（交通信息工程及控制专业论文）融入实时交通信息的城市电子地图研究.pdf

s t u d yo fc i t ye l e c t r o n i cm a pi n t e g r a t e dr e a l t i m e t r a m ci n f o r m a t i o nw i t h b y x i a or u i b e ( n a v yu n i v e r s i t yo fe n g i n e e r i n g ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np r a t i c a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g d i s c i p l i n eo ft r a f f i ci n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g & t e c h n o l o g y c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl ih o n g a p r i l ，2 0 1 1 8洲7川川1哪48眦8iii叭l_驯y 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 舂嘶 日期：a 口i 年多月3 日 fj 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：有 导师签 日期：知j 7 年箩月弓7 1 3 日期f 年厂月罗f 日硼f j 夕y节j一磷肋力 摘要 现代社会交通压力与日俱增，智能交通系统( i t s ) 成为解决这一难题的最 重要手段。车辆导航系统是i t s 领域内的一个重要部分，已成为国内外的研究热 点。而车辆导航系统离不开城市交通电子地图的支持：车辆用户端装载导航电子 地图用于显示路网交通信息和支持路径规划；交通信息中心也可通过交通电子地 图分析城市的全局交通状况，进而合理分配交通流。用户与交通信息中心实时互 动，最终形成安全、舒适、便捷的交通环境。 随着城市车辆数目的不断增长，基于动态道路阻抗的路径搜索才具有实际应 用价值。传统的导航电子地图较好地反映了静态交通信息，但缺乏对实时交通信 息的描述。为满足动态导航功能的需求，我们必须开发出动态导航电子地图。本 文正是以此作为研究的动机，探讨与实时交通信息的电子地图表达问题相关的技 术问题。 文本的研究基于静态导航电子地图，将实时交通信息融入其中。本文的侧重 点及创新点如下文所述： 1 研究制作静态导航电子地图的相关技术。采用矢量数据结构组织导航电子 地图的空间数据，并设计相关属性描述了路网的连通性，依据制作流程制作导航 电子地图； 2 对g p s 定位技术展开研究。g p s 定位数据既是实时交通信息源之一，又为 路径规划提供精确的起讫点坐标。在介绍定位原理及坐标转化技术的基础上，我 们提出一种基于弧段权重的地图匹配算法实现了定位点的屏幕显示，并以跑车实 验验证了算法的有效性。 3 探讨实时交通信息可视化表达技术，采用了线性参考方法与动态分段技术 相结合的技术手段。此外，我们利用细节层次( l o d ) 技术研究了多比例尺下实 时交通信息的表达技术。 关键词：导航电子地图；智能交通系统；实时交通信息；地图匹配算法；动态分 段技术；细节层次技术 a b s t r a c t i nm o d e r ns o c i e t yt r a f f i cp r e s s u r ei sl a g e r a n dl a g e rd a yb yd a y ，i n t e l l l g e n t t r a f f i cs y s t e m ( i t s ) i st h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i c a l m e a n sw h i c hc a ns o l v et h l s d i f f i c u l tp r o b l e m v e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e m i so n eo fi m p o r t a n tp a r t so fi t s , w h l c h h a sb e i n gar e s e a r c hf o c u sa th o m ea n da b r o a d a n d v e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e mn e e d t r a m ce l e e t r o n i cm a po fc i t i e s ：n a v i g a t i o ne l e c t r o n i cm a pl o a d e d b y u s e rt e m l n a l s c a nb eu s e di ns h o w i n gt r a f f i c i n f o r m a t i o no fu r b a nr o a dn e t w o r ka n ds u p p o r t l n g p a t hp l a n n i n g ；t r a f f i ci n f o r m a t i o nc e n t e rc a n a l s oa n a l y s i so v e r a l lt r a f f i co f t h ec i t y a n dd i s t r i b u t et r a f f i c f l o wi nr e a s o na c c o r d i n gt o t r a f f i ce l e c t r o n i cm a p us e r t e m i n a i s 孤dt r a f i l ei n f o r m a t i o nc e n t e re x c h a n g er e a l - t i m e i n f o r m a t i o n ，f i n a l l yl t b e c o m e sas e c u r e ，c o m f o r t a b l ea n df a s tt r a f f i ce n v i r o 眦e n t w i t ht h ei n e r e a s i n go ft h en u m b e ro fv e h i c l e si nc i t i e s ，r o a dr e s e a r c h i n g b a s e d o nd v n 锄i cr o a di m p e d a n c ei so n l y v a l u a b l ei np r a c t i c e t r a d i t i o n a ln a v l g a t l o n e l e c t r o n i cm a pr e f l e e t ss t a t i ct r a f f i ci n f o r m a t i o nw e l l ；h o w e v e r ，1 a c k t h ed e s c r i p t l o n o fd y n a m i ct r a f f i c i n f o r m a t i o n i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t o fd y n a m l c n a v i g a t i n g ，w em u s td e v e l o pd y n a m i c n a v i g a t i o ne l e c t r o n i cm a p t h i sp a p e r l sb a s e d o nt h i sp r o b l e m ，a n dd i s c u s s e st h et e c h n i c a li s s u er e l a t e d t oe x p r e s s i o nt e c h n o l o g y o fr e a l t i m et r a f f i ci n f o r m a t i o ni ne l e c t r o n i cm a p t h i sp a p e rp u t sr e a l t i m et r a f f i ci n f o r m a t i o ni n t o s t a t i cn a y i g a t i o ne l e c t r o n l c m a p t h ef o c u sa n dt h ei n n o v a t i o n so f t h i sp a p e r 缸e 懿f o l l o w 一 1 s t u d vt h et e c h n o l o g yr e l a t e dt om a k i n g s t a t i cn a v i g a t i o ne l e c t r o n i c 眦p l n e a u t h o ru s e st h c s t r u c t u r eo fv e c t o rd a t at oo r g a n i z e s p a t i a ld a t ao f e l e c t r o n i cm a p a n dd e s i g na t t r i b u t e s r e l a t e dt or o a d si no r d e r t oe x p r e s sc o n n e c t i v i t yo t - r o a d n e t w o r k 。m a k ean a v i g a t i o ne l e c t r o n i cm a p a c c o r d i n gt op r o c e s so fm a k i n g 2 s t u d vt h et e c h n o l o g yo fg p sp o s i t i o n i n g g s pp o s i t i o n i n g d a t ai s n to n l yo n e o fs o u r c e so fr e a l - t i m et r a f f i ci n f o r m a t i o n ，b u tc a n a l s op r o v i d ep r e c i s ec o o r d l n a t e s o fs t a r t i n gp o i n t 龃dt e r m i n a lp o i n t b a s eo n t h ei n t r o d u c t i o no fp r i n c i p l eo fg p s p o s i t i o n i n g 髓dt e e h n o l o g yo fc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ，w e p r o p o s ea na i g 咖n m b a s e do na r cw e i g h t ，t h i sa l g o r i t h mr e a l i z e s t h es c r e e nd i s p l a y i n go fp o s i t i o n i n g p o i n t f i n a l l y w ev e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo f t h ea l g o r i t h ma c c o r d i n gt oe x p e n m e n t o f r u n n m g c a r 3 d i s c u s st h ev i s u a l i z a t i 。ne x p r e s s i o no fr e a l - t i m e t r a f f i ci n f o r m a t i o n ；t h e a u t h o ru s e sl i n e a rr e f e r e n c i n gm e t h o da n dd y n a m i cs e g m e n t a t i o nt e c h n o l o g ya t t h es a m et i m e i na d d i t i o n ，w eu s et e c h n o l o g yo fl e v e lo fd e t a i lt oc o m p l e t et h e e x p r e s s i o no fr e a l t i m et r a f f i ci n f o r m a t i o ni ne l e c t r o n i cm a pi nv a r i o u ss c a l e s k e yw o r d s ： n a v i g a t i o ne l e c t r o n i cm a p ；i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ； r e a l t i m et r a f f i ci n f o r m a t i o n ；m a pm a t c h i n ga l g o r i t h m ；d y n a m i c s e g m e n t a t i o n ；l e v e lo fd e t a i l i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 课题研究背景1 1 1 1 智能交通系统概述1 1 1 2 交通地理信息系统介绍3 1 1 3 交通信息分类及采集方式3 1 2 国内外现状及发展趋势4 1 2 1 国夕i 发展现状5 1 2 2 国内现状及发展趋势6 1 3 本文的研究内容及研究意义：。6 1 3 1 本文的研究内容一7 1 3 2 课题的研究意义7 1 4 本章小结8 第二章静态导航电子地图相关技术 2 1 导航电子地图数据的组织9 2 1 1 导航电子地图的数据分类9 2 1 2 空间数据的结构9 2 1 3 导航电子地图的数据模型1 2 2 1 4 导航电子地图的数据组织1 3 2 2 城市道路网连通性表达1 4 2 2 1 道路层次分析1 4 2 2 2 路段正方向的定义1 5 2 2 3 中心端路网连通性表达1 5 2 2 4 车载端路网连通性表达1 8 2 3 导航电子地图的制作2 1 2 3 1 导航电子地图制图技术规定2 1 2 3 2 导航电子地图制图流程2 2 2 4 本章小结2 3 第三章车辆位置信息获取方法研究 3 1 车辆定位原理与坐标转换2 4 3 1 1g p s 结构2 4 3 1 2g p s 工作原理分析。2 6 3 1 3g p s 定位方式简介一2 7 3 1 4 相关坐标系简介一2 8 3 1 5 坐标变换算法研究2 9 3 2 地图匹配研究3 1 3 2 1 定位数据预处理一3 2 3 2 2 匹配路段的确定3 2 3 2 3 权重算法思想3 3 3 2 4 转弯判定与交叉口处理3 5 3 2 5 算法流程与实验分析3 5 3 3 本章小结。3 7 第四章实时交通信息的可视化表达 4 1 基本比例尺下可视化研究一3 9 4 1 1 实时交通信息特征分析3 9 4 1 2 可视化技术的引出一3 9 4 1 3 可视化技术路线一4 l 4 1 4 可视化的实现4 3 4 2 多尺度可视化研究4 6 4 2 1 地理信息多尺度实现4 6 4 2 2 实时交通信息多尺度表达4 8 4 3 本章小结一5 0 总结与展望一51 参考文献5 3 致j 射_ 5 7 附录攻读硕士期间发表的学术论文5 8 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着现代科技文明的飞速发展，世界社会经济发生了深刻的变革。人们在要 求提高交通服务质量的同时，对交通旅行的需求量日益增长。然而，道路网的可 扩展空间极其有限，因此在各国交通拥挤成为一个普遍的难题。拥挤的交通进一 步导致了交通事故、时间与能源浪费、噪声污染等一系列恶劣的后果。日本每年 因交通拥堵而造成的经济损失高达1 2 0 0 0 0 亿日元；英国每天有价值为1 0 亿英镑的 能源浪费在交通拥挤问题上；根据美国交通部门的预测，2 0 2 0 年美国因交通拥挤 而遭受的经济损失将在1 5 0 0 亿美元以上n 1 。我国正处于高速发展阶段，“堵城一 现象尤为严重。以北京市为例，目前机动车保有量早己突破4 5 0 万辆；预计2 0 1 5 年之前将达到7 0 0 万辆，采取限行措施也将无法缓解交通问题他，。 与此同时，人类掌握了现代化的科技手段，计算机技术、电子信息技术、通 讯技术、航空航天技术、系统集成技术等都达到一个较高的水平。面对有限的道 路网资源，如何将现代科技成果运用于交通领域成为全球众多学者研究的一个热 点。正是在这种背景下，智能交通系统诞生了。而智能交通系统诸多功能的实现 都依赖于城市电子地图。 1 1 1 智能交通系统概述 什么是智能交通系统? 各国之间没有形成统一的定义，但对其本质有着共同 认识。我国对智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 的定义为： 在较完善的基础设施( 包括道路、机场、港口及通讯) 之上，将先进的信息技术、 控制技术、通信技术、传感器技术、计算机技术及系统集成技术有效地综合运用 于地面交通运输体系，而建立起的一种在大范围内全方位发挥作用的实时、准确、 高效的交通运输管理系统n 。作为2 l 世纪解决交通问题的核心方案之一，i t s 能 够将车、人、道路及交通地理环境组成一个“聪明 系统，最大限度地挖掘已有 基础设施的潜能，实现交通顺畅，消除交通安全隐患，节约能源，减少交通引发 的环境污染。城市是智能交通系统服务的主要对象。 上个世纪6 0 年代，美国i t s 起源于电子路径诱导系统。之后，美国开展了 智能车辆道路系统( i v h s ) 的研究，它包含6 个彼此联系的子系统：先进的出行 者信息系统( a t i s ) 、先进的交通管理系统( a t m s ) 、先进的车辆控制系统( a v c s ) 、 先进的公交系统( a p t s ) 、商用车辆运营系统( c v o ) 以及先进的乡村运输系统 ( a r t s ) “1 。1 9 9 4 年，i v h s 改称i t s 。1 9 8 6 年，欧洲主要汽车公司发起了欧洲 高效安全道路交通计划( p u t h e u s ) ，开启了i t s 方面的研究。随后，p r o m t e 计 划加紧了交通智能化的研究。1 9 9 1 年年末，公共组织欧洲道路运输通信信息协 调组织( e r t c o ) 成立，对整个欧洲的i t s 工作进行协调统一。上个世纪7 0 年代， 日本开始涉足i t s 领域，投入汽车综合控制系统( c a c s ) 。在i t s 的道路上，日 本遭遇了一些挫折，但经过四省一厅的共同推进，日本已在a t m s 和a t i s 的实际 部署领域处于世界领先地位h 1 。我国从上世纪9 0 年代开始关注i t s ，目前相关研 究及开发只在区域内展开。但国家正在积极筹备更广阔范围的i t s 项目。 在现代i t s 中，城市车辆导航系统占据了一个重要的地位，如果不能实现导 航功能，那么i t s 将无法完成其最根本的使命。在一个城市中，导航系统必须借 助城市电子地图这个工具来实现其功能，同时以它作为工作平台。车辆导航系统 大致可以分为3 类：中心式导航系统、分布式导航系统、组合系统。导航系统 按照其引导车辆所依据信息的来源又可分为静态导航系统和动态导航系统。静态 导航系统以纯粹地理信息数据或静态交通历史数据为路径规划依据，动态导航系 统所采用的是实时更新的动态交通信息哺1 。显然，在现代交通领域中，动态导航 才具有实际意义；静态导航无法避开拥堵路段，体现不出i t s 的智能性。图1 1 是城市车辆导航系统及其各相关部分的示意图。城市车辆导航系统主要由交通信 息中心、导航车载信息装置( 即导航车载终端) 、无线通信网络组成。交通信息中 心和导航车载信息装置通过无线通信网络实施信息互动。卫星定位系统负责协助 导航信息装置完成车辆在城市电子地图上的定位。目前，全世界卫星定位系统主 要有：美国g p s 系统、俄罗斯全球卫星导航系统( g l o n a s s ) 、欧洲“伽利略一全 定 。基站 图1 1 城市车辆导航系统拓扑图 球卫星定位系统以及我国“北斗一定位系统1 。此外，导航车载终端常安装陀螺 2 仪等辅助卫星系统对车辆进行实时定位。同时，路面交通情报发布系统配合导航 系统进行群体车辆诱导。城市电子地图装备在交通信息中心和导航车载信息装置 上。交通信息中心电子地图供交通管理部门对交通实施监控，或作为交通管理部 门分配交通流的工作平台；导航车载终端的电子地图作为车辆用户与导航系统交 互的界面，主要完成实时车辆位置、最优路径及道路交通信息的显示工作。分布 式导航系统与中心式导航系统的差异在于：前者将路径寻优子系统置于导航车载 信息装置端，后者将路径寻优子系统置于交通信息中心端。得到的分别是个体最 佳路径和系统最佳路径。组合系统则可向车辆驾驶员提供这两种最佳路径方案， 驾驶员可酌情选择。 1 1 2 交通地理信息系统介绍 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是在计算机 软硬件支持下，以地理空间数据库为基础，采集、存储、管理、分析和描述整个 或部分地球表面( 包括大气层在内) 与空间和地理分布有关的数据，为地理研究 和地理决策服务的空间信息系统盯。地理信息系统的硬件系统以计算机为核心， 还包括地理信息系统专业外围设备和地理信息系统输出及存储设备。其中，地理 信息系统专业外围设备有扫描仪、数字化仪、解析测图仪，光笔和测绘仪器等； 输出与存储设备有打印机、光盘刻录仪、u 盘、磁带机等。作为地理信息系统核 心的g i s 软件系统中与用户相关的有：数据输入和转化子系统、图形及文本编辑 子系统、空间数据存储与管理子系统、空间查询与分析子系统、数据输出与表达 子系统 。 地理信息系统运用于交通领域，称为交通地理信息系统，简称g i s - t 。美国 各州公路和运输工作者协会( a m e r i c a na s s o c i a t i o no fs t a t eh i g h w a ya n d t r a n s p o r t a t i o no f f i c i a l s ，简称从s h t o ) 和联邦公路管理局( f e d e r a lh i g h w a y a d m i n i s t r a t i o n ，简称f h w a ) 是研究、开发、实施g i s t 的发起者哺1 。g i s - t 集成 了g i s 技术与交通信息分析及处理技术。它将数据库技术与空间分析方法结合起 来，直观描述路网交通流信息，成为智能交通系统中不可或缺的部分。随着g i s 技术的推广，动态电子地图将取代传统电子地图，实现交通信息的可视化伸1 。在 i t s 中使用的电子地图因其复杂性、动态性，跟一般的地理信息查询系统存在较 大差异，具有数据量更大、易修改、更精确等特点。 1 1 3 交通信息分类及采集方式 交通信息从整体上可以划分为动态和静态两种，动态交通信息是指随时间和 空间变化着的实时信息，静态交通信息为交通系统中在一段时间内稳定不变的信 息，两者是相比较而言的旧们。静态信息包括交通地理基础信息( 地物布局及交 通基础设施设置) 、城市道路网基础信息( 道路等级、车道数等) 、停车厂位置 本文所研究的城市电子地图不是一般意义下的电子地图，而是用于i t s 的城 4 表1 1 主要的3 种固定型交通信息采集技术比较表 检测技术检测信息类型优点缺点 环形线圈车辆的通过、1 技术成熟，性价比高；1 安装、维护时，破坏路 检测交通流量、2 易于操作，技术精确；面，中断交通； 车辆速度、3 不易受天气影响 2 可靠性与使用寿命受 车道占有率、线圈设计多样化；安装方式影响。重型 车型、牌照等 车辆通过时，易损坏； 3 无法检测到静止车辆 视频检测交通流量、1 可检测面积大，减少了1 积水的反射、阴影等 车辆速度、传感器数目；造成了较大误差； 车道占有率、2 可提供交通视频图像；2 天气变化影响检测效 车型分类、3 通过计算机视觉可提 果： 车牌号码、供比一般的检测方法3 大车遮挡小车，有时检 车辆运行更丰富的信息；测不到小车 轨迹等 4 易于实现智能交通，便 于连网工作； 5 通过计算机图像处理 技术提高了视频检测 的实时性 微波检测车道车流量、1 可检测多达8 条车道交1 对安装距离、高度有要 车辆平均速度、通流信息；求，造成在桥梁、立交 车道占有率、2 全天候工作，不受雾、等处安装成本偏高： 车道交通雨、雪的影响；2 拥堵及不均匀车流形 流量等3 基于软件运行，维护方成的遮挡影响检测精 便 度 市电子地图，即城市导航电子地图1 。在i t s 中，它扮演着多重角色，是i t s 的基 石。换个角度看，它就是一张反映整个城市实时交通状况的电子地图。目前，电 子地图在导航领域的应用主要有：车载导航、移动位置服务( l o c a t i o nb a s e d s e r v i c e s ，简称l b s ) 、便携式自动导航( p n d 导航) 。 1 2 1 国外发展现状 目前，国外的导航电子地图供应商主要有n a v t c q 、z c n r i n 、m a p m a s t e r 、 t e l e a t l a s 、i p c 五家，大约占据了全球市场的9 5 ( 除中国) n 钔。其中，第一家 公司为美国公司，第二家为荷兰公司，后三家为日本公司。五家公司在各自强势 的方面垄断了市场。导航电子地图作为导航产品的基本支持，随着导航产品的发 5 地图分析功能强大。 1 2 2 国内现状及发展趋势 随着智能交通系统项目的推进，我国学术界对城市导航电子地图倾注了更多 的注意。但这方面的研究还处在初级阶段，相关技术尚不成熟。在市场上，北京 四图维新、高德软件、北京瑞图万方( 旗下北京长地万方科技有限公司) 、深圳 市凯立德、易图通、北京灵图、北京城际高科、国家基础地理信息中心、浙江第 一测绘院、北京科菱航睿空间信息技术有限公司、武汉立得空间信息技术有限公 司1l 家从事导航电子地图行业的单位获得甲级测绘资格。真正投入企业运作的是 前7 家。除此，还有很多其他公司在做导航电子地图。这些企业之间竞争激烈， 产业不断集中。这是由导航电子地图领域资金、技术及劳动力密集的产业特征所 决定的。2 0 0 5 年，被瑞图万方收购的上海畅想与t e l ea t l a s 共同推出的导航电子 地图可以基于多种平台( 车载、互联网、便携式等) ，这对我国导航产业产生了 积极的影响。 我国城市导航电子地图的发展也受到了具体国情的限制：( 1 ) 我国没有形 成统一的导航电子地图制作标准，资源共享难度大；( 2 ) 我国对测绘有规定， 涉及到国家机密的情况，不得采集信息；( 3 ) 我国城市化进程发展快，城市面 貌日新月异，导航电子地图更新速度跟不上城市的发展n6 1 。我国导航电子地图正 向着产业更细化、精度更高、智能性更好的方向发展。庞大的p o i 点，需要我们 投入精力更新。在i t s 推进的过程中，将动态交通信息反映于导航电子地图是个 必然，本文正是以此作为研究点。 1 3 本文的研究内容及研究意义 本文的研究对象是城市组合式动态导航系统的电子地图，研究的重点是实现 城市实时交通信息的电子地图可视化表达，并要求所生成的城市电子地图能够为 车辆动态导航提供交通信息支撑。下面就本文的研究内容及研究意义进行说明。 6 1 3 1 本文的研究内容 本文所研究的城市电子地图是用于组合式导航系统的，因此文本涉及到的电 子地图既包括交通信息中心的电子地图，又包括车载电子地图。这两种电子地图 在某些方面有着相同之处，在另一些方面有着不同之处，但其核心目的都是为组 合式导航提供平台和工具。通过对导航电子地图的发展现状及未来趋势的掌握， 本文在现实研究条件允许的范围内展开研究。本文的框架结构及各章节内容安排 如下： 第一章，介绍了本课题产生的现实背景与理论、技术背景，简要介绍了国内 外导航电子地图业的发展现状及其趋势，明确提出本文的研究对象和各章节内容 编排方案，最后对课题的研究意义进行了阐述。 第二章，对静态导航电子地图的相关技术问题进行了研究。首先，研究了静 态导航电子地图的数据组织结构；然后，在考虑路网拓扑结构与交通管制信息基 础上，就城市道路网络的联通性进行了研究，分别针对交通信息中心端电子地图 和车载端电子地图给出了具体的联通性表达法案；最后，对导航电子地图制作要 求及制作流程进行了研究。 第三章，以g p s 系统为代表对车辆卫星定位技术进行了研究。本章对卫星定 位原理进行了详细介绍，对卫星定位的关键技术环节一坐标转换与地图匹配算法 进行了研究，最终实现了车辆在导航电子地图上的精确定位。 第四章，研究了城市道路网实时交通信息的电子地图可视化表达技术。针对 最大比例尺下的电子地图，采用线性参考方法与动态分段技术实现了实时信息的 可视化工作；最后研究了不同比例尺下实时交通信息的可视化表达技术。 第五章，对全文所做的工作进行总结，通过分析得出了基于本文的研究可进 行的后续研究及需要完善的内容。 本文所设定的技术路线为：先建立静态导航电子地图，再将实时交通信息融 入该电子地图以形成动态导航电子地图，并投入组合式导航系统进行实际运用。 图1 2 给出了本文具体的技术路线示意图。 1 3 2 课题的研究意义 我们处在一个城市交通压力巨大的时代，这使得世界各国都参与到了智能交 通系统研发与建设的队伍中来。尽管现在投入实际应用的导航仪都只有静态导航 功能，但基于实时交通信息与交通流预测的动态导航算法已成为智能导航系统研 究的热点n7 1 。动态最优路径通过避开交通拥挤而降低了出行成本，才是真正意义 上的最优路径。而开发出动态导航电子地图是实现动态最优路径规划的前提条 件。另一方面，我国现有的导航系统式属分布式导航系统，仅仅考虑了单个车辆 的出行需求，没有从整个城市道路网全局的角度去分配交通流。随着我国车辆保 7 图1 2 本文技术路线示意图 的大幅度增长，这种导航方式势必会造成更为严重的交通拥堵现象。因此， 中心式导航系统必定是未来的发展趋势。而将中心式导航系统与分布式导航 进行结合以形成组合式导航系统，既能满足交通管理部门的需求，又可为驾 提供符合自己心意的选择，则是更为吸引人的方案。以往的研究焦点通常集 车载导航电子地图。因此，研究适用于组合式导航系统的电子地图具有重要 本章小结 本章详细介绍了课题的研究背景，阐述了导航电子地图的国内外发展现状及 ；并提出了本文的研究对象及研究内容，对文章的章节安排进行了详细的介 在此基础上阐明了开展本文研究工作的理论及实践意义。 第二章静态导航电子地图相关技术 2 1 导航电子地图数据的组织 电子地图是利用计算技术，以数字方式存储和查阅的地图。与纸质地( 或布 质) 地图相比，电子地图不断能提供更大的信息量，而且具有更好的交互性。城 市导航地图是专门用于城市交通导航系统的电子地图。导航电子地图又可分为静 态导航电子地图和动态导航电子地图。动态导航电子地图是以静态导航电子地图 为基础融入了实时交通信息后形成的。本章中，我们仅对静态导航电子地图进行 研究。因此，本章范围内提及的导航电子地图均指静态导航电子地图。 在导航电子地图中，我们要反映的信息可以分为两类：基础地理信息与交通 基本信息。如图2 1 所示，我们给出了导航电子地图的信息构成图。从中可以看 出，基础地理信息为与城市交通无直接关系的地理信息；交通基本信息则为道路 基本信息数据。而信息必须以数据为载体才能存储于计算机系统，信息本身是数 据的语义解释。因此，我们有必要对导航电子地图的数据及其组织进行研究。 2 1 1 导航电子地图的数据分类 导航电子地图的数据划分为空间数据与非空间数据两大类。空间数据表达了 实际空间中的地理实体( 空间对象) ，反映出地理实体的位置、大小、形状和分 布特征等多方面的特性，因此又被称为几何数据。非空间数据，亦即属性数据， 是附着于几何数据之上的属性特征数据( 几何数据语义描述) 。属性数据可以是 定量或定性的，如道路车道数、地物名称。那么如何将空间数据与非空间数据联 系起来呢? 计算机给每一个具体的空间对象分配了一个唯一的i d 号，空间对象的 空间数据与非空间数据通过i d 号联系起来。在图2 2 中，我们示意了这两类数据 的联系方式，只要通过空间数据或非空间数据中的某一特征值获取空间对象的i d 号就可以再凭借此i d 号访问该空间对象的其他特征数据。 2 1 2 空间数据的结构 数据结构是数据的组织形式。电子地图的空间数据结构主要包括两种类型： 基于图像( 栅格) 的数据结构与基于图形( 矢量) 的数据结构引。 栅格数据结构具有简单、直观的特点。数字摄影与扫描地图都是栅格数据结 构。栅格数据用像素来描述空间对象，像素矩阵中各元素的值表示了栅格的灰度 或颜色值伯1 。每个栅格( 像元) 的位置由其列号和行号确定。在栅格结构中，点 被抽象为像元( 方格) ，线被抽象为一串连续像元，面被抽象为二维平面连续的 9 图2 1 静态导航电子地图信息构成图 像元集合。方格划分越小，栅格数据所反映的信息越逼近于真实地理实体。 在图2 3 中，我们描述了面被抽象为栅格数据时的情形。栅格数据易于实现， 修改简单，便于计算机对其进行存储和操作。此外，它的实现算法不复杂，适合 于空间分析，展开数学模拟也容易。然而，当需要提高其精度时，必然造成数据 量急剧增大，冗余不可避免；离散存储的数据，也使得其空间几何计算存在很大 图2 2 导航电子地图中空间数据与非空间数据的联系方式 误差。所以，栅格数据结构在导航电子地图中较少使用。其优势在于地貌分析和 l o l 一 ) 一 1 譬 1 9 j 萎 ， j 箧 kz 0 0 0 o0o00o 00 00 0 o oo o 00 5 5555509 99 00 55 5 5 5550 9 99 o0555555 5 09 990oo55 555 5o9 99o0o55555509 99 o0o55 5 5550o 0oo 0 0 0 5 5 5 5 5o0 o000 0o000 00 图2 3 栅格数据示意图 图像识别等方面。本文拟采用矢量数据结构存储导航电子地图空间数据。 矢量数据结构直接以采样点的坐标为基础，用点、线、面等几何元素精确地 将现实地理实体表示在电子地图上。这些几何元素称为几何对象，英文名为g e o m - - e t r y 。矢量数据不但以其几何属性表示出地理实体的位置、形状、长度、宽度、 面积、角度等，还能在拓扑处理的基础上实现地理实体之间空间拓扑关系的表示， 例如两路段之前的邻接关系。一些研究者把矢量数据所表示的地理实体本身的空 间几何信息称为几何数据，而将拓扑关系数据称为关系数据n 们。基于矢量数据的 电子地图，可以方便地实现静态路径规划与简单查询。 矢量数据结构不对地理实体做量化处理，而采用了连续的坐标空间，对地理 实体的空间特征表述更精准。地理实体可以划分为空间点对象、空间线对象以及 空间面对象。在矢量数据结构中，空间点对象用电子地图坐标系下的点坐标进行 矢量化，空间线对象用能代表其形态特征的一系列坐标点的有序序列( 坐标串) 进行矢量化，空间面对象用能够代表其外部轮廓形态特征的一系列坐标点的有序 序列进行矢量化瞪们。由此可见，空间线对象是用与其自身形态一致的顺次连接的 折线段来近似表达的，而空间面对象则用与其外部轮廓形态一致的封闭折线集及 其内部来表达。如图2 4 所示，采用 这一有序坐标点序列作为图 0 矢量数据采集数据 图2 4 空间面对象矢量化示意图 中空间面对象的矢量数据。 导航电子地图是可多比例尺显示的地图，而最大比例尺应当显示最详细的信 息。本文经过慎重考虑，对最大比例尺下空间点、线、面对象的规定如下：( 1 ) 交通灯、收费站、加油站、公交车站、小码头、高速公路出入口以及其他占地面 积小的p i o ( p o i n to fi n t e r e s t ) 点是空间点对象；( 2 ) 各级公路、各级铁路、 航线、宽度小的河流等是空间线对象；( 3 ) 停车厂、飞机厂、港口、公园、学 校、广场、湖泊、行政区划及其其他占地面积大的场地或机构是空间面对象陋。 但在多比例尺情形下，空间点对象和空间面对象并无严格界限，大比例尺下以空 间面对象作处理的地理实体也可能在小比例尺下以空间点对象进行处理。大比例 尺下几个彼此相连接的空间线对象在下比例尺下可能被合并为一个空间线对象。 矢量数据结构有如下的优点：( 1 ) 所表示的地理信息精度较高；( 2 ) 数据 的结构较紧凑，比栅格数据结构占据的存储空间小；( 3 ) 关系数据记录了拓扑 关系，易于进行路网分析；( 4 ) 图像质量比较好；( 5 ) 地图数据的更新与综合 都能很好地实现；( 3 ) 容易与面向对象技术结合。其劣势在于：( 1 ) 结构复杂， 算法处理不简单；( 2 ) 遇到多边形情形，重叠分析不易：( 3 ) 制作电子地图成 本高，对系统的技术要求很高；( 4 ) 不利于数学模拟。尽管如此，作为导航电 子地图，最重要的是要能进行交通网络分析。因此，选择矢量数据结构作为导航 电子地图的数据组织方式是可取