（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）基于mapx控件的導航軟件的設計與實現(xiàn).pdf

中文摘要 摘要 隨著社會經濟的不斷進步 科學水平的飛速發(fā)展 世界上大多數國家都已 經建立的四通八達的交通網 與日俱增的公路交通系統(tǒng)的復雜性和擁擠程度 使 得路徑規(guī)劃系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)顯得格外的重要 歐美的一些發(fā)達國家在路徑規(guī) 劃技術和 數字城市 的研究領域一直處于領先水平 雖然我國在這個領域的起 步比較晚 但是在該領域中的發(fā)展卻很迅速 取得成績也很突出 在一些大城市 已經具備了歐美國家相應的技術水平 本文首先介紹了電子地圖在地理信息系統(tǒng)中起到的重要作用 電子地圖的主 要特點和兩種典型的拓撲結構模型 其次對制作電子地圖的工具軟件m a p i n f o p r o f e s s i o n a l 的特點進行了介紹并且對m a p l n f o 格式的電子地圖的數據組織結構以 及繪制電子地圖中所涉及的必要的理論知識進行了闡述 而且展示了用m a p i n f 0 p r o f e s s i o n a l 制作電子地圖的全部重要步驟 然后對m a p x 這款g i s 控件的主要優(yōu) 點和突出的功能進行了講解和分析 對m a p x 控件和m a p l n f op r o f e s s i o n a l 軟件之 間的區(qū)別和聯(lián)系進行了詳細的說明 之后又描述了電子地圖中道路的模型 節(jié)點 一路段模型并且根掘圖論中的相關知識解決了路段的方向性問題 隨后介紹了兩 種靜態(tài)路徑規(guī)劃算法 d i j k s t r a 算法 a 木算法 并且根據實驗過程中遇到的實際情 況 提出了改進的方法 最后通過軟件演示的形式展示了路徑規(guī)劃算法和m a p l n f o 格式的電子地圖在導航軟件中的應用 依據道路的不同情況 對每種情況下的相 同兩個節(jié)點之間的路徑規(guī)劃結果予以比較 同時對整個軟件的電子地圖的瀏覽 編輯 圖層控制等功能也有詳細的講解 本文的主要目的是根據地理信息系統(tǒng)和路徑規(guī)劃算法的理論知識 選擇用 m a p x 控件和d i j k s t r a 算法 在v b 的開發(fā)環(huán)境下實現(xiàn)一款導游軟件 通過不斷的 努力 解決了在軟件開發(fā)工程中遇到一系列的問題 從而使理論的知識和實際的 應用有效的結合起來 使得實驗中的導航軟件在復雜的情況下能夠有著良好的表 現(xiàn) 本文實現(xiàn)的是靜態(tài)的導航功能 今后在本文的實現(xiàn)結果上進一步進行無線功 能的開發(fā)可以實時地解決動態(tài)導航的功能 關鍵詞 路徑規(guī)劃 m a p x 電子地圖 d i j k s t r a 算法 分類號 u 4 9 1 1 3 t p 3 9 1 a bs t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u i n gd e v e l o p m e n to ft h es o c i a le c o n o m ya n ds c i e n c e m o s tc o u n t r i e si nt h ew o r l dh a v eb u i l ti n t e n s et r a n s p o r t a t i o nn e t s s i n c et h ei n c r e a s i n g c o m p l e x i t ya n dc o n g e s t i o no ft h et r a n s p o r t a t i o ns y s t e m r o u t ep l a n n i n gs y s t e ma n d g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e mh a v eb e c o m e s oi m p o r t a n ta n dn e c e s s a r y s o m e d e v e l o p e dc o u n t r i e si ne u r o p eh a v et a k e na d v a n t a g ei nt h ef i e l do f r o u t ep l a n n i n ga n d d i g i t a lc i t ya l t h o u g ho u rc o u n t r yg o ti n v o l v e di nt h i sa r e ad u r i n gr e c e n td e c a d e s w e h a v eg a i n e dh u g es u c c e s s e sa n de x p e r i e n c e s o m em e g a l o p o l i s e sh a v ep o s s e s s e dt h e a d v a n c e dt e c h n o l o g i e s w h i c hd e v e l o p e dc o u n t r i e sh a v e f i r s t l y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es i g n i f i c a n tr o l eo fd i g i t a lm a pi ng i s t h ef e a t u r e s a n dt w oc l a s s i ck i n d so ft h et o p o l o g ym o d e la b o u td i g i t a lm a p s e c o n d l y i n t r o d u c et h e m a p l n f op r o f e s s i o n a l w h i c hu s e d t om a k et h ed i g i t a lm a p i te x p a t i a t e st h ed a t a s t r u c t u r eo ft h em a pa n dt h ek n o w l e d g e w h i c hs e e m e dn e c e s s a r yi nm a k i n gad i g i t a l m a p a n dd i s p l a yt h ep r o c e s sh o wt ou s et h em a p l n f op r o f e s s i o n a lt om a k ead i g i t a l m a p t h i r d l y a n a l y s e st h em e r i t sa n df u n c t i o n so ft h em a p x t h a tu s e di nt h i sp a p e r s h o wt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a p xa n dm a p l n f op r o f e s s i o n a l l a t e r d e s c r i b et h e m o d e lo f r o a di nd i g i t a lm a p t h e nf i g u r eo u tt h ep r o b l e mo fd i r e c t i o n so fr o a d s e x p l a i n t h es t a t i cr o u t ep l a n n i n ga l g o r i t h m s d i j k s t r a a 年 a c c o r d i n gt op r o b l e m se n c o u n t e r e d i nt h ea c t u a ls i t u a t i o n i m p r o v et h em e t h o d sp r o p o s e d l a s t l y u s et h en a v i g a t i o n s o f t w a r et od e m o n s t r a t ed i j k s t r aa l g o r i t h ma n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ed i g i t a lm a p c o m p a r et h ed i f f e r e n tr e s u l to f r o u t ep l a n n i n gf o rs o m es i t u a t i o n so fr o a d s t h es o f t w a r e a c c o m p l i s ht h e s em a pf u n c t i o n b r o w s e e d i t c o n t r o ll a y e ro f t h em a p t h ep u r p o s eo ft h ep a p e ri su s i n gm a p xa n dv bl a n g u a g et od e v e l o pan a v i g a t i o n s o f t w a r eb a s e do nt h e o r e t i c a lk n o w l e d g eo fg i sa n dr o u t ep l a n n i n ga l g o r i t h m s r e s o l v i n gt h e s ep r o b l e m se n c o u n t e r e di nd e v e l o p i n gp r o c e d u r e s ot h a t t h e o r e t i c a l k n o w l e d g ea n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nh a v ee f f e c t i v ei n t e g r a t e d t h ep a p e ri m p l e m e n t s t h es t a t i cn a v i g a t i o n i nt h ef u t u r et h er e a l i z a t i o no ff u r t h e rd e v e l o p m e n to fw i r e l e s s c a p a b i l i t yc a ns o l v et h er e a l t i m ed y n a m i cn a v i g a t i o nf u n c t i o n k e y w o r d s r o u t ep l a n n i n g m a p x d i g i t a lm a p d i j k s t r aa l g o r i t h m c l a s s n o u 4 9 1 1 3 t p 3 9 1 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解北京交通大學有關保留 使用學位論文的規(guī)定 特 授權北京交通大學可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索 并采用影印 縮印或掃描等復制手段保存 匯編以供查閱和借閱 同意學校向國 家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤 保密的學位論文在解密后適用本授權說明 學位論文作者簽名 導師簽名 簽字日期 年月 日 簽字同期 年月 日 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的研 究成果 除了文中特別加以標注和致謝之處外 論文中不包含其他人已經發(fā)表或 撰寫過的研究成果 也不包含為獲得北京交通大學或其他教育機構的學位或證書 而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作 了明確的說明并表示了謝意 學位論文作者簽名 簽字日期 年 月 日 6 1 致謝 本論文的工作是在我的導師李興華副教授的悉心指導下完成的 李興華老師 嚴謹的治學態(tài)度和科學的工作方法給了我極大的幫助和影響 在此衷心感謝兩年 來李興華老師對我的關心和指導 荊濤副教授悉心指導我完成了實驗室的科研工作 對于我的科研工作和論文 都提出了許多的寶貴意見 在此向荊濤老師表示衷心的謝意 在實驗室工作及撰寫論文期間 楊柳 戴慶國 劉萬志 呂思凡 農光壹 張曉星等同學對我論文中的研究工作給予了熱情幫助 讓我度過了一個有意義的 研究生的生活 在此向他們表達我的感激之情 另外也感謝我的父母 他們的理解和支持使我能夠在學校專心完成我的學業(yè) 1 引言 1 1智能交通系統(tǒng)概述 智能交通系統(tǒng) 1 i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s 簡稱i t s i t s 是將先進的信 息技術 包括數據通信 計算機等 傳感器技術 自動控制理論 運籌學 人工智 能等有效地綜合運用于交通的運輸 服務控制和車輛制造等方面 加強車輛 道 路 管理者三者之間的聯(lián)系 從而形成的一種實時 準確 高效的綜合運輸系統(tǒng) 最終使交通運輸服務和管理智能化 使路網上的交通流運行處于最佳狀態(tài) 改善 交通擁擠和阻塞 最大限度地提高路網的通行能力 提高整個公路運輸的機動性 安全性和生產效率 隨著汽車發(fā)展的社會化 工業(yè)化 信息技術智能化的實現(xiàn) 隨著人類環(huán)境的 可續(xù)化發(fā)展的提出 隨著道路堵塞和交通事故的急速增長 i t s 是現(xiàn)代交通發(fā)展到 一定階段必然出現(xiàn)的產物 從2 0 世紀6 0 年代末開始 世界各國的交通工程師逐 漸利用飛速發(fā)展的電子 信息 系統(tǒng)工程等科技手段來改善交通狀況 將信息技 術和交通系統(tǒng)結合起來研究交通四要素的時空關系 大約經歷了2 0 余年的時間 相距在世界范圍內建立了新型交通系統(tǒng) 即智能交通系統(tǒng) 并且已經在許多國家 和地區(qū)取得了良好的經濟和社會效益 由于各國具體情況不同 發(fā)展交通的重點也不一致 對于i t s 研究的內容也 不相同 在美國 按照服務功能和用戶需求將i t s 的研究內容分成七大類 相應 地 美國的i t s 開發(fā)項目以及實際應用系統(tǒng)也分為七個部分 2 1 1 先進的交通信息服務系統(tǒng) a t i s 2 先進的交通管理系統(tǒng) a t m s 3 先進的公共交通系統(tǒng) a p t s 4 先進的車輛控制系統(tǒng) a v c s 5 貨運管理系統(tǒng) c v o 6 電子收費系統(tǒng) e t c 7 緊急救援系統(tǒng) e m s i t s 作為新型的交通系統(tǒng) i t s 除了具有傳統(tǒng)交通系統(tǒng)的特點外 還具有智能 化 信息化和一體化的特點 其智能化的特點體現(xiàn)在以下幾個方面 交通基礎設 施智能化 交通工具智能化 交通系統(tǒng)智能化 i t s 信息化的特點主要是有關交通要素的所有信息可以為交通系統(tǒng)的提供者 維護者以及使用者共享 i t s 一體化的特點是指道路 車輛駕駛 乘客服務和系統(tǒng) 管理的一體化 我國i t s 的發(fā)展起步較晚 2 0 世紀7 0 年代以來 從國外引進了一些項目 并進 行了一些i t s 或類似i t s 基礎項目的研究和應用 2 0 世紀7 0 年代中至8 0 年代初 主 要是進行城市交通信號控制試驗研究 2 0 世紀8 0 年代中至9 0 年代初 在一些大城 市引進城市交通信號控制系統(tǒng) 實現(xiàn)了一些公路監(jiān)控系統(tǒng) 高等級公路電子收費 系統(tǒng)和路邊信息服務系統(tǒng) 如廣佛高速公路監(jiān)控系統(tǒng) 首都機場高速公路電子收 費系統(tǒng) 2 0 世紀9 0 年代中以來 開始研究部f i t s 發(fā)展戰(zhàn)略和地理信息系統(tǒng) g i s 全球定位系統(tǒng) g p s 在交通中的應用 重視交通信息網絡的建設 如交通部的公 路智能運輸系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究 鐵道部t m i s d m i s 等信息系統(tǒng)丌發(fā) 目前 國內 的研究與開發(fā)還都是某一地區(qū)或城市進行的 全國范圍的i t s 研究計劃正在準備進 行中 總的來說 我國政府部門非常重視i t s 的研究與開發(fā) 科技部門已經正式將i t s 列入了中國高新技術開發(fā)和產業(yè)化計劃 而且協(xié)同交通部 公安部 建設部 鐵 道部 信息產業(yè)部和許多高校及研究機構共同開發(fā)與研究 1 2車輛定位導航系統(tǒng)綜述 車輛定位導航系統(tǒng)利用計算機和通訊技術 向行駛在道路上的車輛提供信息 引導車輛避開擁擠路段 沿最佳的線路到達目的地 它是智能化交通系統(tǒng) i t s q b 效益顯著 見效快的項目 是歐 美 同等國爭相研究與開發(fā)的重點 3 車輛導航 系統(tǒng)同交通管理與控制系統(tǒng)融合 可以在大范圍內進行交通流誘導 從而緩解道 路交通擁擠狀況 還可以向火警車輛 救護車輛與緊急救援車輛提供最短路徑引 導服務 此外 導航系統(tǒng)的應用將大幅提高道路通行能力 減少交通事故 節(jié)省 能源與時間 對解決當前各國面臨的嚴重的交通問題有著重要的意義 1 2 1 車輛導航系統(tǒng)的組成模塊 目前的智能交通系統(tǒng)是以道路和車輛作為主要的研究對象 以提高道路的通 行能力 利用效率與安全行為主要研究目標的新一代交通運輸系統(tǒng) 重點是公路 交通問題 智能交通系統(tǒng)基本是由四部分組成 管理和控制中心模塊 車輛模塊 道路模塊和通信模塊 4 1 如圖1 1 所示 2 圖1 1 智能交通系統(tǒng)的基本組成 f i gl 1i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m sc o m p o n e n t s 1 管理和控制中心模塊根據系統(tǒng)采集到的車輛和道路模塊信息 進行交通管 理和規(guī)劃 實現(xiàn)對車輛的跟蹤 調度和管理 完成收費管理和服務信息的 發(fā)布 應急措施的安排和管理等工作 2 車輛模塊用于根據各種傳感器的信號 計算車輛的定位導航信息 以保證 車輛按照調度命令或路徑規(guī)劃命令行使 3 道路模塊用于提供實時的道路交通信息 完成道路交通狀況的檢測 行使 電子收費 車輛管理和檢測等功能 4 通信模塊用于實現(xiàn)以上模塊之間的數據 語音 服務信息和調度命令的傳 遞和交互 車輛模塊作為智能交通系統(tǒng)的重要組成部分 其導航技術一直是許多國家研 究的重點 車輛定位導航系統(tǒng)的功能模塊如圖1 2 所示 1 數字地圖數據庫包含預先定義好存儲格式的數字地圖信息 其存儲格式有 助于計算機處理與地圖有關的信息 如辨識場所 公路等級 交通規(guī)則 2 定位模塊根據傳感器的輸出 自動地確定車輛的位置 典型的獨立定位技 術也是航跡推算定位 而典型的無線電信號定位技術是使用全球定位系統(tǒng) g p s 定位 3 地圖匹配是把測量到的或從定位模塊獲取的位置 軌跡 與地圖數據庫所 提供的地圖的位置 路徑 進行匹配來確定車輛在地圖上位置的一種方法 如果數據庫精確 這種技術能改進定位模塊的精度 對于市區(qū)來說數字地 圖的定位應該保證在1 5 m 以內 4 路徑規(guī)劃是幫助司機在行使前或運行中規(guī)劃路線的過程 通常采用的技術 是找到最小代價旅行路線 旅行代價可以是時間 距離等等 5 路徑誘導是指司機沿著路徑規(guī)劃模塊計算出的路線行駛的過程 為了確定 車輛當前的位置和產生實時指令 需要借助地圖數據庫和準確的定位 6 人機接口允許用戶與定位和導航計算機進行人機交互 將用戶的要求通過 人機接口輸送到計算機中 然后再通過人機接口將結果反饋給用戶 7 無線通信模塊是通過通信網絡 使得車輛和它的使用者或者交通管理系統(tǒng) 能夠接受實時交通信息和報告 從而促使車載系統(tǒng)或整個公路網絡工作的 更加安全和有效 圖1 2 車輛定位導航系統(tǒng)的基本模塊 f i g1 2n a v i g a t i o ns y s t e mm o d e l s 1 2 2 導航軟件的基本功能 一般的導航軟件的功能基本是 1 功能完善的電子地圖顯示瀏覽功能 完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)地圖 2 強大的查詢功能 使旅游者能查詢到景點 路線 賓館 學校等所有地理 位置信息 3 最優(yōu)路徑規(guī)劃功能 可以進行道路距離的計算 規(guī)劃出最優(yōu)路徑 使旅游 者實現(xiàn)最短路徑和最短時間的旅游 在導航軟件中 電子地圖是一個不可缺少的組成部分 電子地圖是隨著電子 制圖系統(tǒng)的出現(xiàn)而發(fā)展的一種新的地圖表現(xiàn)形式 它強調的是數據載體 符號化 與顯示 5 與傳統(tǒng)地圖集相比 電子地圖具有許多新的特征 1 強調數據和圖形的多媒體集成 強調將圖形的直觀性和聲音的引導性相結 合 2 具有查詢檢索和分析決策的功能 能夠從地圖圖形到屬性數據和從屬性數 據到地圖圖形的雙向檢索 3 圖形動態(tài)變化功能 支持圖形縮放 瀏覽閱讀等基本功能到地圖動畫功能 4 多維動畫圖形模擬 4 易于用戶理解 操作 路徑規(guī)劃算法是影響導航軟件性能的另一個重要因素 它要解決的主要問題 是在給定的數字道路地圖中尋找從出發(fā)地到目的地的最優(yōu)路徑 如最短行車距離 最少旅行時間 最低交通費用等 而距離 時間 收費等信息都可以存在數字道 路地圖的路段屬性中 6 根據路網數據模型 可以將數字道路地圖轉化為帶權有向 圖 因此無論采用何種標準 計算道路網絡中兩點之間最優(yōu)路徑問題都可以歸納 為求解為帶權有向圖的最短路徑問題 在圖論中有許多比較成熟的最短路徑算法 可供選擇 如經典最短路徑算法d i j k s t r a a 幸算法等 算法解得的最優(yōu)路徑解可能 并非理論上的最優(yōu) 而只是比較滿意的次優(yōu)或者較優(yōu)路徑 但如果兩者之間的目 標值相差不大 而又能在運算速度和存儲開銷方面獲得較大的改進 那么該算法 無疑也是非常合適車輛導航要求的 目前國內外已經存在的路徑規(guī)劃系統(tǒng)基本上可以分為兩大類 1 靜態(tài)路徑規(guī)劃系統(tǒng) 以幾何距離 道路質量為路阻計算的最短路徑和靜態(tài)路徑都屬于靜態(tài)型最優(yōu) 路徑 目前車輛導航系統(tǒng)動態(tài)交通分配研究中多采用該類路徑 計算結果與真實 最短路徑存在較大差異 靜態(tài)路徑規(guī)劃系統(tǒng)用于路徑規(guī)劃的路況信息數據庫固定 不變 主要產品有 北京靈圖科技的 天行者之縱橫四海 它具有地圖顯示 縮 放 漫游 g p s 信息采集與濾波 車輛定位及路段匹配 地名查詢 名稱查詢 分類查詢 坐標查詢 最優(yōu)路線設計 路徑引導 文字引導及語音引導 航跡 記錄與管理等功能 還可以利用m i d 提供的無線通訊功能 向服務中心申請興趣 點查詢 路況信息服務 最佳路徑導引等服務 蘇州宇達電通的 易上路 等 2 1 動態(tài)路徑規(guī)劃系統(tǒng) 實時動態(tài)最優(yōu)路徑是真實的最短路徑 并且若想提高導航信息的準確度 最 優(yōu)路徑的計算都應以動態(tài)行程時間為依據 可見 車輛導航系統(tǒng)應以動態(tài)行程時 間作為計算最優(yōu)路徑的基礎 并提供實時動態(tài)最優(yōu)路徑作為必備服務 動態(tài)路徑 規(guī)劃系統(tǒng)用于導航的路況信息數據庫按照交通流實時刷新 這需要交通信息中心 將交通信息 如堵車情況 交通擁擠情況通過無線通訊鏈路傳到系統(tǒng) 系統(tǒng)收到 該信息后 對原始信息數據庫進行刷新 從而可以選取最優(yōu)路徑 并能動態(tài)調整 選取新的路徑 此類產品一般均處于研究階段 市場上還沒有正式發(fā)售的 1 3電子地圖介紹 隨著計算機技術的發(fā)展 為了方便地圖的查詢 制作 更新 復制和縮放的 需求 由計算機支持的電子地圖便應運而生 電子地圖是以數字形式表示的 具 有在屏幕上動態(tài)顯示 編輯 查詢 檢索 分析和決策等功z f j 匕l(fā) 的新型地圖產品 7 j 由于科技含量高以及使用便捷 它的使用范圍及發(fā)揮的作用已經觸及到國計民生 的許多方面 前景十分廣闊 以電子地圖為基礎的智能交通系統(tǒng) 借助實時交通 信息 通訊網絡 定位系統(tǒng)和智能化分析與選線系統(tǒng) 可以緩解道路阻塞和減少 交通事故 提高駕車者的方便性和舒適性 在i t s 中有很大一部分是和車輛定位及導航系統(tǒng)相關的 并且這部分內容是 i t s 最重要的一部分 只有通過在顯示屏幕中加載電子地圖 用戶才能和定位及導 航系統(tǒng)進行交互 才能從定位及導航系統(tǒng)中獲得自己所需要的信息 與此同時 用戶只有通過對電子地圖的操作 才能對i t s 系統(tǒng)表達自己需要達到的目的 才能 向i t s 系統(tǒng)突出服務請求 一般把用于i t s 中的電子地圖成為導航電子地圖 在車 輛通過g p s 定位的過程中 電子地圖時各個系統(tǒng)的工作平臺 同時也是工作對象 正是通過電子地圖中量化的各種數據與g p s 數據間的聯(lián)系 地圖匹配 這樣才能 確定車輛在實際空間中的位置 在車輛的導航系統(tǒng)中 電子地圖也是進行最優(yōu)路 徑規(guī)劃的基礎博 導航電子地圖主要用來對車輛進行導航 其主要功能是 1 系統(tǒng)工作在實時環(huán)境下 具有實時性 2 軟件運行速度快 空間處理 和分析操作時間短 3 能夠顯示當前車輛的位置 4 可以按照用戶輸入的起點 終點位置迅速計算最優(yōu)路徑 5 具有適用于導航系統(tǒng)的多種功能 如 漫游 縮放等 6 具有涼或方便的查詢功能 只有建立合理的電子地圖數據引擎 在數據引擎的基礎上來發(fā)出完備的導航 電子地圖 并且對導航電子地圖進行合理的運用 i t s 才能在實際應用中起到更大 的作用 1 4本文工作的主要內容 本文主要完成的任務是在v b 的開發(fā)環(huán)境下 基于m a p x 控件編寫一款導航軟 件 該軟件對電子地圖的操作包括 放大 縮小 漫游 精確查詢 地圖圖層控 制 鷹眼 路徑導航等功能 路徑導航的算法采用的是經典的d i j k s t r a 算法 同時 對其它的典型算法進行了介紹和分析 利用m a p i n f op r o f e s s i o n a lv 8 5 手動制作一張 電子地圖 該地圖包括 地圖事物節(jié)點 道路網 鐵路 河流等圖層 并且地圖 對象具有各自的屬性數據 6 本文工作的主要目的是實現(xiàn)圖1 2 中人機交互 路徑規(guī)劃 電子地圖數據庫這 三個模塊的功能 也就是說 在p c 機上實現(xiàn)靜態(tài)路徑優(yōu)化導航的功能 并且對電 子地圖的制作進行研究 這樣在以后通過移植到嵌入式的車載設備中 與g p s g p r s 等通信模塊相結合 利用地圖匹配和動態(tài)最優(yōu)路徑規(guī)劃算法等技術 可以完 成實時的車輛導航的功能 電子地圖導航系統(tǒng)的總體設計思想為 根據上面描述的系統(tǒng)應具備的主要功 能 將電子地圖導航系統(tǒng)劃分為地圖功能操作模塊 地圖信息查詢模塊 最優(yōu)路 徑規(guī)劃模塊三個相互關聯(lián)的模塊 每個模塊完成相應的功能 如圖1 3 所示 圖1 3 電子地圖導航系統(tǒng)總體結構 f i gl 一3d i g i t a lm a pn a v i g a t i o ns y s t e mf r a m e w o r k 1 5 本文的組織結構和安排 本文第二章主要是介紹了電子地圖的特點 講述 m a p l n f o 格式電子地圖的數 據組織結構和電子地圖的繪制過程 同時也介紹t m a p x 控件的功能以及它的使用 方法 本文第三章針對最短路徑規(guī)劃算法進行了研究和分析 對電子地圖中的節(jié)點 一路段數據模型進行了相關的介紹 本文第四章主要是對軟件的實現(xiàn)過程進行了詳細的講解 包括軟件的地圖瀏 覽功能 電子地圖的圖層控制功能 圖元事務的查詢功能 路徑規(guī)劃功能 本文第五章是本課題所做工作的總結以及將來可能進行的工作的描述 7 2 電子地圖的設計與制作 電子地圖是目前較為普遍的稱呼 它又稱為 屏幕地圖 無紙地圖 等 它是一種新型的地形信息產品 本文認為它可以呈現(xiàn)為二維矢量圖形 也可以是 柵格圖形 或者是用先進的計算機圖形技術生成的多維地圖 2 1地理信息系統(tǒng)概述 現(xiàn)實生活的應用中 與電子地圖聯(lián)系最密切的就是地理信息系統(tǒng) g i s 地理 信息系統(tǒng)就是一種利用計算機對有關地理 空間位置的數據信息進行存儲 處理 查詢和顯示的計算機支持系統(tǒng) 9 g i s 的發(fā)展始于6 0 年代 是計算機同步發(fā)展的結 果 今天的地理信息系統(tǒng)集成了計算機數據庫技術和計算機圖形輔助設計軟件 在圖象處理上比上述兩類軟件更加全面 即地理信息系統(tǒng)所處理的事物對象具有 空問地理特征 也具有統(tǒng)計信息特征 可以說 地理信息系統(tǒng)將空間信息數字化 并使這些信息可視化 通過功能強大的軟件 使空間分析直觀簡明 數據管理便 捷高效 地理信息系統(tǒng)的核心是空間數據管理子系統(tǒng) 它由空問數據處理和空間數據 分析構成 空間數據的主要來源有專題地圖 等水位線 地形地質圖等 遙感 圖像數據 統(tǒng)計數據及實測數據等 地理信息系統(tǒng)具有以下七大功能 1 數據的提取 轉換和編輯 2 數據的集成 3 數據重構和數據轉換 4 空間數據的查詢和檢索 5 空間操作和分析 6 空間顯示和成果輸出以及空間數據的更新 7 空間數據的更新 g i s 采用的基本技術可以歸納為地圖分層 矢量抽象 空間數據與屬性數據的 劃分等三個方面 其中 空間數據與屬性數據劃分技術使軟件開發(fā)的重點放在對 空間信息的管理上 借用已很成熟的數據庫技術來管理傳統(tǒng)的屬性數據 實現(xiàn)多 種信息的綜合 l o 近年來地理信息系統(tǒng)技術發(fā)展迅速 主要動力足來自日益廣泛的應用領域的 對地理信息系統(tǒng)不斷提高的要求 另一方面 計算機科學的飛速發(fā)展為地理信息 系統(tǒng)提供了先進的工具和手段 許多計算機領域的新技術 如面向對象技術 三 維技術 圖像處理技術和人工智能技術都可以直接應用到地理信息系統(tǒng)中 總而 言之 由于g i s 在人民生活和國防軍事中的特殊作用 它將保持高速的發(fā)展勢頭 成為高科技領域的核心技術 對于電子地圖與g i s 的關系 本文認為 電子地圖足g i s 的一種類型 它面 向普通用戶的日常應用需求 g i s 與電子地圖的首要區(qū)別是 g i s 比電子地圖更強 調地圖空間數據的完整性 強調其獨立的地理意義 強調其空問與其屬性的聯(lián)系 地圖表達是電子地圖應用的目的 正因為電子地圖與地理信息系統(tǒng)有著如此密不 可分的關系 本文后面電子地圖的制作所采用的輔助軟件是m a p l n f op r o f e s s i o n a l v e r s i o n8 5 制作的電子地圖具有利息信息系統(tǒng)的相關功能 2 2電子地圖的分類和特點 地圖數據庫所存儲和處理的信息分成兩大類別 電子地圖的空間數據庫的存 儲有兩種方式 一種是柵格空間數據模型 另一種足矢量空間數據模型 不同的存儲結構決定了電子地圖的生成方式和讀取方式 按照空間數據的存 儲結構分 電子地圖分為兩種 一種是位圖形式 另一種是矢量形式 以位圖文件的方式存儲的電子地圖稱為位圖電子地圖 它是通過對地圖冊進 行掃描后直接生成的 不僅與地圖冊的圖形有一一對應的關系 而且可以保留原 地圖冊上的豐富色彩 這種電子地圖讀取 顯示程序簡單 縮放自如 但是存儲 空間需求很大 另外讀取顯示時間比較長 這種電子地圖的缺點在于缺乏良好的 地圖修正和刪補功能 它只能保證與地圖冊的對應精度 卻不具有與地圖上的標 準經緯度點的對應關系 這樣會造成通過局部位圖文件替換需要修正的部位來完 成 但這樣容易造成電子地圖拼接上的誤差 而且工作量也隨之增大 矢量電子地圖的生成一般是通過數字化儀器將地圖冊上有用的信息以點和線 的方式輸入到計算機 同時加入經緯度點的標記 目前有很多矢量電子地圖生成 工具包來更好的完成矢量電子地圖的生成工作 矢量電子地圖的數據主要是相對 于某點的偏移量數據 因此 他的數據占用空間小 并且與地圖冊上的點有經緯 度的對應關系 易于修正和刪補 同時能在地圖上準確的顯示圖標 2 2 1 電子地圖的兩種典型拓撲模型 拓撲數據結構是g i s 網絡分析所必需的 它描述了空間目標點 線 面之問的 關聯(lián) 鄰接和包含關系 當前主流的g i s 平臺有美國e s r i 公司的a r c l n f o 和m i s 公司 9 的m a p i n f o a r c l n f o 是大型g i s 平臺 以網絡分析能力等見長 m a p l n f o 是桌面型 g i s 平臺 它的優(yōu)點是圖形化能力強 專題地圖制作多樣化 空間查詢方便等 a r c l n f o 并h m a p l n f o 分別通過p o l y v r t 模型和 空間實體 空間索引 模型來定義空 間數據的拓撲關系 2 1 p o l y v r t 模型 p o l y v r t 模型由美國計算機圖形與空間分析實驗室 l a b o r a t o r yf o rc o m p u t e r g r a p h i c sa n ds p a t i a la n a l y s i s 研制 實現(xiàn)這類空問數據模型的系統(tǒng)主要是以a r c l n f o 為代表的一些大型g i s 平臺 p o l y v r t 足一種以弧段 a r c 為基礎的拓撲數據結構 弧段由任意多個點組 成 在兩端有節(jié)點 并伴有共享該段的左右兩多邊形的編碼 多邊形是由環(huán)繞其 邊界的弧段記錄組成的 這種結構不僅存儲了空間對象的集合信息 而且還存儲 了空間對象之間的拓撲關系 1 3 14 1 這種結構的特點是 除節(jié)點外 每個空間對象都是由更基本的對象組成 只 有節(jié)點的坐標是被實際存儲的 其它復雜對象的坐標信息實際上是邏輯構成的 任一復雜對象能分解為一組節(jié)點及其拓撲關系的定義 拓撲關系顯式地存儲在特 征表中 1 5 j 2 空間實體 空間索引 模型 2 0 世紀8 0 年代中后期出現(xiàn)的商用地理信息系統(tǒng) 尤其是桌面型g i s 平臺大多采 用這種方式 其中以m 印i n f o 為代表l l 引 空間實體 空間索引 模型的基礎是空問實體 空間實體是地理實體的抽象 主要包括點 線 面三種基本類型 每個空間實體對象都是自包含的 也就是說 每個對象都維護著自己的所有屬性 任一個空間實體 都是一個或多個部分組成 的 部分是由 點集 組成的 點集 是若干節(jié)點的集合 這樣 在一個實體對 象內部 記錄了其全部空問信息 一個圖層由多個空間實體組成 而每個空間實 體都是自包含的 因此沒有必要像p o l y v r t 模型那樣通過特征表來建立對象到節(jié) 點的引用關系 而是采用了空間索引 1 7 在m a p l n f o 中空間索引的建立采用了r t r e e 技術 將各個空間實體的最小外接矩形 m b r 存儲在索引中 并按從小到大的范圍 進行索引搜索 1 8 空間索引實際上實現(xiàn)了一種動態(tài)的拓撲關系 只有在需要時 系統(tǒng)才根據空 間索引建立并使用實體間的拓撲關系 可以說是一種隱式的拓撲關系 2 2 2 兩種拓撲模型的比較 p o l y v r t 模型中 復雜空間對象是由節(jié)點的引用構成的 其優(yōu)點是多個不同 l o 的對象可以共用相同的節(jié)點 從而節(jié)省了存儲空間 由此而產生的問題是其結構 更加復雜 數據的編輯和維護比較困難 在空間實體模型中 復雜空間對象的節(jié)點是存儲在實體對象內部的 因此會 造成公共節(jié)點的重復存儲 但是 更加結構化的實體模型使得對某個對象的更改 不會影響到其它對象的定義 從而大大增強了空間數據的可維護性 2 3 m a p l n f o 系列的電子地圖 2 3 1 m a p l n f op r o f e s s i o n a l 軟件的介紹 m a p i n f o 公司于1 9 8 6 年成立于美國的特洛伊市 該公司一直致力于提供先進的 數據可視化 信息地圖化技術 其軟件代表市桌面地圖信息系統(tǒng)軟件m a p i n f 0 1 9 1 m a p i n f op r o f e s s i o n a l 軟件是m a p l n f o 公司主要的軟件產品 軟件如圖2 1 所示 圖2 1m a p l n f op r o f e s s i o n a l 軟件界 葡 f i g2 1m a p l n f op r o f e s s i o n a ls o f t w a r e m a p l n f op r o f e s s i o n a l 軟件不僅實現(xiàn)了電子地圖的顯示 管理 建立和修改功能 更重要的是實現(xiàn)了在電子地圖上的地圖對象與關系數據庫中的記錄的自動聯(lián)接 通過m a p i n f o 可實現(xiàn)地圖與數據庫的雙向查詢 并能使地圖上的對象 如建筑物 道路等 與數據庫中的相關數據聯(lián)接 以數據庫中的數據來動態(tài)改變地圖對象的可 視屬性 自動生成生動易用的專題地圖 線路流量負載圖 各分支機構營業(yè)收入圖 機線設備利用率統(tǒng)計圖等 以供管理 分析 決策 對數據庫的查詢結果 可以 直接反映在地圖上 也可直接在地圖上選擇對象 以查詢相應數據庫信息 可為 數據庫查詢結果自動地建立一張結果地圖或為地圖上的選擇結果自動建立數據 表 這就為系統(tǒng)的管理 使用提供了極大的方便 尤其適合管理人員進行宏觀查 詢 綜合分析 2 3 2 m a p l n f o 電子地圖的數據組織結構 g i s 中的矢量電子地圖是按圖層組織的 即將一幅地圖分成多個層層疊加的透 明層 這些透明層就稱為圖層 每個圖層存放一類專題或一類信息 它由點 線 面等空間對象的集合組成 使用m a p x 需要包含來1 芻m a p l n f o 的記錄和地圖的文件 m a p x 將其所有基礎信 息以m a p l n f o 表的形式組織起來 每一表都是一組m a p i n f o 文件 用來在地圖中建 立一個圖層 所有m a p l n f o 表都將具有以下文件 1 t a b 文件 該文件描述m a p l n f o 表的結構 它是描述包含數據的文件的格式 的小文本文件 屬性數據表結構文件定義了地圖屬性數據的表結構 包括 字段 f i e l d s 數 字段名稱 字段類型和字段寬度 索引字段和相應圖層的 一些關鍵空間信息描述 t a b 文件實際上是一個a s c i i 文件 2 d a t m d b a i d 或 d b 0 文件 這些文件包含表格數據 屬性數據文件中 存放完整的地圖屬性數據 在文件頭之后 為表結構描述 其后首尾相接 地緊跟著各條具體的屬性數據記錄 3 m a p 文件 該文件描述圖形對象 空間數據文件具體包含了各地圖對象的 空問數據 空間數據包括空間對象的幾何類型 坐標信息和顏色信息等 另外還描述了與該空間對象對應的屬性數據記錄在屬性數據文件 d a t 中 的記錄號 這樣當用戶從地圖上查詢某一地圖對象時 就能夠方便地查到 之相關的屬性信息 4 i d 文件 該文件是將數據與對象相鏈接的交叉引用文件 交叉索引文件記 錄了地圖中每一個空間對象在空間數據文件 m a p d 的位置指針 每四個 字節(jié)構成一個指針 指針排列的順序與屬性數據文件 d a t r 9 屬性數據記錄 存放的順序一致 交叉索引文件實際上是 個空問對象的定位表 5 i n d 文件 它是索引文件 通過該索引文件 您可以使用f i n d 對象搜索地圖 對象 索引文件并不是必須的 只有當用戶規(guī)定了數據庫的索引字段后 m a p l n f o 系統(tǒng)才會自動產生索引文件 索引文件中對應于每個索引字段都 有一個索引表 在每個索引表中 先給出總的數據庫記錄數目 然后按照 e 塞交道厶堂亟 堂位論塞電 絲幽的邀鹽當壹4 往 索引順序給出每條屬性數據記錄在對應的索引字段處的具體屬性數據和 浚記錄在屬性數據文件 d a t 及交叉索引文件 i d o 的記錄號 2 3 3 m a p l n f o 電子地圖的繪制 電子地圖的傳統(tǒng)制作方法是使用專業(yè)電子地圖制作軟件 本文中使用m a p l n f o 軟件 以 表 記錄 的形式保存地圖圖元對象的屬性數據 然后在應用程序 中調用數據庫的地圖圖形數據記錄 動態(tài)繪制生成放大 縮小的圖形和相關信息 數據 實現(xiàn)了電子地圖的基本功能 如漫游 放大以及縮小等功能 充分利用g s i 工具軟件對空間數據庫的管理 分析功能 大大提高應用系統(tǒng)的開發(fā)效率 而且 可靠性較高 電子地圖不同于普通的紙質地圖的一個主要方面是 紙質地圖是將地理的所 有要素都繪制在一張紙上 而地理信息系統(tǒng)按照圖層來組織地圖 這就是說 將 一幅計算機圖層加工成多個層疊加的透明層 每個圖層包含了地圖中的不同類型 的要素1 2 如圖2 2 所示 圖2 2 圖層不慈幽 f i g2 2l a y e r so fd i g i t a lm a p 我們可以將這些圖層視為透明的部分 每個圖層包含地圖的不同組成部分 這些圖層依次堆疊在一起 用戶即可看到地圖的全貌 地圖對象足圖層的基本元素 大致可以分為以下四種 2 i j 1 點對象 點是由平面位置決定的一個空間地理實體 由一對平面坐標表示 例如車站 超市 醫(yī)院等 也可以用來表示地理線的起點 終點和交點 點對象的建立可由符號工具在相應坐標點標出 也可以由可地圖化的 m a p l n f o 表中的地理坐標用 表 創(chuàng)建點 自動繪出 2 線塒象 線是具有相同屬性點的軌跡 在圖層中由坐標集合的數據鏈表示 具有一定的走向和長度 表示線狀地物或點之間的地理聯(lián)系 建立線對象 的方法是 以配準過的柵格圖像為基圖 利用數字化儀和人工手動鼠標跟 蹤 選擇相應的線型和顏色 便可描繪 3 1 區(qū)域對象 區(qū)域對象是具有相同屬性點的軌跡 具有確定的范圍和狀態(tài) 表示空間連續(xù)分布的地理景觀或作用范圍 創(chuàng)建區(qū)域對象用區(qū)域對象工 具 由數字化儀和人工手動鼠標跟蹤的方法繪制 4 文本對象 文本對象用來描述地圖的有關信息 或者以文本格式描述其他 對象的屬性 圖層的基本元素的分類如圖2 3 所示 圖2 3 地圖對象的分類 f i g2 3m a pf e a t u r es o r t 一般m a p l n f o 格式電子地圖的繪制分為二個關鍵步驟 1 從數據表或者拓撲關系圖創(chuàng)建m a p l n f o t a b 文件 2 進行地理編碼或為相應數據創(chuàng)建點 下面將會對這兩個步驟進行詳細的研究 本文所使用的軟件是m a p l n f o p r o f e s s i o n a lv e r s i o n8 5 版本 1 創(chuàng)建t a b 文件 在m a p l n f o 格式的電子地圖中的任何一個圖層中的每一個元素都可能和其他 的元素產生關系 而且它本身也根據地圖的要求具有一些屬性和數據 這些屬性 和數據都存儲在t a b 文件中 因此在m a p l n f o 格式的電子地圖中使用數據的第一步是 1 4 塞窒適厶堂亟 堂位途塞坐 至地幽的遮i 土當生i 縫 從數據表創(chuàng)建t a b 文件 這一過程取用你所創(chuàng)建的數據 電子表格或數掘庫 并將信息 提取到一個m a p i n f o 軟件可以使用的t a b 文件 在上述處理過程中 數據仍然保持 不變 m a p i n f op r o f e s s i o n a l 使用的處理過程取決于數據格式類型 你可以使用下 面這些格式的數據文件通 過m a p i n f op r o f e s s i o n a l 軟件來轉換成需要的t a b 文件 1 m i c r o s o f te x c e l x l s 2 m i c r o s o f ta c c e s s m d b 3 d b a s ef d b f 4 a s c i i t x t 5 r d b m s o r a c l e i n f o r m i x s q l s e r r e r 6 x m l w e b 地圖服務 本文選擇的是將m i c r o s o f te x c e l 格式的數據文件轉化為t a b 格式的數據存儲文 件 如圖2 4 薹穗 耀ni i h 弱躲黝e 擒豳翰嬲黼 目醪嘲一 一一 凝黼 黼 一 一 豳豳 i a d n u m if l o a d n a m e f n 0 d et n 0 d e l e n g