導(dǎo)航電子地圖增量更新技術(shù)研究

馮雪

(北京美大智達(dá)科技有限公司 北京 100101)

電子地圖是車載導(dǎo)航系統(tǒng)（Vehicle Navigation System）運(yùn)行的基礎(chǔ)，它以真實(shí)地理環(huán)境為基礎(chǔ)，定義了汽車導(dǎo)航系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)模型，并根據(jù)應(yīng)用功能的需求精心組織數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[1]。電子地圖的增量更新技術(shù)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。電子地圖的增量更新技術(shù)是指以增量形式，為導(dǎo)航設(shè)備提供地圖更新數(shù)據(jù)包。由于增量數(shù)據(jù)包體積較小，可以通過(guò)更加便捷的手段及時(shí)獲取，因而可以加快電子地圖的更新頻率，提高電子地圖數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性。

在增量數(shù)據(jù)獲取方面，利用傳統(tǒng)的地圖測(cè)繪技術(shù)，通過(guò)矢量地圖的幾何比較方法提取地圖版本差是一種重要手段[2]。當(dāng)前的增量數(shù)據(jù)提取研究中致力于將車載定位設(shè)備和電子地圖相結(jié)合，自主檢測(cè)出地圖偏差，作為增量數(shù)據(jù)來(lái)源，不僅能降低耗費(fèi)，而且能夠直接用于更新本地電子地圖，可以最大限度地提高地圖現(xiàn)勢(shì)性，這種技術(shù)稱為自主增量道路識(shí)別方法。

1 增量數(shù)據(jù)包快速生成與發(fā)布技術(shù)

1.1 增量包的設(shè)計(jì)

依托導(dǎo)航電子地圖增量包，導(dǎo)航地圖生產(chǎn)商可以將變化的地理信息快速地傳遞給客戶并應(yīng)用。導(dǎo)航電子地圖有明確的應(yīng)用導(dǎo)向，在設(shè)計(jì)導(dǎo)航電子地圖增量包時(shí)需要同時(shí)考慮通用的交換格式增量包和專用增量包兩種類型。出于這個(gè)原因，該文為這兩種應(yīng)用目的設(shè)計(jì)了導(dǎo)航電子地圖增量包。導(dǎo)航電子地圖增量包設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循如下原則。

1.1.1 簡(jiǎn)短

增量包的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，便于客戶使用，同時(shí)增量包只存儲(chǔ)變化的信息，盡量減少增量包的容量[3]。

1.1.2 結(jié)構(gòu)一致

在增量包中某圖層一條新增加的記錄必須與基礎(chǔ)包的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一致。

1.1.3 通用性和專用性

增量包的形式需要以通用格式和專用格式提交給不同的客戶群。以通用式增量包為例，將對(duì)地圖所做的任何修改（增加、修改、刪除），用MapInfo系統(tǒng)的交換格式Mid/Mif 文件系統(tǒng)保存[4]。如圖1所示，通用式增量包以3套文件保存：（1）文件名為“層名＿ADD”的文件記錄增加的對(duì)象；（2）為“層名＿M(jìn)OD”的文件記錄修改的對(duì)象，這兩類文件的文件格式與數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)（或者導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)的初始Mid/Mif 文件）一致，以便用戶能夠快速使用；（3）刪除部分以文本文件記錄刪除的記錄，文件名為“層名＿DEL”，格式為Record_ID、Row_ID、Col_ID、MapID，分別存儲(chǔ)刪除記錄的ID、所在單元的行號(hào)、列號(hào)和地圖號(hào)。

圖1 通用格式增量包

1.2 增量包的生成和發(fā)布

通過(guò)基于時(shí)空模型的增量式導(dǎo)航電子地圖生產(chǎn)模式能夠快速地生成增量包。在數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)出編輯標(biāo)志為“A”和“M”的對(duì)象分別對(duì)應(yīng)于增加和刪除的記錄，從DEL表中導(dǎo)出的記錄對(duì)應(yīng)于刪除的記錄。通用格式的增量包以文件夾的形式存儲(chǔ)，完整的增量更新編輯和增量包發(fā)布流程如圖2所示。

圖2 增量編輯和增量包的快速發(fā)布

2 導(dǎo)航電子地圖在線增量更新技術(shù)

車聯(lián)網(wǎng)在線增量更新方式是導(dǎo)航電子地圖更新的主要趨勢(shì)，也是未來(lái)導(dǎo)航電子地圖數(shù)據(jù)更新的主要方式[5]。其關(guān)鍵技術(shù)是現(xiàn)有電子導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)與增量地圖數(shù)據(jù)融合的應(yīng)用，涉及地圖上道路增量的自動(dòng)快速發(fā)現(xiàn)機(jī)制、支持增量的集成地理信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及開發(fā)地圖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.1 增量式導(dǎo)航軟件導(dǎo)航數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新技術(shù)

內(nèi)置導(dǎo)航軟件的增量地圖更新技術(shù)考慮到了便攜導(dǎo)航器硬件處理器的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，在進(jìn)行空間數(shù)據(jù)增量更新時(shí)，其他服務(wù)操作在導(dǎo)航器中暫停。首先使用GPRS網(wǎng)絡(luò)登錄FTP增量更新包服務(wù)器，下載所需的增量包，下載完增量包后，程序進(jìn)入原包與增量包合并階段。

圖層模式是指每次讀取原始數(shù)據(jù)層時(shí)，在增量包中確定是否應(yīng)該更新該數(shù)據(jù)層。如果需要升級(jí)，則從該層讀取相應(yīng)的增量包數(shù)據(jù)。通過(guò)比較原始數(shù)據(jù)和增量數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)，在添加、刪除和修改的基礎(chǔ)上再次生成新的數(shù)據(jù)映射。該地圖數(shù)據(jù)也作為下一個(gè)原始數(shù)據(jù)層的判斷輸出的原始文件，即不斷改寫地圖數(shù)據(jù)，依次判斷每一層的原始數(shù)據(jù)，得到每一層的數(shù)據(jù)。生成完整的最新地圖。

2.2 網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)中增量式地圖數(shù)據(jù)更新技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)的動(dòng)態(tài)地圖增量更新技術(shù)主要包括兩部分內(nèi)容，分別是地圖數(shù)據(jù)增量包傳輸，以及地圖數(shù)據(jù)增量包與原始數(shù)據(jù)的融合。

2.2.1 地圖數(shù)據(jù)增量包的傳輸技術(shù)

地理空間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸組織，根據(jù)原始數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，原始數(shù)據(jù)包和增量數(shù)據(jù)包可以通過(guò)4 種主要方式傳輸：數(shù)據(jù)集模式、數(shù)據(jù)塊模式、圖層模式和幾何對(duì)象模式[6]。下面對(duì)比4種方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）數(shù)據(jù)集模式。這是最簡(jiǎn)單的方法，用戶拿到數(shù)據(jù)后，由于數(shù)據(jù)的本地化，可以將數(shù)據(jù)完全脫離服務(wù)層，進(jìn)行更復(fù)雜的空間分析處理。但是，當(dāng)數(shù)據(jù)量大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，在數(shù)據(jù)傳輸完成之前用戶無(wú)法瀏覽地圖數(shù)據(jù)，這種方式在網(wǎng)絡(luò)上不適用。

（2）數(shù)據(jù)塊模式。這種方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比以前大大減少，并且可以根據(jù)原始數(shù)據(jù)集的大小設(shè)置圖像幀范圍，從而進(jìn)一步控制傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

（3）圖層模式。用戶接收后顯示單層，響應(yīng)速度進(jìn)一步提升。但由于層類型不固定、數(shù)量多、連續(xù)表達(dá)復(fù)雜，難以在服務(wù)層和用戶層實(shí)現(xiàn)。

（4）幾何對(duì)象模式。這種方式空間幾何對(duì)象的個(gè)數(shù)大于層數(shù)，由于都是離散數(shù)據(jù)，連續(xù)性難以表達(dá)，因此很難實(shí)現(xiàn)基于層內(nèi)幾何對(duì)象的傳輸方式。

相比之下，數(shù)據(jù)集模式和幾何對(duì)象模式在地理信息服務(wù)中是不可取的；數(shù)據(jù)塊模式比分層法更容易實(shí)現(xiàn)；圖層模式更快更安全。考慮到柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)都是分層聯(lián)合分析的，該文采用圖層模式來(lái)實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)組織。

2.2.2 地圖數(shù)據(jù)增量包與原始數(shù)據(jù)的融合技術(shù)

地圖數(shù)據(jù)增量包與原始數(shù)據(jù)的融合主要包括原始數(shù)據(jù)和增量包結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，軟硬件環(huán)境的融合策略。與便攜瀏覽器中原始數(shù)據(jù)包和增量數(shù)據(jù)包的合并方式不同，對(duì)于臺(tái)式機(jī)，這兩種數(shù)據(jù)可以直接讀入內(nèi)存，并且可以在內(nèi)存中按層合并數(shù)據(jù)，避免重復(fù)讀取數(shù)據(jù)。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，將地理空間數(shù)據(jù)分比例尺、分圖幅、分圖層，以點(diǎn)、線、面為基本單位對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，將地理要素分解為點(diǎn)、線、面這3種基本幾何要素?？紤]地理空間中幾何對(duì)象之間的拓?fù)潢P(guān)系，將拓?fù)湫畔⑻砑拥近c(diǎn)、線、面，形成節(jié)點(diǎn)、弧、多邊形這3 種主要拓?fù)漕愋?，表達(dá)鄰接、包含、連接關(guān)系。

3 導(dǎo)航電子地圖增量更新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

在上述增量數(shù)據(jù)包快速生成與發(fā)布及在線增量更新技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，將理論研究成果應(yīng)用于地圖、導(dǎo)航電子在線增量更新平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。首先分析系統(tǒng)需求及其對(duì)數(shù)據(jù)模型的需求，然后根據(jù)業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行增量包的設(shè)計(jì)和發(fā)布，流程圖如圖具體技術(shù)流程見(jiàn)圖3。由于導(dǎo)航生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)在生產(chǎn)過(guò)程中在后臺(tái)運(yùn)行在內(nèi)部局域網(wǎng)上，所以該文首先使用GeoMapper軟件生成電子地圖數(shù)據(jù)導(dǎo)航的增量包，然后轉(zhuǎn)入增量包發(fā)布中心離線發(fā)布增量包；在導(dǎo)航軟件和網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)中進(jìn)行增量分組傳輸和合并實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在便攜瀏覽器環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，兩種不同的合并方式都是可行的，效果不錯(cuò)。

圖3 導(dǎo)航地圖的增量式服務(wù)技術(shù)流程

4 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)態(tài)導(dǎo)航路徑規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)之一是電子導(dǎo)航地圖的在線傳輸和增量更新，其目的是通過(guò)車聯(lián)網(wǎng)在線網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)信息整合到現(xiàn)有電子導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)中。但現(xiàn)有導(dǎo)航電子地圖數(shù)據(jù)模型難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信息增量更新。該文提出了一種基于電子導(dǎo)航地圖的快速增量數(shù)據(jù)包生成、發(fā)布、傳輸和合并技術(shù)，滿足增量更新的技術(shù)要求，具有良好的應(yīng)用效果。