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【摘要】本文論述了現有電子地圖存在的問題,提出建立路網數據庫來完善電子地圖,使之適合于車載導航系統的需要。文中論述了路網數據庫的構成,建立及其優點。

電子地圖是車載導航系統中除導航定位設備外最重要的組成部分。它應具備以下功能:地圖顯示、地址匹配、地圖匹配、最佳路徑搜索、路徑導航等。本文主要從完成最佳路徑搜索的角度進行論述。

一、現有電子地圖存在的問題

1.圖幅接邊。現有電子地圖基本上都是數字化得來的。由于對原有紙質地圖或航片的數字化是分幅進行的,各幅圖間的接邊問題沒有得到很好的解決。跨越圖幅的道路,在接邊處會出現扭曲錯位。雖然可以人工修整,但花費的工作量大,并且不能從根本上杜絕錯位的發生。一旦某條道路發生了錯位,當

進行地圖匹配、最佳路徑搜索、路徑導航時,得到的必然是錯誤的結果,嚴重影響了車載導航系統的質量。

2.難于管理地圖信息。現有電子地圖大多將所有信息放在圖面上,不便于信息的獲取。導航定位設備傳來的是坐標,用戶需要得到的是實體信息。即存在(x,y)坐標值與道路名等信息的關聯問題。若僅僅將道路名寫在地圖上,雖然可以直接從圖上讀取

信息,但這僅僅是地圖顯示,不能實現地圖匹配、最佳路徑搜索、路徑導航等功能。系統不能管理坐標間、實體間、坐標和實體間各種現實存在的復雜關系。這嚴重阻礙了車載導航系統各種功能的實現。

3.信息量少且難于更新。將信息固定在圖面上,僅僅含有原紙質地圖、航片的信息,不能加入諸如路況信息等內容。而路況信息對于最佳路徑搜索、路徑導航具有重要作用。因為實際應用中的最佳路徑搜索,多是時間最短而非距離最短。而行車時間不僅與距離有關,還與道路是否堵塞,車道情況等路況信息有關。在大城市中,路況信息的重要性更為明顯。在圖面上是難于保存路況信息等非可視化信息的。此外,現有電子地圖一旦制成,其所含的信息就固定不變了,這與現實情況中信息的多變性不適應。難于從這些過時的信息中得出正確的結論。

二、路網數據庫的結構

為了解決上述問題,我們通過建立路網數據庫來管理電子地圖中的實體信息與坐標信息,實現數據的無縫連接。首先,用戶對道路信息的需求是復雜多樣的:既需要知道當前目標的位置等信息,還需要了解目標所在路段,路的擁擠情況。所以,需要對道路中不同層次上的實體分別進行描述,包含所需的各類信息。其次,道路信息,特別是實時路況信息更新比較頻繁,需要對已有數據實時更新。需要更新的數據中,既有大范圍信息(如整條路塞車嚴重),也有針對個別位置的信息(如某點正在施工)。要快速地更新相應數據,只有對不同實體分別描述,根據實體之間的關系,查找到相應實體后進行更新。由此,我們建立了路網數據庫,包含5個表,如圖1所示。

圖1路網數據庫結構

信息表

信息ID

信息指針

信息分類號

線表

線ID

線名

起點指針

終點指針

點表

點ID

點名

X坐標

Y坐標

節點性質

相關信息

路段表

路段ID

路段名

正行線集

正行信息集

逆行線集

逆行信息集

分區編碼

相關信息

路表

路名ID

路名

正行路段集

正行信息集

逆行信息集

分區編碼

相關信息

如圖2所示,路表包括網中的各條道路,路由路段組成。兩個路*點間所有的線組成路段,線則由起始點、終止點組成。節點分為交*路口節點與一般節點。路表中的“正行路段集”由一系列指針組成。這些指針分別指向路段表中相應路段,且將這些指針正序排列而成(可定義沿此路由東至西,由南至北為正,反之為逆)。“逆行路段集”僅需將“正行路段集”

反序即可得出,無需單獨列出。“正行信息”與“逆行信息”分別指向信息表中相應記錄。如是否為單行線、正行方向堵塞情況等信息。由記錄的信息分類號得出其是哪類信息,按相應規則對這些信息進行判

讀處理,供導航系統的相應功能使用。“相關信息”指向信息表中與此路有關的其他信息記錄,可根據具體的需要進行補充。路段表、線表、點表中的信息項也同路表中的近似,只是作用范圍不同,信息的類別也可能不同。“分區編碼”用于快速查找此路的位置,便于查詢。

圖2數據庫各表關系示意圖

路段表通過對路的細分,進一步控制線表。由于正行、逆行在線表中以不同的線來表示,故路段表中加入了“逆行線集”指向逆行時經過的線。線表控制點表。點表中交*路口節點與一般節點通過“節點性質”來加以區分。前者構成路網主干,用于提供最佳路徑搜索、路徑導航等的節點信息。后者起輔助功能,用于勾勒出道路的實際性狀,起加密作用,當然在這些節點上也可以加入特定信息,以供查詢。

三、路網數據庫的建立

路網數據庫的建立,依賴于程序自動判讀,通過數據庫查詢語言,尋找已有數據,組成新的數據。可以從紙質地圖數字化開始建立路網數據庫,也可以利用已有的電子地圖來建立。

若已經有了顯示用的電子地圖,將其顯示在屏幕上,運用屏幕數字化的方式采集節點,生成節點表中的數據。程序在得到一個節點后,提示輸入此節點的各種信息。然后,根據此節點坐標值,找出已存在

于節點表中的相鄰節點,詢問與誰生成線;自動填充線表中相應項并提示輸入線表中的其他信息。繼而詢問是否生成新的路段。若是,就生成新的路段,填充各項信息并進一步提示是否生成新的路;若否,則加入到已有的線段,并更新此路段信息中的相應項。

程序流程如圖3所示。

圖3路網數據庫的建立

否

加入到

已有路

段,修

改段路

表中相

應項

加入到

已有路

段,修

改路段

表中相

應項

否

是

是

結束

生成新的路

是否生成新的路

生成路段,填充路段表各項

是否生成新的路段

生成線,填充線各項

找出相鄰節點,詢問與誰生成線

填充節點表中各項

開始

四、路網數據庫的應用一旦建立了路網數據庫,在最佳路徑搜索、路徑導航中就可以利用數據庫中的數據完成相應的功能。下面即應用路網數據庫完成最佳路徑搜索。

1.獲取起始點名與終止點名。最佳路徑搜索始末點的輸入形式多種多樣:若提供起始路口名與終止路口名,則可以直接加以運用;若提供的點名不是交*路口名,則需要合理歸化到相應交*路口名。當

然,若將一般節點與交*路口點不加區分,都參與最佳路徑搜索,則無需歸化到交*路口點;若是直接在電子地圖上點取始末點,則須將它們歸化到相應的節點上。

2.查詢得到點ID。對輸入的始末點名,通過在數據庫點表中查詢“點名”=輸入點名,得到始末點的點ID。

3.將此時路表,路段表中的路況信息分解到相應的線表并與線表上的路況信息加和,取權后輸出。信息根據其范圍不同放在路表,路段表和線表中的信息集中。路表根據路段集將相應信息分解到相應

的路段上并與此路段上的信息進行加和,再將路段上的信息根據線集分解到線表上,再次進行加和。最后將各條線的信息聯合線長評權后連同線起始點ID一起輸出。

4.利用相應的最佳路徑搜索程序對始末點的點ID在(3)的輸出文件中進行搜索,最后得到最佳路徑的節點序列。

5.將最佳路徑在電子地圖上表示出來。依次在點表中根據(4)中返回的節點序列中的點ID,得到相應的實地坐標,進行與圖面坐標系的轉換后在圖上表示出來,并與其后的點連線。若只將交*路口點參與最佳路徑搜索,則還須在返回的節點序列中插入一般節點后再進行繪圖。這需要由點ID查詢相

應的線ID,由線ID查詢相應的路段。在路段表中的線集中得到相應的線ID,依次再返回至線表,匹配線的始末點是否為最佳路徑搜索得到的節點序列中的下一個點ID,若是則依次輸出路段表中的線集,

得到線表中的點,繪制在圖上。若否,則還須進行下一條線包含的點的匹配。

五、實例

運用上述方法,我們建立了上海部分區域路網數據庫,并在其上進行了最佳路徑搜索(這里進行的是距離最短意義下的最佳路徑搜索,也就是將距離項的權取為1,其余各項的權為0;改變相應的權配

置,可以得到不同意義下的最佳路徑搜索結果),得到如圖4所示的結果。從結果看,基本滿足了設計要求。同樣,地址匹配、地圖匹配、路徑導航等功能也可以在路網數據庫的基礎上實現。

六、路網數據庫的優點

1.實現了數據的無縫連接。雖然生成的路網數據庫是在分幅的電子地圖上進行屏幕數字化的,但在數據庫中的數據再無分幅的概念,只是通過坐標進行聯系,實現了無縫連接。

2.集成了實體信息與坐標信息。將實體與坐標通過數據表中記錄聯系起來了,有著高度的集成性,保證了導航系統各項功能的實現。

3.可方便地進行查詢。通過數據庫查詢語言,靈活地查找出需要找的路、路段、線和點的信息,并可進行關聯,及時提供相應信息。

4.較強的可操作性與可維護性。只要擁有相應權限,可方便地通過查詢找出所需數據,并進行修改,可增刪數據,快速更新相應數據,保證電子地圖的實時性。圖4路網數據庫用于最佳路徑搜索

5.較強的數據安全性。引入數據庫管理數據,通過數據庫的安全機制來保證數據的安全。綜上所述,通過建立路網數據庫,將圖面信息與實體屬性信息緊密相連,實現了實體的各級信息間的相互關聯,便于完成電子地圖的各項功能,完善了車載導航系統。

參考文獻

1易玉丹.車載GPS定位和導航系統的建立:[碩士論文].

上海:同濟大學,1997

2薩師煊,王珊.數據庫系統概述.北京:高等教育出版社,