面向EVNS的電子地圖的設(shè)計

李愛國

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽 712000）

電子地圖[1]是指在計算機環(huán)境中制作和使用的，是由空間信息與屬性信息構(gòu)成的能夠動態(tài)顯示空間信息和屬性信息及實時處理的數(shù)字圖像，它不僅包含紙質(zhì)地圖的各種地理要素，而且還包含其他環(huán)境信息和相關(guān)內(nèi)容，具有多維環(huán)境信息的特點。同紙質(zhì)地圖相比，電子地圖具有信息無限、可隨意添加的特點。它不受比例尺、圖形樣式的限制，抽象化更低，對象化更好，可以根據(jù)你的意圖智能化的顯示你所需要的信息。

車載導(dǎo)航電子地圖是電子地圖的具體應(yīng)用之一，是車輛定位和導(dǎo)航基礎(chǔ)。它可以提供一切與位置相關(guān)的特征，可作為定位和顯示車輛的參照基準(zhǔn)。在EVNS（嵌入式車載導(dǎo)航信息系統(tǒng)）中[2]，電子地圖一般是基于地理信息系統(tǒng)平臺設(shè)計和制作的。根據(jù)存儲數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)方式的不同，可分為矢量地圖和柵格地圖兩種。在矢量地圖中，由于地圖要素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在各種要素間建立了隱含關(guān)系，因此矢量地圖的操作比較靈活、方便。柵格地圖以光柵編碼結(jié)構(gòu)存儲和檢索地圖數(shù)據(jù)，每一個柵格稱為象素，以矩陣表達，柵格地圖的存儲空間大。在本系統(tǒng)中主要采用矢量地圖。

1 坐標(biāo)系

在GPS測量中，通常采用兩種坐標(biāo)系統(tǒng)，即協(xié)議天球坐標(biāo)系和協(xié)議地球坐標(biāo)系。協(xié)議天球坐標(biāo)系隨同太陽系一同旋轉(zhuǎn)，與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，討論衛(wèi)星軌道運動時，用這類坐標(biāo)系方便；協(xié)議地球坐標(biāo)系隨同地球一起旋轉(zhuǎn)，討論隨地球一起自轉(zhuǎn)的目標(biāo)位置，用這類坐標(biāo)系方便。

天球坐標(biāo)系[3]定義如下，原點是地球質(zhì)心（O），Z軸指向地球自轉(zhuǎn)軸（天極，向北為正），X軸指向春分點，根據(jù)春分點的定義可以證明X軸與Z軸互相垂直，且X軸在赤道面上，同時為數(shù)學(xué)描述方便，引入與XOZ成右手旋轉(zhuǎn)關(guān)系的Y軸。因為地球自轉(zhuǎn)軸受其他天體影響（日、月），在空間產(chǎn)生進動，使得春分點變化（章動和歲差），導(dǎo)致用“瞬時天極”定義的坐標(biāo)系不斷旋轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系表現(xiàn)出非慣性的特性，不能直接應(yīng)用牛頓定律。我們可以用某一歷元時刻的天極和春分點（協(xié)議天極和協(xié)議春分點）定義一個3軸指向不變的天球坐標(biāo)系，稱為固定極天球坐標(biāo)系。

地球坐標(biāo)系定義如下，原點為地球質(zhì)心（O），Z軸為地球自轉(zhuǎn)軸，X軸指向地球上赤道的某一固定“剛性”點，所謂“剛性”是指其自轉(zhuǎn)速度與地球一致，同時也為數(shù)學(xué)描述方便，引入與XOZ成右手旋轉(zhuǎn)關(guān)系的Y軸。地球不是一個嚴(yán)格剛性的球體，Z軸在地球上隨時間而變，稱為極移，同天球坐標(biāo)系一樣，需要指定一個固定極為Z軸，這樣的地球坐標(biāo)系稱為固定極地球坐標(biāo)系?？梢宰C明當(dāng)觀察地球上的物體時，該坐標(biāo)系是慣性的。

本系統(tǒng)涉及的坐標(biāo)系主要為WGS-84大地坐標(biāo)系和北京54坐標(biāo)系。WGS-84大地坐標(biāo)系統(tǒng)的幾何定義是:原點位于地球質(zhì)心，Z軸指向BIH 1984.0定義的協(xié)議地球極（CTP）方向，X軸指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交點。對應(yīng)與WGS-84大地坐標(biāo)系有一WGS-84橢球，WGS-84橢球及有關(guān)常數(shù)采用國際大地測量和地球物理聯(lián)合會第17屆大會大地測量常數(shù)的推薦值，4個基本常數(shù)為:長半軸a、地心引力常數(shù)GM、地球重力場模型系數(shù)C2.0、地球自轉(zhuǎn)角速度，其他的橢球常數(shù)可以根據(jù)以上4個常數(shù)計算得到，如偏心率、扁率等。由于冷戰(zhàn)和特定歷史條件，我國的54坐標(biāo)系源于前蘇聯(lián)1942年的普爾科沃坐標(biāo)系（水準(zhǔn)面不同），采用克拉索夫斯基橢球，橢球的4個常數(shù)與WGS-84不同，橢球的中心與地球質(zhì)心不重合。

GIS中的坐標(biāo)系定義由主要是由基準(zhǔn)面和地圖投影兩組參數(shù)確定，而基準(zhǔn)面的定義則由特定橢球體及其對應(yīng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)確定。下面詳細(xì)介紹地球橢球體（Ellipsoid）、大地基準(zhǔn)面（Datum）和地圖投影（Projection）。

1.1 橢球體[4]

橢球體是大地坐標(biāo)系統(tǒng)中比較重要的概念。從大地測繪的角度來看，地球不是一個標(biāo)準(zhǔn)的橢球體，理論上的橢球面只是對地球表面的近似，在定義的坐標(biāo)系統(tǒng)中，任何點P的位置都可以用（B，L，H）來表示，B稱為大地緯度，為過P點的橢球面法線與XOY平面的夾角；L稱為大地經(jīng)度，為過P點和Z軸的平面與XOY的夾角；H稱為大地高程，為P點到橢球面的最短距離。

1.2 基準(zhǔn)面的定義與轉(zhuǎn)換

基準(zhǔn)面是利用特定橢球體對特定地區(qū)地球表面的逼近，因此每個國家或地區(qū)均有各自的基準(zhǔn)面。我國的基準(zhǔn)面有北京1954和西安80，橢球體與基準(zhǔn)面之間的關(guān)系是一對多的關(guān)系，也就是基準(zhǔn)面是在橢球體基礎(chǔ)上建立的，但橢球體不能代表基準(zhǔn)面，同樣的橢球體能定義不同的基準(zhǔn)面，如前蘇聯(lián)的Pulkovo 1942、非洲索馬里的Afgooye基準(zhǔn)面都采用了Krassovsky橢球體，但它們的基準(zhǔn)面顯然是不同的。

雖然現(xiàn)有GIS平臺中都預(yù)定義有上百個基準(zhǔn)面供用戶選用，但均沒有我們國家的基準(zhǔn)面定義。假如精度要求不高，可利用前蘇聯(lián)的Pulkovo 1942基準(zhǔn)面 （Mapinfo中代號為1001）代替北京54坐標(biāo)系；假如精度要求較高，如土地利用、海域使用、城市基建等GIS系統(tǒng)，則需要自定義基準(zhǔn)面。

實際工作中一般都根據(jù)工作區(qū)內(nèi)已知的北京54坐標(biāo)控制點計算轉(zhuǎn)換參數(shù)，如果工作區(qū)內(nèi)有足夠多的己知北京54與WGS84坐標(biāo)控制點，可直接計算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的7參數(shù)或3參數(shù)；當(dāng)工作區(qū)內(nèi)有3個已知北京54與WGS84坐標(biāo)控制點時，可用公式計算WGS84到北京54坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

1.3 GIS中地圖投影

地圖投影是將地圖從球面轉(zhuǎn)換到平面的數(shù)學(xué)變換。我國的基本比例尺地形圖（1:5千，1:1萬，1:2.5萬，1:5萬，1:10萬，1:25萬，1:50萬，1:100萬）中，大于等于50萬的均采用高斯一克呂格投影 （Gauss-Kruger），又叫橫軸墨卡托投影（Transverse Mercator）；小于50萬的地形圖采用正軸等角割園錐投影，又叫蘭勃特投影（Lambert Conformal Conic）；海上小于50萬的地形圖多用正軸等角園柱投影，又叫墨卡托投影（Mercator），我國的GIS系統(tǒng)中應(yīng)該采用與我國基本比例尺地形圖系列一致的地圖投影系統(tǒng)。我國目前常用的地圖投影有:GK投影系 （高斯一克呂格）、LAMBERT投影系 （蘭勃特）和UTM投影系（墨卡托）。

GK投影、LAMBERT投影、UTM投影需要定義的坐標(biāo)系參數(shù)序列如下:

1）GK 投影:投影代號（Type），基準(zhǔn)面（Datum），單位（Unit），中央經(jīng)度（OriginLongitude），原點緯度（OriginLatitude），比例系數(shù)（ScaleFactor），東偽偏移（FalseEas七 ing），北緯偏移（False-Northing）。

2）LAMBERT 投影:投影代號（Type），基準(zhǔn)面（Datum），單位（Unit），中央經(jīng)度（OriginLongitude），原點緯度（OriginLatitude），標(biāo)準(zhǔn)緯度 1（StandardParallelOne），標(biāo)準(zhǔn)緯度 2（StandardPara-11e1Two），東偽偏移（FalseEasting），北緯偏移（FalseNorthing）。

3）UTM 投影:投影代號（Type），基準(zhǔn)面（Datum），單位（Unit），原點經(jīng)度（OriginLongitude），原點緯度（OriginLatitude），標(biāo)準(zhǔn)緯度（StandardParallelOne）。

在城市GIS系統(tǒng)中均采用6度或3度分帶的GK投影，因為一般城建坐標(biāo)采用的是6度或3度分帶的GK投影坐標(biāo)。GK投影以6度或3度分帶，每一個分帶構(gòu)成一個獨立的平面直角坐標(biāo)網(wǎng)，投影帶中央經(jīng)線投影后的直線為X軸（縱軸，緯度方向），赤道投影后為Y軸（橫軸，經(jīng)度方向），為了防止經(jīng)度方向的坐標(biāo)出現(xiàn)負(fù)值，規(guī)定每帶的中央經(jīng)線西移500公里，即東偽偏移值為500公里，由于GK投影每一個投影帶的坐標(biāo)都是對本帶坐標(biāo)原點的相對值，所以各帶的坐標(biāo)完全相同，因此規(guī)定在橫軸坐標(biāo)前加上帶號，如（4231898，21655933）其中21即為帶號，同樣所定義的東偽偏移值也需要加上帶號，如21帶的東偽偏移值為21 500 000 m。

假如你的工作區(qū)位于21帶，即經(jīng)度在120度至126度范圍，該帶的中央經(jīng)度為123度，采用Pulkovo 1942基準(zhǔn)面，那么定義6度分帶的GK投影坐標(biāo)系參數(shù)為:（8，1001，7，123， 0，1，21500000， 0）。 那么當(dāng)精度要求較高，實測數(shù)據(jù)為WGS1984坐標(biāo)數(shù)據(jù)時，轉(zhuǎn)換到北京54基準(zhǔn)面的GK投影坐標(biāo)時，可選擇WGS 1984作為基準(zhǔn)面。

1.4 坐標(biāo)求解過程

利用GPS系統(tǒng)求解位置點P的坐標(biāo)其過程一般是這樣的:先觀測點P到各個可見GPS衛(wèi)星基線長（主要通過測電磁波傳播延遲得到）；然后根據(jù)GPS衛(wèi)星星歷算出衛(wèi)星的位置坐標(biāo)，注意，衛(wèi)星星歷是在WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)中給出的，算出的衛(wèi)星位置坐標(biāo)基于WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)；平差求出P點坐標(biāo)，P點的坐標(biāo)當(dāng)然也是基于WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)。

如果n個觀測點組成GPS觀測網(wǎng)，通過GPS相對定位前序數(shù)據(jù)處理方法求解出兩個端點的大地坐標(biāo)差或?qū)儆诳臻g直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)差（一般定義被觀測的兩端點的邊線為GPS的觀測基線），所得到的坐標(biāo)差即為相應(yīng)基線的基線解，基線解與坐標(biāo)系統(tǒng)沒有關(guān)系，即GPS觀測網(wǎng)是一個局部獨立的自由網(wǎng)，其網(wǎng)點的坐標(biāo)基準(zhǔn)和方位基準(zhǔn)相對于實際存在的各種國家統(tǒng)一的坐標(biāo)系或局部坐標(biāo)系都是未知的。引入起算點，起算點的坐標(biāo)決定了這個GPS觀測網(wǎng)的坐標(biāo)基準(zhǔn)，假如起算點的坐標(biāo)（可以不是一個，需要向測繪部門購買）是地方坐標(biāo)，則平差求解出GPS網(wǎng)各點的坐標(biāo)成果也是地方坐標(biāo)；如果起算點是WGS84坐標(biāo)，則需要將坐標(biāo)成果進行轉(zhuǎn)換，常用布爾莎參數(shù)法進行。

2 EVNS中的電子地圖的設(shè)計

2.1 電子地圖所需要的交通地理信息

嵌入式車載導(dǎo)航電子地圖作為一種表現(xiàn)地理實體、顯示車輛定位信息和實現(xiàn)相應(yīng)的車載導(dǎo)航功能的數(shù)字化載體，既需要足夠的信息量，又要符合嵌入式系統(tǒng)的特點，盡量減少地圖的存儲量的大小，還要便于管理、更新和維護。

交通地理信息從總體上可分為圖形信息和屬性信息。圖形信息即地理實體的位置信息，屬性信息是地理實體的特征、屬性等信息，它們分別通過圖形文件和數(shù)據(jù)文件以及對應(yīng)索引文件進行管理。嵌入式車載導(dǎo)航電子地圖所需要的交通地理信息為:道路、建筑、水系、山脈和植被、行政區(qū)域等。

道路是導(dǎo)航系統(tǒng)中最重要的內(nèi)容，按照技術(shù)等級劃分，道路可以分為:高速公路、一級公路、二級公路、三級公路、四級公路、高架上層和其他小路。按道路的構(gòu)成來分，道路又可以分為路段、平面交叉口、立交橋等，其中交叉口在導(dǎo)航中起十分重要的作用，是導(dǎo)航的基礎(chǔ)；道路的屬性數(shù)據(jù)主要包括，道路的ID，名稱，種類，路寬，路長等，在本系統(tǒng)中還加入了道路所占的地理范圍。

建筑包括學(xué)校、企事業(yè)單位、商場、居民小區(qū)和交通設(shè)施。其中交通設(shè)施可包括橋梁、隧道、立交橋和收費站等。交通設(shè)施在導(dǎo)航中起重要的作用，而其他建筑則往往是導(dǎo)航的目標(biāo)，是目的地。

在導(dǎo)航地圖中，山脈、水系、植被和行政區(qū)域通常作為背景來處理。在制作的時候以粗線條表現(xiàn)出來，確定一種最大的比例（該比例下地圖的內(nèi)容最詳盡），將該比例下的內(nèi)容作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)文件（或數(shù)據(jù)庫）中。在顯示過程中，根據(jù)LOD系數(shù)來分級提取顯示信息，從而達到縮放效果。

2.2 電子地圖的數(shù)據(jù)組織[5]

數(shù)字地圖數(shù)據(jù)包括幾何圖形數(shù)據(jù)和索引數(shù)據(jù)。幾何圖形數(shù)據(jù)以矢量化數(shù)據(jù)存在，地圖的顯示需要從大量索引中檢索出相關(guān)的幾何圖形數(shù)據(jù)。

2.2.1 多比例的尺數(shù)字地圖的分層顯示

早期的GIS和現(xiàn)在流行的GIS都是將地理特征表達為帶有分類屬性的幾何對象，然后以層（Layer）為概念組織、存儲、修改和顯示它們，分層幾乎成了GIS的一個必不可少的基本特征。矢量地圖數(shù)據(jù)通常進行分層存貯與處理，分層往往采用兩種方法:一種是邏輯分層，在物理上數(shù)據(jù)的存貯與管理在一起，通過目標(biāo)代碼進行分層，視地圖數(shù)據(jù)應(yīng)用的需求來建立同層目標(biāo)之間的拓?fù)潢P(guān)系。這種結(jié)構(gòu)在管理上比較繁瑣，數(shù)據(jù)量很大時影響數(shù)據(jù)操作和處理時間；另一種是物理分層，同一層內(nèi)所有目標(biāo)在一個平面上，可以通過平面上的算法自動建立目標(biāo)之間的空間關(guān)系。這里的層是物理上的，與地理要素（居民地、水系、植被等）層概念不一一對應(yīng)，也可以將兩種或兩種以上的地理要素放在一層。這種數(shù)據(jù)模型簡化了數(shù)據(jù)的操作和處理但切斷了同層間要素的空間關(guān)系。

一般GIS系統(tǒng)采用物理分層的數(shù)據(jù)模型，由于作為背景地圖，可暫不考慮目標(biāo)之間的空間關(guān)系。本系統(tǒng)也采用物理分層的數(shù)據(jù)模型。在圖形顯示方面，引進LOD（Layer of Details）技術(shù)思想。

2.2.2 不同比例尺數(shù)字地圖嵌套顯示[6]

從理論上講，整個地圖文件系統(tǒng)采用統(tǒng)一的坐標(biāo)系、無裂隙，并且能受傳統(tǒng)圖幅劃分的限制，是最理想的情況。但在實際情況中，往往面臨不同區(qū)域、不同比例尺、不完整區(qū)域地圖的動態(tài)顯示問題。在地圖縮放顯示過程中運用多比例尺數(shù)據(jù)切換顯示，是目前地圖自動綜合技術(shù)尚未成熟條件下的一種權(quán)益和有效的方法。

本系統(tǒng)解決辦法:“按比例尺分級，同一級內(nèi)的每幅地圖按照地理要素分層”。詳述如下:

1）建立圖幅信息文件，記錄每一幅地圖的參數(shù)信息:左上角、右下角圖形坐標(biāo)、對應(yīng)的大地坐標(biāo)、比例尺、尺寸。

2）設(shè)定每幅地圖各類要素分層顯示的“LOD”系數(shù)；本系統(tǒng)的操作中實際用放大倍數(shù)來替代，即當(dāng)縮小到一定程度的時候某些層將不再被顯示，只有在大于某個放大倍數(shù)的情況下這些層才可能被顯示出來。

3）生成“虛擬地圖”:按照大地坐標(biāo)組織圖形，這個范圍是所覆蓋區(qū)域內(nèi)各級比例尺地圖的最大大地坐標(biāo)范圍。

4）根據(jù)當(dāng)前屏幕顯示范圍，歸算到對應(yīng)的大地坐標(biāo)范圍，檢索圖幅信息數(shù)據(jù)文件，得到當(dāng)前顯示地圖號（不止一幅），檢索相關(guān)空間目標(biāo)信息并繪圖。

2.2.3 EVNS中的地圖數(shù)據(jù)存放

由于硬件系統(tǒng)的限制，本系統(tǒng)中無法應(yīng)用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。因此所有的地圖數(shù)據(jù)必須存放在文件中。文件的存放方式如下:

1）不同圖幅放在不同的文件夾中，文件夾的名字為該圖幅所代表的行政名稱。例如，對于整個浙江省地圖來說，由全省地圖、各個城市的地圖等構(gòu)成；那么文件夾名稱可以是浙江省圖（或者 zj），杭州地圖（或 hj）等等。

2）對于每個文件夾中，存放的是該圖幅的比例尺信息，地圖各要素信息；事實上，一般一個文件代表地圖中的一層。命名方式如下。ityname_layername。例如，道路層、河流層、街區(qū)層等。每層都有自己的坐標(biāo)范圍，描述了數(shù)據(jù)對象。

3）每一層（文件）中，又根據(jù)具體的情況劃分為數(shù)據(jù)塊；對應(yīng)建立數(shù)據(jù)塊索引文件；命名方式如下cityname_layername_index。不同的層，劃分的方式可以不一樣，也可以統(tǒng)一?？梢允且?guī)則的，也可以是不規(guī)則的。本系統(tǒng)中，除道路層外，其他層均采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)塊劃分模式。

3 結(jié)束語

針對嵌入式車載導(dǎo)航信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進行研究，并重點討論導(dǎo)航電子地圖的實現(xiàn)。實踐表明，本文建立的導(dǎo)航電子地圖系統(tǒng)具有較強的靈活性和可擴展性，能方便移植于不同的軟硬件平臺，運行可靠，適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，有一定的應(yīng)用和推廣價值。

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