（安全技术及工程专业论文）基于GPS和GIS的汽车导航系统相关技术的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s r r 、c t in t r o d u c et h er 1 o , v ige t t i0 n s y s t e mo fa ul o l i l o b i 【ein a p p l i c a t i o i lt h a tth ef e s e e t c hw o r ko ft h ist h es isl a y s p a r t ic u l a re m p h a s i so ng i ste c h n o l o g ym a ir l l y ，m a k et h e r l a v ig a t i o ns y s t e mo fa u t o m o b i leu t i l iz eg i ss t f 0 n gs p a c ea n d a n a ly s ea b i1 i t yb e s id e s p o s s e ss i n g t h e g e r l e i a ll o c a l iz a t i0 r l f u n c t i 0 1 3 c a nh e l i ot h ed r iv e rt0s h o wa n di n q u i r ea b 0 u tar l d b r ie f e do na n dc h 0 0 s ee t c i nt h eo p t i m u mr o u t et h ea u t o m o b i le p 0 s i t i o n ， in f o f m a t i o ni nr e a l t i m e ， i t g e t s u p a n df i n is h a f z iv in gar l da v 0 i dt r a f f ic j a m o fle t t i n g e f f e c t i v e l y i t e n s u r e st r a f f ics a f e t y1 0 0 kf o rp u r p o s er es u l tw h 0s t a t u sp u t f a s t ， t h isr e x tp u tsf o r w a r dth ek e yt e c h n 0 1 o g yir l v o lr e da n dp u t 。f o r w a r dt h er e le v a l q ts 0 1u t io i l p r o g r e s s i v e l ya c c o t d i n g t o d e v e l o p p i n gt h eo r d e r0 f t h ee 1e c t r o l l icm a ps v s t e mo ff ig u r e i t p r o b ei n t 0o r g a n i z ea tw h a th a sb e e nl a s t e dm a pg i sd a t a s f r o m0e l e sn o tt o p 0 1 0 9 ic a lf o t t h et h er e l a t i o i l0 n ef o ro d t i m u m t h es e a r c h e s0 ft h er o u t e s ，g p sb e t w e er l d a t ap r o c e s s i n ga n d i n t e l f a c e t e c h n o l o g y ，a d o p tc o m g i sd e v e lo pm o d ed e v e l o l oa n d n a v i g a t em a pt h ei m p le m e n t a t i o i lt e c h n iq u er e le v lr l tc o n t e l q ts 0 fs 0 f t w a f e a n dt h e p a r k i n gs t a l l s h o wt h a tc a r r ie s or l k e y r es e a f c h ar l dd e s i g n e d ir l q u e s t i o nt 0 p l a r tt h ef 0 u t e i ts tu d i e sb a s e d or lg i s o p t i m u m r o u t e s e ss e a r c hf o r a l g o t i t h mp r o p o s e in f o r m a t i o r lt h er e q u e s ts0 f c o m p le t e n e s st og i sr e l a t i o nth e s t r u c t u r e so ff o r m g 0 0 df o r ms t r u c t u r er e d u c i b l et r a f f ict h e d i f e c t i o f l a l i t y ， tu i r l t 0 ， r i g h t v a l u ef ir l is hr e t r a i l q in g a n d s e a r c hf o rt h ec o m p l e x i t y b r o u g h tr es t f a in tt 0t h eb e s tr o u t e s0 fn e t w o r k s ad i f f e r e n ta n ds y s te m a t i c0 n eh o ld u pf 0 0 t p a t h n e e dw i t hv is u a lt 0t a k em e t h o d s t o r e t o p o lo g ic a ld a t a b y m o d i f ic a t io i l c o f f e s p o n d i n gd a t a 1 is tso n l yb y iss u em o s t 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 i 页 a 1 9 0 r it h m 8 , s ka n ds 0 1v ec o u r s ek e e pa n db e c o l n e - t h e1f t f l u e l 3 c es e 8 r c h e df o rt ot h et o p o l o g ic a l1 2 e l a t i o n0 f r l e t w 0 r k0 ft h etr a f f ica n d0 p t i m u m1 ol 1 t e in c h a n g e o fc h e r e a l 一t i i i et r a f f icir l f or m a t i0 r lt h a ta n dh a sc 0r l s id e r e d in p r o b in g i 1 3 t oa u t o m o b i le e x p la i ng p s d g f s m a k ear es o r v a t i o f t t e c h n o l o g y h o wi m p o r t t 0th e c o m p u t e r l o c a liz ali0 i l l i l q f o r m a t l o i lw h 0g p s d g p s0 f f e rw h e nm a k i n gar e s e i v a t i o n ，g p s r e c e i v i n gs e ta n dc o m p u t e ra n di q a v i g a t et h ei n t e r f a c ep r o b le m s o fth es o f t w e t e ：t h e1o c a l iz a t i0r lin f o r m o 1 , i o nu t i l iz in g g p s d g p st 00 f f e r is v a r y o n d a d o p t e d th e m a p t 0i r l a t c h t e c h n 0 1 0 9 ya a ds h o wt h ep a r k in gs t a l1 o nt h er o a da e c u r a t e l y b y t h ec o o i d in a t e h a v i i i g d e v e l o p e d th e e x p e r i m e n t a ls y s t e m a t 1 8 s t ，r e l e v a ns , a lg o r i t h mp r jf i c i p l ea n dk e yl e c h r l o o g yg o t e x a c tr l e ssv e r i f ic a t i 0 1 2 k e y w o r d s ：t h er l a t v i g a t i o ns y s t e mo fa u t o m o b i l e ：g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o i l s y s t 8 r r l ：d g p sm a k e sa r e s e r v a l i o n ：m a pm a t c h e s ： 0 d ti m a lr o u t e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l 页 第1 章绪论 1 1 汽车导航系统研究的背景 8 0 年代以来，世界各发达国家虽然已经基本建成了四通八达的 现代化国家道路网，但随着社会经济的发展，路网通过能力日益满 足不了交通量增长的需要，交通拥挤和阻塞现象日趋严重，交通污 染与交通事故越来越引起社会的普遍关注。美国最近一项调查研究 表明：仅在美国的主要城市范围内，每年由于交通拥堵造成的经济 损失即达到4 7 5 亿美元。据美国联邦公路局进行的一项研究表明非 商用汽车的全部出行距离的约7 以及全部运行时f a 的12 以上由于 缺乏良好的导航和路线引导而被浪费掉了，这无疑加剧了拥堵和交 通事故。这些无效出行的费用每年达4 5 0 亿美元。针对这些形势， 经过长期和广泛的研究，这些发达国家已从主要依靠修建更多的道 路、扩大路网规模来解决日益增长的交通需求，逐渐转移到用高新 技术来改造现有的道路运输系统及其管理体系，从而大幅度提高了 路网的通行能力和服务质量。日本、美国和西欧等发达国家为了解 决共同面临的交通问题，竞相投入大量资金和人力，开始大规模地 进行道路交通运输智能化的研究试验。起初，这种研究被称为“智 能汽车道路系统”“ 由文献1 ，5 1 0 可知”。( in t e l l ig e n tv e h ic le h i g h w a ys y s t e l n ，i v h s ) ，主要进行道路功能和汽车智能化的研究。 随着研究的不断深入，系统功能扩展到道路交通运输的全过程及其 有关服务部门，成为带动整个道路交通运输现代化“智能运输系统” ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o r l s y s t e m ，i t s ) 发展的动力。i t s 是 应用信息技术、通信技术、定位技术以及控制技术来改善道路交通 的效率、安全和环境因素的一场全球性的技术变革。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 1 2 汽车导航系统国内外发展状况以及面临的问题 汽车导航系统是i t s 的重要组成部分。汽车导航系统是以汽车 装置为终端来接收信息服务的这样一类交通信息服务系统。它为出 行者在出行时提供了一个能够使其避免拥堵，避免违规驾驶，安全、 便利、快捷的到达目的地的出行系统。对于交通管理者来说，由于 汽车导航系统强大的路径规划和路径引导功能，使得交通管理部门 能将交通流更加合理的分配在整个路网上。 汽车导航系统白1 9 8 7 年装在光盘只读存储器中投放市场以来已 经成为发达国家新的经济增长点。汽车导航系统的发展迄今已经历 了三个明显的发展阶段。第一阶段导航系统使用简易的传感器进行 简略测定和显示汽车位置，当今己开发出具有高精度的位置检测软 件( 地图匹配软件) ，具有高精度可装用在汽车上的价格低廉的光导 纤维陀螺仪，全球定位系统的整备完善和发展，并可以实时测定汽 车在道路上的位置。第二阶段导航装置是自动探索和显示到达目的 地的推荐路线，输入交叉路口的信息和接近通过时利用声音进行导 航。第三阶段导航装置是与地面交通管理系统联机，显示最佳行驶 路线“由文献l ，4 5 4 6 可知”。 在汽车导航系统中的定位问题通常是采用g p s 技术解决。但是 美国为了维护自身的利益，对g p s 采用了人为降低精度的s a 技术， 使得一般的民用用户只能得到较差的定位服务，精度在1 0 0 米左右， 这是不能满足i t s 中导航定位要求的。解决这个问题的方法是采用 差分g p s ( d g p s ) 技术。d g p s 利用基准站g p $ 接收机提供的伪距修 正信息，通过网络通信传送给汽车，对g p s 上伪距观测值进行修f ， 然后进行定位。经过差分之后，民用g p s 的精度可达l 、3 米水平。 目前汽车导航系统提供的信息服务主要集中在汽车行驶路径的诱导 上，这种行驶路径的诱导又分两类，一类是仅仅基于汽车行驶位置 和路网地理分布的路线导航，即以路网结构中的最短路径或最优路 径实施诱导，一般称之为静态路径导航；另一类则是加入了实时的路 段交通信息和环境信息，根据动态的交通分配理论来预测短期的路 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 段旅行时间，从而以路段动态旅行时间最短路径来进行诱导，这种诱 导方法相应被称为动态路径导航。“由于时间仓促，本文主要侧重于 前一类导航系统一静态路径导航系统的研究和开发。静态导航系统 由g p s 终端、车载计算机、显示器、导航软件和gt s 软件组成( 参 见图1 1 ) 。静态路径导航一般采用车载全球卫星定位系统( g p s ) 装置来获取汽车的行驶位置( 通常采用d g p s 技术以提高定位精度) ， 然后与预先描绘好的数字电子地图数据实行地图匹配，从而给出汽 车到达目的地的行驶路径，以及达到相应路段后的路径选择，并且可 以存储和回放汽车的行驶轨迹。但由于考虑到当汽车行驶在地下隧 道、高架桥以及密集的高层楼群间时易于g p s 失去联系，导致无法 继续导航。所以在这类导航系统中一般加入车速传感器和陀螺传感 器为主的航位推算，形成所谓的组合导航系统“1 。 汽车导航系统集成了g p s 定位技术、计算机技术、地理信息系 统以及通讯技术。计算机技术和通讯技术已基本能满足汽车导航系 统的需要，当前需要加强的一方面是：从系统角度出发，采用多传 感器信息融合理论和技术从整体上提高系统的定位精度和可靠性： 另一方面是：开发能满足汽车导航和定位任务并具有方便快捷的数 据存储和数据查询功能的地理信息系统( 数字地图) 。 图卜1 汽车导航系统总体设计 1 3 地理信息系统在汽车导航系统中的应用 地理信息系统( g i s ：6 e o g r a p h i c a li n f o r m a t io n s y s t e m ) 是集 图配 数 地引r一煳擀 孳婴塑 霎一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 计算机科学、地理地质学、测绘科学、环境科学、空间科学、信息 科学和管理科学等为一体的多学科结合的新兴边缘科学“。它是在 计算机硬件、软件系统的支持下，采集、存储、管理、分析和描述 整个或部分地球表面与空问和地理分布有关的数据的空间信息系 统。它是融合计算机图形和数据库于一体，用来存储和处理空间信 息的高新技术，它把地理位置和相关属性信息准确真实、图文并茂 地输出给用户，满足城市建设、企业管理、居民生活对空问信息的 要求，借助其独有的空间分析功能和可视化表达功能，进行各种辅 助决策。进入9 0 年代，随着地理信息产业的建立和数字化信息产品 在全世界的普及，地理信息系统将深入到各行各业乃至各家各户， 成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。地理 信息系统已成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在 一定程度上由于受地理信息系统影响而改变了现有机构的运行方 式、设置及工作计划等。而且社会对地理信息系统的认识普遍提高， 需求大幅度增加，从而导致地理信息系统应用的扩大与深化。国家 级乃至全球性的地理信息系统已成为公众关注的问题。自9 0 年代起， 中国地理信息系统步入快速发展阶段。力图使地理信息系统从初步 发展时期的实验、局部应用走向实用化和生产化，为国民经济重大 问题提供分析和决策依据。同时地理信息系统的研究与应用正逐步 形成行业，具备了走向产业化的条件。地理信息系统具有以下三个 方面的特征： 第一，具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具 有空间性和动态性； 第二， 由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机 程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空问数 据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务； 第三， 计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而使 得地理信息系统能快速、精确、综合的对复杂的地理信 息系统进行空间定位和过程动态分析。 由于交通信息与地理空间数据密切相关，因此交通运输也是地 理信息系统的重要应用领域。地理信息系统集成了计算机数据库技 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 术和计算机图形处理技术，具有强大的数据管理和空间分析功能。 随着数字化时代的到来，世界各地的i t s 发展蓬勃兴起，g i s 技术也 越来越成为i t s 当中的一项重要技术。在日本作为交通信息咨询工 具的便携式车载汽车导航系统已经广泛运用于各种汽车上，欧洲的 一些汽车制造商也已研制出用于汽车导航的系统。国内一些单位如 中科院地理所、武汉测绘科技大学等在交通地理信息系统的研究方 面也取得了特出的成绩“。g i s 在i t s 中主要用于汽车定位导航和汽 车监控调度。它综合了数据库、计算机图形学、地理学、几何学等 技术，以地理空间数据为基础，采用地理模型和分析方法，实时提 供多种空间和动态的地理信息，从而为存放和管理定位和导航信息 提供服务。因此，在汽车定位和汽车监控调度中，g i s 充当着信息系 统的角色。它集城市地理信息系统和被管理目标主体信息于一体，不 但能够借助数字电子地图迅速准确地为汽车驾驶员和系统管理员提 供各种信息的查询，灵活方便的为汽车在道路网的节点问选择最佳 行驶路线，并且能够通过监控中心与管理汽车之恒j 的双向通信对汽 车进行跟踪和调度管理。g i s 和g p s 结合，能够实时为汽车驾驶员提 供导航信息，为调度管理人员提供交通路况信息，从而有效的实现 汽车的定位导航和调度管理3 。g i s 和g p s 技术相结合，能够实现的 功能包括： ( 1 ) 数字电子地图显示功能 包括数字电子地图的全屏显示，放大、缩小、漫游、旋转、动态标 记和分层显示等。 ( 2 ) 标注当前车位 通过汽车设备实时接收g p s 定位数据，并将地理坐标转换为屏幕坐 标。通过软件对误差进行修订或通过传感器和地图数据计算汽车位 置。对汽车位置进行修订后，在地图上标出当前车位，从而实现对 汽车的实时跟踪。 ( 3 ) 地物信息分类索引 通过输入属性信息，利用图层和分类信息提示，实现用户信息查询。 另外，借助地图数据库内各类索引，如设施索引，地址索引，电话 号码索引等。为设定目的地实现索引查询地图功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 ( 4 ) 路径规划 用户根据自己的需求，可在数字电子地图上设定行车路线，还可以同 时设定多条行车路线，借助辅助路线决簧，最短距离、单行线和禁 左等功能的实现由导航软件来确定最佳路径，并建立路线库，供驾 驶员选择。 ( 5 ) 行车路线导航 在数字电子地图上显示所设计和选择的路线，同时显示汽车行驶方 向和行驶路径。汽车运行线路可以记录保存，以便事后轨迹回放。 在这类导航系统中同时显示汽车所在位置信息以及距所要到达目的 地的剩余距离。 目前汽车导航系统主要有三种类型：一是美国的汽车急救系统： 二是日本的汽车导航仪；三是中国的汽车导航调度系统。从目前来 看，日本的汽车导航仪应用最具规模，而且已有全国性的与之匹配 的道路交通信息系统及其中心。美国的急救系统也在不断扩大应用 之中，我国的汽车导航调度系统正在蓬勃发展，尤其在公安、金融 部门中应用最为广泛。汽车导航系统将成为新一代汽车重要的主动 安全装置。汽车导航系统不仅在汽车本身，并且通过与陆地交通管 制系统的通信，可共同提高交通管理系统的功能。因此，汽车导航 系统的发展和应用，无疑将拥有巨大的应用前景和市场前景，并对加 强交通安全、提高交通效率具有重要意义。“。 1 ，4 本文主要研究内容和思想 1 4 i 本文主要研究内容 本文主要研究以下几个方面的内容： 1 数字电子地图的建立。 要研究汽车导航系统，必须首先建立数字电子地图。数字电子 地图可以利用纸质地图，采用数字化仪、扫描仪等方法输入计算机， 再利用地图矢量化软件将地图矢量化成显示用的数字电子地图。最 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 后，实现按指定的比例尺显示数字电子地图、无级改变数字电子地 图的比例尺( 任意的缩小和放大) 、分层或有选择地届示地图信息、 数字电子地图的漫游等功能。目前己有专门用于数字电子地图制作 的软件，可以用来开发制作显示用的数字电子地图，因此，本文不 对数字电子地图的制作深入研究，只建立一般可以显示的数字电子 地图，供研究使用。 2 数字电子地图的路网数据库和属性数据库的建立。 为了克服现有数字电子地图的缺点，方便地实现最佳路径搜索和 地图匹配、地址匹配，本文采用建立路网数据库和属性信息数据库 的方法，将道路、物标与地图联系起来，使数字电子地图不仅将信 息固定在图画上，含有原纸质地图、航片的信息，还能加入诸如路 况信息、交通管制信息等内容，便于实现数字电子地图的实时改正， 这样数字电子地图所含的信息就不是固定不变了，而是可以随着实 时交通状况信息的变化而变化使从这些信息中得出的结论更切合 实际， 3 ，路径规划。 汽车导航的一个主要功能是能够进行导航，必须能够为汽车从始 发地到目的地进行路径规划。本文将研究基于城市交通地理信息的 最短路径搜索算法及程序实现。 4 ，d g p s g p s 定位。为了实现汽车导航，必须随时准确地获得汽车 的位置信息，即：汽车定位。实现汽车定位的方法有：全球定位系 统( g p s 、d g p s 、g l o n e s s 、惯性导航系统( i n s ) 、航迹推算定位 ( d r ) 、地图匹配( m m 、地砸无线电频率( t r f ) 、信号杆 s p ) 、无 线电确定的卫星服务( r i ) s s ) 等技术。这些方法各有忧缺点目前， 使用最多的方法是全球定位系统因此该文主要研究全球定位系统 ( c s p s 或d g p s ) 的车载应用问题。 5 ，坐标变换。由于全球定位系统提供的定位信息是世界坐标系的坐 标，而纸质地图采用的坐标系是国家坐标系或地方坐标系，因此， 要将全球定位系统提供的汽车位置信息显示在数字电子地图上，必 须进行坐标变换。 6 r 地图匹配、地址匹配等技术。所谓地图匹配是要根据测量得到的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 目标的位置信息和地图上的地形地貌，确定目标在地图上的位置。 由于g p s 提供的定位数据有误差，加上坐标变换、数字电子地图等 均有误差，如果将坐标变换后的车位信息直接显示在地图上必将造 成很大的误差，因此，必须通过地图匹配技术将车位信息校正，使 它们与地图匹配。为了实现汽车导航系统的物标搜索定位及信息咨 询等功能，必须使物标的地址、名称、电话等属性与地图关联起来， 使得这些属性与地图上物标的位置之间可以相互查询，即：地址匹 配。在对m a p x 控件开发时称之为：数据绑定。可见，本文必须研究 地图匹配与地址匹配。 1 4 2 本文主要研究思想 本文的研究按下述步骤进行： 第一步、建立显示用的数字电子地图。首先确定以成都市区交 通图为研究对象，以大比例尺( 1 ：1 0 0 0 0 或l ：2 0 0 0 0 ) 的地图作为 数字电子地图的基础资料，再利用扫描仪将地图扫描输入计算机并 转换格式存成位图，最后，采用矢量化软件( 如m a p i n f op r o f e s s i 0 r l a l 4 5 ) 将地图矢量化成显示用的数字地图。 第二步、建立路网数据库。为了获取路网信息，先建立路网数 据库的结构，再依据显示用的数字电子地图，利用屏幕数据采集技 术，按折线近似的方法采集道路的几何数据输入数据库，与此同时 输入道路的相关信息。另外，按同样的方法建立属性数据库。 第三步、研究路径规划。首先，研究最短路径搜索的数学方法， 再利用建立起来的路网数据库完成道路网拓扑关系的建立和维护。 本文主要研究基于g i s 的最短路径搜索算法及程序实现，以实现最 佳路径搜索研究车位显示。 第四步、先研究g p s d g p s 定位技术。主要是如何将g p s d g p s 提供的定位信息输入计算机；再利用g p s d g p s 提供的定位信息， 经坐标变换并采用地图匹配技术将车位准确地显示在道路上。 第五步、实验系统的开发。采用v is u a lc + + 结合m a p x 开发了成 都市汽车导航系统，相关算法原理和关键性技术得到正确性验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 第2 章数字电子地图的设计 2 1 地图扫描和矢量化 数字电子地图信息系统是汽车导航系统中除导航设备之外最重要 的组成部分，它应具备以下功能：地图显示、地图匹配、地址匹配、 路径导航、最佳路径搜索等。它的制作技术的核心是建立图形矢量 数据与其他非图形数据( 例如：文字、声音、符号等) 之间的联系。 图形矢量数据由表达图形结构的若干数据组成，主要是图形数据和 关键坐标与尺寸数据。图形数据只有在屏幕上显示出来时才方便操 作和修改，而文字等非图形数据则一般表达为关系数据库的形式。 因此，这两种数据在表现方式上有根本的不同，建立起它们之问有 效的、准确的联系是构成数字电子地图信息系统的基础和关键。 由于历史的原因，大量的图形( 如：地图等) 存在于纸面介质 上，以位图的方式表达出来。用计算机处理位图存在两点不足之处： 其一是存储量大，其二是放大后图形细节容易失真。显然，位图不 适于做数字数字电子地图，这就需要将位图转换为矢量图。在转换 过程中需要解决两个问题：一是保证转换精度，二是减少转换工作 量。 可见，要建立用于汽车导航的数字电子地图信息系统必须： 1 将纸质地图矢量化，建立图形数据库。 2 建立导航数据库和属性数据库。 3 建立图形数据库、导航数据库、属性数据库之间的联系。 纸质地图的矢量化可采用数字化仪、扫描仪将纸质地图数字化 成数字地图，再用手工或采用专用的软件( 如m a p i n f o 等软件) 矢量 化成显示用的数字电子地图。目前，都是采用扫描仪和专用软件来 进行地图的矢量化。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 2 1 1 地图扫描 地图扫描采用光栅扫描的方法，所用软件可为p h o t o s h o p 7 0 等，采用扫描仪进行。为了保证扫描效果，颜色应置为m i l l i o f is0 f c 0 l0 r ，其他参数如：b r ig h t n e s s ( 亮度) 、c o n t r a s t ( 对比度) 等 根据地图的印刷质量作相应的调整。扫描后，为了减少文件存储量 的大小，采用i r l d e xc o l o r 方式将图象格式转换为2 5 6 色，采用该 方式，可以减少约三分之二的存储量，最后将图象以不压缩的t i f f 方式存储。 2 1 2 地图矢量化 地图的矢量化通常都采用矢量化软件来进行，通用的矢量化软 件有c o r e l d r a w 中的o c r t r a c e ，a d o b e 公司的s tr e a m l i n e i l l u s t r a t o r 等。由于所需要矢量化的图形目标主要是道路，而地图 上的道路却是由建筑物填色后所剩空白位置( 纸面颜色) 构成，道 路界限十分模糊，采用矢量化软件自动矢量化后，几何失真比较大， 并需要做大量的工作才能提取道路的几何数据，显然是不合适。因 此，利用m a p i n f op r o f e s s i 0r l a l 4 5 将地图矢量化。方法是：先将 扫描后得到的t i f f 位图输入m a p i n f op r o f e s s i0 n a l 4 5 ，把它放 在最底层上，然后另开一层，并在其上以输入的位图为底，用折线 ( p 0 1 y 1 i n e ) 根据道路的宽窄描出道路的几何形状。每一条具有独 立路名的道路，均需使用同条p o l y l i n e 绘出。制作沿道路两旁的 地形地貌和特征建筑物等物标信息采用填充多边形( f l o o d f i l l ) 或 插入( b l o c k ) 的方式进行。这样，图形数据库可以很方便地制作出 来，而且可以随时修改或添加新的内容。 亘宣奎堕查兰塑主塑塞竺兰堡堡塞 篁! ! ! l _ 一一 2 2 路网数据库 2 2 1 路网数据库的结构 由于现有的数字电子地图还存在图幅接边问题没有很好解决，难 于管理地图信息，信息量少且难于更新等问题。为了解决这些问题， 针对汽车导航和信息咨询的要求，可以通过建立路网数据库来管理 数字电子地图中的实体信息与坐标信息，实现数据的连续性。由于 用户对道路信息的需求是复杂多样的：既需要当前e 1 标的位置等信 息，还需要了解目标所在路段、路的交通状况，所以需要对道路中 不同层次的实体分别进行描述，提供所需的各类信息。还由于道路 信息特别是实时路况信息更新比较频繁，需要对已有数据实时更新； 需要更新的数据中，既有大范围信息( 如：整条路塞车严重) ，也有 针对个别位置的信息( 如：某点在施工) 。要能实现快速更新相应的 数据，只有对不同的实体分别描述，根据实体之间的关系，查找到 相应的实体后进行更新。可见，路网数据库除了必须提供实体信息 和坐标信息之外，还必须提供复杂多样的道路信息如：道路的拥挤、 堵塞、施工、事故等信息，并能方便地对己有的信息进行实时更新。 为此，路网数据库必须是如表2 1 表2 7 所示的结构的数据库表， 由节点表、线表、路段表、路表、节点信息表、路段信息表、路信 息表组成。 表2 一l 节点表 字段名节点标x 坐标 y坐 节点类信息标识码 识码标 型 字段类字符型数字数字数字型字符型 型型 无u l 记录1 10 0 0 0 13 0 84 4 0115 0 0 0 0 1 l 记录21 0 0 0 0 23 5 64 3 7 1l5 0 0 0 0 2 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 表2 2 线表 字段名线标识 起点指终点指 线长段标识码 码针针 字段类型字符型字符型 字符型数字型字符型 记录1 2 0 0 0 0 11 0 0 0 0 11 0 0 0 0 2 4 83 0 0 0 0 l 记录2 2 0 0 0 0 21 0 0 0 0 21 0 0 0 0 3 4 83 0 0 0 0 2 表2 3 路段表 字段名段标识路段道路 行车交通流量路标识码 码长等级走向信息 信息 字段类型字符型数字数字数字字符型字符型 型 型 型 i 记录13 0 0 0 0 1 4 81 4o3 5 0 0 0 0 14 0 0 0 0 1 【记录2 3 0 0 0 0 24 11 403 5 0 0 0 0 24 0 0 0 0 1 表2 - 4 路表 幢段 路标识路名路长路类分区信息标识码 码型码 字段字符型字符数字数字数字字符型 类型 型 型型型 记录l4 0 0 0 0 l交大2 8 9 231 5 0 0 0 0 1 路 _ 记录24 0 0 0 0 2西体 8 9131 5 0 0 0 0 2 路 表2 - 5 节点信息表 字段名信息标识码信息内容信息分类 字段类字符型备注型数字型 型 记录l l5 0 0 0 0 l l 记录21 5 0 0 0 0 23 表2 - 6 路段信息表 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 字段名信息标识码 信息内容信息分类 字段类字符型备注型数字型 珏9 记录1 3 5 0 0 0 0 1 1 记录2 3 5 0 0 0 0 22 表2 7 路信息表 字段名信息标识码信息内容信息分类 字段类字符型备注型 数字型 开u 记录14 5 0 0 0 0 1 2 记录24 5 0 0 0 0 23 为了详细地描述路网中道路的所有状况信息，将每一条路近似 地用折线来表示，每一条折线称为线；而线又由它的起点、终点和 线宽( 车道数) 来确定，因此把形成线的起点、终点统称为节点。 另外，将两个交叉路口之间的所有线的集合定义为路段。这样，每 一条路均可由节点、线、路段和路四个层次来描述如图2 1 所示。 l广一1 4 j 1 2 56 + 褂羔、夏一 i i 毫交叉路口节点路段一 路一一 图2 l 道路的层次描述 在道路中，节点分为一般节点与交叉路1 ：3 节点，图中3 、5 、6 节 点为连接路段中两条线的节点称为一般节点，而2 、4 、7 为连接两 个路段的节点称为交叉路i ；3 节点。交叉路口节点还可分为各种类型， 如：城市道路交叉路e 1 主要可分为标志控制交叉口、信号控制交叉 口、环行交叉口、环行立交桥、匝道口等类型。这些物标点类型在 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 数据库中可由代码来表示，如表2 8 所示。 表28 节点类型代码表 节点名称节点类型代码 一般节点 0 一般交叉路口节点( 无任何控制 1 信号) 标志控制交叉口 2 信号控制交叉口 3 【环行交叉口4 f 匝道口5 环行立交桥 6 路况信息主要包括：路长、道路等级、行车走向信息等，这些 信息由于确定性比较高，故在数据库中采用专门字段描述。下面说 明这些数据的确定方法： 1 路长 由于道路采用折线近似表示，每条道路分成若干路段，每个路 段又分成若干线。每条线的长度由形成线的节点坐标决定。假设某 线段的起始节点的坐标为( x l ，y 1 ) 终点节点的坐标为( x 2 ， y 2 ) ，则：该线的长度x l e n g t h 为： ) ( 1 e n g t h = 撕i 习可两i( 2 1 ) 1 f 条线段组成，每一线段的长度分别为： 、x le n g t h 3 x l e n g t h m ，该路段的长度d 1 e n g t h m d l e n g t h = x l e n g t h ， ，= l ( 2 2 ) 同理，若某一路由n 条路段组成，每一路段的长度分别为： d 1 e n g t h 一，d l e n g t h = 。d l e n g t h 。d l e n g t b 。，则：该路的长度l l e n g t h 为： 出m t 段培 路h x 某吣若毗 e ： n 为 西南交通大学硕士研究生学位论文第! 三三生 l l e n g t h = d l e n g t h ， ( 2 3 ) ，= l 可见，只要获取组成线段的节点坐标就可计算出线段、路段、 路的长度。 2 城市道路的分类与分级 城市道路按其在城市道路系统中的地位、交通功能分为下述四类： ( 一) 快速路 城市道路中设有中央分隔带，具有四条以上的车道，全部或部 分采用立体交叉与控制出入，供车辆以较高的速度行驶的道路。 快速路完全为交通功能服务，是解决城市长距离快速交通运输 的动脉。在快速路两侧不宜设置吸引大量人流的公共建筑物的进出 口。两侧一般建筑物的进出口应加以控制。如北京市的二环路、上 海内环线高架路和天津中环路。 ( 二) 主干路 在城市道路网中起骨架作用的道路、以交通功能为主( 小城市的主 干路可兼沿线服务功能) 。自行车交通量大时，宜采用机动车与非机 动车分离的形式。主干路上平面交叉口间距以8 0 0 l2 0 0 t 1 为宜，以 减少交叉口交通对主干路交通的干扰。交通性的主干路解决大城市 各区之间的交通联系，以及与城市对外交通枢纽之间的联系。例如 北京的东西长安街是全市性东西向主干路，全线展宽到5 0 8 0 m ，市 中心路段双向1 0 条车道，设置隔离墩，实行快慢车分流。又如，上 海中山东一路是一条宽为1 0 车道的客货运主干路。 ( 三) 次干路 是联系主干路之间辅助性干道，与主干路连接组成道路网，起到广 泛连接城市各部分和集散交通的作用。次干路沿街多数为公共建筑 和住宅建筑，兼有服务功能。 ( 四) 支路 是次干路与街坊路连接线，解决地区交通，以服务功能为主。沿街 以居住建筑为主。 城市道路除快速路外，每类道路按照城市规模、设计交通量、地形 分为i 、i i 、i i i 级。根据我国国务院城市管理条例规定，城市按其 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 市区和郊区的非农业人口总数划分为三级： 大城市：人口5 0 万以上的城市，采用各类道路中的i 级标准； 中城市：人口2 0 万以上，不足5 0 万的城市，采用各类道路中 的i i 级标准； 小城市：人口不足2 0 万的城市，采用各类道路中的i i i 级标准。 大城市人口多，出行次数多，再加上流动人口数量大，因而客 货运输量较中、小城市大，所以采用的标准应高些。由于我国各城 市所处的位置不同，地形、气候条件等存在着较大的差异，同等级 的城市也不一定采取同一级的设计标准，应根据实际情况选用，可 经过技术经济比较适当提高或降低标准。 3 道路宽度 由于道路的等级并没有明确的表示出道路的宽度，因此，数据 库中还必须给出道路的宽度信息。 分为：两车道、四车道、六车道、 所示。 道路的宽度以车道数来表示，可 八车道等，所用的代码如表2 9 表2 9 道路宽度表 车道两车 = r 四车五车六车七车八车道1 f 数道道道道道道 i 代码 2340678 | 这样，道路等级代码由两部分组成，由两个代码表示，第一个 代码表示道路分级，第二个代码表示车道数。 4 行车走向信息 行车走向信息用于描述道路允许的行车方式，它们均以代码表 示。定义汽车沿道路由东到西、由南到北、从东南到西北、东北到 西南为正向行驶，反之为逆向行使则道路的行车走向信息可分为： 双向行驶( 无任何约束) 、双向行驶禁止左拐弯、正向行驶( 无约束) 、 正向行驶禁止左拐弯、逆向行驶( 无约束) 、逆向行驶禁止左拐弯等 类型，它们的代码如表2 一1 0 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 表2 10 行车走向信息表 行车走双向行双向行 正向行正向行逆向行 逆向行 向信息驶( 无驶禁止 驶( 无驶禁止驶( 无 驶禁止 任何约左拐弯约束)左拐弯 约束)左拐弯 束) 代码 12340 6 对于更新比较频繁的实对路况信息、道路管理信息为了方便实 时更新，采用专门数据库表来存放，即：节点信息表、路段信息表、 路信息表。在表中的信息内容用于存放接收到的具体信息：而信息 类型则是将该信息按其对汽车通行能力的影响来分，以便将该信息 量化，可通过将每类信息赋予一个代码来实现，如表2 一】l 所示。 表2 1 1 信息类型表 信息内容信息类型 道路拥挤1 堵塞严重2 施工3 事故4 迎宾车队、游行等大型活动 5 临时封闭6 路表( 表2 4 ) 中的分区码是为了标名道路所在的行政区而设定 的，同样由代码表示，如表2 12 所示。 表2 12 行政区表 i 区名高新区武侯区锦江区 青羊区成华区金牛区 代码 l 234 56 2 2 2 路网数据库的建立 利用已建立的显示用的数字电子地图可建立路网数据库。路网 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 数据库的建立依赖于程序自动判读， 的数据，组成或自动生成新的数据， 法如下： 在屏 开始 通过数据库查询语言查找已有 填充表中各记录的项。具体方 v 、。行成螽f 、j l 一一 7 | 是 。一一芝。 结束 图2 2 路网数据库建立的流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 将制作出来的显示用的数字电子地图显示在屏幕上，运用屏幕 数字化的方法采集节点，生成节点表中的各种数据，再将数据输入 节点表中。然后询问是否形成线? 若是，我出己存在于节点表中的 形成线的节点信息，自动填充线表中的各相应项并提示输入线表中 的其他信息。继而询问是否形成新的路段，若是，就生成新的路段 填充各项信息并更新线段信息中的相应项。之后进步询问是否生 成新的路；若是，则生成新的的路，填充各项信息并更新路段信息 中的相应项。程序的流程如图2 2 所示。 2 3 属性数据库 2 ，3 1 属性数据库的结构 为了实现地址匹配，通过建立属性数据库，将地图上重要的物标 的位置信息与物标的属性信息联系起来，属性数据库表的结构如表 2 14 所示。 表2 一i3 属性数据库的结构表 字段物标标物标名称位置位置 电话信息分类 名识符 坐标x坐标y 号码内容 字段字符型字符型数字 数字字符各注数字 类型型 型型 型 利 记录l o o c 0 1月华酒店5 2 35 8 8 0 2 8 8 7 6 。一 记录1 0 0 0 0 2湖里医院4 0 7 4 1 00 2 8 6 9 7 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 维修点、医院、交通事故处理点、旅游景点、宾馆、旅馆、旅行社、 重要建筑物等。为了便于查询，将这些物标分成如下几个大类并用 代码表示： 第一类：驾驶员行车信息，用于给驾驶员查询的信息。如：路网 上的重要节点、收费站、加油站、停车场、汽车维修点、交通事故 处理点等，代码为1 。 第二类：旅行信息，用于为旅客提供与