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iGeoTrans - 新型的基于GPS定位地球科学的iOS应用

Dieu Tien Bui, Chuyen Trung Tran, Biswajeet Pradhan, Inge Revhaug amp; Razak Seidu

摘要：iGeoTrans是一款专为导航目的设计的iPhone，iPad和iPod Touch上的iOS应用。此应用程序使用全球定位系统（Global Positioning System，GPS），辅助GPS系统，GLONASS（Global Navigation Satellite System），无线网络和蜂窝网络来定位。iGeoTrans包括了使用户能够在不同坐标系统间转换收集到的世界上几乎所有地方的数据的基准变换和地图投影。此外，其他功能包括如距离、面积测量和GPS结果可以导出为GIS软件的AutoCAD DXF格式。静态试验的水平和垂直平均均方根误差（RMSEs）分别约为4.11和3.51米。动态室外测试水平的均方根误差（RMSE）约为2.72米。iGeoTrans应用程序可用于支持在世界任何地区进行测量，绘图和地质勘察工作。

关键词：地理信息系统；iGeoTrans；地图投影；全球定位系统；信号；iPhone应用程序

1.简介

近年来，智能手机已经成为了强大的平台被成功应用于许多领域，如地质应用（Weng et al. 2012），水管理（Jonoski, Alfonso, et al. 2012； Jonoski, Almoradie, et al. 2012），交通监控（Chen et al. 2011； Monares et al. 2011），环境教育（Chang et al. 2011），外科手术应用（Dala-Ali et al. 2011； Franko 2011； Amin amp; Chandrasena 201）和农业（Zheng et al. 2011； Mesas-Carrascosa et al. 2012）。智能手机被认为是传统的移动电话和个人数字助理（PDA）二合一的组合。他们已经成为人们日常生活中，如为商业语音，数据，电子邮件和Internet访问（Casey 2011）的一个组成部分。通过高效的处理器，宽带互联网接入和提高生产率的应用改进的计算能力，智能手机有存储如个人电脑和笔记本电脑的信息的能力。使用智能手机带来的节省金钱不必购买单独的设备；并有利于信息的快速访问（Guerri et al. 2009）。

具有不同的操作系统（OS）和不同的开发工具各种平台可用于开发用于智能手机的应用程序。然而，六大平台提供商被认为是在智能手机市场的主导力量（Holzer amp; Ondrus 2011）。它们是：（一）苹果的iOS；（二）谷歌的Android操作系统； （三）微软的Windows CE操作系统家庭版； （四）诺基亚的Symbian OS；（五）RIM的黑莓OS；（六）LiMo基金会的Linux。总的说来，智能手机的标准平台尚未被开发（Chang et al. 2009）。想要基于上述平台来开发应用程序的开发人员需要使用相应的原生的提供可用的工具、库、编译器、代码示例等的软件开发工具包（Software Development Kit，SDK）。在此研究中我们使用了苹果的iOS平台来开发iGeoTrans这一应用程序，Objective-C中是主要的语言。许可协议要求使用苹果的iOS SDK。

近几年，具有大触摸显示屏、键盘、多媒体录制功能、内置全球定位系统（GPS）、无线网络、传感器和罗盘的智能手机和平板电脑的普及，，使人们不断地捕捉、上传和分享地理参考的内容（Bilandzic＆Foth 2012）。此外，随着计算机和GIS技术的发展（Wan 2009； Wan and Lei 2009），智能手机和其上的应用程序可以作为快速参考工具在许多领域，如地球科学和环境科学，为人们服务。尽管现在大多数智能手机有GPS接收器，然而大多只能记录经纬度坐标。更重要的是，他们大多不是智能手机的GPS接收器坐标系统变换的集成。这意味着当使用其他GIS软件来变换已记录的坐标到本地坐标时需要进一步的处理，反之亦然。在很多情况下这是不方便的，也就是说用户需要有关于GIS坐标变换知识，并且不是所有的GIS软件都是免费的。为了克服这一挑战，新应用程序应被开发。Weng et al.（2012）已经开发了用于智能手机的协助地质学家对现场数据和数据管理集合的应用程序Geotools。然而，此应用没有坐标变换的详细说明，没有用于GPS的位置精度的评估报告的展示。此外，这个应用程序仅适用于Android操作系统上运行的智能手机。

这项研究的主要目的是开发基于苹果iOS平台名为iGeoTrans的新应用程序。此应用程序可用于在实地调查及各种如地球科学和环境科学应用中的定位。此应用程序可以使用GPS，辅助GPS系统（A-GPS），GLONASS，无线网络和蜂窝网络来定位。另外，该应用包括使用户在大多数坐标系中能够把WGS-84坐标转换为本地坐标的地图投影和基准变换。这使用户能够在不同坐标系之间变换坐标。此外，其他的功能包括距离和面积估算，GPS结果使用GIS软件可以导出为AutoCAD DXF格式。最后，水平和垂直精度评估也被执行。

2.研究背景

2.1 iOS移动平台

iOS是苹果的OS，一个在如iPhone, the iPad, the iPod Touch以及最近苹果电视设备上使用的移动操作系统。苹果的iOS是基于Mac OS X上使用的相同的技术。iOS在2007年首次向公众发布，当时命名为iPhone OS，在2010年时更名为iOS。iOS最新版本是2013年6月发布的iOS 7。iOS只能用于苹果的硬件产品，并授权给第三方使用（Halvorsen amp; Clarke 2011）。

iOS系统架构由四个层组件公司（Apple Inc.2012）：核心操作系统层，核心服务层，媒体层和Cocoa Touch层（如图1）。在底部是核心操作系统层，它是操作系统的核心，具有加速、蓝牙、外接附件和安全性。从底部数起的第二层是核心服务层，包含对所有应用的基本的系统服务，比如网络协议、数据管理、位置、iCloud储存等。媒体层包含所有的非常先进的图形、音频、视频和AirPlay的技术。最上面一层是Cocoa Touch层，它定义了基本的应用基础设施。这一层包含关键的框架的支持技术，例如基于触摸的界面、推送通知、多任务处理等。更多细节可参见Sadun（2012年）。

2.2 GPS技术

全球定位系统，由美国国防部部署，美国空军维护，是基于卫星的无线电定位系统，可提供给在地球上任何地方使用GPS接收器的用户24小时的三维定位、测速和授时服务（Lee 2009年）。GPS系统采用一系列连续发送导航信号（包括地点和时间）到地球表面的每12小时绕地一周的卫星（Witt et al. 2010）。GPS是最常用的导航卫星定位技术。

当接收到来自GPS卫星发射的信号，一个位于地球表面上的移动GPS接收器可以计算出它的位置、时间和速度。接收器位置可以被表示为经度，纬度和高度。 一般来说，有两个GPS接收器的基本的操作模式：第一个是采集，第二个是跟踪。在第一模式中，GPS接收器开始查找GPS卫星的信号。在第二模式中，跟踪程序将被用于查找导航数据相变。然后，星历数据和伪范围将在导航数据中获得，并用于获得卫星位置。最后，可以计算GPS接收机的位置、时间和速度（Tsui 2005）。

图1. iOS的架构层

GPS接收器自2004年以来已成功嵌入手机设备，今天大多数可用的智能手机都配备了GPS接收器（Whipple et al. 2009）。GPS接收器在地球上任何提供至少四个不同的GPS卫星能接收的信号的地方可以很好地工作。然而，GPS接收器因信号阻塞在所有的室内或地下不工作。GPS接收器在如城市峡谷地区和其他峡谷环境的地方也不很好地工作。因此，用于GPS接收器的高灵敏度的芯片组（high-sensitivityGPS，HSGPS）被开发出来了（Xie et al. 2007）。当今大多数可用的GPS功能的智能手机采用A-GPS。该系统具有向GPS接收器提供信息的能力，如卫星轨道和时钟参数、位置和时间估计、频率估计和位置计算（Cacopardi et al. 2010）。利用这些信息HSGPS接收器可以减少确定他们目前位置和大概初始位置的首次定位的时间。

2.3 GPS定位的变换

GPS接收器使用世界大地坐标系1984（WGS-84）作为参考框架。当使用GPS，接收器（点）的坐标基于参照系上获得。这一点是由WGS-84椭球坐标系表达。在许多情况下，人们在地球科学领域的工作是在一个本地坐标系感兴趣的坐标。如果它们之间有明显的差异则需要从WGS-84到本地平面坐标的坐标变换的过程。

这一过程有三个任务：（ⅰ）映射点到一个平面上；（二）把GPS大地高转换成常用的大地水准面高的高度变换；（iii）基准变换。首要任务是利用地图投影。地图投影被定义为在一个水平上椭球面的所有的或部分的系统表述（Snyder 1987）。在iGeoTrans共有28个地图投影可以使用。投影可以被归类为共形，等面积，等距离和其他（Kennedy amp; Kopp 2000）。对于大地测量的应用中，共形投影是使用最广泛的。等角投影保留在角度的形状。地图投影的详细公式可参考IIiffe and Lott（2008）。高度和基准变换的讨论和公式可参考Hofmann-Wellenhof et al.（1997）。

3.iGeoTrans应用

3.1 iGeoTrans应用架构

用于iGeoTrans开发的软件包如下：（i）iOS的Mobile SDK；（ii）苹果的iOS开发者库。iGeoTrans应用的通用体系结构如图2所示。

图2. iGeoTrans应用的通用体系结构

在定位时，四个数据源可以用于推导位置：蜂窝定位，Wi-Fi定位和全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite Systems ，GNSS）包括GPS，GLONASS。位置的准确度取决于所使用的服务类型。GNSS准确性可能会有所不同，取决于可见卫星的数目和几何形状。Wi-Fi网络和蜂窝塔三角测量可被用来确定用户的位置是否在视线不能通畅至卫星，如室内或在城市峡谷。

在Cocoa Touch层采用基于触摸的界面，用户可以创建作业；确定坐标系和研究的区域的参数。iOS的核心位置框架用于获得智能电话设备的位置的地理坐标和运动方向。设置的坐标在WGS84和方向相对于真北衡量度。该框架采用智能手机设备的可用硬件，以确定位置和上班用的坐标值。该iGeoTrans创建数据库来保存收集数据。核心数据为管理对象的数据和用于基础设施维护对象（普里瓦和华纳2011）之间的相互关系。 最后，在WGS-84坐标转换为本地坐标。收集的数据可以是查看，编辑和输出使用Mapkit和地理信息系统格式，触控式的在Cocoa Touch层的接口。

3.2 iGeoTrans的特点

3.2.1 GPS坐标记录

在地球科学，实地勘察的一项重要任务是找到地理对象和确定其GPS坐标。这个任务在测绘、图像解译、地质等领域很重要。iGeoTrans（如图3）允许用户以经度，纬度和海拔高度的格式获取和保存GPS位置数据（如图4）。

3.2.2坐标变换

在iGeoTrans默认坐标是经度、纬度和海拔高度格式的WGS-84坐标（如图4（a））。在某些情况下，用户可能需要GPS坐标来定位本地坐标系。iGeoTrans提供了参考坐标变换的工具。该工具涵盖了大部分可用的坐标参考系统（Coordinate Rreference Systems，CRS）及其参数。iGeoTrans支持的地图投影的列表如表1所示。

有两种类型的坐标的操作：（i）第一个是坐标转换，不涉及基准变化，因此不需要输入基准参数；（ii）第二个是坐标变换，目标CRS基于不同的基准。这种类型的操作需要变换参数。iGeoTrans两种类型都支持。iGeoTrans中使用的地图投影的公式和方法以及坐标参考变换见Yang et al.(1999)和Iliffe and Lott（2008）。

3.2.3面积和距离计算

在许多情况下，用户需要测量地区的面积或两点或多点之间的距离，iGeoTrans支持这些任务。在iGeoTrans面积和距离的测量如图5所示。

图3 iGeoTrans

4.定位精度评估

iGeoTrans的定位精度的评估在iPhone 4上采用静态室外和动态室外两种类型测试。为了有所对比，一个低成本的手持GPS单元，Garmin eTrex 10（Garmin International Inc, 2011）也进行了测试。 Garmin eTrex 10配备有广域增强系统具有差分校正的高灵敏度的GPS芯片组。

图4 iGeoTrans记录经纬度和海拔高度

从上述设备的输出数据作为WGS 1984基准（GPS的参考系）的经度和纬度。为了把数据转换为本地坐标，原始数据被投影到本地坐标系。在这个测试研究中，选中测试场地Hanoi 城My Dinh 区(Vietnam)，其本地坐标是UTM Zone 48N VN2000。在这种情况下，基准转换使用7个变换参数进行。iGeoTrans提供用于变换的工具。

4.1 静态户外测试

在静态室外测试，这两个设备（iGeoTrans和Garmin eTrex 10）被安装在测量三角架的顶端。三脚架成立了二阶水平和垂直国家网络（Vietnam）的基准点。所有设备均给予足够的时间来获得可靠的GPS位置定位

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