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导航应用的电子地图共享平台建设研究
花存宏，龚丽芳，曾文华
（浙江省第一测绘院，杭州 310012）
摘 要：导航电子地图一直是我国导航产业化的瓶颈问题。本文结合浙江省基础测绘资源和卫星导航市场实际状况，通过对导航电子地图的技术特点分析研究，提出了导航应用的电子地图共享平台建设方案，旨在为导航电子地图生产企业提供基于导航应用的电子地图资源的共享平台，从而避免重复建设现象，实现数据共享，为导航电子地图产业发展提供技术支撑。
关键词：卫星导航系统 导航电子地图 基础地理信息 共享平台
1 1 引言测绘信息网
卫星导航系统在国民经济建设中占有重要的地位，是国民经济信息化建设的重要组成部分和推进力量，是直接关系到国家安全和经济发展的关键性技术支撑体系。与西方发达国家相比我国的导航电子地图起步晚，但前景广阔，其应用已逐渐从车载向手机、网络等载体延伸。面对导航电子地图巨大的商机，国内众多企业纷纷涌入导航电子地图市场。但大多数企业在缺乏政策引导和技术支撑的条件下，各自采集从基础地理数据到交通和社会经济的所有信息，没有形成合理的产业链，存在着盲目投入和低水平重复建设的现象，造成了大量人力、物力及资金的浪费。我省测绘部门拥有大量的数据、技术及人才资源，却由于现有基础地理数据的内容、结构以及其更新周期和服务方式等不能满足导航电子地图生产企业的要求而没有得到有效利用。此外，我国目前还没有完全解决地理信息保密和应用之间的矛盾，因此基础测绘资源作为社会信息化公共服务平台的作用不能正常发挥。为解决导航电子地图产业化存在的问题，我们在浙江省测绘局的支持下进行了浙江省导航应用的电子地图共享平台的研究。
2 2导航电子地图技术特点 测绘信息网
导航系统主要组成分为硬件、软件和电子地图三大部分。导航用电子地图是整个导航应用体系的核心，包括基础地理信息相关的背景数据、道路交通、各种兴趣点以及实时信息数据。
基础地理数据包含道路、地名、水系、居民地、境界、铁路等信息，这些信息是导航应用不可缺少的基础信息。表1所示导航电子地图与基础地理数据在数据内容、数据组织结构、拓扑关系、数据的准确性等方面的差异。
表1 基础地理数据与导航电子地图的对比

基础地理数据
导航电子地图
数据
内容
u 以同样的重要程度描述地表地物特征，着重表达各类要素的位置、形状和基本属性
u 主要刻划道路网络信息，充分表达道路交通关系及各类POI信息
数据
组织
结构
u 用“比例尺”的概念来描述地图对现实世界不同详尽程度的表达
u 不同比例尺数据按照相应图幅组织
u 较小比例尺要素通常需进行“综合取舍”，以消除对空间对象繁杂细部的表达
u 道路与POI数据的描述与表达无比例尺的概念
u 数据集的存储分区和图层按照路径优化、地址查找及决策支持的效率进行组织
u 不同详细程度不同综合程度、不同抽象程度的数据在应用时需要建立相互之间的链接关系
拓扑
关系
u 通常定义数据中点、线、面的拓扑关系
u 不表达道路之间的交通关系
u 表达道路网络的连通关系
u 表达道路之间的交通关系，包括优先、禁行、限制等
准确性
要求
u 1:1万精度5M，1:5万精度25M
u 现势性：根据经济建设需要几年更新一次
u 动态性：无
u 城市导航定位精度不低于5M，城际导航定位精度不低于25M
u 现势性：一般以每年4次或更高频率更新
u 动态性：动态交通信息非常重要
导航的重心是道路及与道路相关的地名与交通数据，道路数据必须客观、完整地表达现实世界中道路连通关系。由于基础地理数据并非面向导航应用，因此其道路数据无法很好地满足导航应用需求，体现在：1) 基础地理数据中的道路以道路中心线表示，而在导航应用中有物理或法定隔离带的道路需要按照交通流方向表达道路上下行关系。2)基础地理数据中立交桥以点或图示符号的方式表示，不表达立交桥匝道与其它道路的连通关系。3)基础地理数据在表达两条或数条道路的交叉处时，不论道路在此处是平面交叉还是立体跨越，在图面视觉上能够得到反映，但在数据上不能反映或没有完备的模型描述道路连通关系。这些问题在利用基础地理信息生产导航电子地图的时候，必须进行要素重构，有些还需要实地调查测量进行补充和完善。测绘信息网
3 3 数据库设计
3.1 3.1 内容设计
由于基础地理数据与导航电子地图共享平台在数据内容、数据组织结构、拓扑关系等方面存在差异，因此需要对基础地理数据进行加工处理生成导航电子地图共享平台，亦即导航应用的电子地图共享平台是在基础地理数据的基础上经过加工处理生成的面向导航应用的基础地理数据集，主要包括道路网络数据、POI（兴趣点）数据、地址数据与背景数据。我们在导航电子地图共享平台的建设过程中，根据导航应用对数据内容详细程度要求的不同，划分为城际与城市两个表达区域。城际导航的主要数据源为1:5万基础地理数据；城市导航的主要数据源为1:1万基础地理数据。
(1)从内容的划分上说，导航应用的电子地图共享平台由以下四部分内容构成：
a 道路网络数据：满足导航应用的拓扑需求，能够完整表达道路间的连通关系，真实反映交通流的实际通行情况，同时还包含桥梁、隧道、加油站、收费站、高速公路出入口、服务区、车渡等道路附属信息；
b POI数据：包含各类与导航定位相关的各类社会经济设施居民地名称：城市小区、村庄、农场、林场及渔、牧业点等；企事业单位名称；交通要素名：空港、机场名、海港名、内河港口名、渡口名、铁路车站名、地铁站名等；纪念地和古迹名：公园、古建筑、纪念地等；
c 地址数据：包括地址名称、地址拼音、所在行政区划名称；
d 背景数据：包括行政区划、水系、铁路、居民地、植被。
(2)从数据尺度上说，导航电子地图共享平台由城际导航电子地图共享平台与城市导航电子地图共享平台构成。测绘信息网
a 城市是交通活动最频繁的区域，在单位面积内，道路的面积、长度，POI的密度，道路信息的变化频率都是郊区农村无法比拟的，因此需要表达的内容和细节都比城际高的多;
b 城际导航电子地图共享平台表达城市之间道路的连通关系，主要以1:5万基础地理数据为数据源；城市导航电子地图共享平台表达城市内部道路之间的连通关系，主要以1:1万基础地理数据为数据源；
c 城际导航电子地图共享平台中只需表达城市内重要的交通干道数据。
道路网络数据
POI数据
背景数据

公路
城市道路
乡村道路
道路附属设施
交通服务
政府机关

铁路

水系
居民地

注记
行政区划
高速公路

国道

省道

县道

乡道
地址数据
城际导航电子地图共享平台
城市导航电子地图共享平台
杭州市
导航应用的电子地图共享平台
元数据
地图数据
……
…
……
公众服务
快速路
主干道
次干道

支线
内部道路
3.2 3.2逻辑模型

图1 逻辑模型图

城际导航电子地图的地图数据由道路网络、POI、背景及地址四大类数据组成，每类数据又包含若干个子类，子类下是最基础的小类，共包含138个小类。城市导航电子地图的地图数据则按照城市来组织，覆盖整个浙江省的所有县市区，每个城市地图数据内部的组织结构则与城际地图数据相似，但在小类划分上更为详细共包含183个小类。
3.3 3.3物理模型测绘信息网
城际导航电子地图与城市导航电子地图在数据库中分开存放，最后使用时由导航提取工具提取。城际导航电子地图的地图数据不区分图幅存储为一个数据集（dataset），小类以featureclass的形式存储于数据集(dataset)中；城市导航电子地图的地图数据分城市不区分图幅存储为多个数据集，每个数据集中又包含多个小类。城际导航电子地图和城市导航电子地图的元数据则均以单独表（table）的形式存储于数据库中。
4 4共享平台建设
外业数据采集
内业数据采集
质量控制
已有DLG
纸质地图或图集
各类影像
各种文字资料
工作底图
内业集成处理
处理、转换、更新
母库
数据更新
图2 导航电子地图建设流程
4.1 4.1 建设流程

4.2
4.3 4.2 软件选型和软件开发测绘信息网
（1）导航内业处理软件
使用专业的地理信息系统软件ArcGIS来处理所有的内业数据并开发相关的辅助处理工具提高作业效率。
（2）导航数据管理软件
过程数据管理软件:过程数据存储为Personal Geodatabase格式,采用专业的数据库管理软件——Microsoft Access。测绘信息网
结果数据管理软件:结果数据存储在Oracle数据库中,并开发相关的数据库管理软件提取数据、支持数据库的在线更新。
（3）导航数据检查软件
在内业处理软件中开发一系列辅助工具以检查数据的各种图面及内在的逻辑错误。
（4）相关辅助软件
主要用于辅助内业编辑,包括自动连接、自动接边、自动转换、自动融合等工具。
4.4 4.3 资料收集
资料收集阶段主要是尽可能多收集与数据采集区域相关的数字地图（DLG）、航空影像、卫星影像、交通旅游图、行政区划图等资料。在资料收集中应特别注重所收集资料的质量（精度、现势性等），在资料收集过程中，要对所收集的资料进行整理，形成相应的文档，并入库管理，方便以后查找。
4.5 4.4 数据预处理测绘信息网
依据所收集的资料加工成工作底图，作为外业作业的基础。在资料加工过程中，先对前一阶段所收集的资料进行分析，对资料不完整或不符合作业要求的要进行重点标注，以便在外业作业的过程中进行实地检校与处理。在资料预处理完成后，成果要入库并形成记录文档。
4.6 4.5 外业作业准备
完成的工作主要包括外业作业规划及外业采集资料、设备准备等。在外业作业规划中需要制定外业数据采集的进度安排，形成作业分区索引图及作业小组分工说明文档等。并在该过程中为外业数据采集准备必要的地图图形拷贝、数据采集手薄、专用采集软件，以及采集数据所需的车辆、计算机、定位设备等。
4.7 4.6 外业作业
外业阶段是对数据进行实地采集和质量检查，该过程又分为外业数据采集、采集成果质量检查、采集成果整理及资料成果移交等几个主要阶段。主要工作内容即是按照作业要求和规范采集指定作业区内的道路信息及POI信息并在作业底图上详细标注,采集成果执行严格的质量控制，检验合格后作业人员上交作业底图及其他相关资料。测绘信息网
4.8 4.7 内业作业
内业作业的主要任务是对外业作业成果进行统一处理，主要工作包括数据录入、数据编辑、数据拼接及关系建立。测绘信息网
数据录入：将外业采集时记录在工作底图或其他记录信息录入或导入到地图数据库中，并增加地理编码。
数据编辑：使用专门编辑软件，对采集的几何、属性和关系信息进行编辑处理，包括要素合并、几何要素规整、属性赋值。
数据拼接：将不同工作区（图幅）的数据合并起来，进行几何接边、属性规整、关系一致性处理，包括接边处理、分幅拼接。
关系建立：包括拓扑关系和交通关系建立。建立道路网的连通拓扑并按照实际交通流的通行情况建立交通关系。
4.9 4.8 质量控制
内外业数据质量检查是根据预定的规则对数据的几何表达、属性、关系的正确性、合理性，以及一致性进行检查、控制。所有质量检查应以数据标准书与作业手册为依据。
4.10 4.9 更新维护
数据更新时须首先从数据库中提取需要更新区域的数据集，按照作业流程进行更新作业，更新结束通过专门的软件提交。测绘信息网
4.11 4.10 数据安全
在数据生产的各个阶段均需对原始数据和成果数据进行备份，并将相关资料归档。
5 5关键技术
导航应用的电子地图共享平台建设是一个庞大而复杂的工程，其中涉及多方面的关键技术。
（1）海量数据存储与管理技术：数据库范围覆盖全省的1：5万和城镇的1:1万地图，数据库中存储了大量与导航应用紧密相关的道路规制信息、POI信息等，信息量大内容丰富，为此系统构建了Oracle9i+ArcSDE8.3的数据存储环境，全省数据在分图幅完成编制后通过批量入库工具导入到Oracle数据库中，数据合幅则通过自动处理程序在数据库中完成。使用数据时通过数据更新服务平台自动按照用户需求提取。通过这一系列数据管理辅助工具的开发和应用有效的减少了人工干预，提高系统自动化程度，保证了数据在生产、传输过程中的一致性。测绘信息网
（2）快速更新技术：地图数据库建成后的生存周期依赖于数据库的更新周期，更新速度快则数据库的生存期就长,反之则短。在平台建设中通过设定最佳更新周期和采用新的更新技术建立了一种快速稳定的更新机制，以保证地图数据库获得更长的生存期。测绘信息网
（3）多源多尺度数据的整合处理技术：为建立统一的导航应用的电子地图共享平台，需要对各类数据进行分析，遵照导航地理框架数据标准，针对不同类型数据制订具体的数据生产技术细则，通过对不同资料和数据的要素编码、分层、坐标系、投影、数据格式等进行一系列的标准化和规范化处理，将多源、多尺度的数据进行综合处理，协调相互间关系，实现各种数据的整合。
（4）道路网络数据模型的构建：导航电子地图的核心要素是道路网络，道路网络必须正确表达道路之间的连通关系。现有基础地理数据显然不符合这种表达。因此，需要针对导航电子地图的要求构建道路网络数据模型，采用连通拓扑的数据模型来表达道路间的连通关系。
（5）空间数据连通拓扑关系的建立：导航电子地图的路段结点间要实现基于非平面的连通拓扑的表达，而基础地理数据都是基于平面的完全拓扑的数据模型存储数据的，需要处理其中道路的连通拓扑关系，按照导航电子地图的道路网络数据模型要求，开发软件实现自动、半自动建立和维护道路的连通拓扑关系。
（6）高效质量控制技术：导航电子地图来源于面广，多尺度、多类型数据，数据量很大。需要开发出比较智能化的数据生产质量控制软件，减少人工检查工作，切实做好大批量数据的质量控制。
6 6结束语测绘信息网
开展导航应用的电子地图共享平台建设可以充分利用已经生产的基础测绘产品，为汽车、手机、网络导航服务提供基础数据源，一方面充分节约了社会资源，减少了低水平的重复浪费；另一方面也为基础测绘产品的对外服务和应用提供了一个窗口。从导航电子地图市场来看，开展该平台建设有利于形成合理的产业链，促进市场的发展和繁荣。当然由于基础测绘产品与导航用电子地图在数据组织、表达方式上有较大的差异，在实际生产中还有部分问题，这些需要在今后数据生产中改进。

参考文献:
[1]汽车GPS导航系统通用规范 GB/T19392—2003.
[2]导航地理数据模型与交换格式 GB/T19711—2005.
[3]导航电子地图标准(草案) GB／TXXXX.
[4]导航地理数据采集处理技术规程（送审稿） GB/T xxxx-xxxx.
[5]蒋捷,韩刚,陈军.导航地图数据库. 北京：科学出版社,2003.