GPS电子地图的设计与实现

GPS 电子地图的设计与实现

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1998年3月10日收稿.

3国家“九五”重中之重科技攻关项目(No.96-B02-03)资助.

①Car Navigation.日本Sony 公司,1995.

龚国清　曾　文

(中国地质大学信息工程学院,武汉430074)

摘　要　随着计算机科学技术和地理信息系统以及全球卫星定位系统(GPS )的发展,产生了

一门新的应用领域———GPS 电子地图.根据电子地图的特点,介绍了自行开发设计的GPS 电子地图系统的结构、功能及实现方法.关键词　电子地图,地理信息系统(GIS ),全球定位系统(GPS ).中图法分类号　P228,TP391第一作者简介　龚国清,男,副教授,1955年生,1982年毕业于中国地质大学,获硕士学位,主要从事计算机、GPS 和GIS 的应用研究.

0　引言

GPS 电子地图是将GPS 接收到的卫星信息经

过计算机处理后,把GPS 接收器所在位置定位在地理底图上,并显示在屏幕上.GPS 电子地图是导航、计算机图形学、数据库、地理信息系统(GIS )等技术的综合应用,而且它已经越来越多地受到人们的重视,并已被广泛应用到诸多领域,它可安装在移动目标(例如车船、飞机)上,也可用于目标跟踪.迄今为止,国外已有电子地图应用于汽车导航,如日本Sony 公司开发的汽车导航系统①,该系统具有最佳路径搜寻、行驶方向指示、已行驶路程显示、当前时间显示、当前位置距终点距离显示等功能.国内有些部门也正在研制开发GPS 电子地图,但有的是基于国外软件平台,因而支持平台有一定局限性,

内部结构也不可更改,而且汉化程度不高.而我们自己开发研制的GPS 电子地图是在自行开发研制的

MAP GIS 软件平台上实现的,该软件平台除了弥补了国外软件的不足之处,还具有对图库管理的独特之处,就是不受图幅多少的限制,这非常适合于开发电子地图系统,因为电子地图是针对全国的地图.根据GPS 电子地图系统应具有实时性和动态性的特点,我们开发的GPS 电子地图的主要功能包括:实时显示目标当前的位置,提供最佳行进路线,任意缩

放数字地图,数字地图随目标移动而漫游,提供周边

地区的有关信息和查询行驶距离和轨迹等.

1　系统结构GPS 电子地图系统由GPS 接收天线、计算机、地理底图库和相关信息库构成(图1).计算机负责将接收到的卫星信息———经纬度坐标转换为(X ,Y )坐标并显示在屏幕底图上,它还可完成各种查

询功能;GPS 接收天线负责接收卫星信息,并传送给计算机;地理图库对一定数量的单幅地图按地理相关位置建库,形成一区域性电子地图库;信息库存放与地理位置相关的有关信息,如旅游点、宾馆、娱乐场所、标志建筑物等.GPS 天线

地图库信息库

计算机

界面

图1　GPS 电子地图结构示意图

Fig.1

Electronic map structure of GPS

2　系统功能

一个电子地图设计的好坏,主要是衡量它的功

能是否齐全,操作是否方便,响应速度是否及时等.

我们根据电子地图的特点、开发和应用过程中的体

第23卷第4期

地球科学———中国地质大学学报

Vol.23　No.41998年7月

Earth Science —Journal of China University of G eosciences

J uly 1998

会,设计出如下功能.

(1)最佳行进路线.当用户希望从出发地到达目的地寻找最佳路线时,此项功能可提供帮助.用户只需输入起始地址和目的地址,系统便能按一定的约束条件,如最短时间、最短路径等,计算出行驶的最佳路径,并将这条路径在电子底图上用特定的颜色标识出来.

(2)电子底图可视漫游.基于MAP GIS和GPS,系统允许电子底图无级缩、放,并实现自动漫游,这是通过设置相关图层的允许显示比例因子数,即某图层只有在电子底图放大指定倍数时才能显示,从而实现了电子底图的变焦漫游功能,而且在漫游过程中用户目标(如汽车等)总是被显示在屏幕中央.

(3)路径导航.当用户在公路上行驶时,路径导航为用户提供帮助.路径导航能在实时运行中用语音提醒用户在某区段的注意事项,如单行道、禁止拐弯处、死角、渡口、跨线桥、天桥等.当行驶到交叉路口时,用箭头在画面上表示向哪个方向行驶.

(4)路径回放.系统可以自动记录用户驶过的轨迹,事后可以提取以重演行进过程.

(5)信息查询.当用户需要了解所处位置的周边信息(如饭店、旅游点、娱乐场所、购物中心、标志建筑物、政府机关等)时,系统提供查询服务,可以统一查询,也可以分类查询或按任意组合条件查询周边信息.周边信息的显示和地图上图形是互动的,即指定某一信息项,地图上相应表示此单位的图形将闪烁显示,若指定图上某符号,信息窗中对应的项将加亮显示.

(6)南北方向自动反转.显示屏上的地图通常都是以北为上进行显示的.当由北向南行驶时,为了使地图上的左右情况与地物实际的左右情况相对应,系统将地图进行南北自动反转.系统在显示屏上随时显示东西南北的方向指示.

(7)其他功能.GPS接收电波中的原子钟时间信号,并将其显示出来,系统还能显示用户已行驶的距离等.

3　矢量地图库

矢量地图库是电子地图的基础,其核心部分是对图库的管理.矢量地图数据是建立在地理原形表示空间物体基础上的.地理原形一般用点、线、面表示[1].点:表示一个物体符号,代表仅由单一坐标点确定的物体,显示时或是某种符号,或是一段文字,或是一个圆,还可以是一个图象.线:由若干坐标组成的序列,显示时这些坐标点间以直线连接,可表示公路、河流、境界线等.面:由一条封闭的曲线构成,用它表示空间面状物体,如公园、建筑等.

矢量地图库的组成如下.(1)数据输入.本系统的电子地图数据输入采用MAP GIS的输入编辑模块,其数据录入方式多种多样,非常灵活,可以采用扫描矢量化输入、数字化输入、手工输入,还可以将其他数据格式(如AU TOCAD的DXF文件,ARC/ INFO的L IN文件等)转换为本系统的地图数据文件.(2)数据处理.采用MAP GIS对输入的点、线、面坐标数据自动进行平差处理,以校正人工输入造成的误差,并编辑修改矢量结构点、线、区域的空间位置及其图形属性,增加或删除点、线、区域边界,适时自动校正拓扑关系.(3)数据库管理.由于电子地图是工作在实时环境下的,因此,地图显示刷新时间、信息查询响应时间都是衡量系统设计成功与否的重要指标.为了提高系统速度和响应时间,本系统采用了分级贮存技术,即按地图上物体特性不同,数据分级贮存,这样用户可根据需要取舍显示的内容.另一项关键技术是按单幅地图的相邻关系建立地图库,显示时系统只是把用户所在位置的那幅地图以及周边的图幅调出,并保证地理底图填充整个屏幕.这与传统的将所有图幅拼成一幅地图显示在屏幕上是完全不同的,按图幅贮存大大提高了显示速度.系统另一个特点是能同时管理数千幅地理底图,数据容量可达数十千兆,这样就解决了使用电子地图在一个地区不完整的问题.

4　信息库

信息库存放着与地理位置相关的记录数据,为了查询的需要,信息库中的数据应与地图上的点状符号存在关联.这种关联是由记录中存贮的图上点状符号及其所在图幅及图元号来实现的.记录中除了以上信息外,还存放对应图元的坐标、单位名称、类别、隶属、级别、门牌号、电话等信息.

信息库中记录的数据量一般比较大,而在导航过程中,对信息提取响应速度往往要求很高,所以,信息库存贮组织和检索方法就显得尤为重要.本系统通过使用树形存贮方式,建立多级、多关键字索引,较好地解决了这个问题.例如,通过对空间位置

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