5.2. 支撑技术

5.2.1. 移动设备 #

移动设备可以分为五类:移动电话(包括简单手机和智能手机）、掌上电脑、平板电脑、便携电脑和其他特殊设备（图5. 3)。

• 移动电话:这是最常见的移动设 备，包括手机（连接到蜂窝通信网络）和卫星手机（连接到卫星）。 简单手机仅具有通话和短信功能，存储和计算能力有限。智能 手机拥有更强的配置， 还支持网页浏览、电子邮件、下载和安装软 件应用、加载数据等功能。 此外，移动电话已经普遍配置有蓝牙、拍照、摄像和GPS等附件。

• 掌上电脑：也称作r*DA( personal digital assistants ),此类设备和移动电话不断融合, 很多智能手机 都具有个人数字助理的功能。掌上电脑不一定具有通话功能， 如 苹果公司的iPod Touch,它们可以通过Wi-Fi上网，而不必支付电话 和上网流量费用， 也有相当大的 用户群。

• 平板电脑:苹果公司iPad的出现，以其时尚的外形、优良的用户体验，引领了平板电脑的潮流， 带动了多家平板产品的流行。平板电脑的屏幕比手机大，表现力丰富，是很具潜力的移动GIS平台。 平板电脑不具有通话功能,但大都可以通过Wi-Fi上网，有的还可以通过蜂窝通信网络来上网。

• 便携电脑(便携式计算机）：便携电脑拥有强大的处理器和较大的存储能力， 能够提供桌面GIS软件所需要的运行环境，但比其他移动设备要重一 些，移动性较差， 往往需要固定在车辆里。

• 特殊设备:包括安装有固化或嵌入应用的设备，包括车载GPS导航系统等。

与桌面计算机一样,移动设备也有移动操作系统。 移动操作系统决定了移动设备可提供的功能,并控制设备上的触屏、键盘和无线连接等。 常见的移动操作系统包括谷歌公司的Android、苹果公司的iOS、微软公司的Windows Phone和Windows Mobile、黑赛公司的RIM和诺基亚公司的Symbian等。 然而,这些系统之间并不兼容，这也对移动GIS应用开发带来了挑战， 因此一个操作系统上的本地应用往往不能在其他操作系统上运行。 如果采用本地应用的开发方式(见第5. 3节），开发者往往需要根据针对的用户群， 来确定所要针对的一个或多个操作系统，并针对每一个操作系统分别用不同的技术来进行应用开发。

5.2.2. 无线通信 #

不同的通信技术在数据传输速度、传送距离、建设成本和适用范围等方面都有所不同（图5. 4),每一种技术也有多种规范。 为了便于讨论，本节讨论的内容是指这些技术的典型性能参数。

1. 蓝牙

“蓝牙”的名称来源于丹麦国王Harold Bluetooth,它是一种覆盖10 m左右范围的移动通信技术。 蓝牙的应用主要包括移动设备之间及其附属设备之间的通信，如移动设备与耳机和话筒之间的连接。

2. Wi-Fi(无线保真）

单个Wi-Fi路由器能够覆盖100 m左右的范围，数据传输速度为10 ~ 54Mbps。 Wi-Fi—般被用于构建无线局域网，适合于家庭、公司和大学校园。 一些国家的图书馆、机场、火车站和咖啡馆等公共区域提供Wi-Fi网络,这些区域被称为“Wi-H热点”。

3. 蜂窝网络

蜂窝网络是一种由众多无线蜂窝组成的通信网络，每个蜂窝至少与一个基站（即手机信号收发塔)无线连接。 众多的基站形成了覆盖广大区域的手机无线网络。 不同的无线通信提供商和政府部门建设了不同的蜂窝通信网络。 一个基站的通信距离可达50 km,但在实际应用中， 基站的密度和蜂窝信号的覆盖范围需要考虑无线通信所采用的频率、地形、用户的密度和动态变化等。 蜂窝网络通信技术已经经历了多代演变。

• 1G:基于模拟信号的第一代的无线通信技术，仅能够传输语音,不支持GIS 应用。

• 2G和2.5G:基于数字蜂窝网络的第二代无线通信技术，能够支持语音和 10Kbps左右的数据传输能力。 2. 5G介于2G和3G之间，数据传输速度能 够达到384 Kbps。 在2G和2.5G网络上开发移动GIS需要受到数据传输 速率低下的限制。

• 3G:第三代移动通信技术，能提供高达2 Mbps的数据传输速度以及一系列的高级服务， 包括Web浏览和观看在线视频等。在3G技术的支持下，移 动GIS应用能提供比较流畅的用户体验。

• 4G:第四代移动通信技术，理论上可以提供高达100 Mbps的数据传输速度， 能促进移动GIS的进一步蓬勃发展。4G网络可以采用LTE (long-term evolution; 长期演进 ）、 WiMAX( Worldwide Interoperability forMicrowave Access; 全球互通微波存取) 或UMB(Ultm Mobile Broadband;超移动宽带)等技术构建。

5.2.3. 移动定位技术 #

定位能力是移动GIS的基石，这一点对基于位置的服务和应急处理等应用

尤为重要。 有这样一个实例:2001年，美国佛罗里达州一位妇女由于汽车失控而冲进了路旁的运河里， 她用手机联系救援人员，但因为无法描述她的准确位置而延误了求援时间，最终救援人员找到和捞出她的汽车时， 她已经不幸遇难了（Popular Science，2002)。 美国政府早就意识到未来大量的紧急求助电话是通过手机拨打，而且这种趋势正在快速增长， 因此早在1996年就通过了诸如“改进911”的法案，要求移动电话运营商在随后的数年内逐渐提高定位能力， 以便政府急救部门接到求助电话时能够确定求助者的位置。 此外，欧洲也制定了类似的法令，这些法令促进了移动定位技术的发展。 今天的移动定位技术主要包括基于导航卫星、蜂窝通信网络、Wi-Fi网络、IP地址以及RFID(radiofre¬quency identification; 射频识别， 即电子标签 ) 等技术的定位方法。

1. 基于导航卫星的方法

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS)允许电子接收器通过卫星信号来确定自己的位置。 最常用的定位卫星系统是美国的GPS， 此外还有中国的北斗（BeiDmi)、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS)和欧盟正在建设的伽利略(Galileo)系统。

卫星定位技术要求移动设备有内置或外置的卫星接收器。 这种技术的优

点是定位精度高。 在晴空、没有遮挡和良好的卫星分布的条件下,GPS的水平定位精度可以达到5 m以下（K〇W〇ma， 2009)，通过实时差分修正可以精确到 1m以下。 这种技术常用于对定位精度要求较高的应用，如室外测量、车辆导航和设备维护等。 然而， 这种技术要求移动设备和卫星能够直视（line of sight),因此在房间里、高楼林立或其他地物遮挡的情况下， 定位精度会降低甚至根本不能定位。

2. 基于蜂窝网络的定位方法

此类方法依据蜂窝基站和手机等移动设备的相对位置来定位。 这种方法定位精度比卫星定位要低，但它不像GPS那样需要直视线，即便是在房间里和高楼的遮挡下， 依然能够定位。

基于蜂窝网络的定位方法有多种实现方式。 最基本的是“起源蜂窝小区” (cell oforigin，COO)方法， 它把移动设备所在的蜂窝小区的基站接收塔的位置作为该移动设备的位置。 这种方法投资低，但定位精度取决于蜂窝网络的范围，在基站密度较高的城市地区可达数百米， 而在基站密度较低的偏僻山区可能为数千米。 其他方法包括信号“到达时间”（T0A)、“到达时间差分”(TD0A)、“到达角度”（A0A)以及“增强型观察时差定位技术”（E-0TD)等。 这些技术采用蜂窝网络三角测量方法，使定位精度能够达到100 m以内， 但往往需要定向天线和高精准的定时设备，因此投入较高。

3. 辅助GPS定位方法

辅助GPS定位方法(A-GPS)结合了卫星和蜂窝两种定位技术，可以保持较高的定位精度， 即便是在障碍物影响的区域内依然能够定位。

4. 基于Wi-Fi的定位方法

当移动设备通过Wi-Fi连入互联网后，其位置可以通过Wi-K热点的位置估计出来。 这种方法依赖于Wi-Fi热点数据库，并利用了 Wi-Fi设备通常在热点100 m范围内的这一技术参数。 此外，通过对热点的三角计算技术还可以进一步提高定位精度。

5. 基于IP地址的定位方法

移动设备连人互联网后，其网络地址(IP address)也可以被用来确定该设备的位置。 但由于许多单位的计算机共用一个对外的IP地址，所以这种方法的定位精度相对比较低， 一般能达到市级或区级的空间精度。

5.2.4. 技术挑战 #

人们希望移动设备要尽量的小、尽量的轻，以便于携带。 但便携是有代价的，受体积和质量的限制， 移动设备在CPU (中央处理器）速度、数据存储空间、网络连接、屏幕大小和待机时间上等有所牺牲， 因此在设计移动GIS应用时，需要充分考虑以下因素的影响：

1. 有限的系统资源（CPU、内存和电池）

移动设备的系统资源相对有限，因此移动GIS软件需要尽可能地精简和提高运行效率。 复杂的分析计算尽量分配在服务器端完成,需要预载的数据要尽可能地精简，如删除无用的字段和进行制图综合等。 移动设备采集的数据需要及时地同步到服务器，以避免由于设备的意外情况而造成数据损失。

2. 有限的网络带宽和间断性的网络连接

无线通信服务会受到很多条件的影响，如天气条件、周围环境以及与基站的距离等， 因此实际的无线网络速度会低于理论速度，在一些区域甚至会没有无线网络连接。 移动GIS系统需要尽量减少网络数据的传输量。 对要求在离线情况依然能工作的项目，移动GIS系统需要预先将数据加载到设备中。

3. 较小的屏幕和键盘、复杂的室外环境

有限的屏幕和较小的键盘等因素对移动GIS应用的界面设计提出了挑战。 一些移动设备采用触摸屏，但人手指的操作精度是较低的，不如桌面计算机的鼠标精确。 移动GIS的用户界面需要根据室外的工作和工作流程来决定。 设计者显然不应该将桌面软件的用户界面直接搬到移动设备上，而是需要考虑根据设备的硬件资源做合理的设计。 避免用大量的工具条和菜单填满屏幕，尽可能利用选项来代替或减少文字输人， 尽量使用加粗的字体、高对比的颜色和简单的符号。 在白天强烈的阳光下，用户界面和地图的亮度和对比度要高;在夜间，用户界面的亮度要低。 尽可能地利用移动设备的当前位置来辅助地图导航和信息搜索。 桌面地图的方向一般是固定的，大都是上北下南,而对于导航等移动GIS应用， 地图上方应该指向用户车辆的移动方向，并考虑3D(或2. 5D)的地图显示方式。 移动应用还可以考虑使用语音提示，如iPhone 4S的语音控制系统Siri，具有较高的智能， 提供了一种新的方便的人机交互方式。

随着技术的发展,一些限制因素将逐渐被克服或改善。 例如，当今一个智能手机的计算能力比20世纪60年代美国“登月计划”所采用的大型计算机还要强。 虽然移动平台对GIS的应用开发提出了一些挑战,但是移动平台具有很多不可取代的优势，发展日新月异， 其多点触屏和语音控制性能自然方便，老幼皆宜，很多人对其爱不释手,将越来越流行和普及， 也将成为WebGIS愈加重要的客户端。