導(dǎo)航電子地圖增量更新技術(shù)研究

馮雪

(北京美大智達科技有限公司 北京 100101)

電子地圖是車載導(dǎo)航系統(tǒng)（Vehicle Navigation System）運行的基礎(chǔ)，它以真實地理環(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。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，可以通過更加便捷的手段及時獲取，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)勢性。

在增量數(shù)據(jù)獲取方面，利用傳統(tǒng)的地圖測繪技術(shù)，通過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，自主檢測出地圖偏差，作為增量數(shù)據(jù)來源，不僅能降低耗費，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)勢性，這種技術(shù)稱為自主增量道路識別方法。

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

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)計導(dǎo)航電子地圖增量包時需要同時考慮通用的交換格式增量包和專用增量包兩種類型。出于這個原因，該文為這兩種應(yīng)用目的設(shè)計了導(dǎo)航電子地圖增量包。導(dǎo)航電子地圖增量包設(shè)計時應(yīng)遵循如下原則。

1.1.1 簡短

增量包的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)盡量簡單，便于客戶使用，同時增量包只存儲變化的信息，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象；（2）為“層名＿MOD”的文件記錄修改的對象，這兩類文件的文件格式與數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)（或者導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫時的初始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，分別存儲刪除記錄的ID、所在單元的行號、列號和地圖號。

圖1 通用格式增量包

1.2 增量包的生成和發(fā)布

通過基于時空模型的增量式導(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)庫中導(dǎo)出編輯標(biāo)志為“A”和“M”的對象分別對應(yīng)于增加和刪除的記錄，從DEL表中導(dǎo)出的記錄對應(yīng)于刪除的記錄。通用格式的增量包以文件夾的形式存儲，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，也是未來導(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快速發(fā)現(xiàn)機制、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算和存儲能力，在進行空間數(shù)據(jù)增量更新時，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，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，則從該層讀取相應(yīng)的增量包數(shù)據(jù)。通過比較原始數(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、圖層模式和幾何對象模式[6]。下面對比4種方式的優(yōu)缺點。

（1）數(shù)據(jù)集模式。這是最簡單的方法，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，進行更復(fù)雜的空間分析處理。但是，當(dāng)數(shù)據(jù)量大時，網(wǎng)絡(luò)傳輸時間會比較長，在數(shù)據(jù)傳輸完成之前用戶無法瀏覽地圖數(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)速度進一步提升。但由于層類型不固定、數(shù)量多、連續(xù)表達復(fù)雜，難以在服務(wù)層和用戶層實現(xiàn)。

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

相比之下，數(shù)據(jù)集模式和幾何對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現(xiàn)；圖層模式更快更安全?？紤]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實現(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，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，對于臺式機，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)計上，將地理空間數(shù)據(jù)分比例尺、分圖幅、分圖層，以點、線、面為基本單位對數(shù)據(jù)進行組織，將地理要素分解為點、線、面這3種基本幾何要素?？紤]地理空間中幾何對象之間的拓?fù)潢P(guān)系，將拓?fù)湫畔⑻砑拥近c、線、面，形成節(jié)點、弧、多邊形這3 種主要拓?fù)漕愋?，表達鄰接、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系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。首先分析系統(tǒng)需求及其對數(shù)據(jù)模型的需求，然后根據(jù)業(yè)務(wù)需求設(shè)計系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，然后進行增量包的設(shè)計和發(fā)布，流程圖如圖具體技術(shù)流程見圖3。由于導(dǎo)航生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫在生產(chǎn)過程中在后臺運行在內(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)中進行增量分組傳輸和合并實驗。通過實驗發(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。

圖3 導(dǎo)航地圖的增量式服務(wù)技術(shù)流程

4 結(jié)語

動態(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，其目的是通過車聯(lián)網(wǎng)在線網(wǎng)絡(luò)將實時信息整合到現(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)模型難以實現(xiàn)動態(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。