导航电子地图增量更新技术研究

冯雪

(北京美大智达科技有限公司 北京 100101)

电子地图是车载导航系统（Vehicle Navigation System）运行的基础，它以真实地理环境为基础，定义了汽车导航系统所使用的数据模型，并根据应用功能的需求精心组织数据结构[1]。电子地图的增量更新技术成为当前的研究热点。电子地图的增量更新技术是指以增量形式，为导航设备提供地图更新数据包。由于增量数据包体积较小，可以通过更加便捷的手段及时获取，因而可以加快电子地图的更新频率，提高电子地图数据的现势性。

在增量数据获取方面，利用传统的地图测绘技术，通过矢量地图的几何比较方法提取地图版本差是一种重要手段[2]。当前的增量数据提取研究中致力于将车载定位设备和电子地图相结合，自主检测出地图偏差，作为增量数据来源，不仅能降低耗费，而且能够直接用于更新本地电子地图，可以最大限度地提高地图现势性，这种技术称为自主增量道路识别方法。

1 增量数据包快速生成与发布技术

1.1 增量包的设计

依托导航电子地图增量包，导航地图生产商可以将变化的地理信息快速地传递给客户并应用。导航电子地图有明确的应用导向，在设计导航电子地图增量包时需要同时考虑通用的交换格式增量包和专用增量包两种类型。出于这个原因，该文为这两种应用目的设计了导航电子地图增量包。导航电子地图增量包设计时应遵循如下原则。

1.1.1 简短

增量包的数据结构尽量简单，便于客户使用，同时增量包只存储变化的信息，尽量减少增量包的容量[3]。

1.1.2 结构一致

在增量包中某图层一条新增加的记录必须与基础包的数据结构一致。

1.1.3 通用性和专用性

增量包的形式需要以通用格式和专用格式提交给不同的客户群。以通用式增量包为例，将对地图所做的任何修改（增加、修改、删除），用MapInfo系统的交换格式Mid/Mif 文件系统保存[4]。如图1所示，通用式增量包以3套文件保存：（1）文件名为“层名＿ADD”的文件记录增加的对象；（2）为“层名＿MOD”的文件记录修改的对象，这两类文件的文件格式与数据库结构（或者导入数据库时的初始Mid/Mif 文件）一致，以便用户能够快速使用；（3）删除部分以文本文件记录删除的记录，文件名为“层名＿DEL”，格式为Record_ID、Row_ID、Col_ID、MapID，分别存储删除记录的ID、所在单元的行号、列号和地图号。

图1 通用格式增量包

1.2 增量包的生成和发布

通过基于时空模型的增量式导航电子地图生产模式能够快速地生成增量包。在数据库中导出编辑标志为“A”和“M”的对象分别对应于增加和删除的记录，从DEL表中导出的记录对应于删除的记录。通用格式的增量包以文件夹的形式存储，完整的增量更新编辑和增量包发布流程如图2所示。

图2 增量编辑和增量包的快速发布

2 导航电子地图在线增量更新技术

车联网在线增量更新方式是导航电子地图更新的主要趋势，也是未来导航电子地图数据更新的主要方式[5]。其关键技术是现有电子导航地图数据与增量地图数据融合的应用，涉及地图上道路增量的自动快速发现机制、支持增量的集成地理信息数据结构以及开发地图的拓扑结构。

2.1 增量式导航软件导航数据动态更新技术

内置导航软件的增量地图更新技术考虑到了便携导航器硬件处理器的计算和存储能力，在进行空间数据增量更新时，其他服务操作在导航器中暂停。首先使用GPRS网络登录FTP增量更新包服务器，下载所需的增量包，下载完增量包后，程序进入原包与增量包合并阶段。

图层模式是指每次读取原始数据层时，在增量包中确定是否应该更新该数据层。如果需要升级，则从该层读取相应的增量包数据。通过比较原始数据和增量数据包数据，在添加、删除和修改的基础上再次生成新的数据映射。该地图数据也作为下一个原始数据层的判断输出的原始文件，即不断改写地图数据，依次判断每一层的原始数据，得到每一层的数据。生成完整的最新地图。

2.2 网络地图服务中增量式地图数据更新技术

网络地图服务的动态地图增量更新技术主要包括两部分内容，分别是地图数据增量包传输，以及地图数据增量包与原始数据的融合。

2.2.1 地图数据增量包的传输技术

地理空间数据网络传输组织，根据原始数据的结构，原始数据包和增量数据包可以通过4 种主要方式传输：数据集模式、数据块模式、图层模式和几何对象模式[6]。下面对比4种方式的优缺点。

（1）数据集模式。这是最简单的方法，用户拿到数据后，由于数据的本地化，可以将数据完全脱离服务层，进行更复杂的空间分析处理。但是，当数据量大时，网络传输时间会比较长，在数据传输完成之前用户无法浏览地图数据，这种方式在网络上不适用。

（2）数据块模式。这种方式传输的数据量比以前大大减少，并且可以根据原始数据集的大小设置图像帧范围，从而进一步控制传输的数据量。

（3）图层模式。用户接收后显示单层，响应速度进一步提升。但由于层类型不固定、数量多、连续表达复杂，难以在服务层和用户层实现。

（4）几何对象模式。这种方式空间几何对象的个数大于层数，由于都是离散数据，连续性难以表达，因此很难实现基于层内几何对象的传输方式。

相比之下，数据集模式和几何对象模式在地理信息服务中是不可取的；数据块模式比分层法更容易实现；图层模式更快更安全。考虑到栅格数据和矢量数据都是分层联合分析的，该文采用图层模式来实现空间数据网络组织。

2.2.2 地图数据增量包与原始数据的融合技术

地图数据增量包与原始数据的融合主要包括原始数据和增量包结构的合理设计，软硬件环境的融合策略。与便携浏览器中原始数据包和增量数据包的合并方式不同，对于台式机，这两种数据可以直接读入内存，并且可以在内存中按层合并数据，避免重复读取数据。

在结构设计上，将地理空间数据分比例尺、分图幅、分图层，以点、线、面为基本单位对数据进行组织，将地理要素分解为点、线、面这3种基本几何要素。考虑地理空间中几何对象之间的拓扑关系，将拓扑信息添加到点、线、面，形成节点、弧、多边形这3 种主要拓扑类型，表达邻接、包含、连接关系。

3 导航电子地图增量更新技术的实现

在上述增量数据包快速生成与发布及在线增量更新技术研究的基础上，将理论研究成果应用于地图、导航电子在线增量更新平台系统的设计与实现。首先分析系统需求及其对数据模型的需求，然后根据业务需求设计系统的总体结构，然后进行增量包的设计和发布，流程图如图具体技术流程见图3。由于导航生产数据库在生产过程中在后台运行在内部局域网上，所以该文首先使用GeoMapper软件生成电子地图数据导航的增量包，然后转入增量包发布中心离线发布增量包；在导航软件和网络地图服务中进行增量分组传输和合并实验。通过实验发现，在便携浏览器环境和网络环境下，两种不同的合并方式都是可行的，效果不错。

图3 导航地图的增量式服务技术流程

4 结语

动态导航路径规划的关键技术之一是电子导航地图的在线传输和增量更新，其目的是通过车联网在线网络将实时信息整合到现有电子导航地图数据中。但现有导航电子地图数据模型难以实现动态信息增量更新。该文提出了一种基于电子导航地图的快速增量数据包生成、发布、传输和合并技术，满足增量更新的技术要求，具有良好的应用效果。