車(chē)載導(dǎo)航電子地圖的路網(wǎng)模型

摘要：建立適合于車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)的路網(wǎng)數(shù)據(jù)是車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文描述了如何表達(dá)真實(shí)世界的交通要素，并結(jié)合實(shí)際情況給出數(shù)據(jù)模型。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)導(dǎo)航；路網(wǎng)模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)25-1558-02

Road Network Model for Vehicle Navigation System

XU Rui

(ECRIEE， Hefei 230031， China)

Abstract: The construction of road network for vehicle navigation system is the key part of navigation system. This paper firstly describes the traffic elements of the real world， then designs the road network model which considers the real traffic limits.

Key words: Vehicle Navigation; Road Network Model

1 引言

路網(wǎng)數(shù)據(jù)是車(chē)載導(dǎo)航電子地圖中主要研究的內(nèi)容。傳統(tǒng)路網(wǎng)模型的缺陷在于對(duì)真實(shí)世界的描述不夠詳盡，難以完整表達(dá)道路之間的拓?fù)潢P(guān)系和用戶(hù)所關(guān)心的交通信息。而且一般車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)均在嵌入式環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，對(duì)軟硬件要求很高，數(shù)據(jù)量過(guò)于龐大時(shí)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理。因此必須對(duì)傳統(tǒng)路網(wǎng)模型進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)的要求。

本文主要針對(duì)車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)，從路網(wǎng)的邏輯層次、交通要素和數(shù)據(jù)模型三個(gè)方面來(lái)探討建立路網(wǎng)數(shù)據(jù)的方案。

2 邏輯層次

路網(wǎng)數(shù)據(jù)的邏輯描述常采用三個(gè)層次，即數(shù)據(jù)層(Level-0)、描述層(Level-1)和綜合層(Level-2)。數(shù)據(jù)層通過(guò)點(diǎn)、線(xiàn)和面等圖形數(shù)據(jù)描述地物的幾何外形和空間關(guān)系，用于儲(chǔ)存道路形狀。描述層在數(shù)據(jù)層的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)實(shí)對(duì)象的特征提取為屬性值，即交通要素，用于地圖顯示和路徑引導(dǎo)。綜合層則對(duì)描述層進(jìn)行綜合，描述要素間拓?fù)潢P(guān)系，用于路線(xiàn)計(jì)算。

圖1 道路的邏輯描述層次

如圖1所示，長(zhǎng)江路由隔離帶分隔為正逆兩向車(chē)道，并與另兩條道路相交形成路口C1、C2。使用分層邏輯描述時(shí)，在數(shù)據(jù)層上，儲(chǔ)存長(zhǎng)江路各車(chē)道的外形和路口位置。在描述層上，道路經(jīng)雙向化后，長(zhǎng)江路被表達(dá)為L(zhǎng)1、L2，路口C1被表達(dá)為S1和S2，路口C2為S3和S4。在綜合層上，L1、L2被綜合為CL1，S1和S2為CS1，S3和S4為CS2。從圖中可看到數(shù)據(jù)層、描述層和綜合層三者之間的關(guān)系。

3 交通要素

道路錯(cuò)綜復(fù)雜，路口千變?nèi)f化，描述哪些信息，之間的關(guān)系如何，是建立完整可靠的電子地圖的關(guān)鍵。參照歐洲地理數(shù)據(jù)文件格式標(biāo)準(zhǔn)(GDF)，導(dǎo)航電子地圖內(nèi)容應(yīng)包括道路與輪渡、隧道與橋梁等12大類(lèi)。簡(jiǎn)化后，路網(wǎng)數(shù)據(jù)可表達(dá)為簡(jiǎn)單路段、連接點(diǎn)、綜合道路、綜合交叉口、道路附屬設(shè)施等交通要素。

簡(jiǎn)單路段指兩個(gè)連接點(diǎn)之間的道路。在描述層中，路段和連接點(diǎn)均是最小可描述單元。路段的兩端各有一個(gè)連接點(diǎn)，按其數(shù)字化方向，第一個(gè)連接點(diǎn)稱(chēng)為左節(jié)點(diǎn)，第二個(gè)連接點(diǎn)成為右節(jié)點(diǎn)。路段之間是互相獨(dú)立的，當(dāng)一個(gè)路段的屬性發(fā)生變化是不會(huì)影響其它路段的。如圖2所示，LAB、LBE、LED、LDC和LCA是圖中所有的路段，它們?cè)诿枋鰧又惺仟?dú)立的，如果在LCD路段設(shè)置柵欄，此時(shí)LCD路段不可通行，但LCD路段的通行狀態(tài)的改變不會(huì)影響其它路段。

綜合道路指連接兩個(gè)綜合路口的道路。在綜合層中，一條道路可以包括一條或多條路段，這些路段一般屬性相同（如路名相同），但允許的交通流方向不同。如圖1所示，道路CL1包含了路段L1和L2，其兩端的交叉口分別是CS1和CS2。

綜合路口一般由一個(gè)路口內(nèi)的多個(gè)連接點(diǎn)組成。在綜合層中，綜合路口可以包括一個(gè)或多個(gè)連接點(diǎn)，且這些連接點(diǎn)相互關(guān)聯(lián)，連接路段可由內(nèi)部路段通達(dá)。如圖1所示，綜合路口CS1包含連接點(diǎn)S1和S2，綜合路口CS2包含連接點(diǎn)S3和S4。綜合路口的類(lèi)型可由路口的圖形特征和交通功能來(lái)描述，一般按照路口連接道路的數(shù)量來(lái)區(qū)分：(1) 三叉路口；(2) 四叉或多叉路口(圖3-A)；(3) 環(huán)島(圖3-B)；(4) 立交橋(圖3-C)。

圖3 路口類(lèi)型

道路附屬設(shè)施指設(shè)立在道路兩旁固定位置上的一些用于交通指引和服務(wù)的設(shè)施。一般按照設(shè)施對(duì)交通流的控制功能來(lái)區(qū)分：(1) 轉(zhuǎn)向限制，如禁左、禁止駛?cè)氲冉煌ㄖ甘九啤Ｃ枋隽寺范伍g轉(zhuǎn)向或通行路線(xiàn)的限制，包含時(shí)間限制信息和通行車(chē)輛限制信息；(2) 方向路牌，描述道路出入口或分叉口處路牌所示的方向信息；(3) 紅綠燈和測(cè)速點(diǎn)；(4) 收費(fèi)站、加油站和服務(wù)區(qū)。

4 數(shù)據(jù)模型

路網(wǎng)數(shù)據(jù)由三類(lèi)實(shí)體集組成：節(jié)點(diǎn)集、邊集和交通限制集。它們之間的關(guān)系可用數(shù)學(xué)公式表述：RW = {N，R，LR}，R = {|x， y∈N，且L(x， y)}，L R = {|m，n∈N，L'(m，n)，且m與n存在公共節(jié)點(diǎn)}。RW代表路網(wǎng)。N代表節(jié)點(diǎn)集合。R代表邊集合，其元素是有序?qū)?x，y>，謂詞L(x， y)表示由節(jié)點(diǎn)x到節(jié)點(diǎn)y存在一條有向通路。LR代表交通限制集合，其元素是有序?qū)?m，n>，謂詞L'(m，n)表示從邊m到邊n存在限制。不同邏輯層次上的實(shí)體集表達(dá)的內(nèi)容是不同的。在描述層，節(jié)點(diǎn)表達(dá)為連接點(diǎn)，邊為簡(jiǎn)單路段。在綜合層，節(jié)點(diǎn)表達(dá)為綜合路口，邊為綜合道路。交通限制也不僅僅指轉(zhuǎn)向限制，還包括路牌、收費(fèi)站等道路附屬設(shè)施。

在建立路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，有效的組織數(shù)據(jù)庫(kù)表可減少數(shù)據(jù)冗余，提高效率。一般路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)包含8個(gè)表，如圖4所示。綜合道路表包括路網(wǎng)中的各條道路。綜合道路由簡(jiǎn)單路段組成，綜合路口由連接點(diǎn)組成，兩個(gè)相鄰連接點(diǎn)之間由簡(jiǎn)單路段連接，線(xiàn)由點(diǎn)組成。

圖4 路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)表

路網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)以分級(jí)分簇方式組織。在地圖顯示過(guò)程中，選用的顯示比例尺越大，顯示的地理區(qū)域也越大，為保證地圖清晰并突出重點(diǎn)內(nèi)容，須控制載入的數(shù)據(jù)量，并剔除次要要素。在拓?fù)浞治鲞^(guò)程中也存在同樣的問(wèn)題。分級(jí)組織是把全體要素按重要性區(qū)分等級(jí)，具體的等級(jí)設(shè)定由要素的應(yīng)用特性和數(shù)據(jù)特性共同決定。同一等級(jí)L的要素放置在一起組織成數(shù)據(jù)子集，稱(chēng)該數(shù)據(jù)子集的等級(jí)為L(zhǎng)。參考Kiwi-W標(biāo)準(zhǔn)，假定一共有n個(gè)等級(jí)，記為L(zhǎng)0、L1、…、Ln，L0為最低等級(jí)，依次遞增，Ln為最高等級(jí)。以道路的修建等級(jí)作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，將全國(guó)路網(wǎng)劃分為5級(jí)，完整路網(wǎng)作為L(zhǎng)0級(jí)，市區(qū)主干道為L(zhǎng)1級(jí)，縣鄉(xiāng)道為L(zhǎng)2級(jí)，省道為L(zhǎng)3級(jí)，國(guó)道、高速作為L(zhǎng)4級(jí)。分簇組織是將空間上相近的要素組成集合，同一等級(jí)的數(shù)據(jù)子集分為若干簇。簇是地圖顯示、拓?fù)溥\(yùn)算訪(fǎng)問(wèn)接口所選用的最小單元。可參照《國(guó)家基本比例尺地形圖分幅和編號(hào)》的分幅標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合K樹(shù)或R*樹(shù)進(jìn)行分簇。

圖5路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用

5 結(jié)束語(yǔ)

層次化的邏輯結(jié)構(gòu)、完整的交通要素類(lèi)型、精練的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、高效且受控的數(shù)據(jù)組織方式是一個(gè)優(yōu)秀的車(chē)載導(dǎo)航路網(wǎng)模型應(yīng)具有的重要特征。本文在實(shí)際應(yīng)用基礎(chǔ)上出發(fā)，說(shuō)明了在車(chē)載導(dǎo)航電子地圖的各類(lèi)交通要素，論述了它們之間的關(guān)系，并詳細(xì)描述了如何設(shè)計(jì)和組織路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

基于上述模型，我們以分區(qū)方式建立全國(guó)的全境路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，并成功的應(yīng)用到公司的產(chǎn)品之中，如圖5所示。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐的檢驗(yàn)，本文提出的路網(wǎng)模型能較完整的表達(dá)用戶(hù)對(duì)車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)的使用需求，并保證了程序具有較低的性能要求和較高的運(yùn)算效率。

參考文獻(xiàn)：

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