建立适合于车载导航系统的电子地图 
建立适合于车载导航系统的电子地图
【摘 要】 本文论述了现有电子地图存在的问题, 提出建立路网数据库来完善电子地图, 使之适合于车载导航系统的需
要。文中论述了路网数据库的构成, 建立及其优点。
电子地图是车载导航系统中除导航定位设备外
最重要的组成部分。它应具备以下功能: 地图显示、
地址匹配、地图匹配、最佳路径搜索、路径导航等。本
文主要从完成最佳路径搜索的角度进行论述。
一、现有电子地图存在的问题
1. 图幅接边。现有电子地图基本上都是数字化
得来的。由于对原有纸质地图或航片的数字化是分
幅进行的, 各幅图间的接边问题没有得到很好的解
决。跨越图幅的道路, 在接边处会出现扭曲错位。虽
然可以人工修整, 但花费的工作量大, 并且不能从根
本上杜绝错位的发生。一旦某条道路发生了错位, 当
进行地图匹配、最佳路径搜索、路径导航时, 得到的
必然是错误的结果, 严重影响了车载导航系统的质
量。
2. 难于管理地图信息。现有电子地图大多将所
有信息放在图面上, 不便于信息的获取。导航定位设
备传来的是坐标, 用户需要得到的是实体信息。即存
在(x , y ) 坐标值与道路名等信息的关联问题。若仅
仅将道路名写在地图上, 虽然可以直接从图上读取
信息, 但这仅仅是地图显示, 不能实现地图匹配、最
佳路径搜索、路径导航等功能。系统不能管理坐标
间、实体间、坐标和实体间各种现实存在的复杂关
系。这严重阻碍了车载导航系统各种功能的实现。
3. 信息量少且难于更新。将信息固定在图面
上, 仅仅含有原纸质地图、航片的信息, 不能加入诸
如路况信息等内容。而路况信息对于最佳路径搜索、
路径导航具有重要作用。因为实际应用中的最佳路
径搜索, 多是时间最短而非距离最短。而行车时间不
仅与距离有关, 还与道路是否堵塞, 车道情况等路况
信息有关。在大城市中, 路况信息的重要性更为明
显。在图面上是难于保存路况信息等非可视化信息
的。此外, 现有电子地图一旦制成, 其所含的信息就
固定不变了, 这与现实情况中信息的多变性不适应。
难于从这些过时的信息中得出正确的结论。
二、路网数据库的结构
为了解决上述问题, 我们通过建立路网数据库
来管理电子地图中的实体信息与坐标信息, 实现数
据的无缝连接。首先, 用户对道路信息的需求是复杂
多样的: 既需要知道当前目标的位置等信息, 还需要
了解目标所在路段, 路的拥挤情况。所以, 需要对道
路中不同层次上的实体分别进行描述, 包含所需的
各类信息。其次, 道路信息, 特别是实时路况信息更
新比较频繁, 需要对已有数据实时更新。需要更新的
数据中, 既有大范围信息(如整条路塞车严重) , 也有
针对个别位置的信息(如某点正在施工)。要快速地
更新相应数据, 只有对不同实体分别描述, 根据实体
之间的关系, 查找到相应实体后进行更新。由此, 我
们建立了路网数据库, 包含5 个表, 如图1 所示。
图1 路网数据库结构
信息表
信息ID
信息指针
信息分类号
线表
线ID
线名
起点指针
终点指针
点表
点ID
点名
X 坐标
Y坐标
节点性质
相关信息
路段表
路段ID
路段名
正行线集
正行信息集
逆行线集
逆行信息集
分区编码
相关信息
路表
路名ID
路名
正行路段集
正行信息集
逆行信息集
分区编码
相关信息
如图2 所示, 路表包括网中的各条道路, 路由路
段组成。两个路口交*点间所有的线组成路段, 线则
由起始点、终止点组成。节点分为交*路口节点与一
般节点。
路表中的“正行路段集”由一系列指针组成。这
些指针分别指向路段表中相应路段, 且将这些指针
正序排列而成(可定义沿此路由东至西, 由南至北为
正, 反之为逆)。“逆行路段集”仅需将“正行路段集”
反序即可得出, 无需单独列出。“正行信息”与“逆行
信息”分别指向信息表中相应记录。如是否为单行
线、正行方向堵塞情况等信息。由记录的信息分类号
得出其是哪类信息, 按相应规则对这些信息进行判
读处理, 供导航系统的相应功能使用。“相关信息”指
向信息表中与此路有关的其他信息记录, 可根据具
体的需要进行补充。路段表、线表、点表中的信息项
也同路表中的近似, 只是作用范围不同, 信息的类别
也可能不同。“分区编码”用于快速查找此路的位置,
便于查询。
图2 数据库各表关系示意图
路段表通过对路的细分, 进一步控制线表。由于
正行、逆行在线表中以不同的线来表示, 故路段表中
加入了“逆行线集”指向逆行时经过的线。线表控制
点表。点表中交*路口节点与一般节点通过“节点性
质”来加以区分。前者构成路网主干, 用于提供最佳
路径搜索、路径导航等的节点信息。后者起辅助功
能, 用于勾勒出道路的实际性状, 起加密作用, 当然
在这些节点上也可以加入特定信息, 以供查询。
三、路网数据库的建立
路网数据库的建立, 依赖于程序自动判读, 通过
数据库查询语言, 寻找已有数据, 组成新的数据。可
以从纸质地图数字化开始建立路网数据库, 也可以
利用已有的电子地图来建立。
若已经有了显示用的电子地图, 将其显示在屏
幕上, 运用屏幕数字化的方式采集节点, 生成节点表
中的数据。程序在得到一个节点后, 提示输入此节点
的各种信息。然后, 根据此节点坐标值, 找出已存在
于节点表中的相邻节点, 询问与谁生成线; 自动填充
线表中相应项并提示输入线表中的其他信息。继而
询问是否生成新的路段。若是, 就生成新的路段, 填
充各项信息并进一步提示是否生成新的路; 若否, 则
加入到已有的线段, 并更新此路段信息中的相应项。
程序流程如图3 所示。
图3 路网数据库的建立
否
加入到
已有路
段, 修
改段路
表中相
应项
加入到
已有路
段, 修
改路段
表中相
应项
否
是
是
结束
生成新的路
是否生成新的路
生成路段, 填充路段表各项
是否生成新的路段
生成线, 填充线各项
找出相邻节点, 询问与谁生成线
填充节点表中各项
开始
四、路网数据库的应用
一旦建立了路网数据库, 在最佳路径搜索、路径
导航中就可以利用数据库中的数据完成相应的功
能。下面即应用路网数据库完成最佳路径搜索。
1. 获取起始点名与终止点名。最佳路径搜索始
末点的输入形式多种多样: 若提供起始路口名与终
止路口名, 则可以直接加以运用; 若提供的点名不是
交*路口名, 则需要合理归化到相应交*路口名。当
然, 若将一般节点与交*路口点不加区分, 都参与最
佳路径搜索, 则无需归化到交*路口点; 若是直接在
电子地图上点取始末点, 则须将它们归化到相应的
节点上。
2. 查询得到点ID。对输入的始末点名, 通过在
数据库点表中查询“点名”= 输入点名, 得到始末点
的点ID。
3. 将此时路表, 路段表中的路况信息分解到相
应的线表并与线表上的路况信息加和, 取权后输出。
信息根据其范围不同放在路表, 路段表和线表中的
信息集中。路表根据路段集将相应信息分解到相应
的路段上并与此路段上的信息进行加和, 再将路段
上的信息根据线集分解到线表上, 再次进行加和。最
后将各条线的信息联合线长评权后连同线起始点ID 一起输出。
4. 利用相应的最佳路径搜索程序对始末点的
点ID 在(3) 的输出文件中进行搜索, 最后得到最佳
路径的节点序列。
5. 将最佳路径在电子地图上表示出来。依次在
点表中根据(4) 中返回的节点序列中的点ID, 得到
相应的实地坐标, 进行与图面坐标系的转换后在图
上表示出来, 并与其后的点连线。若只将交*路口点
参与最佳路径搜索, 则还须在返回的节点序列中插
入一般节点后再进行绘图。这需要由点ID 查询相
应的线ID, 由线ID 查询相应的路段。在路段表中的
线集中得到相应的线ID, 依次再返回至线表, 匹配
线的始末点是否为最佳路径搜索得到的节点序列中
的下一个点ID, 若是则依次输出路段表中的线集,
得到线表中的点, 绘制在图上。若否, 则还须进行下
一条线包含的点的匹配。
五、实 例
运用上述方法, 我们建立了上海部分区域路网
数据库, 并在其上进行了最佳路径搜索(这里进行的
是距离最短意义下的最佳路径搜索, 也就是将距离
项的权取为1, 其余各项的权为0; 改变相应的权配
置, 可以得到不同意义下的最佳路径搜索结果) , 得
到如图4 所示的结果。从结果看, 基本满足了设计要
求。同样, 地址匹配、地图匹配、路径导航等功能也可
以在路网数据库的基础上实现。
六、路网数据库的优点
1. 实现了数据的无缝连接。虽然生成的路网数
据库是在分幅的电子地图上进行屏幕数字化的, 但
在数据库中的数据再无分幅的概念, 只是通过坐标
进行联系, 实现了无缝连接。
2. 集成了实体信息与坐标信息。将实体与坐标
通过数据表中记录联系起来了, 有着高度的集成性,
保证了导航系统各项功能的实现。
3. 可方便地进行查询。通过数据库查询语言,
灵活地查找出需要找的路、路段、线和点的信息, 并
可进行关联, 及时提供相应信息。
4. 较强的可操作性与可维护性。只要拥有相应
权限, 可方便地通过查询找出所需数据, 并进行修
改, 可增删数据, 快速更新相应数据, 保证电子地图
的实时性。
图4 路网数据库用于最佳路径搜索
5. 较强的数据安全性。引入数据库管理数据,
通过数据库的安全机制来保证数据的安全。
综上所述, 通过建立路网数据库, 将图面信息与
实体属性信息紧密相连, 实现了实体的各级信息间
的相互关联, 便于完成电子地图的各项功能, 完善了
车载导航系统。
参考文献
1 易玉丹. 车载GPS 定位和导航系统的建立: [ 硕士论文].
上海: 同济大学, 1997
2 萨师煊, 王珊. 数据库系统概述. 北京: 高等教育出版社,
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