电子地图设计-导航电子地图设计方案-设计与实现

武汉大学试卷纸GPS电子地图的设计李庆君（武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉，430000）摘要随着计算机科学技术和地理信息系统以及全球卫星定位系统（GPS）的发展，产生了一门新的应用领域——GPS 电子地图。

根据电子地图的特点，介绍了GPS 电子地图系统的结构、功能、实现原理、系统结构、功能设计、技术难点及解决方法等关键技术。

关键词电子地图，地理信息系统（GIS），全球定位系统（GPS）1 引言近年来，我国车载导航技术得到了很大的发展，导航电子地图的覆盖范围也在逐步扩大，但现势性距实际导航需求还有一定差距。

为加快导航电子地图采集与更新，建立一个高效率的导航电子地图的制作系统很有必要。

导航电子地图是将GPS或北斗接收到的卫星信息经过计算机处理后，把GPS或北斗接收器所在位置定位在地理底图上，并显示在屏幕上GPS 电子地图是导航、计算机图形学、数据库、地理信息系统（GIS）等技术的综合应用，而且它已经越来越多地受到人们的重视，并已被广泛应用到诸多领域，它可安装在移动目标（例如车船、飞机）上，也可用于目标跟踪。

本文以笔者参与开发的系统为例详细介绍该类系统的设计与实现技术。

2 原理及系统结构2.1 原理系统主要分为采集和编辑2个模块。

采集是利用GPS技术进行导航和道路信息采集，其工作原理是：两台测量型GPS接收机，一台为固定站，放置在已知控制点上，另一台放置在车辆上作为流动站，流动站GPS接收机与便携机联机作业，系统采集模块同时进行GPS定位数据采集存储，单点定位方式导航可视化采集道路属性信息和兴趣点等信息。

在采集结束后，把固定站数据与流动站数据进行后差分处理，从而获得高精度道路坐标。

编辑模块提供了采集数据导入、智能化编辑、质量检查和成果输出等功能，以提高作业效率和成果质量。

2.2 总体结构导航电子地图制作系统共分为两个部分；采集模块和编辑模块，计算机负责将接收到的卫星信息——经纬度坐标转换为（X，Y）坐标并显示在屏幕底图上，它还可完成各种查询功能；GPS接收天线负责接收卫星信息，并传送给计算机；地理图库对一定数量的单幅地图按地理相关位置建库，形成一区域性电子地图库；信息库存放与地理位置相关的有关信息，如旅游点、宾馆、娱乐场所、标志建筑物等。

2.3 硬件构成包括系统固定站和流动站。

固定站GPS接收机与PC机联机采集GPS数据，按一定的时间段将接收到的GPS数据通过网络传递到互联网上的邮件服务器。

流动站GPS接收机与便携机联机作业，并通过无线网络收取固定站GPS邮件，然后进行后差分解算。

3 功能设计3.1 数据采集与编辑功能一个电子地图设计的好坏，主要是衡量它的功能是否齐全，操作是否方便，响应速度是否及时等。

我们根据电子地图的特点、开发和应用过程中的体会，设计出如下功能。

（1）数据导入数据导入包括后差分解算、差分成果输入、行车轨迹输入、特征点（兴趣点和路交叉口等统称）输入等。

可以根据实际需要输入选择任何时段的差分成果和特征点。

（2）几何编辑几何编辑功能有线打断（属性数据不丢失）、线反向（保留属性）、显示线悬挂点、伪节点、显示线方向、生成道路中线等。

具有很高的实用性和极强的操作性，给内业编辑减少了很多的工作量，提高了工作效率。

（3）属性编辑属性编辑功能有属性赋值、属性拆离、属性匹配、属性过滤、属性的查询、批量修改、属性编辑等功能。

属性编辑提供了可选项、类型约束、范围约束、属性校验等机制，提高了工作效率，保证了数据质量。

（4）质量检查质量检查包含了针对性很强导航数据的质检功能，包括基本点、线、面图形的检查，道路数据、兴趣点数据的逻辑、属性检查，拓扑错误检查。

主要检查内容为悬挂节点检查、假节点检查、重叠要素检查、非要素检查、小短线检查、环岛封闭检查、密集节点检查、路口处理检查、图层及属性结构的检查、连接道路检查、道路拓扑网关系检查、道路逻辑关系检查等功能。

检查功能可批处理运行，能够生成错误报告，提供交互式定位修改；检查效率高、准确性高，人工干预少，自动化程度较高。

3.2 数据分析与决策功能（1）最佳行进路线。

当用户希望从出发地到达目的地寻找最佳路线时，此项功能可提供帮助。

用户只需输入起始地址和目的地址，系统便能按一定的约束条件，如最短时间、最短路径等，计算出行驶的最佳路径，并将这条路径在电子底图上用特定的颜色标识出来。

（2）电子底图可视漫游。

基于MAPGIS 和GPS ，系统允许电子底图无级缩放，并实现自动漫游，这是通过设置相关图层的允许显示比例因子数，即某图层只有在电子底图放大指定倍数时才能显示，从而实现了电子底图的变焦漫游功能，而且在漫游过程中用户目标（如汽车等）总是被显示在屏幕中央。

（3）路径导航。

当用户在公路上行驶时，路径导航为用户提供帮助。

路径导航能在实时运行中用语音提醒用户在某区段的注意事项，如单行道、禁止拐弯处、死角、渡口、跨线桥、天桥等。

当行驶到交叉路口时，用箭头在画面上表示向哪个方向行驶。

（4）路径回放。

系统可以自动记录用户驶过的轨迹，事后可以提取以重演行进过程。

（5）信息查询。

当用户需要了解所处位置的周边信息（如饭店、旅游点、娱乐场所、购物中心、标志建筑物、政府机关等）时，系统提供查询服务，可以统一查询，也可以分类查询或按任意组合条件查询周边信息。

周边信息的显示和地图上图形是互动的，即指定某一信息项，地图上相应表示此单位的图形将闪烁显示，若指定图上某符号，信息窗中对应的项将加亮显示。

（6）南北方向自动反转。

显示屏上的地图通常都是以北为上进行显示的。

当由北向南行驶时，为了使地图上的左右情况与地物实际的左右情况相对应，系统将地图进行南北自动反转。

系统在显示屏上随时显示东西南北的方向指示。

（7）其他功能。

GPS 接收电波中的原子钟时间信号，并将其显示出来，系统还能显示用户已行驶的距离等。

4 数据库设计4.1 矢量地图库矢量地图库是电子地图的基础，其核心部分是对图库的管理。

矢量地图数据是建立在地理原形表示空间物体基础上的。

地理原形一般用点、线、面表示。

点；表示一个物体符号，代表仅由单一坐标点确定的物体，显示时或是某种符号，或是一段文字，或是一个圆，还可以是一个图象。

线；由若干坐标组成的序列，显示时这些坐标点间以直线连接，可表示公路、河流、境界线等。

面；由一条封闭的曲线构成，用它表示空间面状物体，如公园、建筑等。

矢量地图库的组成如下。

（1）数据输入。

本系统的电子地图数据输入采用MAPGIS 的输入编辑模块，其数据录入方式多种多样，非常灵活，可以采用扫描矢量化输入、数字化输入、手工输入，还可以将其他数据格式（如AUTOCAD 的DXF 文件，ARC/INFO 的LIN 文件等）转换为本系统的地图数据文件。

（2）数据处理。

采用MAPGIS 对输入的点、线、面坐标数据自动进行平差处理，以校正人工输入造成的误差，并编辑修改矢量结构点、线、区域的空间位置及其图形属性，增加或删除点、线、区域边界，适时自动校正拓扑关系。

（3）数据库管理。

由于电子地图是工作在实时环境下的，因此，地图显示刷新时间、信息查询响应时间都是衡量系统设计成功与否的重要指标。

为了提高系统速度和响应时间，本系统采用了分级贮存技术，即按地图上物体特性不同，数据分级贮存，这样用户可根据需要取舍显示的内容。

另一项关键技术是按单幅地图的相邻关系建立地图库，显示时系统只是把用户所在位置的那幅地图以及周边的图幅调出，并保证地理底图填充整个屏幕。

这与传统的将所有图幅拼成一幅地图显示在屏幕上是完全不同的，按图幅贮存大大提高了显示速度。

系统另一个特点是能同时管理数千幅地理底图，数据容量可达数十千兆，这样就解决了使用电子地图在一个地区不完整的问题。

4.2 信息库信息库存放着与地理位置相关的记录数据，为了查询的需要，信息库中的数据应与地图上的点状符号存在关联。

这种关联是由记录中存贮的图上点状符号及其所在图幅及图元号来实现的。

记录中除了以上信息外，还存放对应图元的坐标、单位名称、类别、隶属、级别、门牌号、电话等信息。

信息库中记录的数据量一般比较大，而在导航过程中，对信息提取响应速度往往要求很高，所以，信息库存贮组织和检索方法就显得尤为重要。

本系统通过使用树形存贮方式，建立多级、多关键字索引，较好地解决了这个问题。

例如，通过对空间位置的合理索引，使得系统能在极短时间内提取当前屏幕上显示的点状符号所对应的全部记录，而将其他记录排除。

值得提出的是，信息库中可以存放多媒体数据，如建筑物照片等。

系统虽具有录入和展现数据的手段，但考虑到信息库容量，我们为用户录入的信息库大多未包括多媒体数据。

不过，这种多媒体数据的存贮检索将成为高级电子导航系统的标准需求。

5 总结本文参考了电子地图设计相关文献，经过阅读与总结，提取了导航电子地图开发中的优秀的想法与设计，归纳相关知识点，再加上自己的理解和想法，完成了本篇导航电子地图设计方案。

本文在信息的实时传输以及共享还存在着不足，可以结合元数据、数据实时传输技术、地理信息互操作等技术进行完善。

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