（地图制图学与地理信息工程专业论文）基于gis的行人导航系统研究与开发.pdf

于两要行人导航系统是一个多技术融合的技术系统，需要的基础支持技术包括g p s 定位技术，g i s 技术，无线通讯技术及计算机技术等。系统通过多技术的结合，实时为行人提供与位置相关的信息服务。本文在研究系统相关技术的基础上，以m o b i l eg i s 为基础，使用v b 语言，结合m 0控件对行人导航实验系统进行设计与开发。首先，在分析了城市基础地理信息和导航信息的基础上，对空间数据标准、空间数据组织方法以及空间数据存储方式进行研究，在此基础上，对系统的空间数据库进行设计，即对行人导航系统的内容进行库结构设计，主要包括城市公交要素、行人道路网要素、城际交通导航要素以及多模态导航要素的数据模型表达、数据结构说明和库结构设计。其次，实现了系统功能模块，主要包括g p s定位模块、地图匹配模块、信息查询模块以及城市公交换乘模块和路径规划模块。同时系统实现缩放、漫游、图层控制等基础功能。通过对空间数据库设计和系统功能模块的建立，本文对各功能模块的算法进行研究g 先对g p s 定位误差进行分析，并建立误差模型；通过校正g p s 定位时产生的误差，对地图匹配中道路搜索算法进行研究，实现地图匹配功能。同时利用缓冲区分析方法对公交站点及公交线路进行分析，实现系统查询功能。在基于最小换乘次数为主的广度优先搜索算法基础上，考虑邻接站点的存在，将算法改进，实现公交最有效换乘。路径规划算法研究中，将行人步行因素考虑在内，重新设定权值，利用改进d i j k s t r a 算法求得最短路径。行人导航实验系统的建立为进一步实用化提供了基础，主要功能模块及算法能作为行人导航系统的核心技术加以应用。关键词：m o b i l eg i s ，行人导航系统，空间数据库，算法a bs t r a c td i s c o v e r yc i t ys y s t e mi sam u l t i t e c h n o l o g ys y s t e m t h eb a s i ct e c h n o l o g yw h i c ht h es y s t e mn e e di n c l u d eg p sl o c a t i o nt e c h n o l o g y , g i st e c h n o l o g y , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no fm u l t i - t e c h n o l o g y ,d i s c o v e r yc i t ys y s t e mc a np r o v i d el o c a t i o n - r e l a t e di n f o r m a t i o ns e r v i c e sf o rp e d e s t r i a n sa ta n yt i m e b a s e do nt h er e l a t e dt e c h n o l o g ya n dm o b i l eg i sa b o u td i s c o v e r yc i t ys y s t e m ，t h i sp a p e rr e s e a r c ha n dd e v e l o pa ne x p e r i m e n t a ls o f t w a r es y s t e m ，w h i c hu s ev bl a n g u a g ea n dm oc o m p o n e n t s f i r s t ，t h ep a p e ra n a l y s i sg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o no fu r b a ni n f r a s t r u c t u r ea n dn a v i g a t i o ni n f o r m a t i o n f o l l o w i n g ，t h ep a p e rr e s e a r c ht h es t a n d a r d s ，t h eo r g a n i z a t i o nm e t h o d sa n dt h em a n n e ro fs t o r a g eo fs p a t i a ld a t a t h r o u g ht h e s er e s e a r c h ，t h ea u t h o rd e s i g nt h es y s t e ms t r u c t u r eo fs p a t i a ld a t a b a s e ，i n c l u d i n ge x p r e s s i o no fd a t am o d e l ，d a t as t r u c t u r eo fs p a t i a ld a t a b a s ea n dt h es t r u c t u r a ld e s i g no fs p a t i a ld a t a b a s e ，w h i c ha i ma tc o n s t i t u e n to fu r b a np u b l i ct r a n s p o r t ，p e d e s t r i a nr o a dn e t w o r k ，i n t e r - c i t yt r a f f i cn a v i g a t i o na n dm u l t i m o d e ln a v i g a t i o n s e c o n d ，t h ea u t h o re s t a b l i s hap r o t o t y p eo ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gg p sp o s i t i o n i n gm o d u l e ，m a p - m a t c h i n gm o d u l e，i n f o r m a t i o nm o d u l e ，t r a n s f e ra n a l y s i so fu r b a np u b l i ct r a n s p o r ta n da n a l y s i so fp a t hp l a n n i n g a l s o ，t h es y s t e mc a na c h i e v et h eb a s i cf u n c t i o n t h r o u g ht h ed e s i g no fs p a t i a ld a t a b a s ea n dt h ef o u n d a t i o no ft h es y s t e m i cf u n c t i o nm o d u l e ，t h ep a p e rr e a e a r c ht h ea l g o r i t h m i co fa l lo ft h ef u n c t i o nm o d u l e t h es y s t e ma n a l y s i s e st h ee r r o ro fg p sl o c a t i o nf i r s t l y , f o l l o w i n ge s t a b l i s ht h ee r r o rm o d e l t h r o u g hc o r r e c t i n gt h ee r r o rw h i c hp r o d u c e sa tt h et i m eo fg p sl o c a t i o n ，t h es y s t e mr e s e a r c h e st h ep a t hr e s e a r c h i n ga l g o r i t h mi no r d e rt or e a l i z et h ef u n c t i o no fm a pm a t c h i n g m e a n w h i l e ，t h ep a p e ra n a l y s i st h et r a n s p o r t a t i o ns t a n da n dt h ep u b l i ct r a n s p o r t a t i o nl i n eu s i n gt h eb u f f e ra n a l y s i sm e t h o d ，w h i c hr e a l i z et h ef u n c t i o no fi n f o r m a t i o ni n q u i r y b a s e do ns l i g h t l yt r a n s f e r si nt h en u m b e ro ft i m e sb r e a d t h f i r s t - s e a r c ha l g o r i t h mf o u n d a t i o n ，c o n s i d e r i n gt h ee x t i s t e n c eo ft h ea d ja c e n ts t a t i o n ，t h ea u t h o ri m p r o v e st h ea l g o r i t h ma n dr e a l i z e st h ep u b l i ct r a n s p o r t a t i o nt ob em o s te f f e c t i v et r a n s f e r s i nt h er e s e a r c ho fp a t hp l a n n i n ga l g o r i t h m ，c o n s i d e r i n gt h ep e d e s t r i a nf a c t o ra n de s t a b l i s h i n gt h ew e i g h tn e w l y , t h es y s t e mo b t a i nt h em o s ts h o r t e s tp a t hu s i n gt h ei m p r o v e dd i j k s t r aa l g o r i t h m t h er e s e a r c ho fd i s c o v e r yc i t ye x p e r i m e n t a ls y s t e mp r o v i d e saf o u n d a t i o nf o rf u r t h e ra p p l i c a t i o n t h ef u n c t i o n a lm o d u l ea n da l g o r i t h mc a nb eu s e di nd i s c o v e r yc i t ys y s t e ma sc o r et e c h n o l o g y k e yw o r d s ：m o b i l eg i s ；d i s c o v e r yc i t ys y s t e m ；s p a t i a ld a t a b a s e ；a l g o r i t h mt t论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文储签名：却施如7 年f 月乡日论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：关| p ；2 茼、导师签名：1 p 苍护c j 年月乡日f叫年6 只、日长安大学硕士学位论文第一章绪论1 - 1 研究背景和意义全球卫星定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，简称g p s ) 是美国国防部研制的第二代卫星导航与定位系统，是随着现代科学技术的发展而建立起来的一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位、定时的多功能系统。把g p s 的定位信息在电子地图上实时、准确的显示出来，不仅可以知道移动通信终端所在的位置，而且当把g p s 信息作为电子地图系统的数据源时，还可以对移动通信终端周围环境和各种专题信息有进一步的了解。地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s 简称g i s ) 技术是近些年迅速发展起来的一门空间信息分析技术，g i s 技术不仅可以有效地管理具有空间属性的各种信息，也可将数据收集、空间分析和决策过程综合为一个共同的信息流，明显地提高工作效率和经济效益，为解决空间信息问题及保障可持续发展提供技术支持瞳1 。g p s 和g i s 集成实现了对空间信息的获取、存储管理、更新、分析和应用，是现代社会持续发展、资源合理规划利用、城乡规划与管理、自然灾害动态监测与防治等的重要技术手段。在这种集成应用中，g p s 主要用于实时、快速地提供目标，包括各类传感器和运载平台( 车、船、卫星、飞机等) 的地空位置。g i s 则是对多种数据源的时空数据进行综合管理、集成管理、动态存取，作为新的集成系统的基础平台，并为智能化、数据化采集提供地学知识。g p s 和g i s 的结合，为g i s 的实际应用提供了强大的数据源，而且这些数据具有时间维的特性，这就为实现人类对地球空间数据的动态管理奠定了坚实的基础并使之称为可能。随着计算机技术、无线网络通信以及互联网技术飞速发展，人们急切要求走出固定网络、有线互联的束缚。移动用户通常迫切想知道其时所处环境的信息，如何提供这类服务，是移动服务提供者要回答的问题，于是基于位置的服务( l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e ，l b s ) 和移动位置服务( m o b i l el o c a t i o ns e r v i c e ，m l s ) 应运而生。l b s 和m l s定义了未来空间信息服务和移动位置服务的蓝图，即当用户与现实世界的一个模型交互时，在不同时间、不同地点，该模型会动态地向不同的用户按需提供具有个性化、智能化、多样化的空间移动服务。网络技术、空间信息技术、无线通信技术、多媒体技术和虚拟现实技术的结合，使得移动g i s 的产生成为必然口1 。在传统的g i s 中，空间对象之间的关系是不变的或相对静止的，然而在移动g i s 中，不仅指在移动环境中使用g i s ，更重要的是指利用g i s 去描述移动的目标，即描述对象相对于其周围对象的位置改变的情况。随着p d a 、w a p 、无线互联网手机等移动设备的出现，国内外将移动g i s 的研究第一章绪论作为未来g i s 的发展方向之一，通过它人们可以随时随地的完成以前只有办公室和固定场所完成的工作，可在“移动中办公。又因为这些移动设备轻巧，携带方便，国际g i s界将g i s + g p s + 互联网一体化的研究称为移动g i s ( m o b i l eg i s ) 。1 2 移动g i s 发展及国内外研究现状1 2 1m o b iegis 发展( 1 ) m o b i l eg i s 早期发展m o b i l eg i s 早期研究始于2 0 世纪9 0 年代初期。当时研究的都是国外一些对野外作业人员进行管理的特殊部门，目的是为了便于作业人员与公司总部通信以及公司管理。这些部门( 如电力、工程施工、自来水等公司) 通过m o b i l eg i s 使室内外办公相结合，提高管理效率，降低了管理成本。早期的m o b i l eg i s 解决的问题主要涉及：信息提供，工作发布及记录，数据双向通信以及数据管理。使用m o b i l eg i s 取代野外工作人员的图纸，降低了成本。网络改变了数据的更新，并将数据传回公司的g i s 中。数据流的来回流动由g i s 管理，并且以计算机的传输媒介迎合了健康与安全的需求。m o b i l eg i s 使野外工作人员可以收集和接收其公司的任一形式的数据，如地理的、图形的或文本的。但这个m o b i l eg i s 必须依赖于公司的移动地理信息管理系统( m o b i l eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ，简称m g i m s ) ，m g m i s 使m o b i l eg i s 与公司g i s 相连，此外还提供所有相连的m o b i l eg i s 单元的中央集合及广播能力。早期的m o b i l eg i s 通常是专门部门或公司的管理系统的一部分，而公司系统，特别是法人系统之间是不能相互通信的，但野外作业人员经常需要向这些系统接入或提供数据信息。因此m o b i l eg i s 要求m g i m s 对野外数据来回传输进行集中并管理这些信息的通信，即m g i m s 集中管理m o b i l eg i s 的通信。早期的m o b i l eg i s 通信传输方式也有多种形式，有基于g s m 蜂窝电话的数据通信，也有基于个人移动电台的数据通信。通信的时间一般从工作开始到工作结束为止。通讯传输有直接链接，也有使用室外架设天线的。早期的m o b i l eg i s 只是一个移动的雏形，而且受到许多技术上的限制，其应用范围相当狭小并且专业性强。移动终端对移动环境的要求高，而且移动范围狭窄。然而，早期的m o b i l eg i s 也显示出其本身的一些独特魅力和简易的移动性能。( 2 ) m o b i l eg i s 中期发展自2 0 世纪9 0 年代中期以来，计算机软硬件发展迅速，电子移动终端不断涌现，此时的m o b i l eg i s 发展进入了以g p s 为核心的阶段。这时的m o b i l eg i s 涉及面更广泛，各种与移动计算相关的行业都利用m o b i l eg i s 进行移动办公的尝试。m o b i l eg i s 发展的2长安大学硕士学位论文中期，主要是利用m o b i l eg i s 作为室外或野外移动办公的辅助工具，应用的领域有数字城市虚拟现实，流域调查，国土资源调查等。国外学者利用m o b i l eg i s 实现了基于图像导航的多功能3 d 虚拟现实。m o b i l eg i s利用地磁仪、旋转仪及差分g p s ( d g p s ) 测出大致的方位角及位置坐标，然后利用图像系统分析及地面标识线计算数码相机的精确位置及方位。系统自动地检测以上信息后，利用空间数据库3 d 模型进行图像实时覆盖，从而实现基于图像导航的多功能3 d虚拟现实。实践表明，此m o b i l eg i s 适用于室内外环境，可用于城市中人与车辆的导航、空间数据库更新、灾害调查、日常设施视察等。流域调查利用野外m o b i l eg i s 进行环境资源的调查及监测。野外作业人员通过数字数据采集、在线信息提供及可视化功能的野外m o b i l eg i s 进行实时环境监测。在利用野外m o b i l eg i s 之前，用户进行信息检索，完成m o b i l eg i s 的初始化。首先用户搜索相关数据库的位置；其次查询所需信息的信息源：最后从源信息中检索信息。这些步骤都是为野外m o b i l eg i s 提供基础信息，并贮存在移动计算机中，此后野外移动设备为野外m o b i l eg i s 用户提供支持。在国土资源调查方面，由于国土资源调查所涉及的面很广，所包含的地理信息极为丰富，所以传统的调查方法越来越难以胜任信息时代人们对这些地理信息的需求。以3 s 为基础的数字化国土资源调查是新一轮国土资源调查的要求。中国地质调查局利用计算机辅助区域地质调查( r g m a p ) 系统，进行了全国1 ：5 万计算机辅助区域地质调查( 数字填图) ，其核心技术就是以掌上机、g p s 以及数码相机为支持的m o b i l eg i s 。数据采集首先搜集研究区的最新数字资料，生成多维图形库；其次在应用3 s 技术的图形界面的掌上机( m o b i l eg i s 终端) 野外数据采集系统上，对野外地理信息进行观测和观察，并进行空间数据掌上矢量化、点状实体以及属性结构化存储；最后在室内完成野外m o b i l eg i s 数据的整合及全局处理。虽然g p s 在一些调查中的应用可以达到厘米级的精度，但在城市区域或地势切割很深、山体坡度陡峻的情况下却并不好用，因为卫星的信号会经常被高大建筑物、树木或山体阻挡，在城市中还会受到交通工具的干扰。( 3 ) m o b i l eg i s 发展趋势随着无线通信技术的发展，特别是第三代移动通信网络的出现，就无线传输技术本身而言，通信方式有电路交换和分组交换两种方式：电路交换方式移动数据通信是指利用现有移动电话网传送数据；分组交换方式移动数据通信是指利用分组的方式来传送数据。当前在空间数据无线传输中，多采用g s m 网络中的s m s 方式，该方式的缺点是容第一章绪论量小、实时性差，尤其是对数据量比较大的空间数据，所以一般只采用其传送一些数据量极小的位置信息。近年来，由于g p r s 、c d m a 无线网络的迅速发展，其传输速率大幅度提高，同时支持i n t e m e t 接入，这就使得经过压缩后的空间数据可以在无线网络中传输，而且可以接入互联网，与远程的服务器进行空间数据交换，从而满足了大量的面向无线网络应用的g i s 需求。因此m o b i l eg i s 将会从现在的以g p s 为核心向着将来的以无线移动网络为核心的方向发展h 1 。1 2 2m o b i l eg i s 国内外研究现状我国对移动g i s 服务有关的研究工作也已经取得了不少成果。由于移动g i s 技术的发展历史并不长，世界各国对移动g i s 技术的研究几乎同时起步，因此总体上我国的研究水平与国外相当，但在某些核心技术上与国外先进技术相比，还存在一定的差距。如在卫星定位系统方面，我国虽然有北斗定位系统，但无论在卫星数量、定位精度、覆盖面积等方面都与美国的g p s 定位系统有较大的差距。在g i s 技术方面，尽管我国近年来取得了长足的进步，但由于起步较晚，也与国外先进技术存在一定的差距，主要表现在没有相当有竞争力的国际品牌产品。移动( 3 i s 是g i s 领域的最新发展，能够高效的在野外作业队员与g i s 中心部门之间传输空间数据，g i s 市场的领头雁a u t o d e s k 、e s r i和i n t e r g r a p h z 大公司站在移动g i s 技术的前沿。如a u t o d e s k 公司提供了a u t o d e s k o n s i t e的“移动访问”模块，其客户端通常是移动掌上设备，可以传送矢量数据和栅格影像等相关数据，用户可以查询、拉伸、修改、标注地图，然后与中心数据库同步这些改变；e s r i 公司提供了针对便携、移动用户的a r c g i s 软件产品a r c p a d ：i n t e r g r p a h 公司的移动g i s 解决方案i n t e l l i w h e r e ，其功能着重于无线通信和l b s 的工业应用。国内也已经开发出了一些相关产品，如北京超图公司的嵌入式g i s 开发平台e s u p e r m a p ；北京灵图公司推出的在移动信息设备上提供地理信息以及位置信息服务的s m a r t l n h a n d 软件产品；北京慧图公司推出的可运行于掌上电脑、进行移动制图和g i s 应用的野外地质数据采集系统等。在我国，移动通信发展很迅速，第二代移动通信网络( 2 g ) g s m 已覆盖全国，并逐步实现了全国、乃至全球的联网漫游；在g s m 网的基础上，c d m a 和采用分组交换技术g p r s ( 2 5 g ) 网络也己基本覆盖全国。目前正在发展的第三代移动通信系统( 3 g ) ，目标是面向高速数据和多媒体应用，其最高数据传输速率将达到2 m b p s ，这样的速率基本上可以满足空间信息对移动通信的要求。目前国外己经开始研究第四代移动通信系统( 4 g ) ，其目标是1 0 m b p s 的数据传输速率。因此，随着第三代移动通信系统的标准化工作的进展，第四代移动通信系统的研讨也开始走上舞台。第四代移动通信系统在4长安大学硕士学位论文业务上、功能上、频带上都将不同于第三代系统，具有非对称的超过2 m b p s 的数据传输能力，最高传输速度将超过1 0 0 m b p s 。高速率移动通信系统的发展，可以提高空间信息技术中要求进行适时、大数据量传送的应用系统的效率。1 3 研究目的和意义移动g i s 应用领域很广泛，最新的应用领域主要包括城市导游系统、森林火灾抢险、城市救护车管理系统以及导航系统。在导航系统应用中，导航产品的发展与硬件技术的发展是密不可分的，硬件技术的快速发展为导航产品提供了可实用的多种多样的平台，为满足不同用户的需求提供了现实基础。目前的导航产品己经形成了包括c a r p c 、车载c d r o m d v d 、掌上电脑和其他多种多样平台的从高端到低端、能满足不同档次用户需求的产品系列。在导航系统研究方面，应用相对比较成熟的导航系统主要包括大型移动设施导航、车辆导航等等。车辆导航系统以卫星定位为主要定位方式，辅以网络、地图等技术实时获取车辆位置信息，结合地理信息系统技术实时为车辆驾驶人员提供车辆定位、路径规划、信息查询以及车辆导航等功能嵋一3 。但是随着公共交通网络的不断复杂化，大型移动设施导航、汽车导航的应用出现一定的局限性，对于很多目的地来说，大型导航设备或是汽车根本无法驶入，如狭窄的胡同，公园内的小径，任何车辆都无法驶入的步行商业区域、大型的大厦、商场、会展中心的内部道路等等，这就迫切要求人们开发一种适合行人专用的导航电子地图，我们称其为“行人导航”。即d i c i ( d i s c o v e r yc i t y ) 。基于这种要求，本文在研究相关理论和技术的基础上，研究并开发行人导航系统原型。1 4 行人导航系统行人导航系统是装载在移动通信终端( 如p d a 、手机等) 上，用于引导行人通过步行或是公交的方式到达目的地的导航系统。其利用行人专用的导航电子地图，加置于现有的语音设备之上，借助全球定位系统( g p s ) 卫星与移动终端上专用天线的配合，侦测行人在移动中的位置，协助行人在复杂的道路环境中，迅速、准确到达目的地。行人导航系统结构图如图1 1 所示：5第一章绪论图1 1 行人导航系统结构图行人导航系统起源于日本，发展于欧美，在我国起步较晚，目前我国只有部分大城市成功应用行人导航系统，例如北京、上海、广州等。行人导航系统可分为城市行人导航、城际行人导航以及多模态导航三种导航模式。其中城市行人导航系统包括人行道路和公交系统两部分，其数据支持模型如图1 2 所示，二者之间通过公交站点的a c c e s s p o i( 入口连接点信息) 相互关联，实现引导换乘。6长安大学硕士学位论文图1 2 城市行人导航数据支持模型行人到达目的地的方式主要有两类：步行或借助交通工具。但一般情况下是两类方式结合出行。交通工具也分为两类：公共交通工具和个人交通工具。其中公共交通工具可以分为：公交汽车、地铁、城铁、铁路、轮船、飞机等。图1 3 描述了城际行人导航的数据支持模型。行人o目的地图1 3 城际行人导航数据支持模型7第一章绪论( 1 ) 行人可以直接通过步行方式到达目的地；( 2 ) 行人通过步行方式到达公交站点，通过公交换乘系统，再步行到达目的地：( 3 ) 行人可以通过坐出租车到达目的地；( 4 ) 行人可以通过长途车站、火车站、机场、码头等方式到达另一个城市，再通过另一个城市的公交换乘系统到达目的地等。图1 4 是多模态导航数据支持模型：图1 4 多模态导航数据支持模型1 5 研究内容本论文以行人导航系统原型设计与开发为目标，从应用角度出发，阐述了研究行人导航系统的目的和意义，同时对构成系统的空间数据模型、空间数据标准以及空间数据组织方法进行研究，在此基础上建立实验系统的空间数据库，设计实验系统的各个功能模块；系统还包括特定的地图匹配算法、路径规划算法和城市公交换乘算法，分别实现定位功能和提供到达目的地的最优路径功能，为实现电子地图的显示，软件中还包含电子地图显示模块，其中包括图形缩放、图形漫游等功能。论文的主要研究内容具体包括：( 1 ) 如何建立系统中各导航要素的数据模型及数据表结构，并建立适合的行人导航系统的空间数据库。( 2 ) 分析不同坐标系统之间的转换以及不同直角坐标系之间的转换，实现相应的g p s定位模块。( 3 ) 如何实现地图匹配，研究实现地图匹配的算法，着重对地图匹配中道路搜索算法8长安大学硕士学位论文进行研究。( 4 ) 将邻接站点和行人步行因素考虑在内，就实现城市公交的最有效换乘，研究城市公交换乘算法。( 5 ) 构造实验系统，就实验系统中的信息查询，建立相应的信息查询模块。1 6 论文的组织结构本文共分为五章：第一章绪论论文的研究背景和意义；m o b i l eg i s 的发展及国内外研究现状；论文研究的目的和意义；行人导航系统概述：论文研究的内容；最后介绍了论文的组织结构。第二章空间数据库结构设计( 1 ) 城市基础地理信息库：主要阐述了空间数据，空间数据的标准，空间数据组织、空间数据存储方式以及空间要素分类及编码规定。( 2 ) 城市公交数据库结构设计：主要对公交站点、公交连接点、公交连接线以及公交换乘区等公交要素的数据模型和库结构进行详细设计。( 3 ) 行人道路网库结构设计：主要对人行道路、重要建筑物或功能面出入口、过街天桥地下通道数据模型进行分析，同时进行库结构设计。( 4 ) 城际交通导航库结构设计：主要对城际交通站、城际交通线、运输时刻表数据模型进行分析及库结构设计。( 5 ) 多模态导航库结构设计。第三章行人导航系统相关技术研究。( 1 ) g p s 定位技术；坐标转换；建立g p s 误差模型。( 2 ) 地图匹配概述；地图匹配特点；地图匹配算法研究。( 3 ) 城市公交换乘的现实特点；城市公交换乘的数据模型；城市公交换乘的算法研究。( 4 ) 信息查询概述；信息查询方式；信息查询算法研究。( 5 ) 最短路径的现实特点：d i j k s t r a 算法；最短路径算法研究。第四章行人导航系统软件的设计与开发。( 1 ) 实验系统开发环境。( 2 ) 电子地图开发技术。( 3 ) 实验系统界面设计。( 4 ) 实验系统原型开发。9第一章绪论第五章结论与展望( 1 ) 结论：通过对实验系统的原型开发，对实验系统实现的功能以及算法作出总结。( 2 ) 展望：提出未来可能的研究方向。1 0长安大学硕士学位论文第二章空间数据库结构设计2 1 城市基础地理信息库2 1 1 空间数据概述空间数据是指用来表示空间实体的位置、形状、大小及其分布特征诸多方面信息的数据，它可以用来描述来自现实世界的目标，它具有定位、定性、时间和空间关系等特性。定位是指在已知的坐标系里空间目标都具有唯一的空间位置；定性是指有关空间目标的自然属性，它伴随着目标的地理位置；时间是指空间目标是随时间的变化而变化：空间数据适用于描述所有呈二维、三维甚至多维分布的关于区域的现象，空间数据不仅能够表示实体本身的空间位置及形态信息，而且还有表示实体属性和空间关系的信息。在空间数据中不可再分最小单元现象称为空间实体，空间实体是对存在于这个自然世界中地理实体的抽象，主要包括点、线、面以及实体等基本类型：如把一根电线杆抽象成为一个点，该点可以包含电线杆所处的位置信息、电线杆的高度信息和其它一些相关信息；可以把一条道路抽象为一条线，该线可以包含这条道路的长度、宽度、起点、终点以及道路等级等相关信息；可以把一个湖泊抽象为一个面，该面可以包含湖泊的周长、面积和湖水的质量信息等；在空间对象建立后，还可以进一步定义其相互之间的关系，这种相互关系被称为“空间关系 ，又称为“拓扑关系，如可以定义点一线关系、线一线关系、点一面关系等。因此可以说空间数据是一种可以用点、线、面以及实体等基本空间数据结构来表示人们赖以生存的自然世界的数据口一3 。2 1 2 空间数据标准在空间数据建库过程中，空间数据标准是数据生产与建库的核心，是整个系统建设的重要组成部分。导航数据库覆盖区域广，对数据的现势性、准确性和一致性要求很高，既要求来自不同数据源的数据能够集成为一个完整的数据产品，也要求每个数据厂商生产的数据能够为不同终端厂商的各类终端产品所使用呻1 。对于导航系统，从开发到安装需要相当长时间和极大投资，一般情况下，只能是用数据来适应之而不是反之。因此，导航数据库的生产必须严格遵循统一的技术标准。( 1 ) 地理数据文件地理数据文件g d f ( g e o g r a p h i cd a t af i l e s ) 是定义和交换数字道路数据库的标准，用于导航系统，目的是在不同用户、不同应用、不同系统和不同地方之间共享与道路网有关的地理信息，即实现互操作。它提供公共框架，以便生产用于车载导航系统和其它第二章空间数据库结构设计用途的数字道路图数据库。g d f 标准既是数据生产的参考手册，也是交换标准。作为参考手册，它说明地图数据库中真实世界建模规则，用于特定范围的应用。作为交换标准，它保证不同应用之间、现在和将来能够兼容，并促进互操作。该标准包括通用数据模型，要素、属性和关系的分类编码，要素表示模式，质量说明，元数据以及交换格式等内容。虽然g d f 是欧洲的试用标准，越来越多的世界其它地区也应用该标准n 们。( 2 ) 空间数据转换标准行人导航地理数据可以通过多渠道，如p d a 、数码相机、书写夹板获得，这使得现有导航数据都不兼容。为了实现这些信息的共享，保证导航系统整体的协调性和兼容性发展，发挥系统的整体、集成效应，有必要制定一套数据转换标准，根据转换格式，可得到一个统一的标准格式，从而提高数字地图的质量。空间数据转换标准是由美国数字制图数据标准国家委员会于1 9 8 2 年开始创建的，用于转换空间所使用的各种数据结构n 。它是一个开放的、通用的标准，也是联邦信息处理标准。它由三个部分组成：第一部分是s d t s 上层逻辑结构，描述了s d t s 转换机制的组织结构；第二部分说明了空间特征和属性的定义；第三部分说明了1 5 0 9 2 1 1 数据转换标准的实现。s d t s 包括矢量数据、栅格数据、数据描述信息等内容。其中矢量数据模型采用面向对象的思想，对空间对象作了详尽的描述。中国也在制定适合中国国情的国家导航电子地图标准，在导航用空间数据库数据模型，数据收集、处理和维护方法等方面都有相应的规范。因地图标准是系列标准，需结合城市特点，优先建立如下几个标准：导航地理数据模型与交换格式，它是最基础的标准，有利于企业利用共同的数据交换平台开发不同的产品；导航地理数据采集处理技术规程，它目前正在制定中；导航地理数据物理存储格式规程，它是车载导航产品的关键技术：导航地理数据参考基准及转换的有关参考标准：导航定位数据通信标准，它主要来自设备通信方式、计算机软、硬件方面：基本术语和数据词典，己经由信息产业部相关研究所完成：导航电子地图标准，由国家测绘局制定。2 0 0 4 年5 月1 6 日至1 9 日，国家测绘局国土测绘司在北京主持召开了国家标准导航地理数据模型与交换格式审查会。审查组经过讨论，一致认为：标准起草组提交的材料完整齐全，符合审查要求。1 2长安大学硕士学位论文国标导航地理数据模型与交换格式是导航地理数据生产者和使用者进行数据交换和共享的基础标准，为描述导航地理数据提供了完整的数据模型和实用的交换格式，为充分利用我国现有信息资源提供了切实可行的技术手段。该标准的制定，是我国卫星导航应用产业化中一项十分重要的基础建设。该标准修改采用国际标准i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m s g e o g r a p h i cd a t af i l e ( g d f ) o v e r a l ld a t as p e c i f i c a t i o n ( i s o1 4 8 2 5 ：2 0 0 4 ) 在编制过程中，根据我国国情和相关标准作了部分修改和补充，更具有实用性和可操作性。该标准对有关新技术概念理解和表达正确，文本编写符合g b t 1 1 - 2 0 0 0 的要求。该标准在我国导航地理信息领域为首次制定，能够满足我国卫星导航应用产业发展对导航地理数据生产与应用的急需。本标准由国家测绘局、全国地理信息标准化委员会和中国全球定位系统技术应用协会联合提出，由全国地理信息标准化委员会归口，由中国全球定位系统技术应用协会承担编制工作。国家质量监督检验检疫总局、国家标准管理委员会于2 0 0 5 年6 月6 日联合发布公告，批准导航地理数据模型与交换格式为国家标准，自2 0 0 5 年1 0 月1日开始实施。导航地理数据模型与交换格式是根据国家测绘局有关文件的要求，由中国全球定位系统技术应用协会承担制定的。2 1 3 空间数据组织空间数据是以电子地图的形式表现出来的，一幅地图上包含了各种各样的实体对象，不加区分的存储和管理这些实体对象，会给以后的工作带来不便。所以将空间数据中的各种实体对象按属性、类型分为不同的集合，每类实体对象集合单独构成一层，这样，一幅地图就能划分成多个透明的图层。在显示空间数据时，只要将这些图层按一定的顺序叠置到同一界面上，这样就实现了地图分层。空间数据分层是空间实体、空间索引和拓扑关系模型的具体体现。空间数据分层要采用适合的数据结构。g i s 中的数据结构主要有两种：基于矢量的数据结构和基于栅格的数据结构。矢量模型用点、线、面抽象现实世界的空间实体，其核心任务是用点、线、面描述空间对象及其相互间的空间拓扑关系及相互的约束关系，操作方便；栅格数据模型是用像素来描述地理实体，对像素进行操作不方便，因此矢量模型是目前行人导航系统的主要空间数据模型。在道路数据库中通过不同实体之间、实体与属性之间，以及属性与属性之间的关系来恰当地描述现实道路是非常必要的n 引。对于庞大的公共交通路网数据，不采用合理的第二章空问数据库结构设计数据结构来组织数据，不可能达到导航的要求。电子地图数据库中既要存储节点的经度、纬度等地理坐标，还要存储交通规则约束等道路的属性信息。为充分而又清晰地表达道路网的拓扑结构和基于掌上电脑导航系统中的所需数据，在地图数据模型中主要采用要素、属性信息、语义关系来描述导航系统空间数据的组织n6 1 7 1 。一个要素就是一个形式化了的实体，通过其表示一个地理目标；要素目标的性质和特性通过属性来表达；不同要素间的联系通过语义关系来表达。为了便于组织道路数据和概念理解，可将空间数据分为几何描述层、简单要素层、抽象层3 个层次：( 1 ) 最底层是几何描述层，是地理各要素的定位和二维图形以及拓扑结构描述。从制图角度来说该层采用几何的节点、弧段和多边形描述，同时使用全拓扑描述来处理其关系。图2 1 显示了道路网络的基本拓扑关系和几何元素，图中节点反映了道路段与道路段的交点或路段终点；形状点是指同一条非直线道路上的转弯点；而路段的穿越则反映了路段之间的邻接关系。节点可以用二维或者三维的坐标表示，节点和节点的联系可以用连接两点的直线( 直线道路) 或者多义线( 曲线道路) 表示，而且两条相邻的边若构成一个道路段穿越，则它即可反映现实道路的邻接拓扑关系。， 。q 、 、k 一一图2 1 道路网中几何元素( 2 ) 简单要素层是实现导航的数据层，如在行人导航系统中，实现城市公交最有效换乘、信息查询以及路径计算都在该层进行。在该层中，有导航所需的各种主题的点状、线状和面状要素，并且各要素附加相应的各种属性信息( 如要素代码、名称、道路级别1 4长安大学硕士学位论文等属性) ，同时关联其几何描述来进行定位和图形表达。不同的要素间还存在一定的关系，很多关系对导航系统是至关重要的。( 3 ) 抽象层是从更宏观的角度来表达交通网络和地理要素，由于企业级空间数据库十分庞大和全面，不可能全部装在到移动设备中，用户可以自己选择空间信息需求，然后通过安全、稳定的通信方式从“支持g i s 系统 中传输到“移动g i s 系统中，g i s信息服务提供者也应该提供相应的数据选择工具来“提出并“传送 空间信息，这些数据必须与移动设备全面兼容而不致发生中断。2 1 4 空间数据存储空间数据的存储模型有许多可以选择，每一种空间存储结构都有其优势和局限性。按照自身的文件管理系统和数据的层次来选择最适合需要的一种模型。针对行人导航系统的特点，可以采用s h a p e 格式文件存储空间数据。s h a p e 格式文件适用于中小型地图数据，而大型数据就需要使用空间数据库来进行存储管理。s h a p e 文件是一种简单的、用非拓扑关系形式存储几何位置和地理特征的属性信息的矢量数据格式。s h a p e 文件主要包括主文件、索引文件和存储属性的d b a s e 表。主文件以s l a p 为扩展名，是一个直接存取的记录长度不一的文件。其中每一条记录存储一个对象的几何信息( 以存储其所有顶点的方式) 。索引文件以s h x 为扩展名，在索引文件中，每一条记录保存主文件中对应的一条记录其相对于主文件起始位置的偏移值。d b a s e 表格文件以d b f 为扩展名，它包含对象的属性信息( 一条记录对应一个对象) ，属性和对象的联系是基于r e c o r dn u m b e r 的。属性记录在d b a s e 表格文件的存储顺序与其对应的地理( 位置信息) 记录在主文件中的顺序一致。2 1 5 空间要素分类及编码规定基础地理信息是描述地表形态及其所属的自然和人文地物特征属性的总称，是信息时代地球空间信息的基础和其他各种信息的空间载体和框架，基础地理信息在建设智