徐曉宇，魏巍，宗亞輝，李富忠

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 軟件學(xué)院，山西 太谷 030801)

基于MiniGUI的嵌入式電子地圖引擎開(kāi)發(fā)

徐曉宇，魏巍，宗亞輝，李富忠*

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 軟件學(xué)院，山西 太谷 030801)

[目的]為了提高電子地圖的開(kāi)發(fā)效率，減輕開(kāi)發(fā)人員負(fù)擔(dān)，本文研究不針對(duì)特定操作系統(tǒng)、基于MiniGUI的嵌入式電子地圖引擎，并處理TAB格式的地圖數(shù)據(jù)。[方法]首先設(shè)計(jì)一個(gè)基于MiniGUI的自定義控件，利用與操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)的接口設(shè)計(jì)相應(yīng)的類，實(shí)現(xiàn)地圖源數(shù)據(jù)讀取、繪制、漫游、縮放和測(cè)距等功能。[結(jié)果]使用該引擎開(kāi)發(fā)電子地圖應(yīng)用程序，利用該程序?qū)σ孢M(jìn)行功能性驗(yàn)證。結(jié)果表明，該引擎各項(xiàng)功能均能正確執(zhí)行。[結(jié)論]該電子地圖引擎功能正常，使用方便，操作簡(jiǎn)單，具有一定的可移植性。

MiniGUI； 嵌入式電子地圖； 引擎開(kāi)發(fā)

MiniGUI， Embedded Electronic Map， Development of Engine

隨著嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式電子地圖已經(jīng)滲透到農(nóng)業(yè)、軍事、工業(yè)、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域。由于嵌入式設(shè)備資源平臺(tái)有限，不能像PC機(jī)一樣安裝主流的桌面地理信息系統(tǒng)軟件，因此需要技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

目前已有不少國(guó)內(nèi)外公司(如ESRI，Pocket Systems Ltd)研發(fā)出了嵌入式電子地圖[1]，但多數(shù)只適用于某個(gè)特定的嵌入式操作系統(tǒng)(如linux、uC/OS—II、VxWorks等)[2]。在這種情況下，開(kāi)發(fā)人員使用電子地圖二次開(kāi)發(fā)工具，即使用電子地圖引擎來(lái)開(kāi)發(fā)電子地圖，將大大減輕工作負(fù)擔(dān)，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高開(kāi)發(fā)效率。

因此，本文基于輕量級(jí)、可移植性高的MiniGUI，開(kāi)發(fā)不針對(duì)特定操作系統(tǒng)的嵌入式電子地圖引擎，用來(lái)處理TAB格式的地圖數(shù)據(jù)。具體開(kāi)發(fā)流程為：先設(shè)計(jì)一個(gè)基于MiniGUI的自定義控件MGC；再設(shè)計(jì)相應(yīng)的類，以完成地圖源數(shù)據(jù)的讀取、繪制、漫游、縮放和測(cè)距等功能。由于開(kāi)發(fā)時(shí)全部使用與操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)的接口，所以該引擎可以適應(yīng)各種MiniGUI環(huán)境。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 MapInfo數(shù)據(jù)文件

開(kāi)發(fā)過(guò)程中所處理數(shù)據(jù)的格式為MapInfo中的TAB格式。在TAB格式文件中，地圖屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在兩種屬性表中，主要是屬性數(shù)據(jù)的表結(jié)構(gòu)文件.TAB和屬性數(shù)據(jù)文件.DAT中[3，4]?？臻g數(shù)據(jù)則保存在空間數(shù)據(jù)文件.MAP中。通過(guò)索引文件(.ID文件)將.TAB文件和.DAT文件的數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合在一起[5]。

1.2 OGR/GDAL

GDAL(Geospatial Data Abstraction Library)是一個(gè)開(kāi)源的、符合X/MIT協(xié)議、利用抽象數(shù)據(jù)模型及其它工具來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和解析的柵格空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換庫(kù)[6]。OGR庫(kù)是GDAL庫(kù)下的一個(gè)可以讀取、寫(xiě)入和處理多種矢量數(shù)據(jù)格式的C++開(kāi)源庫(kù)[7]，可以處理ESRI Shapefiles、SDTS、PostGIS、MapInfo TAB、MapInfo mid/mif等類型的數(shù)據(jù)[8]，并且是按照Open GIS對(duì)矢量數(shù)據(jù)格式而定義的[9]。

1.3 MiniGUI的消息機(jī)制

MiniGUI是靠消息驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，所有的運(yùn)作都是圍繞消息而進(jìn)行的。系統(tǒng)對(duì)輸入事件會(huì)產(chǎn)生消息，對(duì)應(yīng)用程序的響應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生消息，應(yīng)用程序通過(guò)接收消息來(lái)完成某個(gè)動(dòng)作，也可以同其他應(yīng)用程序的窗口進(jìn)行通信[10]。MiniGUI在處理消息的過(guò)程中，窗口管理器會(huì)維護(hù)主窗口的消息隊(duì)列，當(dāng)外設(shè)有某些動(dòng)作，比如鼠標(biāo)左鍵被按下時(shí)，窗口管理器會(huì)將該消息放入主窗口的消息隊(duì)列并進(jìn)入消息循環(huán)中，接收該消息的窗口會(huì)根據(jù)相應(yīng)的窗口過(guò)程來(lái)處理這條消息。

1.4 雙緩沖技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速繪圖

為了地圖的快速顯示，以及避免地圖繪制過(guò)程中的閃爍現(xiàn)象，采用雙緩沖技術(shù)的繪圖模式[11，12]。

第一次緩沖要求用戶將地圖數(shù)據(jù)繪制在一個(gè)大于屏幕顯示范圍的內(nèi)存區(qū)域上，這個(gè)內(nèi)存區(qū)域稱為緩沖區(qū)1，當(dāng)用戶進(jìn)行漫游時(shí)，可以直接從該內(nèi)存區(qū)域中讀取數(shù)據(jù)并顯示，而不必在整個(gè)地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中再尋找，加快了地圖的顯示速度。

第二次緩沖要求從緩沖區(qū)1中將需要顯示的數(shù)據(jù)拷貝到緩沖區(qū)2中，緩沖區(qū)2是一個(gè)和屏幕顯示區(qū)域大小一致的內(nèi)存區(qū)域之后可以給緩沖區(qū)2上面再繪制一些其他信息，如文字等。繪制完成后再將緩沖區(qū)2中的數(shù)據(jù)一次性拷貝到屏幕顯示區(qū)域。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的電子地圖引擎MiniGUIGISController的開(kāi)發(fā)環(huán)境配置如表1所示。

表1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境配置

安裝MiniGUI時(shí)需要打開(kāi)幀緩沖，并使用qvfb(qt virtual framebuffer)在X window下模擬出frame buffer環(huán)境，以節(jié)省時(shí)間。使用qvfb時(shí)，需對(duì)MiniGUI.cfg 文件進(jìn)行配置。在MiniGUI安裝完成后還需要依次安裝Proj和GDAL。

2.2 系統(tǒng)類設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中共設(shè)計(jì)了47個(gè)類來(lái)完成既定功能，圖1給出了其中最主要的20個(gè)類及其關(guān)系。

圖1 MiniGUIGISController頂層類圖Fig.1 The top class diagram of MiniGUIGISController

圖1中的類主要包括：ViewState類及其子類提供對(duì)地圖的控制功能，主要用來(lái)處理鼠標(biāo)事件；Map類結(jié)合Layer、Feature類以及這些類的子類為地圖數(shù)據(jù)讀取提供支持，還包含了打開(kāi)地圖、設(shè)置過(guò)濾器、設(shè)置地圖顯示中心等；MiniGUIDC類、DrawContext類、Env類CS類以及IniFile類屬于工具類，提供坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、配置信息讀取、矢量圖形的繪制等功能。除了ViewState類，圖1中的其他類全部參與到地圖的繪制與顯示過(guò)程中，尤其是Style類和Geometry類，負(fù)責(zé)圖元繪制的細(xì)節(jié)問(wèn)題。

2.3 自定義控件MGC的實(shí)現(xiàn)

MGC是MiniGUI上的自定義控件，該控件中定義了很多關(guān)于地圖操作的消息，對(duì)電子地圖的任何操作都會(huì)以消息的形式發(fā)送給MGC，并在MGC的過(guò)程函數(shù)中得到處理。

開(kāi)發(fā)MGC步驟如下：

(1)控件注冊(cè)。在注冊(cè)過(guò)程中需要對(duì)控件類的樣式、擴(kuò)展風(fēng)格、背景色、控件的過(guò)程處理函數(shù)等信息進(jìn)行賦值。其中，最重要的是控件的過(guò)程處理函數(shù)_on_message()，該函數(shù)將MGC接收到的所有消息轉(zhuǎn)發(fā)給View類的對(duì)象。

(2)消息處理。由于最終的消息處理需要在View類的對(duì)象中進(jìn)行，將該對(duì)象的指針作為MGC控件的一個(gè)附加數(shù)據(jù)來(lái)保存，以后所有對(duì)地圖的操作都要依附于該對(duì)象。所以，_on_message()函數(shù)接收到消息之后，首先會(huì)判斷當(dāng)前窗口的附加數(shù)據(jù)中是否包含一個(gè)View類型對(duì)象的指針，如果包含，則直接將消息轉(zhuǎn)發(fā)給該對(duì)象的_on_message()函數(shù)，如果沒(méi)有包含，則要新建一個(gè)View類的對(duì)象，然后再將消息發(fā)送給該對(duì)象的_on_message()函數(shù)。

(3)控件卸載。在應(yīng)用程序退出時(shí)要對(duì)注冊(cè)的控件進(jìn)行卸載，此時(shí)調(diào)用了MiniGUI的UnregisterWindowClass()函數(shù)。

2.4 讀取源數(shù)據(jù)模塊的實(shí)現(xiàn)

讀取源數(shù)據(jù)功能通過(guò)Map類的open()函數(shù)來(lái)完成。

open()函數(shù)在創(chuàng)建Map類的對(duì)象map之后，將地圖數(shù)據(jù)的部分信息保存在map對(duì)象的對(duì)應(yīng)屬性中，包括地圖名以及地圖源數(shù)據(jù)的存放目錄。之后根據(jù)地圖源數(shù)據(jù)配置文件，通過(guò)load_from_gstfile()函數(shù)讀取地圖源數(shù)據(jù)。

load_from_gstfile()函數(shù)根據(jù).gst文件中的配置信息讀取地圖源數(shù)據(jù)，同時(shí)保存對(duì)應(yīng)圖層的配置信息。在該函數(shù)中首先要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)IniFile類的對(duì)象gst_file，用來(lái)保存從.gst文件中讀取到的地圖配置信息，然后根據(jù)gst_file對(duì)象中的內(nèi)容依次讀取每一層地圖數(shù)據(jù)。在讀取某一層地圖源數(shù)據(jù)時(shí)，需要?jiǎng)?chuàng)建OGR數(shù)據(jù)源對(duì)象ds，然后再獲取該圖層的OGRLayer對(duì)象layer。通過(guò)layer創(chuàng)建一個(gè)MapLayer類的對(duì)象，其指針保存在layer_ptr對(duì)象中，然后將當(dāng)前圖層的配置信息保存在MapLayer類的對(duì)象中。最終，ds、圖層名稱以及l(fā)ayer_ptr會(huì)被保存在map對(duì)象的對(duì)應(yīng)屬性中，而且layer_ptr在map中的存放次序和配置文件中定義的圖層顯示次序一致。

2.5 地圖繪制模塊的實(shí)現(xiàn)

電子地圖在接收到繪制消息后，首先會(huì)調(diào)用view對(duì)象的on_paint()函數(shù)，該函數(shù)用來(lái)完成緩沖區(qū)1的重繪以及緩沖區(qū)2、結(jié)果層和文字層的繪制。

當(dāng)需要重繪緩沖區(qū)1時(shí)，調(diào)用draw_background()函數(shù)，該函數(shù)內(nèi)部需要完成過(guò)濾器和繪圖上下文的設(shè)置，之后調(diào)用MapLayer對(duì)象中的draw()函數(shù)，依次繪制每一個(gè)圖層，并保存當(dāng)前的地圖狀態(tài)，包括像素、比例尺以及緩沖區(qū)1在地圖正投影坐標(biāo)系中的位置。

(1)設(shè)置過(guò)濾器函數(shù)。設(shè)置過(guò)濾器函數(shù)的作用是設(shè)置緩沖區(qū)1中能顯示的地圖球面坐標(biāo)的范圍。以緩沖區(qū)1的左上角在正投影坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置為參考，根據(jù)緩沖區(qū)1的尺寸和像素比例尺，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，計(jì)算出緩沖區(qū)1所對(duì)應(yīng)區(qū)域的球面坐標(biāo)范圍。

(2)圖層繪制。首先要確定當(dāng)前比例尺下需要顯示的圖層，然后調(diào)用MapFeature::draw()函數(shù)依次繪制需要顯示的圖層中能通過(guò)過(guò)濾器的各個(gè)地圖要素。get_next_feature()函數(shù)返回下一個(gè)需要繪制的地圖要素的指針。獲得一個(gè)需要繪制的要素之后，通過(guò)MapFeature::draw()函數(shù)來(lái)繪制該要素。

2.6 地圖漫游模塊的實(shí)現(xiàn)

地圖進(jìn)入漫游狀態(tài)后，控件要接收鼠標(biāo)左鍵被按下、移動(dòng)以及左鍵抬起的消息，之后會(huì)按照接收到的消息來(lái)完成不同的動(dòng)作。

鼠標(biāo)左鍵被按下時(shí)，需要設(shè)置鼠標(biāo)的按下?tīng)顟B(tài)，同時(shí)記錄當(dāng)前的鼠標(biāo)位置，每一次接收到鼠標(biāo)移動(dòng)事件，都會(huì)調(diào)用on_mouse_move()函數(shù)，在該函數(shù)中計(jì)算鼠標(biāo)的移動(dòng)距離，之后調(diào)用InvalidateRect()函數(shù)設(shè)置無(wú)效區(qū)域并重繪，該函數(shù)會(huì)引起MSG_PAINT消息的發(fā)送，這時(shí)需要在Roaming::on_paint()函數(shù)中來(lái)處理該消息，完成漫游過(guò)程中地圖的繪制。

鼠標(biāo)左鍵抬起時(shí)進(jìn)入on_mouse_up()函數(shù)，設(shè)置鼠標(biāo)的抬起狀態(tài)后，調(diào)用move_viewport()函數(shù)來(lái)保存當(dāng)前顯示窗口的位置信息。

2.7 地圖縮放模塊的實(shí)現(xiàn)

縮放功能包括對(duì)地圖的點(diǎn)擊放大、矩形放大、點(diǎn)擊縮小，這里以點(diǎn)擊放大為例，該過(guò)程涉及到3個(gè)函數(shù)。

(1)Zoom::on_mouse_down()函數(shù)

進(jìn)入點(diǎn)擊放大狀態(tài)并獲取到了鼠標(biāo)左鍵被按下消息后，調(diào)用Zoom::on_mouse_down()函數(shù)來(lái)保存當(dāng)前鼠標(biāo)位置以及鼠標(biāo)左鍵的按下?tīng)顟B(tài)。

(2)ZoomIn::on_mouse_up()函數(shù)

當(dāng)接收到鼠標(biāo)左鍵抬起的消息時(shí)，會(huì)調(diào)用ZoomIn::on_mouse_up()函數(shù)，該函數(shù)根據(jù)鼠標(biāo)左鍵被點(diǎn)擊之前的像素比例尺和預(yù)先定義的放大因子，計(jì)算并設(shè)置放大后的像素比例尺，同時(shí)還要用點(diǎn)擊點(diǎn)的位置設(shè)置為緩沖區(qū)1的中心位置，最后需要調(diào)用Zoom::on_mouse_up()函數(shù)進(jìn)行重繪。

(3)Zoom::on_mouse_up()函數(shù)

該函數(shù)設(shè)置鼠標(biāo)左鍵的抬起狀態(tài)，設(shè)置窗口無(wú)效區(qū)域，引起重繪操作，并根據(jù)放大操作之后的像素比例尺和緩沖區(qū)1的位置，進(jìn)行重繪操作。

2.8 測(cè)距模塊的實(shí)現(xiàn)

在測(cè)距功能中，采用Distance::on_mouse_down()函數(shù)和Distance::on_mouse_dbclick()函數(shù)。二者分別實(shí)現(xiàn)了如何處理鼠標(biāo)左鍵彈起以及接收到鼠標(biāo)左鍵雙擊消息后的動(dòng)作。

測(cè)距狀態(tài)下，鼠標(biāo)左鍵被按下時(shí)調(diào)用on_mouse_down()函數(shù)。該函數(shù)首先判斷用戶是否是第一次點(diǎn)擊鼠標(biāo)，如果是，則只標(biāo)記該點(diǎn)；反之則需要判斷是否屬于鼠標(biāo)左鍵被雙擊，若屬于，則意味著標(biāo)記結(jié)束，此時(shí)調(diào)用on_mouse_dbclick()函數(shù)來(lái)計(jì)算各點(diǎn)之間的距離之和，并調(diào)用用戶設(shè)置好的回調(diào)函數(shù)，將測(cè)距結(jié)果反饋給用戶。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

利用MiniGUIGISController開(kāi)發(fā)電子地圖應(yīng)用程序MgisTest，通過(guò)MgisTest對(duì)MiniGUIGISController的功能進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 MgisTest的實(shí)現(xiàn)步驟

(1)創(chuàng)建主窗口。

(2)在主窗口中創(chuàng)建工具欄、Menu菜單以及地圖控件。工具欄用來(lái)提供改變地圖狀態(tài)的操作：漫游、放大、縮小、測(cè)距。Menu菜單主要提供地圖的打開(kāi)、關(guān)閉功能。地圖控件用來(lái)顯示地圖以及完成對(duì)地圖的所有操作。

(3)設(shè)置各個(gè)UI元素的過(guò)程處理函數(shù)，完成相應(yīng)的操作。

(4)設(shè)置測(cè)距回調(diào)函數(shù)用來(lái)反饋測(cè)距結(jié)果。

3.2 驗(yàn)證過(guò)程及結(jié)果

(1)打開(kāi)電子地圖后如圖2所示，地圖源數(shù)據(jù)被讀取并繪制在窗口中，地圖正常顯示，說(shuō)明MiniGUIGISController的讀取源數(shù)據(jù)及地圖繪制功能正常。

圖2 讀取源數(shù)據(jù)、地圖繪制功能測(cè)試結(jié)果Fig.2 The testing results of reading data and drawing function

(2)向左拖動(dòng)鼠標(biāo)，使得整個(gè)地圖向左進(jìn)行漫游，如圖3所示。經(jīng)過(guò)漫游動(dòng)作，原本在右邊位置的“兒童公園南門”的標(biāo)注移動(dòng)到了該圖的中心位置，說(shuō)明MiniGUIGISController的漫游功能正常。

(3)點(diǎn)擊“縮小”按鈕，使地圖進(jìn)入縮小狀態(tài)，如圖4所示。從圖4中可以看出，河流寬度變窄，各部分區(qū)域也相應(yīng)縮小，而且與圖3相比，五角星的標(biāo)注消失，說(shuō)明MiniGUIGISController的縮小功能正常。

(4)點(diǎn)擊“放大”按鈕，使地圖進(jìn)入放大狀態(tài)，如圖5所示。與圖2相比，河流寬度增加，各部分區(qū)域變大，說(shuō)明MiniGUIGISController的放大功能正常。

圖3 地圖漫游功能測(cè)試結(jié)果Fig.3 The testing results of roaming function

圖4 地圖縮小功能測(cè)試結(jié)果Fig.4 The testing results of zooming-out function

圖5 地圖放大功能測(cè)試結(jié)果Fig.5 The testing results of zooming-in function

(5)點(diǎn)擊“測(cè)距”按鈕，并用鼠標(biāo)標(biāo)注出想要測(cè)量的點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成兩點(diǎn)間的直線，通過(guò)雙擊鼠標(biāo)左鍵完成標(biāo)注，之后屏幕上會(huì)彈出一個(gè)標(biāo)識(shí)測(cè)距結(jié)果的對(duì)話框，在此對(duì)話框中顯示整個(gè)距離為1.2 km，如圖6所示。這說(shuō)明MiniGUIGISController的測(cè)距功能正常。

圖6 測(cè)距功能測(cè)試結(jié)果Fig.6 The testing results of measuring distance function

通過(guò)對(duì)MiniGUIGISController基礎(chǔ)上的電子地圖MgisTest進(jìn)行各種操作，驗(yàn)證了MiniGUIGISController能正常執(zhí)行地圖源數(shù)據(jù)讀取、繪制、漫游、縮放、測(cè)距等功能。

4 結(jié)論與展望

論文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于MiniGUI、針對(duì)MapInfo的TAB格式數(shù)據(jù)的電子地圖引擎MiniGUIGISController，該引擎有地圖源數(shù)據(jù)讀取、繪制、漫游、縮放、測(cè)距等功能，使用方便、操作簡(jiǎn)單，具有一定的可移植性，今后可以從以下幾方面繼續(xù)完善：增加搜索及定位功能；增加對(duì)三維地圖數(shù)據(jù)的繪制與顯示功能；設(shè)計(jì)針對(duì)特定機(jī)型的電子地圖引擎。

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[12]趙松.跨平臺(tái)導(dǎo)航電子地圖顯示引擎的研究與構(gòu)建[D]:重慶大學(xué),2008.

(編輯：李曉斌)

[Objective]In order to improve the efficiency of the development of electronic map, and reduce the burden of developer’s, the thesis developed an electronic map engine which could deal with the data of TAB format, based on MiniGUI, and the engine was not for a specific operating system. [Methods]Firstly, the thesis designed a controller on MiniGUI. Then, used interface which was independent of operate system to design the corresponding class. The engine provided functions of reading map data, drawing map, roaming, zooming, measuring distance and others.[Results]The thesis developed an electronic map application based on the engine, which could be used to test and verify the engine. The result showed that the functions provided by the engine were normal, and could meet the expectation. [Conclusion]The electronic map engine works normally, easy operating and has good portability.

2016-09-27

2016-11-24

徐曉宇(1987-)，女(漢)，山西陽(yáng)泉人，助教，碩士，研究方向：軟件工程

*通信作者：李富忠，教授，博士生導(dǎo)師。Tel：13734008985；E-mail：sxaulfz@126.com

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金(2016009)

TP311

A

1671-8151(2017)03-0223-06

Development of Embedded Electronic Map Engine Based on MiniGUI

Xu Xiaoyu, Wei Wei, Zong Yahui, Li Fuzhong*

(CollegeofSoftware,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801，China)