Mobile GIS），是一种特殊类型的GIS；通信行业人员从移动通信服务的角度来看，认为LBS是一种新型的移动通信服务业务，LBS可称为移动定位服务，是通过电信移动运营商的网络（如GSM网、CDMA 网）获取移动终端用户的位置信息（经纬度坐标），在地理信息平台的支持下，为用户提供相应服务的一种增值业务；从导航定位应用的角度来看，LBS又可看成是导航定位技术结合地理信息系统，在移动通信平台上为用户提供的一种导航定位服务拓展；而从Web服务的角度来看，LBS是指Web服务器响应无线或有线用户的空间位置请求，根据用户的位置或者基于位置的请求，以宽带网络（Internet、WLAN等）为媒介，将空间数据信息和处理结果发送到固定的或者移动的设施的一种Web服务。

根据开放地理信息系统联盟（Open GIS Consortium，OGC）对LBS的定义，LBS是一组信息服务，这类信息服务使用移动设备并通过移动网络和移动设备的当前位置来获取附加信息。另外一个被普遍接受的定义是：LBS是一种使用地理信息为移动终端用户提供的无线服务，任何一种LBS应用均利用了移动终端的位置信息。从狭义上讲，LBS是通过无线通信网络获取无线用户的位置信息（经纬度坐标或高程数据），在地理信息平台的支持下提供相应服务的一种无线增值服务。但站在广义的角度，又可将在空间位置信息的基础上提供的信息服务都归纳于LBS的服务。

随着技术和应用的快速发展，LBS已成为一种社会基础服务，并已成为国家空间信息设施（National Spatial Information Infrastructure，NSII）、全球空间数据基础设施（Global Spatial Data Infrastructure，GSDI）和数字地球（Digital Earth，DE）等系统的基本表现之一。1.1.2 LBS发展历程

LBS的概念虽然提出的时间不长，但其发展已经有相当长的一段历史。LBS首先从美国发展起来，起源于以军事应用为目的所部署的全球定位系统（Global Positioning System，GPS），随后在测绘和车辆跟踪定位等领域开始应用。当GPS民用化以后，产生了以定位为核心功能的大量应用，直到20世纪90年代后期，LBS及其所涉及的技术才得到广泛的重视和应用。

从另外一个角度来看，LBS起源于紧急呼叫服务。在20世纪70年代，美国颁布了911服务规范。基本的911业务（Basic 911）要求美国联邦通信委员会（FCC）定义的移动和固定运营商实现一种关系国家和生命安全的紧急处理业务。和我国的110/120 等紧急号码一样，该服务规范要求电信运营商在紧急情况下，可以跟踪到呼叫911号码的电话的所在地。在有线时代，这一要求实现起来相对来说容易一些。随着无线通信技术的发展，美国联邦通信委员会（FCC）于1996年公布了E911（Emergency-911）的定位需求，要求在2001年10月1日前，各种无线蜂窝网络系统必须能提供精度在125m内的定位服务，而且满足此定位精度的概率不能低于67％，并且在2001年以后，提供更高的定位精度和三维位置信息，这实际就是位置服务的雏形。

随后，在定位技术和通信技术发展的双重推动下，西欧以及东亚等国家相继推出了各具特色的商用位置服务。美国的Sprint和Verizon Wireless、加拿大的Bellmobility、日本的NTT DoCoMo和KDDI、韩国的SKT和KTF相继推出了各自的LBS服务。目前，世界许多国家都以法律的形式颁布了对移动位置服务的要求。

时至2009年3月，基于用户地理位置信息的手机社交服务网站Foursquare在美国上线，短时间内Foursquare注册用户规模便超过100万，到2011年3月则达到了750万。其用户规模发展态势超过了当年的微博服务网站Twitter，Foursquare已跃然成为移动互联网业界、媒体、投资者重点关注的焦点，并掀起了一股Foursquare模式的模仿热潮。美国本土涌现出了Loopt、Bright Kite、Yelp、Where、Gowalla和Booyah等LBS社交网络服务商。Google、Apple、Facebook、Twitter 等更具竞争力的领先企业也加入到LBS市场的角逐之中。可以说Foursquare掀起了LBS市场的新一轮竞争，这种全新的基于位置的社交服务体验给LBS市场带来了新的商机，也影响和改变了用户的工作和生活方式。

在我国，武汉大学李德仁院士早在2002年就提出开展空间信息与移动通信集成应用的研究，推动了我国LBS应用发展。在短短10年间，LBS技术研究与应用在我国得到迅速发展。

我国的LBS商业应用始于2001年中国移动首次开通的移动梦网品牌下的位置服务。2003年，中国联通又推出了“定位之星”业务。用户在使用这项服务时，只要在手机上输入出发地和目的地，就可以查到开车路线；如果用语音导航，还能得到实时提示，该项业务还能够实现5～50m的连续、精确定位，用户可以在较快的速度下体验下载地图和导航类的复杂服务。2006年初，中国移动在北京、天津、辽宁、湖北4个省市进行了“手机地图”业务的试点运行，为广大手机用户提供显示、动态缩放、动态漫游跳转、全图、索引图、比例尺、城市切换以及各种查询等位置服务。

2006年，互联网地图的出现加速了我国LBS产业的发展。众多地图厂商、软件厂商相继开发了一系列在线的LBS终端软件产品。此后，伴随着无线技术和硬件设施得到完善，LBS行业在国内迎来一个爆发增长期。艾媒市场咨询研究数据显示，我国LBS服务个人应用市场2008年市场规模为3.35亿元，2009年突增为6.44亿元，2010年达到9.98亿元，同比增长 135％。同时，在Web 2.0浪潮的冲击下，受Foursquare模式的启发，国内也涌现出了诸多新兴的LBS服务提供商，他们专注于基于手机的LBS服务，利用LBS手机软件或Web站点向用户提供个性化的LBS服务。虽然国内LBS市场在高速发展，但是LBS个人应用领域的市场发展还没有进入理想状态。

最近10多年以来，LBS的发展非常迅速，其发展过程主要有以下4个特点。（1）从被动式到主动式。早期的LBS可称为被动式，即终端用户发起一个服务请求，服务提供商再向用户传送服务结果。这种模式是基于快照查询，简单但不灵活。主动式的LBS基于连续查询处理方法，能不断更新服务内容，因而更为灵活。（2）从单用户到交叉用户。在早期阶段，服务请求者的位置信息仅限于为该用户提供服务，而没有其他用途。而在新的LBS应用中，服务请求者的位置信息还将被用于为其他用户提供查询服务，位置信息实现了用户之间的交叉服务。（3）从单目标到多目标。在早期阶段，用户的电子地图中仅可显示单个目标的位置和轨迹，但随着应用需求发展，现有LBS系统已经可以同时显示和跟踪多个目标对象。（4）从面向内容到面向应用。“面向内容”是指需要借助于其他应用程序向用户发送服务内容，例如短信等。“面向应用”则强调利用专有的应用程序呈现LBS服务，且这些程序往往可以自动安装或者移除相关组件。1.1.3 LBS研究现状

LBS是一个集多种信息技术于一体的产物。在信息技术飞速发展的同时，对LBS相关理论和技术的研究也从未中断过。对LBS的研究主要集中在标准化建设，信息交换协议、定位技术以及应用平台开发等方面。

1．标准化研究

一项新技术应用的普及和将来的发展，很大程度上取决于对其进行的标准化建设工作。早在2001年10月，国际标准化组织地理信息技术委员会（ISO/TC211）召开了ISO/ TC 211第13次全体会议，通过决议成立 4个新的数字地理信息领域标准化制定工作组，其中基于位置服务工作组（WG8）制定了一系列基于位置服务项目建设相关标准规范：ISO19132地理信息——基于位置服务标准（Geographic Information-Location Based Services Possible Standards）、ISO19133 地理信息——基于于位置的跟踪与导航服务（Geographic Information-Location Based Services Tracking and Navigation）、ISO19134地理信息——基于于位置的多模式路径和导航服务（Geographic Information -multimodal Location Based Services for Routing and Navigation）。

开放式移动联盟（Openmobile Alliance，OMA）和开放地理信息系统联盟（OGC）也专门针对位置服务制定了若干标准。OGC Web 服务启动项目（OGC Web Services Initiative）是专门研究如何利用Web Service技术及其相关技术解决地理信息领域互操作问题的研究项目，并发布了若干Web Service技术在GIS领域应用的规范标准，如OWS（OGC Web Service）、WFS（Web Feature Service）、Open Location Services（OpenLS）等规范。

2．信息交换协议研究

在LBS应用初期，不同的商家或运营商均提出了自己的交换位置信息协议，造成移动定位缺乏统一标准，给应用的推广普及造成了困难。为了让LBS能够更快地发展，各方已开始制定位置服务信息交换标准化，以将不同的协议合并成一个公认的标准。几家知名企业已提出了一些位置信息交换的标准。如Ericsson提出了移动定位协议（Mobile Positioning Protocol，MPP）和移动定位系统（Mobile Positioning System，MPS）解决方案。MPP是基于因特网的协议，“Aware Location”的应用程序使用该协议与MPS交互，通过这个协议，使请求移动终端的位置成为可能。移动定位中心（Mobile Positioning Center，MPC）是移动网络和“Aware Location”的应用程序之间的网关。MPC根据源于网络的信息计算移动设备的位置，并将它传送到应用程序。

3．移动通信研究

移动通信是LBS的基础，也是提供信息服务的重要技术渠道。移动通信在最近十几年间发展十分迅速，从2G、2.5G到3G，再到4G，信息传输速率和容量有了大幅度的提高。4G移动通信系统应用了一批先进的技术，包括正交频分复用（OFDM）、多进多出（MIMO）技术、智能天线、空时编码技术、无线链路增强技术、软件无线电技术、高效的调制解调技术、高性能的收发信机、多用户检测技术和分布式网络架构等，提供全新的空中接口，并为终端用户带来更多的使用体验。

4．应用平台研究

各类大型商业公司很早就瞄准了位置信息服务这一巨大商机，陆续推出了对位置信息服务提供技术支撑的软件、平台、设备、产品及解决方案。例如，Oracle公司在继Oracle9i之后陆续增加了对空间数据信息以及LBS应用的支持。Oracle Spatial为企业空间信息系统和基于Web和无线的LBS应用提供了基础的空间数据管理，Oracle Database 10g中增加Oracle Locator特性，提供了支持各种LBS应用大多数用户应用程序所需的核心功能。Autodesk公司的Autodesk Location Logic商业LBS产品为部署和维护基于位置的服务提供基础架构、应用服务、内容配置和集成服务的平台。IBM中国研究中心的空间信息处理中心将基于位置的信息服务和移动目标数据库（Moving Object Database，MOD）作为主要的研究课题，开发了LBS中间件平台和基于Java的位置服务软件包，并集成到IBM的Web sphere产品系列中，支持最新的工业界标准。ESRI的LBS应用采用了ESRI的Web GIS Server结合ArcPad实现。ArcPad是运行在PDA或者手机上的一款移动客户端软件，是LBS客户端的一个轻量级、低成本解决方案。通过ArcPad用户能够快速、轻松地采集现场数据，并提供即时的数据校正。ArcPad还能够无需网络下载影像或矢量数据，同时还提供了与笔记本电脑和GPS接收机的集成接口。最重要的是，ArcPad 还能够充当ESRI的Web GIS软件—ArcIMS的客户端，因此，ArcPad与ESRI原有的GIS产品有相当好的兼容性。1.1.4 LBS分类

LBS是一个技术综合性强、行业应用广泛的集成概念，因此其类型也纷繁复杂。对于LBS的分类，可根据终端类型、服务对象和内容、信息发布方式、处理技术以及服务方式的不同，采用不同的分类方法。（1）根据LBS终端的不同，位置服务可以分为两种类型。第一类是针对固定终端的位置服务。固定终端主要是一些计算机和固定查询设备等。该类型终端仅提供相关位置信息的浏览和查询等基本功能服务。第二类是针对移动终端的位置服务。移动终端主要应用于一些移动载体，通过无线通信方式与中心服务器进行信息交互，可实现对自身位置的实时定位，同时具备导航等功能。（2）根据服务内容和对象的不同，LBS又可以分为特定位置服务和通用位置服务。特定位置服务是指为特定人群或特定地区提供的位置服务，其服务内容也具有一定的针对性，例如景点的自助导游服务就需要提供旅游景点的相关信息。通用位置服务是指服务提供商对其所有用户提供的通用位置服务。OGC的OpenLS（Open Location Services）标准就规定了6种基本的通用位置服务内容：目录服务、网关服务、位置工具（地理编码和反地理编码）服务、显示服务、路径服务和导航服务。（3）根据信息发布方式的不同，LBS可以分为基于信息拉取的位置服务和基于信息推送的位置服务。信息拉取是指由用户主动发送明确的服务请求，服务提供商把所需信息返回给用户，就如同用户把所需要的信息从服务提供商那里“拉”到用户自己这里。信息推送是指服务提供商按照既定的推送策略，主动向用户发送信息。信息推送可以分为用户事先同意和用户事先未同意两个子类。用户事先同意的服务通常是通过向服务提供商订阅实现，用户未事先同意的服务一般指的是广告投递服务。（4）根据服务处理技术的不同，LBS可以分为快照查询服务和连续查询服务。快照查询服务根据查询条件，一次执行，返回结果；连续查询根据移动对象的位置变换信息持续更新查询结果。通常情况下，推送服务通过连续查询来实现。（5）根据服务方式的不同，LBS还可分为普通服务和Web服务。普通服务主要采用一些传统的服务方式为用户提供信息服务，如单机版系统和C/S模式系统；Web服务则是以Web Services方式为用户提供信息服务，该类系统一般都是B/S模式系统。1.1.5 LBS特点

LBS的特点主要包括两方面：一是能智能地提供与信息需求者及其周围有关事物的信息与服务；二是无论普通用户还是专业人员，无论在移动终端、穿戴式计算机，还是在台式计算机上，都能在任何时刻、任何地点获得有关的空间信息和服务。因此，移动性、分布性、个体感知和大众化是LBS最基本的特点。

1．移动性

由于LBS的服务基础是用户的位置信息，而位置信息最大的特点是移动性。因此，LBS最大的特点就是用户终端的移动性。以往大多数系统应用都是在固定的大型机和台式机上实现的。随着无线网络的快速发展，以及各种移动设备（如笔记本电脑、PDA和移动电话）的广泛应用，无线网络运营商同服务提供者联合，为移动用户提供地图服务、路径查询以及其他服务，使得用户可以在任何时间、任何地点查询自己感兴趣的空间信息和属性信息。

2．分布性

在LBS服务中，密集信息处理和存储变得极为困难，集中式的信息存储和处理难以满足要求。因此，LBS系统需要采用分布式技术。LBS的分布性可以体现在存储的分布性、计算的分布性、设备的分布性以及用户的分布性几方面。对于这类分布式系统，由于移动设备的性能差异，例如手机等这种资源受限的设备，一般都采用瘦客户端的方式，通过无线网络连入因特网，与应用服务器交互。

3．个体感知

对于LBS系统而言，一个很突出的特点就是个体感知。个体感知是指系统从用户的角度出发，结合空间、时间信息以及个体用户周围环境的信息，自适应提取当前用户感兴趣的信息，这是LBS的一个主要特点。当一个系统实现了场景感知或是位置感知的自适应后，以用户个体为中心时，LBS服务就从传统的人机交互模式转变成人与环境的交互模式。用户不再过多地与自己的移动设备交互，而是与所处的周边环境直接交互，系统则通过推送方式或事件驱动的模式在移动设备上展示用户感兴趣的信息。

4．大众化

大众化是LBS应用的一个显著特点。LBS作为一种服务和应用发展起来，主要是面向广大的非专业用户。LBS的未来发展依然与其用户的大众化密切相关。

1.2 LBS结构框架

LBS包含了多门学科、多项技术以及多个应用领域，是一个复杂庞大的综合体系。本节重点介绍LBS的技术体系、标准体系、系统体系和应用体系。1.2.1 LBS技术体系

LBS是移动设备、互联网和空间数据库等多学科交叉的产物，是一项集成系统，是地理信息系统、空间定位、移动通信、无线互联网等技术的综合体，其技术体系涵盖多种技术，如图1-1所示。图1-1 位置信息服务系统技术体系

1．地理信息系统

地理信息系统是LBS重要的技术基础。在移动定位条件下，只有依靠地理信息系统的底层支撑，才能具备对空间信息的查询、搜索、分析等应用功能。地理信息系统是一门由信息科学、计算机科学、现代地理学、测绘遥感学、空间科学、环境科学和管理科学等多门学科综合而成的新学科，其核心是计算机科学，基本技术是数据库、地图可视化及空间分析技术，是计算机科学与地学相结合的产物。从系统的角度来看，地理信息系统就是一种处理地理数据（信息）的输入、输出、管理、查询、分析和辅助决策的计算机系统。

地理信息系统由于其自身特殊的功能结构，在社会各行业领域均有广泛的应用。随着技术进步，地理信息系统正向移动化、网络化、三维化和集成化方向发展。

2．移动定位

位置信息服务的前提是高质量地获取当前位置信息。移动定位技术是解决空间位置依赖性和实现位置服务所必须的技术，主要是通过无线终端和无线网络的配合，来确定移动用户的实际位置信息。

根据定位方式的不同，移动定位技术可分为基于网络的定位技术和基于终端的定位技术两类。前者是指网络位置服务器根据移动端的信号到达多个无线网络基站的强度、时间和相位等数据计算出移动终端所处的位置信息，再据此提供位置服务，包括Cell-ID、TOA 和OTD 等。后者指由移动终端计算出自己所处的位置，包括测量基站到手机信号差得出定位信息的EOTD/AFLT和使用GPS的辅助信息定位A-GPS、差分D-GPS等。

3．移动通信

移动通信是当今发展最快的科技之一，也是位置信息服务重要的支撑环境。位置信息服务需要移动终端与服务中心之间的频繁通信。

当前，各种全新的无线通信概念层出不穷，各种新体制及其关键技术日新月异，这些重大观念的改变已经成为21世纪移动通信的标志。特别是第三代移动通信系统，它主要工作在2 GHz频段，使用智能网技术进行移动性管理和业务控制，能集成蜂窝系统、无绳系统、卫星系统等多种无线网络环境，提供广泛的移动电信业务。

无线定位技术是第三代移动通信的一个重要技术。移动用户位置在移动通信网范围内随时变动，在发生紧急事件需要救援或者在其他一些需要其位置信息的情况下，利用无线电波测定用户的位置信息，及时采取措施具有非常重要的意义。

4．Web Service

Web Service在LBS中的应用进一步扩展了LBS开发方式和渠道。Web Service是一个能够实现远程数据交互的技术和协议，通过HTML进行通信。它实现了不同系统平台、不同开发语言和相关技术实现的软件个体之间的通信，也就是说，无论用何种高级编程语言开发的软件，他们只要满足了Web Service的协议，那么就可以进行自由的数据信息交互。

Web Service是让应用程序与具体的平台、开发语言无关的方式来进行相互通信的技术。它实际上是一个接口规范，表示一组可以在Internet或Intranet上通过标准化的XML消息传递访问的各种各样的操作。Web Service使用XML语言的各种协议来描述执行的操作或是与另一个Web Service交换的数据。1.2.2 LBS标准体系

LBS的业务实现可以分成两个步骤，即地理位置的获取和信息的提供。因此，LBS服务相关标准从宏观上也可以划分为两个层面，即移动位置坐标获取标准和LBS服务信息提供标准。移动位置坐标获取标准主要来自于和移动通信网络有关的定位技术体系，而LBS服务信息提供标准则将重心放在了LBS行业应用标准、导航数据标准、数据集成标准、LBS服务质量评价标准以及地理信息领域的相关标准上。

1．移动定位技术体系标准

移动定位技术体系标准主要针对如何对移动终端进行位置坐标获取，其标准规范涉及定位网络的组网、传输和业务流程等。目前主要在3GPP、移动开放联盟（OMA）以及位置交互论坛（LIF）中进行标准化工作。

3GPP标准化组织定义的3GPP/3GPP2中LBS协议是为LBS系统中管理控制提供协议支持，主要涉及移动通信网的空中接口、接入网以及核心网标准等。3GPP 定义了 3种定位方法：Cell-ID/Cell-ID+RTT（Round Trip Time）、OTDOA（Observed Time Difference Of Arrival）和A-GPS（Assisted Global Positioning Systems）。OMA基于用户层面制定了一系列基于安全用户定位操作的协议 SUPL，该协议允许移动电话用户与定位服务器通信。由于OMA定位标准无法利用移动通信网络中的无线信令资源获取定位信息，因此OMA 标准目前只规定了 Cell-ID 和A-GPS两种定位方法。LIF 定义的MLP（Mobile Location Protocols）是用于获取移动终端设备位置信息的应用协议，详细介绍了Location Server和LSC（Location Service Client）之间的接口规范，它屏蔽了实际应用中各种具体无线通信网络在技术和结构上的差异，使LBS提供商能更专注于开发LBS的应用内容。MLP提出了一系列API来支持各种不同的无线网络体系下的LBS系统，定义了一系列支持LBS的服务规则。LIF现已被统一在OMA组织内。

除以上3种移动定位技术体系标准外，无线应用协议（WAP）论坛以及我国通信标准化协会（CCSA）也为移动定位技术制定了相应的标准。

2．地理信息技术与导航数据标准

LBS的核心是位置与地理信息，两者相辅相成，缺一不可。一个经纬度位置只有将其置于一个地理信息中，才能代表为某个地点、标志、方位等，才能被人们所理解。因此，除了通过定位操作平台获取到终端的位置之外，必须通过GIS系统将经纬度转换成用户真正关心的地理信息。

OGC 和ISO 分别对地理信息技术定义了相关协议。OGC 定义的OpenLS（Open Location Services）定义了无线网络环境下的位置服务及规范。在该规范中，详细描述了空间数据、资源处理如何与无线通信以及Internet服务结合。OpenLS规范由框架、信息模型和核心服务3部分组成。OpenLS框架以移动位置服务器为基础，定义了LBS包括的5项核心服务模块：网关服务、地理编码服务、显示服务、目录服务和路径服务。ISO分别定义了 ISO19132地理信息——基于位置服务标准（Geographic information -Location based services possible standards）、ISO19133地理信息——基于于位置的跟踪与导航服务（Geographic information - Location based services tracking and navigation）和ISO19134地理信息——基于于位置的多模式路径和导航服务（Geographic information -multimodal location based services for routing and navigation）等 3项标准。

目前世界上最主要的导航数据标准格式有以下几种：GDF、KIWI和SDAL。GDF（Geographical Data File）是欧洲交通网络表达的空间数据标准，用于描述和传递与路网和道路相关的数据，它规定了获取数据的方法和如何定义各类特征要素、属性数据和相互关系；KIWI格式是由KIWI-W Consortium制定的标准，是专门针对汽车导航的电子数据格式，旨在提供一种通用的电子地图数据的存储格式，以满足嵌入式应用快速精确和高效的要求；SDAL（Shared Data Access Library）是NavTech公司制定的商用地理数据格式，其格式是公开的，SDAL 本身提供了对地图快速查询和显示的优化，可提高路径分析和计算速度，并可存储高质量的语音数据，为用户提供语音提示。

在国内，国家测绘局2005年通过了面向导航业务的GB/T19711-2005《导航地理数据模型与交换格式》国家标准，该标准采用了 ISO GDF 4.0，根据中国国情进行了部分编辑性修改，制定了完整配套的反映汽车导航系统及导航电子地图标准项目类别和结构的标准体系（GB/T 19711-2005）。

3．LBS服务提供标准

LBS服务提供标准主要由具体的LBS研发机构、企业自行制定，目前业界尚无统一的标准体系，但国内外很多大型LBS运营服务商都推出了各自的位置服务解决方案和相应标准。其中，中国移动分别定义了基于CELLID的位置业务（LBS）技术要求、中国移动位置服务CMLP接口技术规范（Le部分）、基于位置的业务（LBS）业务总体技术要求、基于位置业务Ls接口测试规范和中国移动位置服务Ls规范。中国联通分别定义了 800mHz CDMA数字蜂窝移动通信网定位业务技术体制、800mHz CDMA数字蜂窝移动通信网定位业务（L1接口）、中国联通CDMA定位业务SPACCESS接口技术要求和CDMA位置服务系统业务暂行规范。1.2.3 LBS系统体系

一个完整的位置信息服务系统主要由定位系统、移动服务中心、通信网络以及移动终端4大部分组成。图1-2就是典型的LBS系统结构图。图1-2 典型LBS系统结构图

1．定位系统

位置信息服务系统必须有一个安全、可靠、稳定和动态的实时定位平台。因此，定位系统是位置信息服务系统的基础。定位系统主要负责获取终端实时位置信息，并通过相应渠道将位置信息传输到移动终端应用系统和移动服务中心。常用的定位系统主要有GPS定位和移动通信网络定位等。

2．移动服务中心

移动服务中心是位置信息服务系统的核心，主要负责与移动终端的信息交互以及与各个分中心（定位服务器、内容提供商）之间的网络互连，完成各种信息的分类、记录和转发以及分中心之间业务信息的流动，并对整个网络进行监控。移动服务中心在功能上可以分为用户管理和信息服务应用。用户管理主要负责和用户之间的交互、系统监控及用户管理；信息服务应用主要负责根据用户的地理位置响应或者主动发布位置服务。服务中心的逻辑结构示意图如图1-3所示。图1-3 服务中心逻辑结构示意图

3．通信网络

通信网络是连接用户终端与服务中心的桥梁，要求实时准确地传送用户请求及服务中心的应答，通常可选用GSM、CDMA和GPRS等无线通信手段，在此基础上依托LBS体系发展无线增值服务。另外，国内已建成的众多无线通信专用网，甚至有线电话、寻呼网和卫星通信、无线局域网和蓝牙技术等都可以成为LBS的通信链路，在条件允许时可接入Internet，传输更大容量的数据或下载地图数据。针对位置信息服务要求的信号覆盖范围，可以选择上述一种或几种通信方式来组成位置信息服务终端的通信单元。

4．移动终端

移动终端是与用户直接交互的部分，手机、PDA 均有可能成为LBS的用户终端。移动终端的核心是一个信息处理器，它负责各种信息的处理，包括输入输出控制、位置计算、电子地图显示、地图检索、路径分析和检索等功能。信息处理单元由嵌入式硬件、专门的嵌入式操作系统和地理信息系统组成。

位置信息服务的终端显示单元有两种方式：一种是利用已有的显示设备，将电子地图等信息通过视频转换在设备上显示，其优点是节省了硬件成本和安装空间；另一种是真彩液晶带触摸显示屏幕，其不仅显示细腻清晰、色彩逼真，而且可直接在显示屏幕操作。出于更完善的考虑，还要求移动终端有完善的图形显示能力，良好的通信端口，友好的用户界面，完善的输入方式（键盘控制输入、手写板输入、语音控制输入等），因此，PDA和智能手机成为LBS个人终端的首选，如图1-4所示。图1-4 智能手机1.2.4 LBS应用体系

位置信息服务的巨大价值在于通过移动和固定网络发送基于位置的信息与服务，使这种服务应用到任何人、任何位置、任何时间和任何设备。我们日常使用的大部分信息都与位置存在某种关系，这使得位置信息服务的应用范围十分广阔。

目前，无论是公众还是行业用户对于获得位置及其相关服务都有着广泛的需求，包括娱乐消息、交通报告、地图和向导、目标广告、交互式游戏、车辆跟踪、运程信息和网络管理系统等众多领域。

1．公众信息服务

位置信息服务最大的用户群体是公众用户。对于普通用户而言，要求能提供与个人位置有关的信息服务，发布与位置相关的信息。人们还希望位置信息服务能提供个性化信息服务，包括周边信息查询、城市观光、根据位置的内容广播、移动黄页和娱乐游戏等。当用户想购买自己喜欢的商品时，定位系统与信息数据库结合可引导用户购买；用户还可利用定位系统随时获知朋友的位置、发出问候信息；还可和朋友玩基于位置的游戏等。

移动互联网技术与移动定位业务相结合，可以轻易地实现移动环境下的信息查询，若需要查询自己最近的旅馆、饭店、医院、银行等地时，网络首先定位移动用户位置，然后给出相应的信息，只需数秒钟就会在手机显示屏上给出所需位置信息。

2．政府公务服务

面向政府公务的位置信息服务主要应用于移动办公、密级文件管理和社会治安管理等方面。如对保密文件进行实时跟踪监视，向公众提供相关政府公务信息，公安机关对犯罪嫌疑人进行跟踪定位等，均可用到位置信息服务。

3．企业商务服务

与电子商务的结合是LBS商业模式获得盈利的必行之路。随着3G网络的不断完善，手机支付技术的改进，政府和银行相关政策的出台，以及消费者移动购物行为的养成，未来“电子商务+LBS”模式将成为最热的盈利模式之一。对于媒体和广告业而言，LBS也是一个信息快速有效传播的工具。对于企业或商家而言，可以为自己的商铺申请一个移动定位装置，对某一范围的移动台固定发送免费的商业广告和宣传广告，或者为自己的固定客户提供连锁店的定位查询服务，或者为用户提供同伴搜索、商品搜索定位等业务，从而扩大自己的业务量。

4．交通物流服务

LBS在交通物流服务方面的应用主要体现在智能交通系统和物流管理系统。LBS在智能交通系统中，可为用户提供诸如车辆及旅客位置、车辆调度管理、交通状况监测和交通疏导等服务，提供交通路况及最佳行车路线等；LBS在物流管理系统中，可提供物流空间定位、优化配送路线和监视车辆运行轨迹等服务，追求配送资源的最大利用率。

5．安全救援服务

LBS可应用于水灾、地震、林火等自然灾害的防灾、抗灾和灾后救援，并可为公众提供基于位置的公共安全业务，以及向用户发布飓风、洪水、泥石流等警报，提供有危机的个体的准确位置，提供有效快速的紧急救助指引。出于公共安全考虑，国家或地区安全机构可以对进行紧急呼叫的用户进行定位并实施援助。利用位置信息服务系统，手机终端持有者只要按几个按钮，警务中心和急救中心在几秒钟内便可知报警人的位置，从而可以提供及时的救助。1.2.5 LBS安全机制

信息安全是LBS特别关注的一个方面。在LBS中，各类信息在服务中心与用户终端之间持续反复地传输，导致信息长期处于危险境地，很容易被窃取。一些重要的信息一旦被毁坏、窃取或盗用，可能会产生非常严重的后果。因此，充分可靠的安全机制是LBS整个体系中的一个重要环节。

1．网络安全

由于位置信息服务的信息传输方式主要是采用移动通信，因此，对于LBS网络安全的研究也主要集中在移动网络安全方面。对移动网络安全的研究主要集中在两个方面：将传统IP网络的安全技术应用于UMTS网络防护和基于身份鉴权的UMTS接入控制。

网络安全防护的实现从系统结构上可分为终端安全防护、接入网安全防护和核心网安全防护。目前，对移动终端安全防护主要是利用生物特征、智能卡和口令实现用户身份认证。接入网安全防护研究主要集中在UMTS无线接入网（RAN）的身份认证和密钥协商。核心网的安全防护研究还处在起步阶段，缺乏公认的、有效的安全技术解决其安全问题。

2．隐私保护

隐私保护是LBS的另一个非常重要的内容。用户并不希望由于接受了服务而向外界泄露自身位置信息，这既包括当前的具体位置，也包括对象的移动习惯等。一般而言，用户的基于位置信息的隐私对象主要包含3个方面：身份信息隐私、位置坐标隐私和与位置相关的查询服务内容隐私。

在身份信息隐私保护方面，主要是通过身份认证和访问控制等方式加强对用户的验证要求，以提高身份信息的保护；在位置坐标隐私保护方面，根据用户在隐私保护机制中承担的角色和参与的程度，可分别采用基于策略的隐私保护和利用噪声的隐私保护两种保护模式；在查询服务内容隐私保护方面，主要是通过对内容的分级分类控制管理来实现查询内容的用户指向性。

最常用的位置隐私保护解决方案是空间伪装，即用户将位置伪装成为一个区域之后再发送给服务提供商，服务提供商则根据用户所提供的区域信息为用户提供服务。在这种方式下，服务提供商无法准确得知用户的位置。

1.3 LBS应用领域

位置信息服务是近年来被十分看好的业务，已成为目前应用与研究的热点。无论是公众用户还是行业用户，对于获得位置及其相关服务都有着广泛的需求。在全球移动通信业务用户数排名中，位置信息服务用户数仅次于话音业务位居第二，高于电子邮件、移动电子商务和移动银行等增值业务。移动互联网的发展、智能手机的普及以及社交网站的流行，使位置信息服务也成为最受开发者关注的API之一，相关应用领域也随之不断丰富。

位置信息服务得到广泛应用的主要原因有3个方面。

1）定位手段的多样性。除广泛使用的GPS系统，基于手机或基于通信网络的无线定位技术也得到广泛应用。

2）通信手段的广泛性。基于GSM、GPRS、CDMA等网络的SMS、MMS、HTTP都可作为LBS服务器数据交换的方法。此外，众多无线通信专网，以及有线电话、寻呼网、卫星通信等均可成为LBS的通信手段。

3）用户终端的多样性。与通信手段相对应GPS车载硬件、手机、PDA等均可成为LBS的用户终端。由于手机终端的灵活性、方便性以及普及性，手机作为LBS系统的终端具有很高的实用价值。

目前，位置服务在紧急救援、位置跟踪、定位导航、本地搜索、社交娱乐和广告促销等方面都有广泛应用。从用户类型来区分，其应用可分为面向公众、面向企业、面向政府决策和面向军事应用。LBS对于公众而言，主要是提供位置服务网关，发布与位置相关的信息（如最近的商店、车站）等公众査询服务；对于行业应用而言，主要应用于交通运输和物流等行业；面向政府，可以开发移动办公系统，与位置相关的网络会议，水灾、地震、林火等自然灾害的防灾、抗灾和灾后救援系统等以及智能农业生产系统、环境监测管理系统、紧急救援指挥调度系统和智能接出警系统等。1.3.1 面向公众的位置信息服务

位置信息服务的巨大价值在于通过移动和固定网络发送基于位置的信息与服务，使这种服务应用到任何人、任何位置、任何时间和任何设备。对于个人用户来说，位置信息服务可用于个人的紧急救援、老人及小孩的定位报管、旅游安全的自主定位、查找周围信息，以及亲友跟踪定位、游艇定位、移动气象和移动黄页等。用户如果在陌生区域迷了路，可以通过手机查询详细的步行或乘车方案；如果用户要去一家陌生的饭店参加一个宴会，只要查询相关的位置信息，手机用户可以轻松获得饭店的位置、到达的途径和乘车费用等信息；家庭主妇则可以通过手机接收附近超市每日的折扣商品信息；用户可通过手机获得当前距离用户最近的火车、飞机等售票点位置，以及各个类别的售票班次、价格、时间等信息。

1．车辆导航

车辆导航是位置信息服务最为广泛的应用领域之一。在提供位置信息服务之前，车辆一般都是使用专用的GPS设备来导航，如图1-5所示。这种专门的定位系统的优点是定位精度高，可达到 10～20m，但是缺点就是造价比较贵，而且在建筑物遮挡或山洞隧道等地方无法正常工作。随着城市基础设施的现代化以及定位技术的成熟，用户可以通过位置信息服务进一步增强车辆导航定位能力。图1-5 汽车导航

2．旅游

自驾旅游是很多私家车车主的兴趣爱好，很多人希望可以在出门之前就规划好自驾旅游的路线，同时能够了解到更多的关于景点介绍等信息。为了满足这部分用户的需求，位置信息服务通过两方面丰富了用户的信息需求：一方面是对于普通的兴趣点进行搜索，用户可以利用“周边旅游景点信息”功能来查找某个兴趣点附近的旅游景点信息；另一方面，对于某个属于“旅游景点”类型的兴趣点，系统提供了丰富的介绍信息供用户查阅，同时给用户提供该旅游景点的“攻略”。

3．社交娱乐

近年来，人们热议的Foursquare等网络应用服务，可以被称为基于位置的社交网络服务（Location Based Social Networking Service）。它是LBS在“社交娱乐”领域的应用分支。基于位置的社交网络核心是LBS，通过整合移动互联网和互联网的无缝网络服务，帮助用户寻找朋友位置和关联信息，同时激励用户分享位置等信息内容。位置服务为用户信息增加了新的标记维度，基于位置的社交网络通过时间序列、行为轨迹和地理未知的信息标记组合，帮助用户与外部世界创建更加广泛和密切的联系，增强社交网络与地理位置的关联性。例如，谷歌地图提供的定位、查询服务就是一种典型的LBS社交娱乐服务。用户通过该软件可以得知自己所处的地理位置，查询感兴趣的餐馆、娱乐场所，在互联网上共享自己的位置信息供好友查找。用户可以在所处位置“签到”，与好友分享和地理位置相关的吃喝玩乐攻略，并同步到Twitter、Facebook等社交网站。基于位置的微博可记录下用户当前位置上发生的事情、发布一些信息，甚至抒发一下感情或看法，并把这些及时地发布出去，其他移动用户查看手机地图，能分享到这些信息。生活分类搜索功能还可以给用户提供尽可能多的生活资讯，用户可以通过生活分类搜索来查找商家、商品和租房等各种分类信息。1.3.2 面向企业的位置信息服务

位置信息服务对于企业而言也有着广泛的应用前景。位置信息服务不仅可以帮助企业在内部进行管理评估、业务核算、成本核算，还可以帮助企业在产业协同交易过程中，开展采购、仓储、供应、物流以及风险评估和产能的重组分配。

1．企业管理

位置信息服务在企业管理方面主要体现在人员管理、产品采购以及业务管理等方面。例如，日本的KDDI公司就推出了面向企业用户的GPSMAP系统。它是一种先进的、具有高准确定位能力的定位信息管理系统，可用于对销售人员和其他公司职员的行动进行精确定位。基于位置信息的全国采购，可以真实地显示供应商位置，通过选择物美价廉的供应商，从而降低进货成本；通过合理规划物流线路，可以降低物流成本；同时，在上下游协同交易时，通过真实地显示企业位置、开户银行位置、仓储位置及物流线路，可以降低交易风险；另外，在电子地图平台上展示企业位置、开户行位置和仓储位置等，有助于银行对中小企业进行合理的商业信用评估，从而帮助企业获得商业贷款，降低经营风险。

位置信息服务还可以帮助企业进行位置分析，选择好的店面地址，进行人流量统计等业务管理，帮助企业降低成本和经营风险，从而制定有效的业务策略。基于位置的企业推广，使企业掌握周边的信息流，从而更快地作出反应，制定出更有效的推广策略，增加企业效益。

2．市场营销

位置信息服务也可用于企业的市场营销。一种有效的广告营销模式就是将企业地理位置与企业信息对接，例如，企业网站与地理位置链接，以文字和地理位置为条件，搜索符合条件的企业及其网站，查看该企业发布的最新信息，或用户在浏览地图的过程中能自动抓取到企业发布的信息，当用户对某个信息感兴趣，便可以单击进入相应的网站查看。结合位置服务，企业能够掌握各种营销机遇，包括客户信息平台、口碑传播平台、产品促销平台、体验营销平台、忠诚客户平台和事件营销平台等。此外，随着近几年团购服务的火爆，“团购+LBS+开放平台”将成为未来一种全新的应用趋势。

3．物流管理

物流管理是位置信息服务应用前景最为广阔的市场。一方面，货运行业业务覆盖地域广、车辆多，需要位置服务信息的用户多，要求数据共享的程度高。另一方面，现代物流监控不仅要确定物体的位置，同时还要保障货物运输最优安排、准确及时运送，要求时刻跟踪货物的位置和状态，信息量大，网络压力也大。通过LBS平台，可为企业提供物流实时监控、配送路线优化以及车辆运行监视等服务。1.3.3 面向社会的位置信息服务

1．智能交通

LBS最为典型的应用在智能交通领域方面，如智能公交和智能出租车。智能公交是在定位服务的基础上，将各种应用添加到一个大的系统平台之上。例如，公交调度监控管理系统可实时根据定位信息生成最优化的行车计划，调度车辆和管理车辆，也可根据预先设置好的各种数据库中的行车状况，向车辆发出调度指令，如加速、慢行、绕道或发车等。韩国fegsK电信就在所有机型上实现了“巴士告知”服务，用户可以选择离自己最近的公共汽车站，还可以知道驶向这里的最近一班车离目前位置有多远、多长时间后到达、目前在哪一站、还剩几站等有关公共汽车位置的信息。

2．应急救援

移动的不确定性给人们的安全带来了一定的威胁，随着活动范围的扩大，这种威胁也越来越大。因此，危险情况下的紧急救援显得尤为重要。遇到紧急情况时，位置信息服务可及时有效地提供求救人员的位置，以便于救援人员及时进行救助。只要用户的手机支持移动定位业务，用户在紧急时刻就可以拨打紧急救援电话，如中国的110、日本的411，美国的911 电话。移动通信网络在将该紧急呼叫发送到救援中心的同时，会启动相应的移动定位流程，将用户的位置信息一起传送给救援中心。救援中心在收到了位置和呼救信息后，就可以根据具体的情况，快速高效地开展救援活动，大大提高了救援成功的几率。

LGT 是韩国第一家推出移动定位服务的移动运营商。2002年，LGT 第一个以GPSOne 技术推出紧急救援服务，在当时韩国诱拐儿童及绑架妇女案件增多的背景下，其紧急救援服务深受用户青睐。2004年初，韩国LGT 推出一款名为“阿拉丁”的手机，按下快捷键就可以通过移动网向事先存储的对象发送用户目前所处的准确位置，并同时拨通电话。

韩国SKT在2002年正式推出名为“NATEGPS”的下一代LBS服务。此后陆续推出了移动安全服务、i-Kids等服务。i-Kids利用GPS定位技术和SK电讯的移动网络来确认孩子当前的位置和活动路径，一旦当孩子的活动超出设置的范围时，就会自动发出报警短信。同时，i-Kids还提供了放心区域位置自动通报、活动路径追踪和位置自动显示等，便于家长了解儿童安全状况的服务。

3．社会治安

位置信息服务也可用于社会治安方面。利用位置信息服务功能，公安机关可对怀疑人员进行实时跟踪，以加强社会治安。例如对犯罪嫌疑人进行定位，为公安机关迅速抓获罪犯提供有力的情报。1.3.4 面向国防军事的位置信息服务

随着无线互联技术和移动定位技术的不断发展，将位置信息服务技术应用于军事，为作战指挥提供实时、精确的信息服务是军事作战领域的一大趋势。位置信息服务的军事应用可覆盖全军指挥控制、武器平台、训练值勤、综合保障和新型武器研制等多个领域，特别是在作战指挥中，可实现对部队行动监控、机动载体导航以及辅助精确打击等。

战场位置信息服务不仅能为军队用户提供实时、精确的定位信息，同时也能实现对战场环境和态势信息的感知、融合、分发和处理，提升军队的联合作战能力，对于提高部队的指挥控制能力、快速反应能力，以及多兵种协同作战指挥和作战指挥的一体化具有十分重要的意义。

1．作战指挥

对于绝大多数军兵种，位置信息服务都有着非常巨大的应用发展前景，如我方的车辆定位、指挥所定位和机动部队定位等。同样，我们也要大力发展通过对敌方信息源的分析从而实现对敌方相关目标的定位技术。例如，一旦掌握了敌方的通信频率，我们就可以对其移动指挥所或者其他移动目标进行准确的定位打击。

作战指挥对战场位置信息服务有如下需求。（1）机动载体导航

部队装备的机动能力对于作战行动而言十分重要。在军事行动中，飞机、车辆、舰艇以及其他机动装备都需要在作战范围内保持经常性的机动能力。部队和装备的机动，一方面需要实时了解战场环境，如地形、地貌、道路等，另一方面也需要能实时了解自己所处位置、目标点位置和行动轨迹，提供对最佳路径的辅助制定等。（2）位置报告与共享

在作战过程中，部队不仅需要知道自身所在的位置，同时也要能获取友军和敌军的位置及动向。因此，需要能随时将自己的位置迅速报告给指挥部和友邻部队，特别是在出现紧急情况和获取到重要战场情况信息时，能快速将位置信息向上报告，快速获得支援火力。除此之外，当发现新的环境信息和态势信息（如桥梁通行状况、敌工事等），也需要能立即将其发送给指挥部，提供信息共享。（3）部队行动监控

在作战过程中，上级指挥部门需要了解下属部队的实时位置情况，以便开展指挥调度。可以根据实际情况，以连或者排的编制配备位置信息服务终端，同时在指挥所配备位置信息服务指挥终端。在指挥终端内设置需要实时显示的部队，终端利用定位功能和通信功能，实时将所在位置信息传送到指挥终端，在指挥所实时显示下属所有个人终端的位置情况，即可实现对部队的移动监控。（4）战场情况分析

战场情况随着时间而动态变化。特别是战争期间，武器的破坏能力大，战场情况瞬息万变，如不能及时掌握战场环境的变化，将严重影响到精确指挥和部队行动。因此，对于战役筹划、作战样式确定、作战计划制定和战术研究等，都需要充分认知战场情况，充分了解战场态势，包括战场环境、敌情、我情等，对其进行综合分析判断，为指挥决策提供依据。

2．后勤保障

军事上的后勤保障类似于商业的物流管理。可将位置信息服务系统用于军事后勤保障中的作战物资实时跟踪，使作战物资从采购、包装、装卸、搬运、储存、配送，直到消耗的物流过程实现可视化管理，达到快速、精确、可靠、安全的军事后勤保障目标。

随着3G高速无线网络的迅速推广，利用高精度的定位技术开发出更加丰富多彩的、能为用户生活带来便利的位置信息服务业务，可以丰富 3G网络中的增值业务，进一步推动位置信息服务在各行业领域的应用。

1.4 LBS未来发展

随着技术进步与社会发展，位置信息服务也在不断发展。LBS的发展以业务领域拓展为牵引，以运营模式革新为支撑，以信息技术进步为推动，从单一化向集成化，从小众化向大众化，从研究型向应用型，逐步迈向新的历史阶段。1.4.1 我国LBS发展存在的主要问题

LBS是3G时代移动增值业务中最具吸引力的业务，同时也是产业链最为复杂的业务之一。LBS依靠其成熟的技术支持和满足大众需求的实用性特点，具备良好的市场和发展前景。美国、韩国、日本等国家在位置服务方面的发展速度都比较快，而我国自2001年开展位置信息服务业务以来，也取得了较大的发展，但与欧美、韩日相比仍有较大差距，主要表现在市场认知、内容开发、终端支持、产业合作等方面。其原因除了定位精度差、个人隐私保护能力弱以及移动定位无法漫游等问题之外，还存在以下几个方面的问题。

1．缺乏规划，没有形成产业链条

LBS进入我国时间比较短，涉及的部门主要以移动通信为主，其他行业介入相对较晚，其对产业经济增长的贡献率近几年才初步显现。LBS业务需要大量的位置信息作支撑，比如详尽的公交线路、餐馆位置等，而且需要及时更新，从数据的收集、整理、分类、加工、更新，到各种查询功能的开发、完善，都需要有一整套完善的机制和系统来保障。而我国在这方面的基础还比较薄弱。政府从宏观经济发展的层面上还没有制定统一的产业发展规划，形成了网络运营商、地图制作商、软件开发企业和社会消费群体相互脱节的局面，没有形成强有力的市场运行机制和产业链条，从而造成我国LBS发展相对迟缓。

2．缺乏宣传，消费者认知度不高

LBS是面向社会公众的信息服务，最终的用户是广泛的社会大众，用户对位置服务的认知程度是催生LBS的关键环节。但是，由于我国对位置信息服务的宣传力度不够，导致普通用户对LBS不甚了解，LBS应用范围难以拓展。移动定位业务在国内的发展已有多年，但其市场认知度依然偏低，甚至低于较晚推出的彩铃业务。有市场调查显示，在我国移动运营商提供的诸多移动增值业务中，大概只有28％的手机用户知道移动定位业务，在所调查的21项移动增值业务中名列第11位，远低于手机铃声、彩信和彩铃业务的认知率。因此，如何加大市场推广力度，有效提高移动定位业务的市场认知度，是我国LBS未来发展需要考虑的问题。

3．缺乏资源，难以适应社会发展

数据资源特别是导航电子地图数据，是位置信息服务的基础。但是由于体制机制上的问题，地图更新跟不上经济社会发展的需求，地图资源不丰富，地图信息获取方式陈旧，难以满足用户对地图更新的需求。

4．缺乏监管，市场比较混乱

由于LBS涉及多个部门和行业，而各部门垄断性又相对较强，目前我国还未出台有关 LBS的市场准入政策和相应的质量、技术和服务标准，各相关产业主管部门对LBS市场监管不到位，还未形成有效的市场监管体系，从而造成LBS服务质量不高、标准不统一、服务内容不规范等问题，市场相对比较混乱。1.4.2 LBS发展趋势

未来，LBS在移动应用市场上具有很强的竞争力，其发展趋势主要表现为以下几个方面。

1．产业化

LBS与传统行业融合，形成产业化链条，将是其重要的发展方向。位置信息服务将会促进物流、交通、安全、城市规划、农林渔等众多传统产业的精确信息化管理，衍生无限价值。各网络运营商也将会与传统产业充分开展合作，全面打造和扶持基于位置信息服务的融合性行业应用，促进LBS产业价值链的多元化，拓宽行业市场容量。位置服务的最大市场是跟踪和导航服务，今后在位置导航、路线导航、交通导航和紧急求助等方面将涌现出大批新业务。

2．实用化

未来，高精度的定位信息将更加实用化和趣味化。游戏、聊天、交友、聚会、社区、博客等将通过WAP、Java/BREW等形式，与LBS结合，为用户提供更加丰富的互动服务。如社交网络、互动网络以及FourSquare和MyTown等移动应用，包含当地商店、饭店和娱乐场所相关的信息和体验。

3．精细化

未来，位置信息服务的内容将更加精细，服务定位也更为准确。这个方面最典型的应用在基于位置的定向广告推送方面。基于位置的定向广告推送，可为用户提供随时随身的服务。位置、受众、终端、行为和情景等将成为广告主更精准地锁定用户的手段，通过感知用户情景，可以投放更具互动和精准性的移动广告。还可以根据用户登记的历史记录，针对客户的特定偏好提供定制广告。此外，LBS还可以不断收集客户日常数据，作为目标广告的宝贵分析材料。1.4.3 LBS技术发展

技术进步推动应用发展。LBS未来的技术研究方向主要在定位技术集成、移动Agent技术、数据挖掘和信息抽取以及移动终端数据表现等方面。

1．定位技术集成

LBS所用的定位方法主要有两类，基于移动通信网的定位和GPS定位。结合 LBS系统的特点，集成多种定位技术或改进现有定位技术，从而为LBS应用提供精度高、可靠性好的定位数据是LBS领域研究的一个重要方向。在LBS系统中引入新的定位技术，并和现有定位技术相结合，可以提高定位精度，从而更好地满足诸如急救服务、追踪检测服务等对定位精度要求高的位置信息服务。

2．移动Agent技术

移动Agent的具体实现技术将成为LBS的研究方向。由于移动Agent可以在异构的软、硬件网络环境中自由移动，因此，这种新的计算模式能有效地降低分布式计算中的网络负载，充分利用网络资源，提高网络通信效率，动态适应变化的网络环境，并具有很好的安全性和容错能力。在LBS平台中采用基于移动Agent的分布式计算，可利用移动Agent的自主移动性及智能性，建立一个更加稳健、高效、可伸缩的跨平台LBS平台。采用这种方式的LBS平台与现有的基于中间件或组件模式的LBS应用平台相比，具有减轻网络负担、克服网络延迟、能够异步执行、自动平衡负载、动态自适应和平台异构性等优势。

3．数据挖掘和信息抽取

LBS中的推送技术是指服务器定期主动地把客户端关心的热点问题发送给移动终端。在LBS中，上行传输和下行传输的网络代价是有很大差别的，因此，推送技术是一种解决网络传输负担、网络间断连接的有效手段。实现推送技术的关键在于确定热点信息。因此，采用某种数据挖掘技术（如关联规则挖掘）来发现热点问题也是一个研究方向。LBS的终端用户通过各种无线手持设备访问因特网，获取与位置有关的资讯，但由于这些设备显示屏较小，再加上无线通信网带宽不足，无法浏览整个网页，采用文本摘要、主题词、信息抽取技术来浓缩整个网页将是LBS的重要技术之一。

4．移动终端数据表现

移动位置服务中的地图表现方法不同于传统的导航电子地图。LBS终端的设计原则是以用户为中心，交互方式友好和谐，需要具有一定的趣味性，其操作要方便简单、术语和功能的表达应该通俗化。因此，基于移动终端的特点，在地图空间认知理论的指导下，以用户为核心、以需求为目的，研究多种比例尺共存的移动终端实时导航地图的设计、制作的技术和方法也将是LBS的研究热点。1.4.4 LBS运营发展

1．政府支持与企业主导

国家政策是调控产业发展的重要保障，LBS未来发展也需要国家政策的支持。今后要以促进LBS产业发展为目标，加强政策理论研究，尽快研究制定有关LBS市场准入、产业布局、产业投资、信息安全、产权保护、质量监督、技术与标准化等相关政策规定，制定LBS产业发展振兴规划，加强LBS技术关键技术攻关，推广应用成熟的LBS技术成果，推动我国LBS产业发展。

良好的市场环境是形成产业的基本条件，也是产业持续发展的重要保障。首先，国家要加大对LBS产业发展的投资支持力度，进一步整合各种移动通信、网络和空间信息资源，加快结构调整、优化产业布局和出台税收、信贷等优惠扶持政策，推动LBS产业发展；其次，要通过产业推广、项目示范带动等多种方式，加强对LBS的宣传推广工作，提高企业和社会公众认知程度，引导社会消费和产业投资，不断扩大企业规模和产业发展能力；最后，要加强市场管理和政策引导，严格市场准入制度，规范市场行为，使企业在公平合理的竞争环境下发展，努力创建良好的LBS产业发展的市场环境和氛围。

推动我国LBS产业发展，提升消费群体的认知程度，应当在充分整合移动通信、网络和空间信息资源的基础上，通过建立移动位置门户网站，为用户提供空间信息服务平台。LBS业务的发展在我国还处在初期阶段，政府、互联网公司和移动通信服务机构等应加大对LBS产业的投入，将网络效应与终端定位服务相结合，实现新的LBS业务的商业赢利模式。结合自身的实际情况，均衡产业链上各部门之间的利益，找到一条适合我国LBS行业环境的健康发展道路。

2．运营模式的多元化

当前的LBS运营模式主要为两种，一种是以终端服务商为主导的运营模式，在这种模型下，终端服务商依靠自身的资源通过不断丰富的电子地图内容吸引LBS业务用户，绕过移动运营商向LBS用户提供一定的服务，这种模式主要是以GPS定位为核心，提供的多是基于位置查询或位置跟踪的服务；另一种是以移动运营商为主导的运营模式，在这种模式下，终端服务商通过与移动运营商的合作向LBS用户提供服务。

未来，LBS将出现第三种运营模式。LBS业务中的移动运营商、终端服务商和相关商家三者相互合作，为用户提供LBS服务。在这种模式下，由于各方面的合作，LBS业务服务快速的推广更具可行性。今后，还需要继续推出新的运营模式，提高运营质量，提高服务质量。

3．产业链的建立

移动位置服务是移动增值业务中最具吸引力的业务，同时也是产业链合作环节中最为复杂的业务之一。LBS产业链由移动运营商、系统设备提供商、终端厂商、GIS开发商、应用提供商和中间件提供商等多个环节组成。产业链的复杂性和技术多样性，容易造成LBS业务的“木桶效应”非常明显。在LBS产业合作中，运营商应当解决好各环节的合作模式和利益分配问题，确保产业各方在合作中获得共赢。要全面构建更加清晰的产业合作模式，让更多的GIS开发商、应用提供商、中间件提供商等环节积极参与进来，并协调好彼此的利益关系。

位置信息服务产业链包括GIS/基础电子地图提供商、应用提供商、移动运营商、终端厂商和用户等环节。和其他业务的产业链相比，位置信息服务产业链较长，涉及环节更多。现阶段，应用提供商开展业务不仅需进行应用开发、整合POI信息，并且要自行提供GIS/基础电子地图。由于提供GIS/基础电子地图需要突破资质和技术门槛，并需较高的成本，造成应用提供商提供位置应用的门槛较高，无法集中精力开发优秀业务，导致位置业务种类、数量较少，且服务质量不高。又由于现阶段应用提供商采集的POI信息仅能基于特定的GIS平台进行应用开发，各元素间接口互不支持，造成GIS/基础电子地图/POI信息的提供由于缺乏合适的标准及规范难以支持共享。为使位置信息服务产业能快速、健康的发展，必须细化产业链，并有效整合各环节。一方面，将 GIS、基础电子地图等关键环节的功能提供从应用环节中分离出来，有效降低应用提供商进入位置业务的门槛；另一方面，由移动运营商制定相应的规范和标准，统一各环节接口，并以自建或合作运营的方式统一提供 GIS、基础电子地图等环节的功能，使相关环节根据统一接口标准做到资源共享。1.4.5 LBS应用拓展

1．整合型地理位置签到服务

整合型地理位置签到服务（Location Check in Aggregator）是指可以将地理位置信息同时签到到多个地理位置服务网站。这类服务的出现是伴随着大量类似Foursuare网站的出现而出现的。目前可提供地理位置签到功能的网站有Foursquare、Brightkite、Gowalla、Whrrl和Trioutnc等，未来可实现“一次签到，多站应用”。

2．基于地理位置搜索服务

基于地理位置的周边搜索服务有很大的需求。目前，大众点评已经推出了 Android和iPhone客户端，用户可以搜索周边的一些饭店餐饮信息。另外就是基于类似Foursquare的签到数据实时搜索，获取附近好友的信息。此外，基于签到数据的深度挖掘也将很有价值，比如可以生成各类服务的按照签到次数的排名或热榜等。

3．基于地理位置的游戏

基于地理位置的游戏（Location Based Game，LBG）也是一个值得被关注的位置信息服务应用方向。一种基于地理位置+小游戏的模式，可加入更多的游戏元素，并且可引入游戏道具等。由于有了更多的游戏元素和用户自身位置感，基于地理位置的游戏具有更多的趣味性和盈利方式。

4．基于地理即时信息推送

基于地理位置的即时推送是指通过检测用户位置向用户主动发送信息的方式。如Getyowza用户通过安装Getyowza提供的客户端，Getyowza会根据用户的地理位置，将给用户推送附近的优惠券信息。用户安装软件之后可以设置推送距离，可以直接在Googlemaps上查看这些优惠信息，可以收藏自己喜欢的店铺，选择只接受自己收藏店铺的优惠券的推送信息。

第2章 地理信息系统

LBS需要在定位的基础上显示周边环境，并对所处环境进行分析，为用户的各类活动提供信息服务。因此，LBS除了通过定位平台获取终端位置之外，还需要通过地理信息系统（GIS）将经纬度坐标转换成用户真正关心的地理信息，如地图、路径搜索结果等。

将 GIS 应用于LBS，可以使得位置相关的信息服务更加丰富，更能吸引用户，而LBS的广泛应用也能促使GIS更进一步快速发展和大众化。本章2.1节介绍地理信息系统的基本概念、结构和相关应用，2.2节介绍地理信息系统的主要功能，2.3节介绍Web GIS的有关内容，2.4节介绍 3D GIS的有关内容。

2.1 地理信息系统概述

位置与地理信息既是LBS的核心，也是LBS的基础。一个单纯的经纬度坐标只有置于特定的地理信息中，代表为某个地点、标志、方位后，才会被用户认识和理解。用户在通过相关技术获取到位置信息之后，还需要了解所处的地理环境，查询和分析环境信息，从而为用户活动提供信息支持与服务。

地理信息系统由于其以图形方式处理信息，各种地理要素的分布态势及彼此之间的拓扑关系一目了然，往往“一幅图胜过千言万语”，使人能从客观上迅速把握全局。因此，具备直观形象的地理环境显示和空间分析功能的地理信息系统，成为LBS最为基础的技术支持和支撑平台。2.1.1 地理信息系统概念

古往今来，几乎人类所有活动都是发生在地球上，都与地球表面位置（即地理空间位置）息息相关，随着计算机技术的日益发展和普及，地理信息系统（Geography Information System，GIS）以及在此基础上发展起来的“数字地球”、“数字城市”在人们的生产和生活中起着越来越重要的作用。

1．地理信息

地理信息系统中的“地理”一词并不是狭义地指地理学，而是广义地指地理坐标参照系统中的空间数据、属性数据以及在此基础上得到的相关数据。

狭义信息论将信息定义为“两次不定性之差”，即指人们获得信息前后对事物认识的差别；广义信息论则认为，信息是指主体（人、生物或机器）与外部客体（环境、其他人、生物或机器）之间相互联系的一种形式，是主体和客体之间的一切有用的消息或知识，是表征事物特征的一种普遍形式。信息具有客观性、实用性、传输性和共享性。

地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释，它是表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征，联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称。空间位置、属性及时间是地理信息的3个基本要素。地理信息具有区域性（通过经纬网等建立的地理坐标来实现空间位置的标识）、多维结构性（在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构）以及动态变化特性（时序特征明显）。地理信息既有空间特征，又有各种属性特征，并随时间而变化。例如，在车辆导航系统中，与导航相关的信息（如城市建设、道路建设、路况）均随时间而变。另外，系统所用导航地图中应包含景点、超市、加油站、餐馆、旅馆、停车场等空间属性供用户查询，且这些属性亦随时间而变化。

2．地理信息系统

地理信息系统作为一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的技术，是人类空间认知的有效工具。从学科的角度来看，地理信息系统是一门由信息科学、计算机科学、现代地理学、测绘遥感学、空间科学、环境科学和管理科学等多门学科综合而成的新学科，其核心是计算机科学，基本技术是数据库、地图可视化及空间分析技术，它是计算机科学与地理学相结合的产物。简单地说，地理信息系统是处理地理数据（信息）的输入、输出、管理、查询、分析和辅助决策的计算机系统。

综合来看，地理信息系统的定义由两部分组成。一方面，它是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，实时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。

地理信息系统是与地理位置相关的信息系统，因此它具有信息系统的各种特点。在地理信息系统中，可以通过抽象把现实世界划分为诸多的地理实体及地理现象，进而由空间位置与专题属性特征来定位、定性和定量表达这些地理特征，如图2-1所示。而地理信息系统与其他信息系统的区别在于，它所存储和处理的是按统一地理坐标进行过编码的信息，可以通过地理位置及与该位置有关的地物属性信息进行信息检索。图2-1 现实世界抽象为地理信息

地理信息系统具有以下3方面的特征。（1）具有空间性和动态性，并且能采集、管理、分析和输出多种地理信息。（2）由于GIS对空间地理数据管理的支持，可以基于地理对象的位置和形态特征，使用空间数据分析技术，从空间数据中提取和传输空间信息。（3）GIS 的重要特征是计算机系统的支持，能使地理信息系统以精确、快速、综合地对复杂的地理系统进行动态分析。2.1.2 地理信息系统组成

地理信息系统主要由计算机硬件系统、计算机软件系统、空间数据和人员等4部分组成。计算机软硬件系统是其工作的核心；空间数据反映了地理信息系统的地理内容；而人员在一定程度上决定了系统的工作模式与信息表达。其系统构成如图2-2所示。图2-2 地理信息系统结构示意

1．硬件系统

计算机硬件系统是计算机系统中的实际物理装置的总称，由输入/输出设备、中央处理单元、存储器（包括主存储器、辅助存储器硬件）等构成。硬件在一定程度上决定了系统的规模、速度、精度、形式、功能和使用方法等方面。由于地理信息系统的复杂性和特殊性，必须由计算机设备作为支撑，并通过这些硬件协同工作，向计算机系统提供必要的信息，才使其得以完成任务，存储数据并显示给用户。

2．软件系统

对于地理信息系统应用而言，计算机软件系统包括：计算机系统软件（操作系统、编译软件、函数库等），地理信息系统软件和相关支持软件（数据库管理系统、图形图像处理系统等）以及应用分析软件。（1）计算机系统软件

计算机系统软件主要是由计算机厂家提供的程序系统，一般包括操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序、库程序，以及各种维护使用手册、程序说明等。（2）GIS专业软件及其他支持软件

GIS专业软件和支持软件主要包括GIS软件包，还有数据库管理系统、计算机图形软件、计算机图像处理系统和计算机辅助设计等，最终实现对空间数据的输入、输出、存储、转换和显示等功能。（3）应用分析软件

应用分析软件是用户或系统开发人员根据用户对某种特定任务的需求，对系统功能进行的一些补充与延伸。应用程序的开发具有动态和透明特征，它与系统的物理存储结构没有直接关联，仅随系统功能的扩充和增强而发生变化。

3．空间数据

GIS的空间数据主要包括：已知坐标系中的位置、实体间的空间关系以及属性数据。空间数据是指以地球表面空间位置为参照的各种数据，包括图形、图像、文字、表格和数字等。空间数据是由数字化仪、扫描仪、键盘或其他输入设备输入GIS中，也是GIS对显示世界抽象的结果的描述，具体包括如下内容。（1）位置数据

位置数据，也即几何坐标，是地理实体在空间位置的数字表达，如地理经纬度、平面直角坐标及极坐标等数据。（2）实体间的空间关系

实体间的空间关系通常包括：（a）度量关系，例如地物A与地物B之间的距离；（b）方位关系，定义了两个地物之间的方位，如地物A在地物B的正北方向；（c）拓扑关系，定义了相同或不同地物之间包含、连通和邻接等关系，它是GIS空间分析中最基本的关系，比如网络结点与网络线之间的枢纽关系，边界线与面的构成关系，面与岛或内部点的包含关系等。（3）属性数据

属性数据，即通常所说的非几何属性或简称属性，它是与地理实体关联的地理变量或地理意义，有定性和定量两种属性，如地理实体的名称等为定性属性，级别、数量为定量属性。属性一般是经过抽象的概念，通过分类、命名、量算、统计得到。地理实体都含有不止一个属性，这样GIS可以通过属性的操作运算来实现数据的分析、检索和表示。

4．人员

人是GIS中不可或缺的重要因素。就合格的系统设计、运行和使用来说，GIS专业人员是地理信息系统应用的关键。GIS 不能简单地等同于一幅地图，而是一个动态的地理模型。仅有系统软硬件和数据还不能构成一个完整的地理信息系统，需要人对系统进行组织、管理、维护和数据更新、扩充完善，以及应用程序开发，并灵活运用地理分析模型提取多种信息，为科学研究和辅助决策服务。2.1.3 地理信息系统发展历程

地理信息系统起源于20世纪60年代，经过50多年的发展，已成为跨学科、跨行业、跨领域的综合性新兴学科，并在社会各行业、各部门得到广泛应用。业内普遍将其发展过程分为4个阶段。

1．开拓阶段

地理信息系统是20世纪60年代中期兴起的一项新技术。地理信息系统的兴起得益于计算机辅助地图制图的研究和应用。人们由此而得到启示，试图构造一种工具来收集、存储和利用海量空间数据。1956年，奥地利首先利用计算机建立地籍数据库，并逐步发展为土地信息系统，用于地籍管理。1963年，加拿大测量学家Tomlinson R·F·首先提出“地理信息系统”这一术语，并建立了世界上第一个地理信息系统（CGIS）。不久，美国哈佛大学研制出SYMAP系统软件，这可算是GIS的起步。

尽管当时的GIS带有更多的机助制图色彩，查询功能非常简单，分析功能基本没有，但是GIS的兴起确实引起了社会的强烈反响，许多国家的政府部门和私人机构对此表现出了极大的兴趣，相继建立了不少与GIS有关的组织机构，如美国城市和区域信息系统协会（URISA，1966）、国际地理联合会（IGU）、地理数据采集与处理委员会（CGDSP，1968）等。这些机构对传播GIS知识和发展GIS技术起了非常重要的作用。

2．巩固阶段

进入20世纪70年代后，由于计算机软、硬件技术的飞速发展，促使GIS朝实用方向迅速发展。一些发达国家先后建立了许多不同专题、不同规模、不同类型的地理信息系统，如美国森林调查局发展了全国林业统一使用的资源信息显示系统；美国地质调查局发展了多个地理信息系统，用于获取和处理地质、地理、地形和水资源信息；还有一些欧洲国家发展了用于城市规划和建设的地理信息系统，一些商业公司开发的商用 GIS软件在市场上受到欢迎。这一阶段奠定了GIS未来快速发展的基础。

3．快速发展阶段

20世纪80年代是地理信息系统普及和推广应用阶段。当时兴起的计算机网络技术使地理信息系统的传输时效得到了极大的提高，它的应用从基础信息管理与规划转向更复杂的区域开发、预测预报，与卫星遥感技术相结合用于全球监测，为宏观决策提供信息服务。

GIS 系统软件和应用软件的发展，使得应用范围从解决基础设施的规划转向更复杂的区域开发，并开始关注全球性问题。该阶段GIS的主要特点是：在数据获取方法上，利用遥感影像自动校正、识别来获取地理数据的软件增多；在地理信息管理方面，除DBMS技术已经发展到可以支持大型空间数据库外，专门研制的适合GIS空间关系表达和分析的空间数据库管理系统也有了很大的发展。

4．社会化阶段

进入20世纪90年代后，随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIS逐步向产业化方向发展，广泛应用于各个领域，GIS已被公认为21世纪的支柱产业。国际主流 GIS 软件，如以 ARC/INFO 为代表的基于工作站平台的GIS 软件，以MapInfo为代表的基于微机Windows平台的GIS软件，都受到人们的广泛欢迎。

在这一时期，计算机和通信网络基础设施得到极大改善和提高，特别是 Internet 得到迅速普及与广泛运用，改变了传统的软件开发模式、信息共享以及服务方式。GIS 作为空间信息管理与服务的应用系统，也顺应了这一发展趋势。这一时期社会对GIS的认同率也不断提高，应用范围和领域不断拓宽，GIS 成为众多政府决策部门的工作系统。进入21世纪以来，信息技术蓬勃发展，新理念、新技术、新标准等不断出现并得到推广，其中，网络数据存储技术及高性能计算等技术取得了长足进步，这些技术为GIS向纵深发展奠定了坚实的基础。网格计算、虚拟现实、“3S”集成等更多高新技术的发展和应用，为GIS技术的发展和应用开辟了更多、更新的前沿科研方向，GIS的应用前景变得更加广阔。

我国地理信息系统的发展始于20世纪80年代初期，至今已有10多年历史，经历了从无到有，从研究到应用，形成领域，走向产业化的过程。经过广大GIS科研工作者的不懈努力，我国的GIS事业正蓬勃发展。目前开发的自主版权的地理信息系统软件，如中国地质大学的MAPGIS、武汉测绘科技大学的GEOSTAR、超图公司的SuperMap等，已走上商品化的道路。2.1.4 地理信息系统应用领域

物质世界中的任何事物都具有空间属性。因此，GIS 作为获取、处理、管理和分析地理空间数据的重要工具、技术和学科，在社会生活各领域得到广泛应用。它通过图形化的界面来综合管理与地理位置有关的各种信息，如城市建筑、道路网、水电煤气网以及人口与经济等统计数据。

1．城市规划

城市是人类活动高度集中的区域，同时也是信息、物质高度集中的区域。随着科技的进步和经济的发展，城市系统越来越复杂，数据和信息越来越多，服务要求越来越高。城市管理面临着新的挑战，为了城市的现代化、生态平衡和持续发展，城市需要全面的规划，而地理信息系统给城市的规划和管理带来了新的工具。城市建设规划涉及的因素非常多，开发新城要征用土地，改建旧城要拆迁安置，同时需要基础设施、公共服务设施的配套。由于城市在不断地建设城市基础数据库，这就要求运用GIS来管理日常城市活动。采用GIS对各种信息进行管理，并基于此进行分析和辅助决策，就可以有效地管理各类城市建设活动。GIS 在地图更新、土地区划管理以及建筑审批等方面可以发挥作用。图2-3为土地规划系统界面。图2-3 土地规划系统界面

2．道路交通管理

近年来，GIS 在交通领域得到了广泛的应用，并已形成专门的交通地理信息系统GIS-T，以满足道路交通管理方面的要求。比如在路廓建设方面，可将从各方面收集得来的资料合并到GIS资料库中，建造约束多边形，确定公路需要避开的区域；将试验性线路输入到GIS中，利用缓冲区分析得到路廓多边形，计算路廓多边形与约束多边形相交的总面积；比较线路设计的优劣等。在道路管理方面，利用GIS可管理道路的类型、车道数目、路面种类以及公用设施，对道路的属性进行可视化查询，计算道路网的流量以及路径分析等。在铁路交通方面，利用GIS可管理铁路网点，调度列车运行等。

3．环境保护

随着经济的发展，环境污染直接影响了人们的生活质量，环境质量问题也得到了越来越多的重视。各种污染源的空间分布以及属性可以通过GIS进行管理，而污染扩散的影响因子的空间分布同样可以作为GIS的空间数据组成部分，基于GIS可以建立污染扩散模型，进而，GIS 也提供了丰富的功能以表现污染物强度空间分布，可以查询强度分布状况，并可以结合其他社会经济数据进行更加细致的评价分析。图2-4为太原市环境保护与环境空气在线监测系统界面。图2-4 太原市环境保护与环境空气在线监测系统界面

4．军事应用

随着人类社会向信息化迅速发展，未来高技术战争中信息对抗的含量将越来越高，特别是高技术条件下的局部战争，由于战争爆发突然，战争进程加快、战机稍纵即逝等特点，对作战指挥的时效性有了更高的要求。指挥决策智能化、作战指挥自动化、武器装备信息化成为未来战争取胜的关键。在这种需求下，数字化的地理环境信息已成为指挥决策的必要条件之一。

在军事上，可利用GIS进行航海、航空管理，如制订计划航线、障碍物、禁区、助航设施、导航管理和空中交通控制等；利用GIS还可以进行任务规划和战争管理，包括军事基地规划、军事基础设施管理、打击效果评估、巡航导弹支持、战区规划、入侵应急规划、目标分折、轨道建模、战场监测、战场管理、小战区规划、登陆计划、战术模拟、后勤保障规划和交通规划等。2.1.5 地理信息系统发展趋势

地理信息系统属于多学科和技术交叉的边缘学科。数据库技术、网络与通信等技术日新月异，为地理信息系统的进一步发展提供了极其便利的条件。此外，地理信息系统与地图学、测绘学、地理学、信息系统、遥感技术以及全球定位系统（GPS）等相关技术领域结合在一起，形成了现代技术与传统科学结合的多方向、跨学科的研究领域。这些学科的发展为GIS产业的进步注入了新的元素，提供了更好的方法和可行性技术。地理信息系统的未来发展主要有以下几方面。

1.3S集成技术

3S是指地理信息系统（GIS）、遥感（RS）和全球定位系统（GPS）。3S集成技术的发展，形成了综合的、完整的对地观测系统，提高了人类认识地球的能力。GIS、RS和GPS三者集成利用，构成为整体的、实时的和动态的对地观测、分析和应用的运行系统，可以提高GIS的应用效率。GIS、RS、GPS集成的方式可以在不同的技术水平上实现，最简单的办法是3种系统分开而由用户综合使用，进一步是三者有共同的界面，做到表面上无缝的集成，数据传输则在内部通过特征码相结合，最好的办法是整体的集成，成为综合系统。

2．Web GIS

GIS通过WWW功能得以扩展，使之真正成为一种大众使用的工具，其中Web GIS是Internet技术应用于GIS的产物。由于地理信息和大量的空间数据都是以文字、数字、图形、影像和多媒体方式表示的，将它们数字化，送入Internet，便可方便、快速和及时地将地理信息传送到全球的任何一个地方，以发挥地理信息在各行各业中的应用价值。GIS工作者只需在Internet上建立一些GIS网站，亿万网民就可通过浏览器随时随地根据需要来查询和浏览GIS。

Web GIS可以使用通用浏览器进行查询、浏览，ActiveX控件、额外的插件（Plug-In）和Java Applet降低了终端用户的经济与技术负担，在很大程度上，扩大了潜在的用户范围。具有良好的可扩展性的Web GIS，易于在Web中与其他信息服务进行无缝集成，建立灵活多变的GIS应用。

3．移动GIS

近年来，随着计算机技术、无线网络通信以及互联网技术的快速发展，GIS 呈现出由室内工作站和桌面系统向户外移动终端发展的态势。PDA、智能手机等移动设备终端的出现和迅速普及，加快了移动设备和GIS的结合，移动GIS（Mobile GIS）得以快速发展。移动GIS是GIS研究领域的重要方向之一，也是传统GIS的衍生和发展。

移动GIS是通过无线通信技术与服务器端交互，运行在各种移动终端上，可随时随地进行空间信息服务。其最大特点就是在各种导航定位设备的支持下，在进行移动的过程中，不受限制地把采集到的相关信息及时处理并发布给用户。其客户端常指移动电话、PDA等，也可以是专用的GIS嵌入设备。

移动GIS是一个集GIS、GPS、移动通信三大技术于一体的系统，是建立在有限处理能力和移动计算环境条件下的移动终端，从而提供分布式的、移动的、随遇性的移动地理信息。移动GIS的运行平台向无线网络的延伸进一步拓宽了其应用领域。与传统的GIS 相比，出现了更加丰富的移动终端用户与服务器及其他用户的交互手段，包括视频、定位服务、图像、话音、文本和图形等。图2-5是移动GIS手机终端。

4．三维GIS

三维GIS是许多应用领域对GIS的基图2-5 移动GIS手机终端本要求。真正的三维GIS必须支持真三维的矢量和栅格数据模型以及以此为基础的三维空间数据库，解决了三维空间操作和分析问题。主要研究的方向包括：三维数据结构的研究，主要包括数据的有效存储、数据状态的表示和数据的可视化；三维数据的生成和管理；地理数据的三维显示，主要包括三维数据的操作、表面处理、栅格图像、全息图像显示和层次处理等。

2.2 地理信息系统功能

地理信息系统包含了处理空间或地理信息的各种基础的和高级的功能，其基本功能包括对数据的采集、管理、处理、分析和输出。同时，地理信息系统依托这些基本功能，通过利用空间分析技术、模型分析技术、网络技术和数据库集成技术等，更进一步演绎丰富相关功能，满足社会和用户的广泛需要。从总体上看，地理信息系统的功能可分为：数据采集与编辑、数据处理与存储管理、图形显示、空间查询与分析以及地图制作。2.2.1 数据采集与编辑

数据采集与编辑是GIS的基本功能，主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间上的完整性、数值逻辑一致性与正确性等。

目前可用于地理信息系统数据采集的方法与技术很多。图2-6为地理信息系统数据采集示意。大多数GIS的地理数据来源于纸质地图，常用的方法是数字化扫描，如手扶跟踪数字化仪。随着技术的发展，信息共享与自动化数据输入成为地理信息系统研究的重要内容。目前，自动化扫描输入与遥感数据集成最为人们所关注。随着扫描技术的应用与改进，实现扫描数据的自动化编辑与处理仍是地理信息系统数据获取研究的主要技术关键。交互式地图识别是自动化扫描输入方法的一种较为现实的途径。

遥感数据集成是另外一种新型数据采集方式。遥感数据已经成为GIS 的重要数据来源，与地图数据不同的是，遥感数据输入到 GIS 较为容易，但如果通过对遥感图像的解释来采集和编译地理信息则是一件较为困难的事情。因此，GIS中开始大量融入图像处理技术，许多成熟的GIS产品（如MAPGIS）中都具有功能齐全的图像处理子系统。图2-6 地理信息系统数据采集示意

地理数据采集的另一项主要技术进展是GPS技术在测绘中的应用。GPS可以准确、快速地确定人或物在地球表面的位置，因此，可以利用GPS辅助原始地理信息的采集。2.2.2 数据处理与存储管理

对数据的存储管理是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及对空间数据和属性数据的组织。

1．数据处理

初步的数据处理主要包括数据格式化、转换和综合。地理信息系统数据处理体系如图 2-7。数据的格式化是指不同数据结构的数据间变换，是一项耗时、易错、需要大量计算量的工作；数据转换包括数据格式转换、数据比例尺的变换等，数据比例尺的变换涉及数据比例尺缩放、平移、旋转等方面，其中最为重要的是投影变换；制图综合包括数据平滑和特征集结等。图2-7 地理信息系统数据处理体系

2．数据存储管理

GIS中的数据分为栅格数据（X、Y）和矢量数据（经、纬度）两大类，如何在计算机中有效存储和管理这两类数据是GIS的基本问题。栅格模型、矢量模型或栅格/矢量混合模型是常用的空间数据组织方法。空间数据结构的选择在一定程度上决定了系统所能执行的数据与分析功能。在地理数据组织与管理中，最为关键的是如何将空间数据与属性数据融合为一体。

大多数GIS中采用了分层技术，即根据地图的某些特征，把它分成若干层（如道路层、水系层、公共设施层等），整张地图是所有层叠加的结果，如图2-8所示。在与用户的交互过程中只处理涉及的层，而不是整幅地图，因而能够对用户的要求做出快速反应。

GIS 的主要功能之一是管理大量的专业地图，按专题分类将各部门所需的地图合理地组织为空间数据库。几十乃至上百张图按地图网格拼装为一个图层，而每张图层上包括的对象在取舍上有严格的分类标准。按专业含义由粗到细划分为层次状专题分类，每一图层上的空间对象归属于某一专题类，因此常称为专题图层。这些图层与各行业的更为专业的图层相叠置（透明叠放在一起），并进行空间关系分析，可以得出有用的决策信息。图2-8 数据分层管理示意

数据库技术是数据存储和管理的支撑技术。在GIS中，数据库具有数据量大、空间数据和属性数据联系紧密，以及空间数据之间具有显著的拓扑结构等特点，因此GIS数据库管理功能，除了与属性数据有关的DBMS功能之外，还需要具备对空间数据的管理。对空间数据的管理主要包括：空间数据库的定义、数据访问和提取、空间检索、数据更新和维护等。2.2.3 图形显示

GIS 来源于地图，也离不开地图。GIS 的一个基本功能就是能根据用户的要求，通过对数据的提取和分析，以图形的方式表示结果，如图2-9所示。当GIS数据被描绘在地图上时，信息就变得容易理解和解释。GIS 不只是为了有效地存储、管理、查询和操作地理数据，更重要的是以可视化的形式将数据或经过深加工的地理信息呈现在用户面前，方便地通过图形认识地理空间实体和现象及其相互关系。

地理信息系统为用户提供了许多用于地理数据表现的工具，其形式既可以是计算机屏幕显示，也可以是诸如报告、表格、地图等硬复制图件，尤其要强调的是地理信息系统的地图输出功能。一个好的地理信息系统应能提供一种良好的、交互式的制图环境，以供地理信息系统的使用者能够设计和制作出高质量的地图。图2-9 地理信息图形显示

因为地理比例尺对于地理研究的性质具有决定意义，所以需要根据不同的详略程度，允许地图存在多级比例尺数据源。用户对地理环境既需要有宏观上的认识，同时也有观察局部细节微观上的要求。因此，为了能够全面、充分地反映系统所关心区域的空间地理信息，有必要采用多种比例尺共存的方式，以满足GIS的多层次需求。某一地区在某一比例尺条件下的地理资料，不仅代表了在该种比例尺条件下对于该区域地理空间结构的抽象和概括，而且也代表了在该种比例尺条件下对于该区域地理功能的抽象和概括。

多比例尺GIS中空间数据的最大特点是对同一地理实体的数据表达不同，如图2-10所示。左图是在较小比例尺（1∶50 000）条件下对某市区的一个大体轮廓的反映，右图是在较大比例尺（1∶10 000）条件下对该市区较详细的数据表达。从图中我们不难看出，由于选用的比例尺不同，所需表现的内容是有差别的。在大比例尺条件下，数据精细程度高，要素表示齐全，而在小比例尺条件下，有些要素被取舍了，有些要素被概括化简了。图2-10 不同比例尺对地理实体的不同表达

由于在地理信息系统中的地图数据采取了分层组织管理方法，因而在显示时也可以采取该方法，即同比例尺条件下可以采用多图层方式来表达地理实体。

除了常见的二维平面地图之外，地理信息三维显示也成为地理信息一个重要的表现方式。利用三维显示技术，可以更为直观形象地表现地理环境信息，更容易让用户接受和理解。本章2.4节对此有详细介绍。2.2.4 空间查询与分析

对地理空间的查询与分析功能，是GIS得以广泛应用的重要原因之一。通过GIS提供的空间数据查询与分析功能，用户可以从已知的地理数据中得出隐含的重要结论，这对于许多应用领域（例如商业选址、抢险救灾等）是至关重要的。

1．空间查询

空间查询是地理信息系统以及许多其他自动化地理数据处理系统应具备的最基本的分析功能，即可把满足一定条件的空间对象查出，并将其按空间位置绘出，同时列出它们的相关属性等。空间查询是支持综合图形与文字的多种查询的主要方法，它支持由图查图、由图查文和由文查图，并给出新图和有关数据。

GIS 通常使用空间数据引擎存储和查询空间数据库。空间数据引擎在用户和异构空间数据库的数据之间提供一个开放的接口，它是一种处于应用程序和数据管理系统之间的中间件技术，空间数据引擎是开放且基于标准的，这些规范和标准包括OGC的Sample Feature SQL Specification、IOS/IEC的SQL3以及 SQL多媒体与应用程序包（SQL/MM）等。目前市场上主要的空间数据引擎产品都是与上述规范高度兼容的。

2．空间分析

空间模型分析是在地理信息系统支持下，分析和解决现实世界中与空间相关的问题，它是地理信息系统应用深化的重要标志。空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其他计算机系统的根本区别，它以空间数据和属性数据为基础，回答真实地理客观世界的有关问题。地理信息系统的空间分析可分为：拓扑分析、方位分析、度量分析、混合分析、栅格分析和地形分析等，如表2-1所示。表2-1 GIS基本空间分析功能2.2.5 地图制作

GIS是在计算机辅助制图（CAD）基础上发展起来的一门学科，是电子地图（矢量化地图）制作的重要工具。因此，对空间数据进行各种渲染，高效、高性能、高度自动化处理是GIS制作地图的重要特点。采用GIS可以将数据矢量化，从而使与空间有关的各种数据（信息）叠加到电子地图上。

地图制作是将用户查询的结果或是数据分析的结果以文本、图形、多媒体、虚拟现实等形式输出，是GIS问题求解过程的最后一道工序。输出形式通常有两种：在计算机屏幕上显示或通过绘图仪输出。在一些对输出精度要求较高的应用领域，高质量的地图输出功能对GIS是必不可少的。这方面的技术主要包括：数据校正、编辑、图形修饰、误差消除、坐标变换和出版印刷等。

2.3 Web GIS

Web GIS是GIS与 Internet技术相结合的产物，是现代GIS技术的重要组成部分。Web GIS技术近年来得到快速发展，其应用也扩展到GIS应用领域的各个方面。GIS正是通过计算机网络才得以迅速扩展，成为真正服务于大众的工具。2.3.1 Web GIS概述

随着Internet/Intranet的兴起和不断发展，以及人们对空间数据需求的增长，在互联网上为用户提供空间数据浏览、查询和分析处理等功能已成为GIS发展的新形势，进而产生了基于Web技术的网络地理信息系统（Web GIS）。这标志着GIS系统集成技术的发展进入一个崭新阶段。

1．Web GIS基本概念

Web GIS是 Internet技术应用于GIS的必然产物。它集Web、GIS和数据库技术于一身，以新的工作模式和新的数据共享机制，广泛应用于各种涉及地理信息的领域。Web GIS可以在互联网上为用户提供信息发布、数据共享和交流协作，从而实现GIS在线査询和业务处理等服务，使用户能直接通过Web浏览器对GIS数据进行访问，实现对空间数据和属性数据的检索查询、专题图输出和编辑修改等功能，完成GIS技术从C/S模式向B/S模式的转变。

Web GIS可简单定义为基于Web环境的GIS系统，它是在Internet或 Intranet网络环境下的一种兼容存储、处理、分析、显示和应用地理信息功能，实现GIS信息在线查询和业务处理，运行于互联网上的地理信息系统，其基本思想就是在互联网上提供地理信息，让用户通过浏览器浏览和获得地理信息系统中的数据和功能服务。

Web GIS继承了GIS的部分功能，主要侧重于地理信息与空间处理的共享，是一个基于Web平台实现地理信息处理与地理信息分布的网络化软件系统。Web GIS一般采用分布式结构，通过WWW机制来完成数据信息的交互处理，从而实现客户端与服务器端的数据共享和各种操作。

Web GIS技术应用范围非常广泛，可应用于农业、林业、水利、地矿、交通、通信、新闻媒体、城市建设，教育、资源（土地、森林、水、矿物、海洋等）、环境、人口、海洋以及军事等几十个领域。目前，互联网上已经出现了许多Web GIS应用实例，如数字地球网站提供Web GIS在土地、环保、农业、人口统计等领域的应用实例。

2．Web GIS的特点

与传统的地理信息系统比较，Web GIS具有以下特点。（1）分布式体系结构。Web GIS采用分布式体系结构，形成了客户端和服务器端相互分离、协同工作的模式，适应空间数据的分布特征，提高了网络计算资源和存储资源的利用率。这里的分布式有3层含义：一是数据分布，即GIS数据源可能分布在多台计算机上；二是处理分布，即GIS软件的各个模块（存取与显示、查询、分析、编辑等）可能分布在多台计算机上；三是用户分布，即GIS用户可能分布在Internet上的各个地方。不论用户在哪里，都不需要在本机上安装GIS数据和应用程序，只要上网把请求发送给服务器，服务器就会把数据和分析工具模块传给客户。（2）平台独立。无论客户端是何种操作系统，只要支持通用的Web浏览器，用户就可以访问Web GIS数据。Web GIS客户端采用的是通用浏览器，因此对客户端的软硬件设备没有特殊的要求。Web GIS服务器的处理方式对客户端而言是透明的，任何用户均可通过浏览器访问得到许可的Web GIS服务器。这一特性使得远程异构数据共享成为可能，极大地提高了软硬件平台的独立性。（3）平衡高效的计算负载。传统的GIS 大都使用文件服务器结构的处理方式，其处理能力完全依赖于客户端，效率较低。而当今一些Web GIS能充分利用网络资源，将复杂的处理交由服务器执行，而简单的操作则由客户端直接完成。这种计算模式能灵活地在服务器端和客户端之间合理分配处理任务，提高网络计算资源的利用效率。（4）支持分布存储的多源数据。Web GIS能充分利用已有的各类空间数据信息，支持地理上分布存储的多种来源和格式的空间数据，有利于数据的维护和更新，提高存取速度。（5）数据实时更新。Web GIS的客户端不保存数据和程序，只在访问Web GIS站点时下载它们。服务器上的程序和数据一旦更新，客户机上的也自动更新。因此，可以说Web GIS的数据是动态的，提高了数据和程序的实时性。

3．Web GIS的主要功能

Web GIS具备与普通GIS相同的基本功能，其主要功能如下。（1）空间数据发布。Web GIS能以图形方式显示空间数据，较之单纯的FTP或HTTP方式，可使用户易获取所需的数据，这使数据的共享和传输更加方便。（2）空间数据可视化。Web GIS能通过Web传输方式，把空间图形和属性数据发送到客户端的浏览器上，供用户使用。（3）Web资源的共享。Web上有着大量的信息资源，这些资源多数具有空间分布特征，利用Web GIS对这些信息进行组织和管理，可以提高资源的利用率和共享程度。

Web GIS是传统GIS的拓展，促使GIS走向分布式和大众化，使GIS与其他软件之间的集成变得更加容易。另外，空间数据的分发、获取和浏览等操作更加方便与快捷，也推动GIS走向社会化、网络化和智能化。

4．Web GIS体系结构与运行流程

Web GIS总体上可分为两大部分，即服务器和用户。二者通过网络连结起来，构成服务和被服务的关系。服务器可分解为两部分：Web服务器和GIS服务器。GIS服务器又由数据服务器和应用服务器组成。数据服务器包含GIS元数据、地理信息数据和用户信息数据，其中，元数据是用于描述与组织地理信息数据的数据。应用服务器则包含这些数据的管理及服务系统。图 2-11为Web GIS的体系结构。图2-11 Web GIS体系结构

Web GIS运行流程如下：Web服务器负责接收客户端的GIS服务请求，传递给GIS服务器。如果用户发送的是数据浏览请求，则GIS服务器先从元数据库中找到数据的存储路径，再把数据发送给用户并显示；如果用户发送的是检索请求，则先由元数据服务器检索元数据库，并发送检索结果给用户，用户选定检索结果中的一个，再发送浏览请求给Web服务器。用户请求到所需数据后，可以在其上进行各种操作，如查询、统计、分析和编辑等。

另外，出于网络安全及其他考虑，一般要保存用户信息，将用户分为若干类，分别赋予不同的操作权限，还要监视或跟踪用户的操作。用户在请求服务之前，先要输入一定的信息，登录到用户服务器，用户服务器对用户身份进行验证后，方可请求进一步的服务。2.3.2 Web GIS网络结构

1．客户机/服务器（C/S）模式

客户机/服务器模式兴起于20世纪90年代初，到了90年代的中期开始成为流行的网络结构模式。客户机/服务器模式的基本思想是把集中在一起的应用划分成功能不同的两部分，分别在不同的计算机上运行，通过它们的分工合作来实现一个完整的功能。在这两部分中，一个为服务器程序，用来响应和提供固定的服务；另一个为客户机程序，用来向服务器提出请求和要求某种服务。

客户机/服务器体系模式的优点：（1）C/S 方式有很强的实时处理能力，与其他方式相比，C/S 结构更适合于对数据库的实时处理和大批量的数据更新；（2）C/S方式的面向对象技术十分完善，并且有众多与之配套的开发工具；（3）由于C/S方式必须安装客户端软件，系统相对封闭，这反而使它的保密性能优于其他方式。

按照负载的轻重和处理性质可以将客户机/服务器结构分为两类，分别是基于客户端的体系结构和基于服务器端的体系结构。前一种体系结构由客户端实现GIS的绝大多数功能。只有少量的GIS功能在服务器实现，俗称为瘦服务器/胖客户端模式。后一种体系结构由服务器完成GIS的大部分功能，客户端仅充当对用户友好的接口。服务器端的负载较重，所以被称为胖服务器/瘦客户端模式。

对于分布式广域网环境下的GIS应用，C/S结构则显得力不从心，特别是涉及分布式环境下异构多数据库系统，这种体系结构就存在着很大障碍。

2．浏览器/服务器（B/S）模式

网络技术的发展和普及，要求分布在不同领域、不同部门的空间数据和处理功能能够共享和互操作，使得空间信息不再局限于专业用户，普通民众也能容易地访问和使用空间信息。为了适应分布式环境下异构多数据库系统，由C/S结构演变出了浏览器/服务器（B/S）模式。B/S模式是一种从传统的C/S结构模式发展起来的新的计算模式。B/S 体系结构突破了客户机/服务器两层模型的限制，将 C/S 结构中的服务器端分解成应用服务器和多个数据库服务器。B/S 结构本质上是一种 3 层结构的客户机/服务器结构。它把C/S结构进一步深化，在服务器端形成Web服务器和数据库两层，浏览器和服务器之间通过超文本标记语言（HTML）和超文本传送协议（HTTP）来实现信息的描述和组织。

3．Web GIS结构模型

当前流行的Web GIS主要是基于浏览器/服务器（B/S）模式的地理信息系统。该系统从逻辑上可分为3层：客户层（浏览器端）、服务器层（Web应用服务器和GIS系统服务器）以及数据层，如图2-12所示。

Web GIS的客户端采用Web浏览器，使用 Internet标准（如TCP/IP、HTTP、HTML和XML）与Web应用服务器通信，从而获取GIS应用数据和应用逻辑；通过安装GIS Plug-In，下载GIS ActiveX或GIS Java Applet，实现客户端的GIS计算。图2-12 Web GIS 3层结构模型

Web GIS的服务器端由Web服务器、GIS服务器和GIS元数据服务器组成。Web服务器接收客户端的GIS服务请求，传递给GIS服务器或GIS元数据服务器，并把结果送回给客户；GIS 服务器是能够为网络客户提供各种地理服务的软件系统和硬件系统的总称，GIS服务器通过连接器与Web服务器连接，与Web服务器集成起来为客户服务，完成客户的GIS服务请求的功能，将结果转为HTML页面或直接把GIS数据通过Web服务器返回客户端，GIS服务器也能同客户端的GIS Plug-In/ActiveX/Java Applet直接通信，完成GIS服务；GIS元数据服务器管理服务器端的GIS数据，为客户提供GIS数据检索和查询服务；另外，在Web服务器和GIS服务器之间还可以增加GIS服务代理，协调服务器端GIS软件、GIS数据库和GIS应用程序间的通信，提高GIS服务器性能。2.3.3 Web GIS实现方法

现有Web GIS系统在实现方法上主要可分为3类：采用服务器端策略的系统，采用客户端策略的系统和采用服务器/客户机混合模式的系统。这3类系统最大的差别就在于服务器端和客户端承担的任务不同。

1．基于客户端的Web GIS实现技术

基于客户端的Web GIS允许GIS数据和GIS计算都在用户本地计算机的浏览器上进行。GIS的数据和计算最初都驻留在服务器上，用户可以从服务器请求这些数据和计算，接到服务请求后，服务器把数据和计算传给客户在其本地计算机上进行处理。客户端应用包括 3种主要技术方案：GIS Plug-In/Helper程序、GIS ActiveX控件和GIS Java Applet。

该技术方案的不足之处在于：使用已有的GIS操作分析资源的能力弱，处理大型的GIS分析能力（空间分析等）有限，无法与CGI模式相比；GIS数据的保存、分析结果的存储和网络资源的使用能力受到限制。

2．基于服务器端的Web GIS实现技术

基于服务器端的Web GIS是在服务器端执行 GIS的计算，并把执行的结果转换为HTML格式并返回客户端。其GIS处理功能主要是由服务器完成的，而客户端只完成简单的结果显示。采用基于服务器的Web GIS工作方式为：GIS数据和GIS计算都部署在服务器上，客户端通过浏览器向服务器发出GIS操作请求，对客户请求的响应只是在服务器端进行，服务器在接收到请求后调用GIS服务器上的服务程序，服务程序访问空间地理数据，进行相应的GIS处理，然后将结果形成为新的中间GIS数据，返送给客户端。服务器端应用包括3种主要技术方案：GIS桌面系统扩展、基于ActiveX组件的GIS服务器和基于Java的GIS服务器。

上述两种模式的Web GIS各有千秋。采用服务器端策略的Web GIS的优点是：对客户端要求较低，只要在客户端有通用的Web浏览器，客户端可以是一个复杂的计算机系统，也可是一个PDA，甚至是一个手机，系统与客户端平台无关；缺点是：网络传输数据量大、服务器负担重、用户界面的功能受Web浏览器的限制，影响GIS资源的有效利用。采用客户端策略的Web GIS的优点是：GIS操作在客户端进行，运行速度快、服务器和网络负荷小、用户界面灵活丰富；缺点是：对客户端环境要求较高，Plug-in与平台相关，需要下载大量内容。

3．基于服务器/客户机混合的Web GIS技术

从上面的讨论可以看出，基于服务器的Web GIS技术和基于客户端的Web GIS技术都存在着一定的优势和明显的不足，因此，将两种模式的优点结合在一起组成一种混合模式是解决这些问题的一种理想的方法。在处理不同的地图数据时采用不同的方案，可以使安全性、性能与效果等得到较好的平衡。基于服务器/客户机混合的Web GIS体系结构如图2-13所示。图2-13 基于服务器/客户机混合的Web GIS体系结构

如上图所示，服务器/客户机混合 Web GIS 技术的工作方式是：通过客户端技术（Plug-in、ActiveX、Javascript等）将部分简单的GIS处理功能部署到客户端，这样可以让一些简单的GIS操作在客户端进行处理；而对于大数据量的GIS处理和分析，则在服务器上部署相应的服务器程序来完成。这种方式有效地均衡了服务器和客户端的数据量，充分发挥了服务器和客户端的处理能力，达到了有效利用了资源、减轻网络传输负担的目的。2.3.4 现有Web GIS产品

GIS向网络化发展是大势所趋。Web GIS已成为当今GIS技术研究热点，也是各大厂商激烈竞争的焦点。当前，国内外几家主要的GIS厂商也都在积极开发Web GIS产品，提出自己的解决方案。

1．国外主要Web GIS产品

在国外，典型的Web GIS产品包括Microsoft公司 Terra Server影像数据服务器、MapPoint.NET，Google公司地图搜索服务Google Earth等。MapPoint Web提供的服务有：基于地址、兴趣点、经纬度的位置服务、位置相关背景服务、路径选择服务、邻近搜索服务和距离计算服务等。MapPoint 3.0基于VS.NET开发，任何网络用户都可以通过SOAP来访问MapPoint的XML Web Service接口。VS.NET会自动为MapPoint服务产生代理类，使得开发者可以非常方便地使用MapPoint的服务。Google Earth整合了本地搜索与驾车指南两项服务，具有地图注释功能，采用 3D 地图定位技术，提供卫星遥感图像、鸟瞰图和立体图3种可视化模式，可在3D地图上通过交互方式定点查看指定区域，进行不同视角的放大、缩小、漫游等地图控制以及自动搜索路径完成道路导航等操作。Google公司通过发布地图服务应用程序接口（GooglemaPSAPI），允许用户在程序中嵌入Googlemaps功能，开发人员可以用 Java Script脚本语言将Googlemaps服务嵌入网页，将平台与地理数据捆绑，从地图服务和开发两个层面降低了GIS开发门槛，大大促进了空间信息的应用领域。

2．国内主要Web GIS产品

在国内，Web GIS技术也有了长足的进步。目前，国内对Web GIS的应用范围主要偏重于行业部门，包括利用Web服务器进行地理信息服务支撑下的平台建设和提供公众基础地理信息服务的应用，如“数字城市”等。目前，国内Web GIS比较典型的开发平台有SuperMap IS、GeoSurf等。

SuperMap IS是基于.Net技术和SuperMap Objects组件技术开发，采用面向分布式计算技术，支持跨区域、跨网络的复杂大型网络应用系统进行集成，引入了Web Services技术，提供了GIS Web Services和Web Controls组件，具有系统安全可靠、系统维护和升级简单方便以及网络级可重用等诸多优点。

武汉吉奥信息工程技术有限公司开发的GeoSurf是一套基于J2EE的Web GIS平台软件，提供了强大的基于网络环境的在线地图访问、浏览、查询、编辑处理和输出等工具，在体系结构上包含GeoSurf客户端组件、GeoSurf应用服务器、GeoSurf空间数据处理服务器（SDPS）和GeoSurf部署管理工具等几个部分。

图行天下推出了面向公众服务的网站（www.go2map.com），以独有的网络地图信息平台Go2mapmIP为基础，为用户提供地图应用系统开发中间件、地图服务系统应用程序接口（API）、电子地图租用、在线地图服务和地图数据销售等全面的地图服务解决方案。Go2mapmIP集成了Web、底层GIS平台、数据库访问、网络负载均衡和地图服务扩展等多项不同领域的技术。

北京中遥地网信息技术有限公司自主研发了一体化网络空间信息系统平台软件GeoBeans。该软件基于Internet/Intranet的分布式计算环境，参考OpenGIS规范，采用与平台无关的Java语言JavaBeans构件模型以及Com组件模型，可在多种系统平台上运行，支持栅格和矢量图形的处理，实现了Internet信息基础平台和GIS的无缝集成。它既具有服务器端空间数据处理和大型数据库管理的能力，也平衡了客户端和服务器之间的负载，减小了网络流量，实现了数据的分布式存储和计算的分布性。GeoBeans 为用户提供一体化解决方案，提供了数据转换、数据编辑、数据管理、数据分析和信息浏览等服务。

2.4 3D GIS

3D GIS是随着计算机可视化技术的发展和2D GIS的成熟，在20世纪 90年代初开始为人们所关注的。在传统的GIS领域内，信息主要是以二维平面地图的形式呈现给使用者。这种形式继承了普通二维地图显示的特点，对移动设备的硬件条件要求较低，数据传输量较小，但其直观性较差。信息的表现方式与最终使用者直接接触，是服务质量及效果最直观的体现。因此，GIS的数据表现方式也直接影响着GIS对用户的适用度。进入 20世纪 90年代后，三维可视化与虚拟现实技术的迅猛发展使得建立 3D GIS成为可能。2.4.1 3D GIS产生背景

人类是生活在三维空间中的，如果再算上时间维，则是生活的四维空间中的。现实生活中的三维现象普遍存在，如飞机在天上飞行，汽车在地面奔驰，矿井在地下延伸。地球上的一切物体或活动都可以用一对（x，y，z）来描述它们的空间位置。

2D GIS的本质是将 3D现实世界中的地物与地理现象投影到某一二维平面（通常为XY平面）上进行表达，虽然简化了空间信息理解与表达过程，却损失了空间信息量（尤其是高程信息和3D拓扑空间信息），是以牺牲空间信息的真实性和完整性为代价的。3D GIS正是针对2D GIS的这一本质缺陷，试图直接从 3D空间的角度去理解和表达现实世界中的地物、地理现象及其空间关系。

3D GIS就是从数据结构到空间查询再到建模分析，都建立在三维数据模型基础上的地理信息系统。3D GIS功能的实现以及实用系统的开发，关键在于三维数据模型与数据结构、三维空间关系与空间分析以及三维可视化等关键问题的解决。3D GIS对客观世界的表达能给人以更真实的感受，它以立体造型技术给用户展现地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系；另外，对空间对象进行三维空间分析和操作也是 3D GIS特有的功能。它具有独特的管理复杂空间对象能力及空间分析的能力，今天已经深入到社会的各行各业中，如土地管理、电力、电信、水利、消防、交通以及城市规划等。2.4.2 三维可视化技术

3D GIS是一个综合性的研究领域，包括了计算机图形技术、三维可视化技术、虚拟现实技术、空间数据结构技术以及三维空间交互与分析技术等多项技术。这里重点介绍一下三维可视化技术的有关内容。

1．三维可视化的概念

可视化（Visualization）是指一系列的转换，这种转换将原始模拟数据转换成可显示的图像，其目的在于将信息转换成可被人类感知系统理解的某种形式，涉及计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、人机交互和计算机视觉等多个领域。简单一点理解，可视化就是利用计算机图形技术和方法，对大量的数据进行处理，用图形、图像的形式，形象而具体地显示出来，通过将科学计算过程及计算结果所产生的枯燥的数据转换成直观的图形和图像信息，来仿真人脑映像的构造过程，帮助人们洞察数据所蕴含的关系和规律，以支持用户的判断和理解。通过交互式的图形、图像系统，能便捷地获得关于数据的直观、形象、深刻和全面的理解。

三维可视化就是以三维立体的形式来表现数据的技术和方法。与传统的二维空间数据表达相比，三维可视化技术对空间现象的表达有完全不同的数学模型和表达方式。在数学投影方面，三维显示将所有的三维向量以一个倾斜的角度进行投影和表达，通过一个三维的透视将场景显示于CRT或其他的计算机平面显示器上；在可视表现方面，三维可视化通过纹理的使用，大大提高了场景的逼真效果，具有更为自然的效果和更为直观的感知，也具有更多的吸引力。

2．三维可视化流程

经过建模处理后的各类地形地物，要想真实地显示在计算机屏幕上，需要经过一系列必要的变换，包括数据预处理、几何变换、选择光照模型和纹理映射等。

三维可视化的一般流程如图2-14所示。图2-14 三维可视化流程（1）数据预处理

数据预处理主要包括：将建模后得到的物体的几何模型数据转换成可直接接受的基本图元形式，如点、线、面等；对影像数据（如纹理图像）进行预处理，包括图像格式转换、图像质量的改善及影像金字塔的生成等。（2）参数设置

参数设置指在对三维场景进行渲染前，需要先设置相关的场景参数值，包括光源性质、光源方位、明暗处理方式和纹理映射方式等。此外，还需要设定视点位置和视线方向等参数。（3）几何变换

几何变换是生成三维场景重要基础和关键步骤，包括坐标变换和投影变换。

① 坐标变换

坐标变换是指对需要显示的对象进行平移、旋转或缩放等数学变换。在三维图形的显示和内部计算中，一般假定所有的顶点都用四维齐次坐标表示，即以（x，y，z，w）的形式，等价于（x/w，y/w，z/w，w/w）。模型中使用的三维坐标（x，y，z）等价于四维齐次坐标（x，y，z，1）。

对需要显示的三维模型进行模型变换，其变换后的结果可以用下式描述：[x' y' z' 1 ]=[x y z 1]T　（2-1）

其中，T是一个4×4的变换矩阵，是模型坐标经过平移、旋转和反射等各种变换后的结果。

② 投影变换

投影变换是指选取某种投影变换方式，对物体进行变换，完成从物体坐标到视点坐标的变换，它是生成三维模型的重要基础。投影变换分为透视投影变换和正射投影变换两类。投影方式的选择取决于显示的内容和用途。透视投影类似于人眼对客观世界的观察方式，最明显的特点是按透视法缩小，物体离相机越远，成的像就越小，因而广泛用于三维城市模拟、飞行仿真、步行穿越等模拟人眼效果的研究领域。正射投影的物体或场景的几何属性不变，视点位置不影响投影的结果，一般用于制作地形晕渲图。

透视投影空间是在观察坐标系下定义的，如图2-15所示。图2-15 透视投影变换视景体

其对应的透视投影变换矩阵P表示为：

其中，l≠r，t≠b，n≠f。l（left），r（right），b（bottom），t（top），n（near），f（far）的含义如图2-21所示。

图2-22表示用于正射投影变换的视景体，其对应的透视投影变换矩阵O表示为：

其中，l≠r，t≠b，n≠f。l（left），r（right），b（bottom），t（top），n（near），f（far）的含义如图2-16所示。（4）纹理映射

在三维可视化过程中，纹理映射是其最为成功的技术之一。纹理映射就是在三维模型的灰度图上增加纹理使其成为具有纹理属性的三维模型，它是通过将图像粘贴于几何表面来增强图形的真实感。纹理映射是建立逼真场景的重要手段。光照模型可以按照高程值进行过渡着色或分层设色，但通过三维模型的构造和真实纹理映射就能够获得十分逼真的三维地形景观。图2-16 正射投影变换视景体

影像数据作为纹理特征来增强图形的真实感，其对于弥补三维模型几何数据描述的不足和提高可视化效果具有重要意义，并且可以在很大程序上减轻图形硬件的负担，提高图形渲染速度。由于影像数据占用较大的内存空间，一般计算机图形渲染设备限制了单次装载影像的大小。而实际情况下，地形与建筑物影像的范围远远大于这一规模，这就需要根据纹理分辨率的视点相关性来生成多分辨率的纹理。在大范围三维场景内，模型不同部分距离观察者的远近有所不同。对于离观察者较远的部分，可使用较低分辨率的影像；较近的部分则使用较高分辨率的影像来进行纹理映射。对于地面的三维地物模型建筑物，可以根据建筑物的高度和复杂程度确定其表面纹理的分辨率。对于较高、复杂和典型的建筑物模型使用较高的分辨率；反之，使用较低的分辨率。（5）实时消隐

通常我们看到的三维物体，是不能一眼看到其全部表面的。从一个视点去观察一个三维物体，必然只能看到该物体表面上的部分点、线、面，而其余部分则被这些可见部分遮挡住。如果观察的是多个三维物体，则物体之间还可能彼此遮挡而部分不可见。因此，如果想有真实感地显示三维物体，必须在视点确定后，将对象表面上不可见的点、线、面消去。执行这一功能的算法，称为消隐算法。

消隐算法将物体的表面分解为一组空间多边形，研究多边形之间的遮挡关系。按操作对象的不同，可分为两大类：对象空间方法和图像空间方法。对象空间方法是通过分析对象的三维特性之间的关系来确定其是否可见，例如，将三维平面作为分析对象，通过比较各平面的参数来确定它们的可见性；图像空间是对象投影后所在的二维空间，图像空间方法是将对象投影后分解为像素，按一定的规律，比较像素之间的Z值，从而确定其是否可见。2.4.3 3D GIS数据组织

3D GIS中的数据主要包括栅格影像数据（DOM）、矢量要素数据（DLG）、地形数据（DEM）和三维模型数据等，数据量非常巨大，往往达到几百 GB，甚至 TB 级。面对如此海量数据，采取何种组织方式显得尤为重要。

1．矢量数据组织

矢量数据是一种最为广泛使用的空间数据，在3D GIS中的矢量数据主要用来表达空间要素信息，如道路、河流、注记等。矢量数据有多种存储表达方式，如基于文件的shapefile、TAB等，基于空间数据库存储的Geodatabase等，基于XML描述的GooglekmL等。这几种矢量数据格式都是目前国际上通用的数据格式，能够方便地进行数据转换和共享。

与传统文件相比，空间数据库有明显的优势，包括海量数据管理能力、图形和属性数据一体化存储、多用户并发访问（包括读取和写入）、完善的访问权限控制和数据安全机制等。空间数据库正在逐步取代传统文件，成为越来越多的大中型 GIS 应用系统的空间数据存储解决方案。国内外许多公司提出了空间数据库的解决方案，其中 ESRI的Geodatabase 是最为常用的一种。Geodatabase 是一种采用标准关系数据库技术来表现地理信息的数据模型，支持在标准的数据库管理系统（DBMS）表中存储和管理地理信息。

2．三维模型数据组织

三维模型数据也是 3D GIS主要的数据源之一。尤其在城市场景中，由于城市地势平坦，很难显示地形的三维效果，主要是通过城市建筑模型和设施模型来体现城市三维场景，如图2-17所示。应用不同的第三方建模工具构建的模型有不同格式，如max、3ds、ma、mb 等，这些模型格式拥有不同的数据结构，组织方法各不相同，在三维系统中渲染时所需的接口差别很大，不利于数据共享。为了解决这一问题，必须统一模型格式，考虑到数据共享和扩展的便利性，可选用微软的模型组织格式（.x）为统一的模型数据格式，其他建模工具建立的模型统一转换到.x格式。图2-17 三维模型示例

3．地形与影像数据组织

3D GIS中的地形数据主要是指数字高程模型（DEM）数据，有规则格网、不规则三角网（TIN）和等高线3种形式。规则格网DEM基于栅格结构组织，在X方向和Y方向上按等距离方式记录点的坐标，是利用一系列在X、Y 方向上都是等间隔排列的地形点的高程Z表示地形，形成一个矩阵格网DEM。在这种情况下，除了基本信息外，DEM就变成了一组规则存放的高程值。由于矩阵格网DEM存储量最小（还可以进行压缩存储），非常便于使用且容易管理，因而是目前运用最广泛的一种数据结构形式。但其缺点是不能准确地表示地形的结构，在格网大小一定的情况下，无法表示地形的细部。

为了提高三维系统的显示效率，可利用基于四叉树的LOD 模型对地形、影像数据作分层分块预处理，建立一系列“金字塔”结构的数据集。金字塔是一种多分辨率层次模型，在地形场景绘制时，在保证显示精度的前提下为提高显示速度，不同区域通常需要不同分辨率的数字高程模型数据和纹理影像数据。数字高程模型金字塔和影像金字塔则可以直接提供这些数据而无需进行实时重采样。尽管金字塔模型增加了数据的存储空间，但能够提高渲染地形的效率。分块的瓦片金塔模型还能够进一步减少数据访问量，提高系统的输入输出执行效率，从而提升系统的整体性能。当地形显示窗口大小固定时，采用瓦片金字塔模型可以使数据访问量基本保持不变。瓦片金字塔模型的这一特性对海量地形实时可视化是非常重要的。2.4.4 现有典型3D GIS产品

利用 3D GIS二次开发工具来开发 3D GIS软件，既能实现3D GIS的基本功能，又能提高开发效率，是一种比较理想的3D GIS开发方法。现阶段国内外比较成熟的3D GIS软件有多种，如Terra Vista、Skyline、TerrainView、灵图的VRMap等。

1．Terra Vista

Terra Vista是美国Terrain Expert公司的产品，曾在军事仿真领域广泛应用。其特点是三维地形模型采用三角网表示、地表纹理可以采用遥感影像或其他模拟影像。由于其采用三角网表示地形，所以其地形模拟表现特别真实，在浏览过程中，显得特别流畅、自然，其模型支持大数据量浏览。其缺点在于：在矢量数据表达方面具有较大缺陷，其矢量数据必须在建立三维模型的同时嵌入系统，如果发现矢量数据需要修改，三维模型必须重建。同时，Terra Vista对矢量数据的管理功能相对较差，不能实现实时查询等功能，也不支持网络浏览。

2．Skyline

Skyline是美国Skyline公司的产品，该产品包括建模工具Terra Builder、网络发布工具Terra Gate、场景编辑模块Terra Explorer Pro和浏览器Terra Explorer，另外可以支持第三方开发工具。Skyline的优点在于：对于海量三维地形库场景的浏览速度几乎与数据量无关，具有与Google Earth类似的可操作性能，同时提供根据地名、场景地物定位等功能。

在Skyline 创建的三维地形库模型中，地理配准的影像数据和数字高程模型数据的数学精度得到很好的保证，因此，在三维场景中进行高程、高差、坡度、地形剖面、距离、面积的测量，可以保证其数学精度。可将矢量数据在线或离线加载到三维地形场景中，同时可以根据属性数据项设置多种符号透明叠加到三维场景中。

Skyline可以实现两类业务功能：加载行政区和地名点矢量数据，提供行政区定位、地名点定位功能；加载业务矢量数据（例如土地利用、地质灾害等到），在三维场景中了解业务数据分布，同时获得特定地理现象所处的真实地理环境和地形起伏信息。Skyline还具有基于三维场景的三维分析功能，提供了视域分析、视线分析、基于地形的最优路径分析、地形剖面分析和动态生成等高线等多种分析功能；具有网络发布功能，用户通过Terra Gate和Internet可以在远程浏览Skyline的三维模型；支持二次开发，用户可以定制软件的功能。

3．VRMap

VRMap是北京灵图软件技术有限公司开发的三维场景显示与管理系统，具有基本的GIS功能，可以在三维场景管理二维GIS矢量数据，实现空间、属性查询，支持大数据量的纹理。该系统分为VRMap标准版、VRMap专业版和VRMap企业版。其中，VRMap标准版包含VRMap三维场景制作工具和VRMap浏览工具两部分，提供三维地理信息系统场景的浏览、制作与三维GIS分析功能，支持平台标准插件功能，支持场景浏览、编辑和分析，适用于三维 GIS 场景制作和成果展示。VRMap 专业版完全包含标准版所有功能，支持VRMap标准插件功能，集成了具有工业标准的VBA二次开发集成环境，支持插件二次开发功能。

2.5 LBS中的GIS

GIS是LBS最为重要的技术支撑，是为LBS用户提供地理环境信息的基础平台。没有GIS提供的支持，LBS就很难为用户提供有效的信息服务。对于LBS而言，GIS已经不仅仅是简单的技术应用或拓展，而是LBS产生和赖以生存的前提和基础。2.5.1 LBS对GIS的应用需求

LBS需要GIS为其提供对基础地理环境信息的存储、显示、查询和分析等基本功能，并为定位点显示、路径导航和兴趣点查询等特定功能操作提供基础平台。LBS对GIS的应用需求可分为数据需求、功能需求和精度需求3个方面。

1．LBS对数据的需求

LBS一个重要服务是为用户提供相关的和感兴趣的地理信息。因此，它必须具备相当规模的地理数据。LBS存储的地理数据可以分为空间数据和属性数据。其中，空间数据表示物体几何属性（或称空间属性），包括物体在地理空间的分布及相互关系、物体的空间位置、图形特征和拓扑特性等；属性数据表示物体的其他物理特性，如地物类型、面积、大小、价位和特点等。由于LBS终端的存储能力和处理速度限制以及工作环境的要求，在LBS中往往只是对感兴趣的数据进行详细的描述，而对其他数据进行省略或作为底图简化显示。如当LBS用于车辆导航时，对交通要素有着比较严格的需求，如道路的等级、宽度，是否单行，是否禁止左转，高速公路的出入口等信息都需要进行记录，而对于管线、航道、水系、居民地等要素则可以简化或者忽略。

2．LBS对功能的需求

LBS的大部分服务功能实际上都需要GIS的支持。缺少GIS，LBS系统对用户而言就简化成为一个普通的只能显示坐标信息的定位仪。因此，LBS的功能在很大程度上依赖于GIS。例如，用户需要在一个可视化的场景中了解自己所处位置，这就需要地图显示功能；用户需要通过人机交互方式查询周边感兴趣的环境信息，这需要地理查询功能；还有地图操作、路网分析等功能，都是 LBS的一些基础性功能。当然，LBS还需要在GIS 提供的基础性功能上，开发和增加一些与实际应用相关的功能，如定位系统接口、视频接口、兴趣点标示和信息关联查询等。除此之外，由于LBS的移动特性和移动环境应用需求，大部分的LBS系统需要移动GIS平台支撑。

3．LBS对精度的需求

LBS的一个重要基础就是对移动目标的定位。用户可以通过定位系统获得的坐标来精确标识自身的位置，并将目标位置标示在电子地图上。对LBS而言，地理数据精度和显示精度的需求主要受到定位精度和用户对该要素关注程度的影响。由于目前移动定位系统的定位精度还不够高，因此对LBS内部的GIS精度要求也不太高，只要能够满足一定的位置指示作用，即能够清晰地表达不同地理目标的相互位置关系即可，并且对大部分的线目标和面目标数据都可以进行简化。但是从另一方面来看，对于某些与用户应用相关或用户感兴趣的地物信息，由于其直接关系到用户的信息查询精度和交互体验感受，又需要具备较高的精度。2.5.2 GIS在LBS中的应用模式

GIS是LBS用户获取信息的重要基础。一方面，用户通过GIS的电子地图与系统进行交互，包括选择浏览的区域和目标，设定行动路线等；另一方面，GIS 可将查询分析的结果在电子地图上以图形化的方式展现给用户。尽管由于LBS类型的多样化导致GIS在其中的应用模式也会有多种类型，但是具体归纳起来可以将其分为离线状态下的应用、网络环境下的应用、静止状态下的应用和移动状态下的应用。

1．离线状态下的GIS应用

离线状态是指LBS对信息服务的提供与获取不需要网络的支持，所有服务都在LBS终端本地完成。该模式要求LBS终端具有独自提供、存储与获取空间信息服务的能力，该模式下的LBS主要是空间数据与服务功能的准备。

离线状态下的LBS，其基础地理数据全部在终端本地存储与管理，其服务功能也是通过终端上的GIS在本地完成。这种应用模式的特点是系统的响应速度快，但是在针对需要实时动态更新的信息服务方面显得无能为力。

2．网络环境下的GIS应用

网络环境下的LBS主要在信息网络传输的基础上实现信息服务功能。网络环境下的LBS与离线状态下的LBS主要区别就是在建立信息服务过程中对数据的准备、处理和提供方式的不同。网络环境下的LBS，其GIS应用模式有以下两种不同类型：一类是LBS终端设备与中心服务器进行信息传输，下载所需的空间数据并存储到本地，在本地的GIS平台上进行各类信息处理操作；另一类是将各类服务功能放在中心服务器上运行，LBS终端设备只提供与用户的交互，终端将交互信息传送给中心服务器，中心服务器根据用户要求在GIS平台上进行信息处理，然后将处理结果返回给终端设备。Web GIS就属于后一类GIS应用模式。

网络环境下的LBS，其基础地理数据全部在中心服务器中存储与管理，甚至其大部分服务功能也是在中心服务器上完成。这种GIS应用模式的特点是对终端要求不高，地理数据更新及时，但系统的响应速度慢，且对通信网络依赖程度较高。随着 3G移动通信网络的发展和相关技术的发展，无线网络模式将成为未来的发展趋势。

3．静止状态下的GIS应用

在静止状态下，LBS用户通过鼠标、键盘等交互手段向电子地图发出指令，而电子地图则将系统的运行结果反馈给用户。静止状态下的GIS应用主要包括下面几个方面。（1）地图浏览：通过放大、缩小、漫游等操作对感兴趣的区域进行详细的浏览，获得该区域内相关的地理信息和人文信息；（2）目标查询与定位：对特定的地理实体或地理实体集进行查询，并获得它们的位置信息、属性信息以及它们同其他用户感兴趣的地理实体之间的关系；（3）路径规划：根据用户输入的起始点（或当前位置）和目标点，以及其他一些特殊的约束条件，规划出一条满足用户需要的路径，如用户可以设定要求路径距离最短或者耗费时间最短，可以设定只能通过某个等级的道路或者制定避开某些路口等；（4）其他一些分析功能：根据不同的应用需要不同的GIS还包括一些其他特定的分析处理功能。

在静止状态下的GIS应用主要有下面两个特点。一方面，在GIS中对电子地图操作应用到的数据量较大。静止状态下用户对电子地图的浏览通常是不规则的，浏览范围一般也无法确定。用户可能需要通过电子地图对某个区域有一个总体上的认识，也可能需要知道某个地理实体周围的详细情况。这时就需要进行大量的数据操作，包括对多比例尺数据的嵌套显示，多幅图数据的拼接显示等。另一方面，由于在静止状态下，用户位置是确定的，系统对GIS响应的实时性要求相对较低，特别是对地图浏览以及分析查询等操作的实时性要求同移动状态下相比明显要小得多，一般能在用户可容忍的时间范围内作出响应即可。

4．移动状态下的GIS应用

在移动状态下，LBS用户对GIS自身的信息存储和处理能力提出了更高的要求。GIS需要能根据用户预先的安排进行实时分析和处理，并将各种信息和处理结果进行突出的显示，通过各种手段去提醒用户作出决策。移动状态下的GIS应用主要包括以下几个方面。（1）地图漫游：GIS通过放大、缩小、漫游等操作对感兴趣的区域进行详细的浏览，获得该区域内相关的地理信息和人文信息；（2）当前位置显示：GIS通过闪烁等突出显示的方式实时向用户提供当前的位置信息；（3）信息提示和发布：GIS 通过音频、开窗显示等方式向用户提供用户可能感兴趣的相关信息。

在移动状态下的GIS应用主要具有以下两个特点。一方面，在移动状态下，用户对电子地图的操作明显减少。移动状态下，用户只能利用很短的时间对电子地图进行单击等简单的操作。而GIS则通常是按照用户事先规划的操作运行，因此可对需要应用到的数据进行预先的加载和处理。另一方面，在移动状态下，由于终端位置的移动性，导致系统对GIS电子地图漫游和屏幕刷新要求较高，需要电子地图能够实时地根据当前用户所在的位置更新地图的显示。因此移动GIS中对电子地图的处理应该具有很高的效率。

第3章 移动定位技术

移动定位是指获得在参考坐标系下移动物体的空间位置信息，它既是LBS应用的起始点，也是LBS研究的重点。本章3.1节介绍移动定位技术的基本概念，并对其定位精度进行分析，3.2节介绍移动通信基站定位技术相关内容，3.3节介绍卫星定位相关内容，第四节介绍移动定位技术的发展。

3.1 移动定位技术概述

近年来，移动定位技术受到越来越多的关注，推动了对移动定位技术的研究及测距技术的发展。据统计，2004年在国际上各种移动通信业务用户数排名中，定位业务用户已超过移动电子商务、移动银行等增值业务，仅低于语音业务而位居第二。移动定位技术代表着全新的商机，代表着移动技术发展的一个新阶段。3.1.1 移动定位概念

空间位置信息一般包括与移动终端有关的坐标（二维或三维），通常指移动终端所处位置的经度、纬度和高度信息。移动定位技术就是指通过无线终端和无线通信技术的配合，确定移动用户的实际位置信息。由于移动定位技术是位置信息服务最为基础和核心的技术，因此人们经常将移动定位与位置服务理解为同一个概念。

移动定位技术的基本原理是：移动目标通过与多个已知坐标位置的固定基站（地面或空中）进行交互，获得相应测量参数后，利用适当的处理方法获得移动目标在空间中的位置。测量参数一般包括无线电波的传输时间、幅度、相位和到达角等。

移动定位技术研究可以追溯到第二次世界大战时期的军事应用，民用方面始于对自动车辆定位的研究。Stansfield 于1947年提出了基于AOA 测量的无源目标跟踪（Passive Target Tracking）问题，1996年美国联邦通信委员会（FCC）的E-911法令，对定位技术在网络设备和手机中定位精度做出明确的规定：基于蜂窝网络定位，要求定位精度在100m以内的概率不低于67％，在300m以内的概率不低于95％；基于网络辅助定位，要求定位精度在50m以内的概率不低于67％，在150m以内的概率不低于95％。

美国国家标准化协会（American National Standards Institute，ANSI）与欧洲电信标准化协会（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）提交了位置服务系统的标准，规定采用增强观测时间差分（E-OTD）、到达时间（TOM）和辅助GPS（A-GPS）作为对起源小区技术（COO）的补充。3.1.2 移动定位技术分类

作为对移动定位技术的发展有着非常重要意义的法规，E-911 条例促使大多数公司和研究者将定位技术分为三大类，即基于网络的定位技术（Network-based Technology）、基于移动终端的定位技术（Handset-based Technology）以及基于网络与移动终端的混合定位技术。

1．基于网络的定位技术

网络利用移动终端传来的信号计算出移动终端位置的定位称为基于网络的定位。由一个或多个基站执行测量，在网络侧进行定位结果的计算，在蜂窝网络中也称为反向链路定位系统。

基于网络的定位技术，由多个固定位置接收机同时检测来自移动终端的信号，经计算并将与移动终端位置有关的特征信息送到网络中的移动定位中心进行处理，由集成在移动定位中心中的位置计算功能模块计算出移动终端的估计位置，并将测量结果传送给移动终端。基于网络的定位系统的优点在于能利用现有的蜂窝系统，只需对网络设备作适当的扩充和修改，而无需改动现有的移动终端即可实现。

2．基于移动终端的定位技术

移动终端利用来自多个基站的信号计算出自己的位置称为基于移动终端的定位。由移动终端执行测量并计算定位结果，在蜂窝网络中也叫前向链路定位系统。其定位过程是由移动终端根据接收到的多个已知位置发射机发射信号携带的某种与移动终端位置有关的特征信息（如场强、传播时间或时间差、入射角等）确定其与各发射机之间的几何位置关系（相对于这些发射机的距离或者方向），再由集成在移动终端中的位置计算功能模块，根据有关定位算法计算出移动终端的估计位置。

移动终端定位系统包括全球定位系统（GPS）、基于移动终端发送和接收信号的定时或角度的覆盖三角技术（EOTE、TOA）以及来源蜂窝小区（Cell of Origin，COO）。

3．混合定位技术

混合定位即是将上述两者有机结合在一起对位置进行定位，它结合了基于网络的定位技术与基于终端的定位技术这两者的优点。基于网络与终端的混合定位方法主要有网络辅助定位（A-GPS）、终端辅助定位和GPS辅助定位等。

由于无线通信信道的极度随机性以及现有各种不同移动通信系统的并存，加之不同的应用对定位服务质量的要求又有较大差异，因此在不同的服务系统中采用不同的定位方法以适应不同的无线环境，为不同种类的应用提供定位服务。目前，全球范围内应用较多的移动定位技术主要有基于网络或STK/UTK卡的Cell ID或COO（Cell of Origin）、TOA/TDOA技术、E-OTD技术以及A-GPS、GPSOne技术。国内GSM网络在现阶段多采用简单的Cell ID定位，CDMA网络则采用GPS、AFLT、Cell ID的混合定位GPSOne。在WCDMA系统中提供了 3种定位技术：基于Cell ID的定位技术、OTDOA -IPDL定位技术和网络辅助的GPS定位技术，这3种技术可以在不同情况下使用。3.1.3 移动定位精度分析

移动定位的定位精度主要受到电波传播环境、接收器设计、噪声和干扰特性、同一位置冗余测量的数量、采用信号处理的复杂度等多方面的影响。在实际的移动定位系统中，误差主要由基站检测设备带来的误差和信道误差两个部分组成。其中，信道误差是目前研究的重点。信道误差主要来源于两大因素。（1）多径传播

无线信号的多径传播会对移动台和基站之间实际距离和方位的直射路径信号的角度和时延产生较大的干扰，使基于角度和时间测量的定位方法产生较大误差。窄带系统中各多径分量重叠将造成相关峰位置偏差，宽带系统能够在一定程度上实现对多径分量分离，改善定位精度。但是若反射分量大于直达分量、干扰影响等均会引起精度降低。目前已提出一些抗多径传播的有效方法，如高阶谱估计、最小均方估计以及扩展的卡尔曼滤波（EKF）等。（2）非视距传播

非视距传播是移动定位另一个主要误差源。即便是在无多径效应和采用高精度定时的情况下，非视距传播也会引起TOA或TDOA测量误差。因此，如何降低非视距传播的影响是提高定位精度的关键。由于对非视距传播模型以及所带来的误差概率统计特性仍然缺乏足够的认识，至今还没有一个完全有效的方法来解决这一个问题。3.1.4 移动定位技术选择

在移动通信系统中要实现对移动终端的定位，必须选择合适的定位系统及合适的定位技术。一个最优的定位系统应以最低的代价（计算复杂度）得到最高的定位精度，并且有良好的可靠性和稳健性。在选择定位系统和定位技术时，通常要考虑以下几个因素。（1）定位精度：定位精度直接影响到定位服务的质量，是定位技术性能最重要的体现，对精度的要求很大程度上决定了定位技术的选择。但实际上，不同的定位服务要求的定位精度差异很大。例如，基于位置的计费或信息服务等业务只需要达到小区级别的精度就可以了，但对于紧急业务和车辆导航等，则需要较高的精度。定位服务并不一定都要求技术最好和功能最强，而是要根据不同的定位服务选择当前合适的技术，以较小的成本代价获取最大的盈利。（2）覆盖能力：覆盖能力是定位技术性能的另一个重要体现。有些定位技术需要定位网络的连续覆盖，以完成定位的多点测量。在移动通信网络中，随着业务量的不同，城市、郊区和偏远地区基站的密集程度有着相当大的差异。在一些城市中心，基站之间距离只有一二百米，而偏远地区则可能达到几十公里甚至上百公里。对于网络多点测量技术就很难保证其定位网络的连续覆盖。（3）投资成本：选择定位方案时，最好的技术并不一定是最好的选择。一般来说，精度高的定位技术需要更高的软硬件配置，从而增加了运营成本。提供的定位精度越高，相应的投资成本也越高。对于运营商来说，在满足定位精度要求的前提下，一般愿意选择投资小的技术方案。（4）是否支持现有基站：基于基站和网络辅助的定位技术通常需要对现有基站进行更换或升级。这对于用户而言，可能会因此放弃或延迟选择定位服务业务。而对于生产商来说，必须及时批量生产出与定位技术配套的基站，以满足市场的需要。这会对业务开展带来一定的阻力。（5）现有网络是否支持：基于网络的定位，大多需要网络满足某种标准协议或版本，故选择定位技术时应首先考虑网络是否支持，是否需要大量的网络升级。

3.2 移动通信基站定位技术

利用移动通信基站进行定位是近年来移动通信应用发展的新方向，也是第三代移动通信研究的一个重要方向。随着移动通信技术的发展，人们在全球范围内建立了大量的通信基站，利用通信基站作为无线定位基站成为移动通信网络提供LBS业务的新途径，使得移动通信终端也具备了定位功能，并进一步降低了移动定位的成本，增强了移动通信功能的实用性。3.2.1 移动通信基站定位基本原理

移动通信基站定位从定位计算的原理上大致可以分为3种类型：基于三角关系和运算的定位技术、基于场景分析的定位技术和基于临近关系的定位技术。

1．基于三角关系和运算的定位技术

这种定位技术根据测量得出的数据，利用几何三角关系计算被测物体的位置，它是最主要的也是应用最为广泛的一种定位技术。基于三角关系和运算的定位技术可以细分为两种：基于距离测量的定位技术和基于角度测量的定位技术。（1）基于距离测量的定位技术

这种定位技术首先需要测量己知位置的参考点（A、B、C 3点）与被测物体之间的距离，然后利用三角知识计算被测物体的位置，如图3-1所示。一般来说，如果要计算被测物体的平面位置（即二维位置），则需要测量3个非线性的距离数据；同理，如果要计算被测物体的立体位置（即三维位置），则需要测量4个非线性的距离数据。在具体的应用环境下，需要测量的距离数据数目可能要少一些。如在某些定位系统中，参考点总是位于被测物体之上，所以只需要测量3个距离数据就可以确定被测物体的三维位置。

具体而言，距离测量的方法包括：直接通过物理动作和移动来测量参考点与被测物体之间的距离；测量参考点与被测物体之间的无线电波传播时间；测量无线电波能量从参考点与被测物体之间的衰减。图3-1 基于距离测量的定位原理示意（2）基于角度测量的定位技术

基于角度的定位技术与基于距离测量的定位技术在原理上是相似的，两者主要的不同在于前者测量的主要是角度，而后者测量的是距离。一般来说，如果要计算被测物体的平面位置（即二维位置），则需要测量两个角度和一个距离（虚线表示），如图 3-2 所示。同理，如果要计算被测物体的立体位置（即三维位置），则需要测量3个角度和一个距离。基于角度测量的定位技术需要使用方向性天线，如智能天线阵列。

2．基于场景分析的定位技术

这种定位技术对定位的特定环境进行抽象和形式化，用一些具体的、量化的参数描述定位环境中的各个位置，并用一个数据库把这些信息集成在一起。观察者根据待定位物体所在位置的特征查询数据库，并根据特定的匹配规则确定物体的位置。由此可以看出，这种定位技术的核心是位置特征数据库和匹配规则，它本质上是一种模式识别方法。

3．基于临近关系的定位技术

基于临近关系进行定位的技术原理是：根据待定位物体与一个或多个已知位置的临近关系来定位。这种定位技术通常需要标识系统的辅助，以唯一的标识来确定已知的各个位置。这种定位技术最常见的例子是移动蜂窝通信网络中的Cell ID，如图 3-3所示。图中黑点表示的是 3个待定位物体，它们分别位于3个不同形状的区域中。因为各个区域的位置是已知的，所以待定位物体的位置也就可以确定了。基于临近关系定位技术的应用非常广泛，除了Cell ID以外，其他的例子还有Active Badge Location System和Carnegie Wireless Andrew等。图3-2 基于角度测量的定位原理示意图3-3 基于临近关系的定位原理示意3.2.2 场强定位法

这种方法主要是利用移动目标靠近或远离基站时所带来的信号衰减变化来估计移动目标的方位。如果移动目标发出的信号功率已知，那么在另一点测量信号功率时，就可以利用一定的传播模型估计出移动目标与该点的距离。

1．定位原理

场强定位法的理论依据是无线信号的大尺度传播模型。在大尺度传播模型中，如果基站采用全向天线，则基站信号功率的衰减为信号传播距离的函数。因此，根据基站发射功率和移动目标接收功率，便可计算出信号的传播距离，移动目标则位于以基站为圆心，两者距离为半径的圆上。对不在同一直线上的3个基站进行测量，由此确定的3个圆的交点即为移动目标的位置，如图3-4所示。

通过测量接收信号的场强值和已知的信道衰落模型及发射信号的场强值，估计收发信机之间的距离，根据多个距离值计算出移动终端的位置。由于多数移动终端的天线是多向发送的，因此信号功率会向所有方向迅速消散，如果移动终端发出的信号功率已知，那么在另一点测量信号功率时，就可以利用一定的传播模型估计出手机与该点的距离。图3-4 场强定位原理示意

2．定位精度

场强定位方法是定位技术中最不可靠的一种。在蜂窝网络中，场强测量值的误差通常较大，由于小区基站的扇形特性，天线有可能倾斜以及无线系统的不断调整，多径和阴影效应，都会对信号场强产生不同程度的影响；由于阴影衰落效应，若采用不合适的路径损耗模型时会造成较大的标准偏差。

3．使用条件

场强定位方法适用于已有标准信号强度测量报告的系统。在GSM中，可以在移动终端处于激活状态下，直接利用标准测量报告就可满足定位需求，系统升级简单，且不需改动现有移动终端，但在定位准确度要求较高时不宜采用这种技术。3.2.3 起源蜂窝小区定位法

获取移动目标当前所在小区的ID从而得到其位置信息，是最简单的一种定位方法，也是当今无线网络中广泛采用的定位技术。另外，它也能为基于位置的计费和信息需求提供服务。由于小区是任何无线蜂窝系统的固有特性，只需对当前系统作很少改动就可适用这种技术。起源蜂窝小区定位技术可以发展为基于网络或基于移动目标的实现方式。前者由网络获取移动目标所处于小区的ID，无需对移动目标作任何改动，但这样只能在移动目标处于激活态下才能进行。后者需要在每个小区广播本小区基站的地理坐标，移动目标根据所在小区的广播信息，获知自己的位置信息。

起源蜂窝小区定位技术实际上是基于临近关系的定位，它是根据移动终端所处的小区标识号（Cell ID）来确定移动终端的位置，无需对移动终端和网络进行升级，仅需在现有网络中增加一些定位软件即可直接向现有的移动用户提供最基本的基于位置的定位服务。

小区定位技术的定位精度取决于小区的大小，与其他方法相比，其精度最低，误差一般大于125m。例如，在使用微小区的城市中心地区，小区直径只有150m左右；而在使用宏蜂窝的业务量稀少的偏远地区，小区直径可以从几公里到几十公里，基于小区ID的定位很难满足较高精度定位的需求。

基于小区 ID 的定位方法的最大优势是响应十分快，它确定位置信息的响应时间约为3s左右，而且如果采用基于网络的实现方式，无需对手机升级，就可直接向现有用户提供基于位置的服务。3.2.4 信号到达角定位法

信号到达角（Angle of Arrival，AOA）定位技术最初由军方和政府机构共同研发，后来被运用到模拟无线通信中。由于数字移动通信具有信号短和信道共享的特点，该技术很难成功用于数字系统。该技术的一般版本叫“小缝隙方向寻找”。它需要在每个蜂窝小区的基站放置 4～12 组天线阵列，这些天线阵列共同工作，由此确定移动设备发送信号相对基站的角度。当有不少于两个基站都发现了该信号源的角度时，分别从这些基站的角度引出射线，这些射线的交点就是移动目标的位置，如图 3-5所示。图3-5 信号到达角定位原理示意

1．定位原理

信号到达角定位技术是由两个或更多基站通过测量接收信号的到达角来估计移动用户的位置。接收机通过天线阵列测出电波的入射角，从而构成一根从接收机到发射机的径向连线，即方位线。基站利用接收机天线阵列测出接收到的移动终端发射电波的入射角（信号的方向），构成从接收机（基站）到移动终端的径向连线，即方位线。两根连线的相交点即为移动终端的位置。两个基站的到达角测量就能确定目标移动终端的位置。利用两个或两个以上接收机提供的到达角测量值，按到达角定位算法确定多条方位线的焦点，即为待定位移动终端的估计位置。

2．定位精度

当移动终端距离基站较远时，基站定位角度的微小偏差会产生定位距离的较大误差。多径传播和其他环境因素的影响，也会严重影响定位精度。在室内环境下，周围的物体或墙体都会阻挡视距（Line of Sight，LOS）信号路径，因此，到达角技术不适用于低成本的室内定位系统，较适合于多径影响较小的郊区。

3．使用条件

到达角定位法需要在基站处架设昂贵的高精度智能天线阵列，在每个小区基站上需放置4～12组的天线阵，且只能从反向链路定位。3.2.5 信号到达时间定位法

信号到达时间（Time of Arrival，TOA）定位技术与场强定位技术的定位原理相类似，也是首先获得移动目标到 3个基站的距离，由此确定的3个圆的交点唯一确定了移动目标的位置。不同之处在于TOA技术中测量的是移动目标上行信号到达基站的传播时间。由于电波的传播速率是已知的，将传播时间与速率相乘即可直接计算出移动目标与基站的间距。为了精确地测量信号的传播时间，TOA技术要求移动目标和基站的时间精确同步。

1．工作原理

信号到达时间定位方法是通过测量移动终端发出的定位信号（上行链路信号）到达多个基站的传播时间来确定移动终端的位置，该方法至少需要3个基站。发射的信号在自由空间中的传播速度为光速，当一个基站检测到一个信号时可以确定其绝对的到达时间。如果同时知道移动终端发射信号的时间，则这两个信号的时间差可以用来估计信号从移动终端到基站经历的时间。经过3次（二维空间）或4次（三维空间）测量即可确定目标的位置，如图3-6所示。图3-6 信号到达时间定位原理示意

2．定位精度

TOA定位技术的定位精度一般优于到达角度定位技术和起源蜂窝小区定位技术，响应时间比起源蜂窝小区定位或增强型观测时间差定位法更长。多径效应也限制了 TOA定位技术的室内定位。

3．使用条件

TOA定位技术要求接收信号的基站知道信号的开始传输时刻，并要求移动终端和基站的时间精确同步。TOA定位技术无需改造现有移动终端，但不适用于没有时钟同步的系统（如GSM）。如果网络能够为基站提供统一的时间参考，就可以应用TOA技术的一个变种：到达时间差 TDOA 定位技术。时间参考可通过安装GPS设备或在网络中设置时间参考点来提供。3.2.6 到达时间差定位法

TOA定位技术不适用于没有时钟同步的系统（如GSM和UMTS TDD）。但只要网络能为基站提供统一的时间参考，还是可以应用 TOA 技术的一个变种：信号到达时间差（TDOA）技术。

1．上行链路信号到达时间差（TDOA）方法

上行链路信号到达时间差（TDOA）方法是一种基于移动终端上行信号的传输时间差的定位技术，是 TOA 技术的一个变种，通过计算信号从移动终端到不同基站的传输时间差来获得位置信息的。TDOA技术需要测量的是移动目标上行信号到达不同基站的传播时间差。根据移动目标信号经过不同路径到达两个基站的时间差，可以确定一个双曲线，因此至少需要3个基站进行4次测量，以便确定两条双曲线，根据双曲线的交点，可以确定移动目标的位置。基站的时间参考点可以通过安装GPS设备或在网络中设置时间参考点来实现。

TDOA在市区提供的定位精度会比起源蜂窝小区定位好一些，但是却需要比起源蜂窝小区定位法或增强型观测时间差定位法更长的响应时间。定位业务繁忙时会对网络产生较大的信令负担。信号到达时间差定位技术受多径干扰的影响较大，在CDMA网络中使用的精度较高，因为CDMA 网络本身具有抗多径干扰能力，实测结果可达 55m，有望进一步提高到10～20m左右。

TDOA技术要求所有参与定位的基站之间必须完全时间同步。但不需知道从移动终端发射的时间，也不需移动终端与基站之间的同步，在复杂环境下性能相对优越。TDOA技术无需对手机进行修改，因此可以直接向现有用户提供定位服务。在AMPS、GSM、WCDMA、窄带CDMA和CDMA2000网络中均可采用TDOA方法。由于TDOA定位方法精度较高，且只需对其网络端进行修改即可，因此，在没有其他适合WCDMA网络的新型定位方法出现的情况下，到达时间差TDOA定位技术将成为WCDMA网络中的主导定位技术。

2．下行链路信号到达时间差（EOTD）技术

下行链路信号到达时间差技术又可称为增强型观测时间差（EOTD）定位法，是由移动终端执行测量，观察不同基站信号到达时间差的技术。该技术在不同系统的标准中的名称不同：在GSM中称为增强型观测时间差（EOTD）定位法，在UMTS中为到达观测时间差（OTDOA）定位法，在CDMA2000中为高级前向链路三角测量法（AFLT）。

该定位方法是在较广区域内的许多站点上，放置位置测量单元以覆盖无线网络，每个 LMU 都有精确的定时源，为基站提供统一的时间参考，并辅助定位测量来实现定位的。移动终端和位置测量单元接收到来自至少3个基站的信号时，从每个基站到达移动终端和位置测量单元的时间差将被计算出来，由此估计出移动终端的位置。位置测量单元和基站的比例至少要保证每个基站都能看到一个位置测量单元。

EOTD定位法的定位精度比起源蜂窝小区（CELL-ID）定位法高50～125m，响应速度约为5s。EOTD定位法会受到市区的多径效应的影响，特别是当没有直达路径的情况下，将影响定位精度。当处于郊区时，移动终端周围基站很少时，该定位方法可能完全失效。3.2.7 相关数据库定位法

相关数据库定位（DCM）技术是一种通用技术，可以用于任何无线蜂窝网络中。它一般不能支持现有的移动目标，其最终性能很大程度上取决于匹配算法的优劣和位置服务器的计算和存储能力，建立信号指纹数据库并对其进行持续的扩充和维护，是提高定位系统性能必不可少的开销。图3-7是相关数据库定位系统示意。图3-7 相关数据库定位系统示意

相关数据库定位技术的基本原理是：建立一个位置信息相关数据库，存储定位系统覆盖范围内每个位置所观察到无线信号的特征信息；当需要定位时，移动目标测量周围环境的无线信号信息并把测量结果发送到位置服务器；位置服务器将测量结果与数据库中内容进行比较匹配，与测量结果一致的信号特征信息所对应的位置区域就是移动目标当前的位置。针对不同的通信系统，信号特征信息（或称信号指纹）可以包含信号强度、信号延时和信道脉冲响应，以及其他任何移动目标可观测的与位置相关的无线信号信息（如GPS卫星信号）。

3.3 卫星定位技术

卫星定位是指通过利用卫星和接收机的双向通信来确定接收机的位置，可以实现全球范围内实时为用户提供准确的位置坐标及相关的属性特征。如果采用差分技术，其精度甚至可以达到米级。3.3.1 卫星定位基本原理

卫星定位的基本原理是：围绕地球运转的人造卫星连续向地球表面发射经过编码调制的连续波无线电信号，编码中载有卫星信号准确的发射信号，以及不同时间卫星在空间的准确位置（星历）。载于海陆空各类运载体上的卫星导航接收机在接收到卫星发出的无线电信号后，如果它们有与卫星钟准确同步的时钟，便能测量出信号的到达时间，从而能算出信号在空间的传播时间。再用这个传播时间乘以信号在空间的传播速度，便能求出接收机与卫星之间的距离，公式如下：ppp

其中，X，Y，Z为接收机的位置坐标，X、Y、Z为卫星的位置pp坐标，Δt为卫星与接收机的钟差，t为无线电信号发出时间，t为无12ppppp线电信号接收时间。其中，X、Y、Z、t、t为已知量，X、Y、Z、12Δt为未知量。利用4颗卫星可以建立4个方程式，构成方程组，从而解算出接收机的位置坐标。图3-8为卫星定位示意。图3-8 卫星定位示意3.3.2 GPS

GPS（Global Positioning System）是由美国国防部授权研制的卫星导航定位系统。它是一种可以定时和测距的导航系统，可向海军舰船、空中飞机和陆地车辆提供全球、全天候、连续、实时服务的高精度三维位置、三维速度和时间信息。其目的是为美国海、陆、空三军提供精密导航，还可用于情报搜集、核爆炸监测、应急通信和卫星定位等一些军事目的。

GPS定位的基本原理是：位于地面的GPS接收机检测GPS卫星发送的扩频信号，通过相关运算获取到达时间信息并由此计算出卫星到接收机的距离，再结合卫星广播的星历信息计算卫星的空间位置，完成定位计算。有3颗卫星时，若卫星与接收机钟差很小，即可实视二维定位；4 颗可见时，卫星可实现三维定位，获取更多的可见卫星可提高定位精度。GPS接收机在全球任何地方、任一时刻均能接收到至少4颗卫星信号，GPS终端可根据接收到多颗卫星的导航信息，计算出自己的三维位置（经纬度与海拔高度）、运动速度与方向以及精确的时间信息。

GPS由空间部分（导航卫星星座）、控制部分（地面监控系统）和用户部分（GPS接收终端）3大部分组成，如图3-9所示。

1．空间部分

空间部分由一组GPS卫星组成。GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，轨道倾角为55°，各个轨道平面之间相距60°，即轨道的升交点赤经各相差60°。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差 90°。导航卫星设计寿命为7.5年，轨道距地面高度为20 128km，运行周期为12恒星小时。图3-9GPS系统结构示意

GPS导航卫星重达 1 500 kg，星上装备了无线收发信机、天线、铯原子钟、计算机、导航电文存储器、太阳能翼板以及其他设备。每颗卫星以两个L波段频率发射无线电载波信号：L1=1 575.42MHz（波长约为19cm）L2=1 227.60MHz（波长约为24cm）

在L1/L2载波上，载有测距用P码（Precise精搜索码，码长约30m）和C/A码（Coarse/ Acquisition粗搜索码，码长约 300m）。其中，P码只供美国军方与授权用户使用，C/A码可供民用定位服务。此外，在载波上还调制了 50 bit/s的数据导航电文，其内容包括：卫星星历、电离层模型系数、状态信息、时间信息和星钟偏差/漂移等信息。

目前，美国采用两种限制性政策：选择性可用性（SA）政策，有意使频率飘移和降低轨道精度，使 C/A码原有的定位精度从 20～40m降低到 100m；反欺骗政策（AS），为防止P码被非授权用户使用，将P码改为Y码，使非授权用户无法解出P码。

2．控制部分

控制部分主要是地面监控系统，它负责监控GPS的工作，是GPS系统的神经中枢，也是保证GPS协调运行的核心部分，由美国国防部监管。对于导航定位来说，GPS卫星是一个动态已知点。卫星的位置是依据卫星发射的星历（描述卫星运动及其轨道的参数）算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统的另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准——GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、3个注入站和5个监测站。（1）主控站

主控站即卫星操作控制中心（CSOC），位于加州Falcon空军基地，主要负责接收、处理来自各监控站跟踪数据，完成卫星星历和原子钟计算，卫星轨道和钟差参数计算，用以产生向空间卫星发送更新的导航数据。这些更新数据送到注入站，利用 S 频段（1 750～1 850mHz）向卫星发射。由于卫星上的原子钟有足够精度，故导航更新数据约在每天才更新一次。主控站本身还是监控站，还可用于完成诊断卫星的工作状态，进行调度等工作。（2）监控站

GPS有5个监控站。除主控站上的监控站外，还在美国夏威夷、北太平洋上的Kwajalein岛、印度洋上的Diogo Garcia岛、大西洋上的Ascension岛上设有监控站。监控站对卫星进行跟踪与测轨，以 2 200～2 300mHz频率接收卫星的遥测数据，进行轨道预报，并收集当地气象及大气和对流层对信号的时延数据，连同时钟修正、轨道预报参数一起传送给主控站。（3）注入站

GPS有3个注入站，与三大洋的Kwajalein岛、Diogo Garcia岛、Ascension岛上监控站并置。注入站主要功能为将主控站送来的卫星星历、钟差信息和轨道修正参数，每天一次注入到卫星上的导航电文存贮器中。

3．用户部分

用户部分主要是GPS信号接收机，其任务是：捕获按一定卫星髙度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。在静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。

GPS接收机硬件和软件以及GPS数据的后处理软件包，构成了完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般被分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机，也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。

4．差分技术

美国政府出于军事目的，把GPS系统设置为两种级别的服务，其中C/A码为全球用户免费使用，但对C/A 码采取人为降低精度的措施——选择可用性（SA）政策，这样使得单机定位只能达到 100m（平面，95％置信度），这种精度为GPS系统精度，而与GPS接收机无关。因此无论何种GPS接收机，只采用C/A码定位，精度就只能达到 100m。这种精度无法满足日益增多的用户的要求，为了提高实时定位精度，人们提出了差分GPS技术，经差分校正的GPS接收机定位精度优于30m，测速精度优于0.1m/s，计时精度优于10ms。

目前，差分GPS系统已经在许多部门得到推广应用，这些差分GPS系统绝大多数为常规的差分GPS——位于已知点上的基准站（或称参考站）把差分GPS修正信息通过数据通信链实时传送到周围的流动站用户，从而使得流动站用户提高定位精度。我们称这种差分GPS为正向差分，它应用十分普遍，技术上也很成熟。但是在一些特殊应用场合，如特定目标或物体的高精度追踪监测中，常常希望基准站实时精确知道流动站的位置，而流动站自身无需实时知道自己的位置，为此而提出了逆向差分GPS（Inverted DifferentialGPS，IDGPS）。逆向差分GPS要求移动目标（流动站）把原始伪距观测信息通过数据链实时传送给基准站，由基准站采用逆向差分算法完成对流动站的精确求解，从而实时监测移动目标。

当前，美国正加紧部署研究GPSⅢ计划。为了满足到2030年的军用、民用要求，GPSⅢ将选择全新的优化设计方案，放弃现有的24 颗中轨道卫星，采用全新的33 颗高轨道加静止轨道卫星组网。与现有GPS相比，GPSⅢ的信号发射功率可提高100倍，定位精度提高到 0.2～0.5m，授时精度 1 ns，这样可以使GPS制导武器的精度达到 1m以内。3.3.3 GLONASS

前苏联自1978年10月开始，发射自己的全球卫星导航系统格林纳斯（GLONASS）试验卫星。GLONASS导航卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，均匀地分布在3个轨道平面上。GLONASS系统在系统组成和工作原理上与GPS类似，也是由卫星星座、地面控制系统和用户设备3部分组成。

1．卫星星座

GLONASS系统采用中的24颗卫星，均匀分布在3个圆形轨道平面上，每个轨道面有8颗卫星，轨道高度为19 000km，倾角为64.8°，轨道扁心率为0.01，地迹重复周期为8天，轨道同步周期为17圈，由于GLO NASS卫星地轨道倾角大于GPS卫星倾角，所以在高纬度（50°以上）地区的可见性较好。

与美国GPS系统不同的是，GLONASS系统采用频分多址方式，根据载波频率来区分不同卫星。每颗GLONASS卫星发播两种载波频率，分别为L1=1 602+0.562 5K（MHz）和L2=1 246+0.437 5K（MHz），其中，K=1～24为每颗卫星的频率偏号。GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：S码和P码。俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。

2．地面控制系统

GLONASS地面控制部分（Ground Control Segment，GCS）包括位于莫斯科的系统控制中心和分布于全俄罗斯的指令跟踪站CTS（Command Tracking Station）组成的网络。CTS 站跟踪 GLONASS 可见卫星，它遥测所有卫星，进行测距数据的采集和处理，并向各卫星发送指令和导航信息。在GCS 内有激光测距设备对测距数据作周期修正。

3．用户设备

GLONASS接收机用于接收GLONASS卫星信号并测量其伪距和速度，同时从卫星信号中提取并处理导航电文。接收机中的计算机对所有输人数据进行处理并算出坐标位置的3个分量以及速度矢量的3个分量和时间。

GLONASS 系统可供国防和民间使用，不带任何的限制，也不对用户收费。民用的标准精度为水平方向 50～70m，垂直方向 75m，并声明不引入选择可用性。3.3.4 GALILEO

欧洲在1999年正式推出“伽利略（Galileo）”导航卫星计划，该计划在2004年4月欧盟15国交通部长会议上批准启动，“伽利略”导航卫星系统正按原定研发计划分步实施。在2005年完成卫星和地面系统的研发与仿真测试；2006年至 2007年进行卫星的发射并进行地面分站的安装调试。该方案由 30颗中高度圆轨道核心星座组成，另外增加 3 颗覆盖欧洲的地球静止轨道卫星，辅以GPS和本地差分增强系统，其定位精度按缴纳费用而异，最高精度比GPS高10倍，即使免费使用的定位精度也达 6m。“伽利略”导航卫星系统的卫星星座是由分布在3个轨道上的30颗中等高度轨道卫星（MEO）构成，每条轨道卫星个数为10（9颗工作、1颗备用），轨道倾斜角为56°；轨道高度为24 000km；运行周期为14小时 4分。卫星个数与卫星布置均和美国GPS系统的星座有一定的相似之处。“伽利略”系统的工作寿命为20年，中等高度轨道卫星星座工作寿命设计为15年。这些卫星能够被直接发送到运行轨道上正常工作。每一个MEO卫星在初始升空定位时，其位置都可以稍微偏离正常工作位置。“伽利略”为地面用户提供 3 种信号：免费使用的信号、加密且需交费使用的信号以及加密且需满足更高要求的信号。“伽利略”系统的另一个优势在于，它能够与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互兼容。“伽利略”的接收机可以采集各个系统的数据或者通过各个系统数据的组合来满足定位导航的要求。“伽利略”除能提供精确的定位信号外，还可以提供移动电话业务服务，用于救生行动。例如，接收失事飞机的求救信号后，快速通知附近的救援部门。3.3.5 COMPASS

COMPASS是我国自主研发的全球卫星导航系统，包括“北斗一号”和“北斗二号”两套系统。“北斗一号”卫星定位系统方案于1983年提出，突出特点是构成系统的空间卫星数目少、用户终端设备简单、一切复杂性均集中于地面中心处理站。“北斗一号”卫星定位系统是利用地图3-10 北斗一号定位终端球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、高精度、区域性的卫星定位系统，如图3-10所示。“北斗一号”卫星定位系统由两颗地球静止卫星、一颗在轨备份卫星、中心控制系统、标校系统和各类用户机等组成。系统的工作过程是：首先由中心控制系统向卫星 I 和卫星 II 同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；从中心控制发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此，由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外，中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图査找到用户高程值，又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而使中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密后由出站信号发送给用户。“北斗一号”系统的主要功能包括定位，即快速确定用户所在地的地理位置，向用户及主管部门提供导航信息；通信，即用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现双向简短数字报文通信；授时，即中心控制系统定时播发授时信息，为定时用户提供时延修正值。“北斗一号”的覆盖范围是5°～55°N，70°～140°E的核心地区，最宽处在北纬35°左右。其定位精度为水平精度 100m，设立标校站之后为20m（类似差分状态）。“北斗二号”系统目前正在建设之中，预计于2020年前完成，将构成由 30 多颗不同轨道类型的卫星组成的全球卫星导航系统。

3.4 混合定位技术

由于移动通信基站定位存在着定位精度不高，稳定性较差等问题，而卫星定位也存在着首次定位耗时长，对接收机使用条件要求高等问题。为了加强系统的可靠性，人们考虑将两种定位技术结合起来，在技术上实现互补，产生了混合定位技术。混合定位采用GPS和基站定位双模结构，它是将终端中GPS系统接收定位卫星发来的定位数据和通过基站定位手段获得的移动目标定位数据，经过数据融合后产生地理位置坐标数据。比较常用的混合定位技术主要是A-GPS定位技术和GPSOne定位技术。3.4.1 A-GPS定位技术

A-GPS是一种结合了移动网络基站信息和GPS信息对移动终端进行定位的技术，通过移动网络的定位系统进行一些参数补偿，以缩短第一次定位时间和降低能耗。

1．A-GPS定位原理

A-GPS用固定位置的GPS接收机持续跟踪GPS卫星，将定位过程必需的辅助信息（如差分校正数据和卫星运行状态等）传送给移动目标。移动目标获得这些信息后，根据自身所处的近似位置和当前卫星状态，可以很快捕获到卫星信号，如图3-11所示。图3-11 A-GPS定位原理示意

其工作原理是：A-GPS方案中的移动设备通过网络将基站地址传输到位置服务器；然后服务器会将其注册基站的位置和该位置相关的GPS信息（包含GPS的星历和方位俯仰角等）返回给手机；手机接收到这些信息后，A-GPS模块根据GPS信息接收原始GPS信号；手机在接收到原始信号后对信号进行解析，同时计算手机到卫星的伪距，得出结果后将结果返回给服务器；服务器接收到数据后继续进行计算，完成GPS的信息处理，并给出手机的位置；最后通过网络将手机的位置发给应用平台或定位网关。

未采用辅助信息时，接收机首次捕获目标时间（TTFF）需要 20～45 s，采用辅助信息时，TTFF可降到 1～8 s。固定GPS接收机一般距离间隔为200～400km，形成一个辅助网络。移动目标与GPS辅助网络之间的定位辅助信息可以通过SMS业务流程传送。

2．A-GPS定位模式

A-GPS分为基于终端定位（Mobile Station Based，MSB）和终端辅助定位（Mobile Station Assisted，MSA）两种定位模式。在MSB模式下，定位服务器将电离层模型、参考时间、参考位置、UTC模型和卫星星历等辅助数据发送给终端，终端基于这些数据，利用自身的GPS接收机捕获GPS卫星信号，完成解扩、解算等步骤，最终得到位置信息并将位置信息回传给基站；在MSA 模式下，定位服务器将参考时间和捕获帮助辅助数据传送给终端，终端依据这些信息捕获GPS卫星，测量伪距并将伪距信息发给定位服务器，由定位服务器解算出位置信息并回送给终端。A-GPS定位系统的主要分为3部分：定位服务器、接收机和移动终端。接收机不断接收实时的星历数据，保存在服务器；移动终端接收部分必要的星历数据，同时和服务器通信，获得GPS辅助信息；服务器控制整个定位流程，是系统的关键设备。

3．A-GPS定位流程

辅助接收机实时从卫星处获得参考数据（时钟、星历表、可用星座、参考位置等），通过网络提供给定位服务器。当移动终端需要定位数据时，定位服务器通过无线网络给终端提供A-GPS辅助数据，具体工作流程如下。（1）移动终端首先将本身的基站地址通过网络传输到定位服务器。（2）定位服务器根据该终端的大概位置传输与该位置相关的GPS辅助信息（GPS捕获辅助信息、GPS定位辅助信息、GPS灵敏度辅助信息、GPS卫星工作状况信息等）和移动终端位置计算的辅助信息（GPS历书以及修正数据、GPS星历、GPS导航电文等）。利用这些信息，终端的A-GPS模块可以很快捕获卫星信号，以提升对GPS信号的捕获能力，缩短对GPS信号的首次锁定时间（TTFF），并接收GPS原始信号。（3）终端在接收到GPS原始信号后解调信号，计算终端到卫星的伪距。（4）若采用移动终端辅助（MSA）的定位模式，终端将测量的GPS伪距信息通过网络传输到定位服务器，定位服务器根据传来的GPS伪距信息和来自其他定位设备（如差分GPS基准站等）的辅助信息完成对GPS信息的计算，并估算该终端的位置。（5）若采用基于移动终端（MSB）的定位模式，终端根据测量的GPS伪距信息和网络传来的其他定位设备的辅助信息完成对GPS信息的计算，把估算的终端位置信息传给定位服务器。（6）定位服务器将该终端的位置通过网络传输到应用平台。与此同时，接收机实时从卫星处获得参考数据（时钟、星历表、可用星座、参考位置等），通过网络提供给定位服务器。当移动终端需要定位数据时，定位服务器通过无线网络给终端提供A-GPS辅助数据，以增强其首次锁定时间（TTFF），从而大大提高A-GPS接收的灵敏度。

4．A-GPS定位技术的优势

A-GPS定位技术相对其他定位技术有很多优点。首先，它的精度是所有定位技术中最好的，而且响应时间适宜；另外，除了要求建立GPS辅助网络外，它无需对现有网络中的实体进行任何改动，便于在现有网络基础上部署应用。其优势有以下几个方面。（1）减少首次锁定时间。通过服务器传送卫星的星历与时钟参数，接收机不用从卫星信号中收集与解码导航数据，数据率按通用分组无线业务（General Package Radio Service，GPRS）中的56 kbit/s计算，得到卫星数据的时间大幅度地减少，使得首次锁定时间（TTFF）远小于传统定位算法。（2）减少捕获卫星信号的时间。由于接收机与卫星的相对运动，在频率上接收信号相对于原始信号产生了漂移，称为多普勒频移。在接收机锁住卫星信号前，必须对码相与多普勒频移进行搜索。通过提供卫星时钟参数和星历数据，能计算出精确的卫星位置和速度数据，进而计算出卫星信号的多普勒频移，减少了接收机的搜索频率点。如果能够提供精确的参考时间，性能将得到进一步改进，码相位搜索区域将会大大地减少，可以由 1 023个码片减少到 10个码片左右。如果每个频率点和码相位点的搜索时间相同，就进一步减少了首次锁定时间。（3）加强接收机敏感性。由于接收机搜索的频率点和码相位大幅度减少，在保证全部搜索时间不多于传统GPS接收机的情况下，在有效的搜索区域可以驻留更长的时间，能够对传统GPS接收机不能识别的弱信号进行测量。（4）改善服务连续性。在卫星信号的捕获过程中，建筑物、植被或者其他的建筑或自然因素会遮挡住部分或者全部的卫星，使接收端无法连续获得卫星信号，因而得不到卫星的星历和时钟数据，不能实现定位。通过服务器提供的辅助数据能够解决这类问题，较好地实现定位。（5）加快位置解算。服务器提供的辅助数据中含有近似位置和精确时间，能够较大地减少位置解算时间。3.4.2 GPSOne定位技术

由于GPS及A-GPS技术中需要移动目标实时跟踪4个以上的GPS卫星信号，而且还需要根据获得的位置信息完成当前位置的计算，这就造成了GPS终端体积较大、耗电较高的特点。GPSOne技术是美国高通公司在GPS定位技术基础上，针对上述缺点进行优化，并融合了Cell ID、AFLT等蜂窝定位技术而形成的一项专利技术。GPSOne定位技术结合了高级前向链路三角测量法和辅助全球卫星定位，把移动终端定位技术与网络定位技术结合起来，属于混合定位技术。

GPSOne定位过程中，首先使用GPS定位确保定位精度、灵敏度和速度，接着在GPS卫星视野被部分或全部阻挡时使用CDMA AFLT技术定位，确保定位灵敏度。在上述定位手段均告失败时，使用起源蜂窝小区定位确保定位成功率。该定位技术避免了AFLT技术在基站稀少区域定位效果差的问题，克服了GPS技术室内定位效果不佳的缺点。定位精度、灵敏度较高，终端耗电低，首次定位启动时间短。

如果移动目标处于比较空旷的区域，其上空可见的卫星数量比较多时，可以完全依靠卫星的一些参数进行定位，而不用借助地面网络中基站的一些参数。如果可视卫星数量不低于4颗，则采用GPS定位方式。如果移动目标处于室内或其他复杂环境下，卫星完全不可见时，只能完全依靠基站对移动目标进行定位。根据可接收基站信号数目的多少，选择Cell ID或AFLT定位。

如果移动目标位于高楼林立的城市繁华地带或者室内的情况下，只有一两颗卫星可见，可以采取卫星和基站数据相结合的方式。

① 3颗卫星和两个基站。当只有3颗卫星可见，则引入基站导频相位测量辅助定位计算，但同时也引入了基站与移动目标间的时间误差，因此需要求解5个变量。

② 3颗卫星和1个基站。假设前反向链路传播时间相同，利用RTD方法，即记录移动目标发射时间和基站捕获时间就可以消除基站与移动目标之间的时间误差。

③ 两颗星和两个基站。利用RTD方法消除基站与移动目标问的时间误差。

GPSOne技术可用来解决CDMA的全球定位。该技术由于其定位精度高、快速、灵敏度高等优点，具有很大的发展潜力，成为一股不容忽视的发展趋势。

3.5 移动定位技术发展

移动定位技术在近几年取得了很大的发展。随着各类新型定位技术研究的不断深入，移动定位将来还会进一步发展，一旦突破相关技术屏障，移动定位技术必将更加深入人们的生活。3.5.1 定位手段不断增多

1．光跟踪定位

光跟踪定位是利用光线传播原理对目标进行定位的一种技术，最常见的就是激光定位。该技术要求所跟踪目标和探测器之间线性可视，而且所监测的目标必须是不透明的。光定位技术可被应用于机器人系统，通过固定的红外线摄像机和很多红外线发光二极管的一系列协同配合，达到定位的目的。由于其本身的特点，要实现高精度的光定位技术，其配备要求比较复杂。

2．室内定位

当GPS接收机在室内工作时，由于信号受建筑物的影响而衰减到十分微弱的地步，要想达到像室外一样直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息是不可能的。为了得到较高的信号灵敏度，就需要延长在每个码延迟上的停留时间。室内GPS技术采用大量的相关器并行地搜索可能的延迟码，同时，也有助于实现快速定位。普通GPS接收机正朝着单片机的方向发展，并努力实现把GPS的RF电路和多相关器电路集成入手机现存的RF芯片和综合数字芯片中。

3．超声波定位

超声波定位技术主要采用反射式测距法，即发射超声波并接收由被测物产生回波，根据回波与发射波的时间差计算出待测距离，从而对目标进行定位。该技术由于成本低、结构简单、易于实现而被人们广泛采用。超声波定位系统可由若干个应答器和一个主测距器组成，主测距器放置在被测物体上，在微机指令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线电信号，应答器在收到无线电信号后向主测距器发射超声波信号，得到主测距器与各个应答器之间的距离。当同时有3个或3个以上不在同一直线上的应答器回应时，我们可以根据相关计算确定出被测物体所在位置。

4．蓝牙定位

蓝牙技术是一种短距离低功耗的无线传输技术，支持点到点、点到多点的话音和数据业务，可以实现不同设备之间的短距离无线互联。在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个网络的主设备，就可以获得用户的位置信息，达到利用蓝牙技术定位的目的。采用该技术作室内短距离定位的优点是：容易发现设备且信号传输不受视距的影响。

5．射频标签（RFID）定位

射频标签定位可以由用户自己布置在特定区域进行定位，如停车场、滑雪场。在这些区域的特定地点（如关键出入口）安放射频标签读写器之后，系统可以实时检测到带有RFID 装置的物体处于什么位置，其原理类似于在关键位置安排众多看守人员对过往物品进行登记，需要寻找特定物体的时候只要查询一下看守人员的登记信息就可以了。RFID 定位系统不需要卫星或者手机网络的配合，其精确度在于RFID 读写器的分布，而读写器的分布可以由用户自身根据实际需要进行设置，很适合只需要在特定区域进行定位的用户，具有极高实用价值。

从医疗部门到制造业，在实时数据重要的地方以及运输中需要定位的地方，都已经出现了 RFID 定位系统的身影。如英国一些医院应用 RFID 定位系统对医疗器械、医疗保健设备进行定位和追踪，减少医疗器械设备失窃等事件的发生；丰田汽车在汽车物流供应链建立 RFID 定位系统，该系统降低了人工成本，使工作流程自动化，而且系统会告诉员工应该去哪里取汽车；美国科罗拉多州一个滑雪场则是世界上第一个为游客配备定位装置的滑雪场，游客在这个滑雪场带上内置 RFID 的表带之后会被遍布滑雪场的读写器探测到，利用这套系统游客可以知道其伙伴在滑雪场的位置。

6．自适应定位

自适应移动定位是指在定位过程中可根据用户环境或用户需求自动选择并转换定位方式的一种移动定位技术。自适应移动定位可分为两种：一是基于位置的自适应，即根据移动终端所处的位置来选择适合的定位手段；二是基于服务的自适应，即根据定位服务的要求（包括精度、客户具体需求等）来选择合适的定位手段和定位过程。

假设有一开通移动定位服务的用户从城郊的家里到城内的办公室办公，在这个过程中，需要使用的软件技术是Web Services，所有服务都要在注册中心（UDDI）进行注册。当用户从住所离开开始，定位服务自动开始搜索服务注册中心，寻找最合适的可利用的定位技术。如果存在可用的GPS定位服务，则自动选择此技术进行定位；当用户的车辆进入城区后，由于GPS的定位精度受到影响降低，应用程序自动跳出GPS定位方式，重新搜索定位服务注册中心，寻找适用于当前位置的定位技术进行后续的位置信息服务；当用户进入办公楼内部时，系统会自动切换到 WLAN 或 Bluetooth 定位方式；当用户从办公室出来后则会继续改变定位方式。

在整个服务过程中，用户可能需要的服务包括：在从家到办公室的行车过程中的车辆定位导航服务。在郊区，其精度需要 30m左右，而在城区则需要提高到 10m左右；如果在途中用户需要加油，则需要定位系统提供最近的加油站的位置，精度要在50m左右；如果用户在途中需要购物，同样需要定位系统提供精度在50m左右的位置，并可同步定位到所需商品的位置，定位精度在10m左右；当用户在途中发现交通堵塞，则需要车辆定位导航系统提供一条最为快捷的道路。在这个过程中，定位服务可采用的技术有：GPS/A-GPS、TOA/TDOA、Cell-ID、WLAN或Bluetooth。3.5.2 定位终端发展迅猛

移动定位终端主要是指具备定位功能，能够主动发起定位请求的终端。当前，移动定位终端主要包括：GPS手机、车载GPS导航仪和个人定位追踪器等。

1．GPS手机

GPS手机是通过内置GPS模块或外接GPS的蓝牙接收器来实现导航功能，进而同时具备通信及GPS卫星接收功能的产品。

2．车载GPS导航仪

车载GPS导航仪主要是以导航定位路况信息车辆追踪与车队管理为主要业务应用，并通过Radio Data System（RDS）、Digital Audio Broadcasting（DAB）等无线通信技术来进行双向的信息接收与传送，进而构成与车辆系统兼容及双向信息传输的Telematics系统。

随着汽车配置电子化水平的不断提高，嵌入式车载GPS导航仪正在从单纯的导航设备向内置Telematics平台（汽车无线通信平台）的具备双向信息传输的智能通信设备方向发展。与单纯的导航功能相比，内置Telematics平台的嵌入式GPS导航仪，不仅可以与车上的控制系统联动，而且可以通过移动蜂窝网络、Wi-Fi 等无线网络设施，与后台的Telematics服务器进行通信，实现包括道路问询远程解锁、远程车辆诊断失窃、车辆定位、气囊打开报警、撞车自动报警和道路救援等在内的车载智能通信服务。

3．个人定位追踪器

个人定位追踪器主要是应用于专业性休闲活动及个人安全，让有登山潜水飞行长跑及保安等追踪需求的消费者可通过此产品来随时纪录个人的经纬度信息，此产品功能设计着重于实时追踪行程纪录及精确定位等。

4．便携式GPS导航终端

便携式GPS导航终端主要是指PND（Portable Navigation Device），但只要在笔记本电脑、PDA和PMP（Portablemedia Player）等便携式产品中加入蓝牙GPS接收器，安装地图信息和导航软件，便可成为便携式GPS导航终端。3.5.3 定位平台趋向融合

受移动定位技术多元化和固定移动融合的影响，移动定位平台解决方案的发展也突破了移动通信领域，由单一定位技术向多种定位融合技术，支持多种接入网络的方向发展。定位平台融合主要受到两个方面因素的推动。

1．技术驱动

移动定位技术正在呈现多元化的发展趋势。不仅有基于移动通信网的定位技术，还有全球卫星导航技术，基于无线局域网以及短距离通信的定位技术等。前面提到过的混合定位技术正在成为移动定位技术的研究热点之一。

2．运营驱动

在固定移动融合的大趋势下，运营商提供的定位业务也突破了移动通信领域，利用多种接入网络向各种终端用户（手机、车载终端、笔记本电脑等）提供移动定位业务。

移动定位技术实现方案主要包括两个方面：移动位置服务中心（Servingmobile Location Center，SMLC）和关口移动位置中心（Gatewaymobile Location Center，GMLC）。SMLC 主要负责从运营商的BSS/RAN 基础设施中提取和处理与定位业务相关的蜂窝小区 ID、时间提前量、无线电波信号强度等数据，控制位置测量单元（Locationmeasurement Unit，LMU），处理GPS接收机传来的定位辅助信息和定位误差修正值等。GMLC是移动通信网络和外部客户端传输终端用户位置信息的关口，负责客户端身份认证和授权，为通过认证的客户端位置信息请求提供通道，并将位置信息安全地传输给客户端。3.5.4 安全防范逐步增强

终端用户位置信息的安全性和私密性是开展移动定位业务首先要考虑的问题。最初的移动定位安全协议主要针对控制层，包括位置协议（Positioning Protocols，PP）和移动定位协议（Mobile Location Protocol，MLP），针对控制层的安全协议只适用于由网络自动发起和控制的移动定位业务。随着商业用途的移动定位业务应用不断增多，仅仅针对控制层的安全措施就暴露出了它的不足。移动定位安全领域的研究也开始向用户层倾斜。

OMA 作为移动通信领域的重要组织，在移动定位业务的安全性方面非常重视，先后出台了针对用户层的基于TCP/IP的ULP和更为安全的双向ULP的SUPL（Secure User Plane Location）协议。从目前移动定位安全协议的发展和应用角度来看，SUPL的安全性与拓展性都更强。SUPL定位模式如图3-12所示。图3-12 SUPL定位模式

SUPL定位方式使移动终端直接建立从终端到GMLC的端到端对话，实现无线定位信息传递，并通过Le接口实现与服务提供商的互通。SUPL定位平台和SUPL终端之间的接口为LUP（Location User Plane），接口采用OMA的ULP协议。另外，可以独立于无线网络部署，无需无线接入网和核心网中各节点的网络信令支持，无需对无线核心网络进行改造，因而推广迅速。

移动定位技术是LBS的核心和基础。移动定位技术的未来发展为LBS的快速发展提供了强有力的推动，也为LBS走进人们的生活逐步扫清障碍。

第4章 移动通信

LBS是一种信息服务。在LBS的终端和服务器之间，以及终端与终端之间均存在着大量的信息交互，而信息交互的基础是通信技术。因此，通信技术，特别是移动通信技术是LBS另一个重要的技术支撑。

移动通信在LBS业务运行过程中起着业务信息无线移动传输的支撑作用，是 LBS业务动态实时开展的基石。本章4.1节主要介绍移动通信的基本原理，包括多址方式和信道共用机制；4.2节、4.3节和4.4节分别介绍蜂窝移动通信、集群移动通信和卫星通信的相关内容；4.5节介绍移动通信平台集成。

4.1 移动通信概述

移动通信是指通信的双方或至少有一方处于运动状态中进行的通信，即移动体与固定点或移动体与移动体之间的通信。4.1.1 移动通信系统组成

移动通信系统要实现移动用户与市话用户、移动用户与移动用户，以及移动用户与长途用户之间的通信，必须具备无线传输、有线传输以及信息的收集、处理和存储等功能。移动通信系统使用的主要设备有无线收发信机、交换控制设备和移动终端设备等。

移动通信系统主要是由交换网络子系统（NSS）、无线基站子系统（BSS）和移动台（MS）3大部分组成，如图4-1所示，移动通信服务区是由许多小区组成的，呈蜂窝状。图4-1 移动通信系统组成示意

1．交换网络子系统

交换网络子系统（NSS），主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能，是移动通信系统的集中控制与交换中心，也是与公众网的接口。包括移动交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）、操作管理中心（0MC）和短消息中心（SME）等部分。

MSC：是 GSM 系统的核心，是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其他公用通信网之间的接口。它可完成网络接口、公共信道信令系统和计费等功能，还可完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。另外，为了建立至移动台的呼叫路由，每个MS还应能完成入口MSC（GMSC）的功能，即查询位置信息的功能。

VLR：是一个数据库，是存储MSC为了处理所管辖区域中MS（统称拜访客户）的来话、去话呼叫所需检索的信息，如客户的号码，所处位置区域的识别，向客户提供的服务等参数。

HLR：也是一个数据库，是存储管理部门用于移动客户管理的数据。每个移动客户都应在其归属位置寄存器（HLR）注册登记，它主要存储两类信息：一是有关客户的参数；二是有关客户目前所处位置的信息，以便建立至移动台的呼叫路由，如MSC、VLR地址等。

AUC：用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的3个参数（随机号码RAND、符合响应SRES、密钥Kc）的功能实体。

EIR：也是一个数据库，存储有关移动台设备参数。主要完成对移动设备的识别、监视和闭锁等功能，以防止非法移动台的使用。

2．基站子系统

基站子系统（BSS）是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信的系统设备，它负责管理无线资源，实现固定网与移动网之间的通信连接，传送系统信号和用户信息。基站子系统包括一个基站控制器（BSC）和由其控制的若干个基站收发信系统（BTS）。

BSC：具有对一个或多个BTS进行控制的功能，它主要负责无线网路资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是个很强的业务控制点。

BTS：无线接口设备，它完全由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密和跳频等功能。

3．移动台

移动台（MS）是移动通信系统不可缺少的组成部分，有车载式、手持式和便携式3种形式。它由移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）两部分组成。移动台由收发信机、频率合成器、数字逻辑图4-2 移动通信收发信机框图单元、拨号按钮和送/受话器等组成。它可以自动扫描基站载频、响应寻呼、自动更换频率和自动调整发射功率等，完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。当移动用户和市话用户建立呼叫时，移动台与最近的基站之间确立一个无线信道，并通过MSC与市话通话。同样地，任何两个移动用户间的通话也是通过MSC建立的。图4-2是一个典型的

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