互聯網導航電子地圖質量檢測

蔡艷輝，商瑤玲，王曉迪，白 金，馬 旭

互聯網導航電子地圖質量檢測

蔡艷輝，商瑤玲，王曉迪，白 金，馬 旭

（國家測繪產品質量檢驗測試中心，北京 100830）

為了進一步滿足互聯網導航電子地圖服務質量調查的需求，在CH/T 1019和GB/T28441的質量評價模型的基礎上，提出一種適用于互聯網瓦片地圖數據格式的導航電子地圖的質量評價改進模型。實驗結果顯示該方法能夠較合理地反映各檢測樣區的質量水平，并以此為基礎，采用非參數Bootstrap方法可較合理地估計互聯網地圖服務的整體狀況，而采用分布估計會出現失效情況。

導航電子地圖；瓦片地圖；質量檢測；非參數估計

0 引言

作為公開地圖的一種形式，互聯網導航電子地圖近年來得到了迅猛發展。據不完全統計，目前我國從事互聯網地圖服務的網站已超過4萬個[1]。由于在服務領域、服務模式和方式等方面的不同，各互聯網導航電子地圖服務網站在地圖基礎數據、地圖顯示和服務功能等方面存在很大差別。另一方面，為確保互聯網地圖數據符合國家安全管理的要求，各互聯網地圖服務商都采用了“地圖瓦片”[2-5]技術進行服務提供，不僅可以很好地高效實現地圖數據的緩存和訪問，而且能夠對空間數據進行安全控制。因此，如何客觀、準確地給出互聯網地圖的質量評價模型并能夠獨立地開展檢測，是互聯網地圖服務管理的重要基礎。

目前，在導航電子地圖數據生產和質量檢測方面，出臺了測繪行業標準CH/T 1019[6]和國家標準GB/T28441[7]，這些標準的適用范圍主要是針對庫本數據設計的，而對瓦片地圖數據的互聯網導航電子地圖服務的檢測標準和方法相對較少。文獻[8]提出采用數據質量和服務質量來構建互聯網地圖服務質量的模型，但未給出該質量模型的效果驗證。文獻[9]提出了通過數據、服務功能、搜索性能和操作4個方面構建網絡地圖的質量模型，其適用條件與現代互聯網地圖服務存在差別。本文基于互聯網地圖服務的瀏覽器頁面訪問模式，在CH/T1019和GB/T28441的基礎上，對互聯網地圖服務的質量評價模型進行優化；并依據地圖瓦片格式的特點，采用基于查詢的檢測方法，實現地圖數據質量的“靜默”檢測。

1 互聯網導航電子地圖服務的數據瓦片格式

1.1 地圖瓦片的分級

為確保高并發訪問情況下互聯網地圖服務器的穩定運行和服務提供的高效，目前互聯網地圖服務商普遍采用了“地圖瓦片”技術。這種技術采用了多級、多圖層的四叉樹金字塔模型來管理地圖瓦片數據，瓦片地圖的大小為65536（256×256）個像素。用戶進行縮放時，根據縮放的級數，選擇不同分辨率的瓦片圖拼接成一幅完整的地圖。地圖圖片方式展示不僅可以很好地實現地圖數據的高效緩存和訪問，而且能夠對空間數據進行處理，同時通過圖片的信息處理可以做到地圖精度、信息提取等用戶使用權限的控制，既方便服務產品的開發，也方便地理信息服務的管理。

地圖服務的瓦片級別通常最多可分為24級，由于不同的地圖服務網站的0級地圖瓦片的范圍選擇不同，相應的地面分辨率也各不相同。表1為微軟bing地圖的瓦片級別列表（其中0級范圍為85.05°S ~ 85.05°N）[2]。

表1 微軟Bing地圖的瓦片數據分級表

實際應用中，互聯網導航電子地圖瓦片級別一般最大到18或19級，相當于比例尺為1:2000~ 1:1000地圖級別。

1.2 地圖瓦片的內容

地圖瓦片內容分為2種，一種是柵格地圖瓦片，一種是矢量地圖瓦片。柵格地圖瓦片是一種比較傳統的模式，需要預先在服務器端完成渲染，前端地圖框架只需要按一定規則編排顯示，即可以實現地圖數據的渲染。矢量地圖瓦片是一種新模式，地圖數據會以專用格式分塊地傳輸到瀏覽器，瀏覽器端利用前端框架將地圖重新渲染顯示出來。傳統的柵格地圖瓦片主要用作地圖服務中的底圖；矢量瓦片主要用于存儲查詢、變更頻繁的矢量圖層。

除以上2種格式的瓦片數據外，對包含較多的鼠標交互操作的服務應用需要增加屬性瓦片，就是在傳統的柵格瓦片的基礎上，額外存儲按照格網劃分的要素屬性信息，這種預先劃分的要素屬性信息也稱互動格網瓦片。地圖瓦片結合屬性瓦片的這種用法也已經有很多實踐應用，最具代表性的是MBTiles 規范及其附屬的UTFGrid規范[3]。Mapbox前端渲染通過Mapbox GL JS實現，MapBox GL JS能夠解析各種來源的矢量數據，然后在客戶端實時渲染生成帶有幾何圖形、文字標注、圖示符號3維（3D）場景地圖，同時支持用戶的各種交互操作。

2 互聯網導航電子地圖服務的質量評價

2.1 互聯網導航電子地圖服務的內容

1）導航地圖數據。目前，主流的互聯網導航地圖數據包括二維地圖數據、遙感影像、實景影像等類型。大部分互聯網地圖都以平面線劃圖作為提供瀏覽、定位的基礎服務界面地圖。地圖數據內容主要包括道路、興趣點（point of interest，POI）、背景、注記，以及疊加的附加信息等內容，如交通狀況等。

道路信息是導航電子地圖最關鍵的核心數據[5]，不僅涵蓋了基礎地理信息道路層的全部信息，還需要包括用于車輛導航控制所需要的交通限制、預警提示等內容，同時公共交通的信息也是導航電子地圖的重要部分。POI信息也是導航電子地圖的核心數據，主要有2類：①通用POI數據，各類網站均可提供的大眾關注的各種POI數據，這類POI必須具有種類和名稱屬性；②專題POI數據，集中于特定領域和需求的POI數據，各地圖服務商自行定義。背景信息主要指背景類型，如水系等；注記信息主要包括注記類型和名稱；這2類數據是導航電子地圖顯示和應用的必要補充。

2）地圖服務功能?；ヂ摼W導航電子地圖服務系統主要以提供出行服務為目標的互聯網公共服務技術平臺。依據目前互聯網導航電子地圖服務的發展情況，基本服務包括地圖展示、POI搜索、導航線路規劃、公交查詢、地理信息標注服務、地圖下載等。某些互聯網導航電子地圖服務還提供用戶定制、用戶二次開發、平臺共享等特許服務等。

2.2 互聯網導航電子地圖服務質量評價模型

2.2.1 評價指標

互聯網導航電子地圖服務質量評價包括“地圖數據質量”和“地圖可視化表達和應用服務功能”2部分[6-9]。地圖數據質量包括數據的完整性、邏輯一致性、位置精度、屬性精度4個指標；地圖可視化表達包括完整性、準確性、一致性和表征質量4個指標；服務功能包括基本功能、增強功能和擴展功能3個指標（見表2）。而每個質量評價指標又可以分解為若干子指標。相關文獻中還規定了地圖安全性指標，由于國家對公共地圖服務產品執行地圖審查制度，故本文不考慮該問題。

表2 CH/T 1019-2010中規定的質量評價一級指標（質量元素）

行業標準CH/T 1019-2010最初主要針對車載導航儀應用設計，在質量評價指標上對車載導航儀的導航應用服務質量有比較全面的覆蓋，也非常適用個人手機導航。但對互聯網導航電子地圖服務質量檢測，該標準存在多個方面不適宜。首先，互聯網地圖服務的主要目標是更快捷、更準確地提供客戶端所需要的信息，并且獲得較好的個人網絡沖浪體驗。其次，由于互聯網導航電子地圖用戶更多的是通過個人電腦訪問，大多是非移動的場合，不需要實時定位導航。另外，互聯網地圖服務網站大都采用了免費公開訪問的模式，其地圖服務的發展目標和自身營銷策略也不同，地圖服務的內容本身就有差別。因此，考慮到互聯網導航電子地圖服務的應用特點，表3、表4和表5分別從數據質量、地圖可視化和應用功能3個方面對CH/T 1019-2010中的評價指標進行調整，實現互聯網導航電子地圖的服務質量評價的準確性和可操作性。表3所列質量指標適用于道路數據集、POI數據集、背景數據集以及其他附加的專題數據集，其中位置精度評定中不考慮高程精度，并且本文暫不考慮時間精度問題。表4主要以用戶的瀏覽體驗為目標，適用于各種數據集的2維、3維、準3維的顯示。表5主要以用戶通過各種功能獲得信息的體量和體驗為目標。

表3 互聯網導航電子地圖數據質量評價指標

表4 互聯網導航電子地圖可視化質量評價指標

表5 聯網導航電子地圖服務應用功能質量評價指標

2.2.2 評價方法

檢測結果的得分按質量指標依錯漏記錄采用扣分制，每個指標的最高分值為100分，依不同級別錯漏的比例計算，其分值為

要素的綜合得分依檢測指標采用加權平均計算分值，其計算方法為

對于一個樣區，全部主題要素的加權分值計算公式為

對多個樣區的綜合質量得分是依樣區數進行算術平均。計算方法為

3 實驗與結果分析

3.1 實驗案例

基于本文的質量模型，選取6家較有影響的互聯網導航電子地圖服務網站開展實驗。實驗的樣區以地、縣級城市為主，分別選擇5個地級城市和5個縣級城市作為樣區城市，在每個樣區內根據道路和POI的復雜程度，裁切不小于2 km×2 km的范圍作為實際試驗的樣區范圍；樣區的基準參考數據通過外業實測獲取。瓦片地圖樣本數據通過各個地圖服務商的官方網站，以普通用戶訪問模式在線實時獲取。實驗中采用網站提供的查詢功能逐一進行POI數據的查詢，并與基準參考數據比對檢查，確定數據的完整性和一致性。對道路數據采用線路規劃功能進行線路數據完整性和正確性驗證。測試結果如圖1所示。

圖1 互聯網導航電子地圖服務測試樣區得分結果

圖1顯示6家圖商的各個樣區得分表現出很強的相關性。如洛陽樣區，各圖商的得分整體上基本一致，且都比較高；同樣，如當陽樣區，各家的得分整體上也基本一致，但都相對較低，反映出各圖商在基礎數據獲取和更新方面存在一致性。圖2顯示了各圖商的地級城市樣區數據質量測試得分普遍高于縣級城市樣區數據質量得分，且整體表現為一致的分群現象。同時，某些圖商的地、縣級樣區數據的得分相差接近10分，反映了圖商在數據質量和地圖服務上存在明顯的城市級別的差別。

圖2 互聯網導航電子地圖服務測試綜合得分結果

以上的測試結果表明本文提出的質量評價方法不僅能夠很好地評價互聯網導航電子地圖服務的質量，而且測試的結果數據還能反映出各個互聯網地圖服務商在數據和服務上的精細差別。

3.2 采用Bootstrap方法估計互聯網地圖服務整體質量水平

為了估計互聯網地圖服務質量的總體均值，常用的方法有學生估計和非參數估計方法。分布假定總體中的各元素需要服從正太分布，而非參數估計方法不需要假定總體中的各元素的分布。由于對互聯網導航電子地圖服務質量的分布情況缺乏相關資料，因此本文采用了Efron提出的Bootstrap[10]方法估計互聯網導航電子地圖服務整體質量水平和置信區間。先通過蒙特-卡洛隨機方法在試驗數據中分別抽取了2000個Bootstrap樣本，并以此構造了互聯網導航電子地圖服務質量均值的概率經驗分布曲線（見圖3）?；谠摻涷灧植记€，采用非參數估計方法得到總體均值的估計和相應的置信區間（見表6）。

圖3 基于Bootstrap樣本的質量得分均值的經驗分布曲線

為了評估Bootstrap估計的效果，對原始試驗數據同時采用了經典學生分布估計總體均值和置信區間，但結果顯示：在95 %置信水平下，分布的區間估計出現失效情況；而采用Bootstrap估計較合理，且區間估計的精度也較高。本試驗結果也從另一個方面反映出，采用分布估計評價類的數據存在一定的局限性。

表6 互聯網導航電子地圖服務質量總體均值估計

4 結束語

互聯網導航電子地圖作為公開版地圖的一種形式，在數據集的表現形式和提供方式上都有自身的特點。本文基于CH/T 1019和GB/T28441的質量評價模型，對互聯網模式下的導航電子地圖的質量評價指標進行了改進，使其能更合理、更準確地反映互聯網導航電子地圖服務的質量，并且能夠適應瓦片地圖數據條件下的用戶模式質量檢測，可以更客觀、更真實地評價用戶能夠得到的服務質量。實驗結果顯示本文的方法能夠較好地反映當前互聯網導航電子地圖服務的質量狀況；同時，該方法對其他領域的互聯網地圖服務質量的評價也具有借鑒價值。針對本文發現的分布的區間估計失效問題，作者后續將再開展進一步的研究。

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Quality inspection on internet navigation digital maps

CAI Yanhui, SHANG Yaoling, WANG Xiaodi, BAI Jin, MA Xu

（National Quality Inspecting and Testing Center of Surveying and Mapping Products, Beijing 100830, China）

In order to further meet the quality inspection requirements of internet navigation digital map service, based on the quality evaluation models of CH/T 1019 and GB/T28441, the paper proposed a modified quality evaluation model of navigation digital maps suitable for internet tile map data format. Experimental result showed that: the proposed method could reasonably reflect the quality level of each sample area; on this basis, the non-parametric Bootstrap method could reasonably estimate the overall condition of internet map service, while the student-estimation could be out of work with the same data.

navigation digital map; tiled map; quality inspection; nonparametric estimation

P228

A

2095-4999(2019)04-0013-06

蔡艷輝，商瑤玲，王曉迪，等.互聯網導航電子地圖質量檢測[J].導航定位學報,2019,7(4): 13-18.（CAI Yanhui, SHANG Yaoling, WANG Xiaodi, et al.Quality inspection on internet navigation digital maps[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(4): 13-18.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190403.

2019-03-28

自然資源部地理信息安全監管能力建設項目（121134000000180003）；國家測繪產品質量檢驗測試中心“質量之翼”項目（2018-zlzy-013）。

蔡艷輝（1973—），男，湖北廣水人，博士，研究員，研究方向為高精度衛星導航定位技術與應用、測繪產品質量檢驗和測試技術和方法等。