导航数字地图

2.4.2.1　大地基准及地图

1.大地基准

1）大地基准

大地基准是建立国家大地坐标系统和推算国家大地控制网中各点大地坐标的基本依据，它包括一组大地测量参数和一组起算数据。其中，大地测量参数主要包括作为建立大地坐标系统依据的地球椭球的5个常数，即地球椭球赤道半径、地心引力常数GM，带球谐系数J2（由此导出椭球扁率f）和地球自转角度ω，以及用以确定大地坐标系统和大地控制网长度基准的真空光速ｃ；而一组起算数据是指国家大地控制网起算点（称为大地原点）的大地经度、大地纬度、大地高程和指向邻点方向的大地方位角。

2）大地水准面

大地水准面是由静止海水面及其向大陆延伸所形成的不规则的封闭曲面。它是重力等位面，即物体沿该面运动时，重力不做功（如水在这个面上是不会流动的）。大地水准面是描述地球形状的一个重要的物理参考面，也是海拔高程系统的起算面。大地水准面的确定是通过确定它与参考椭球面的间距——大地水准面差距（对于似大地水准面而言，则称为高程）来实现的。大地水准面和海拔高程等参数和概念在客观世界中无处不在，在国民经济建设中起着重要的作用。

大地水准面是大地测量基准之一，确定大地水准面是国家基础测绘中的一项重要工程。它将几何大地测量与物理大地测量科学地结合起来，使人们在确定空间几何位置的同时，还能获得海拔高度和地球引力场关系等重要信息。大地水准面的形状反映了地球内部的物质结构、密度和分布等信息，对海洋学、地震学、地球物理学、地质勘探、石油勘探等相关地球科学领域的研究和应用具有重要作用。

高程基准是推算国家统一高程控制网中所有水准高程的起算依据，它包括一个水准基面和一个永久性水准原点。

理论上水准基面通常采用大地水准面，它是一个延伸到全球的静止海水面，也是一个地球重力等位面，实际上确定水准基面是取验潮站长期观测结果计算出来的平均海面。中国以青岛港验潮站的长期观测资料推算出的黄海平均海面作为中国的水准基面，即零高程面。中国水准原点建立在青岛验潮站附近，并构成原点网。用精密水准测量测定水准原点相对于黄海平均海面的高差，即水准原点的高程，将其定为全国高程控制网的起算高程。

3）重力基准

重力基准是指绝对重力值已知的重力点，它被作为相对重力测量（两点间重力差的重力测量）的起始点。

世界公认的起始重力点称为国际重力基准。各国进行重力测量时都尽量与国际重力基准相联系，以检验其重力测量的精度并保证测量结果的统一。国际通用的重力基准有1909年的波茨坦重力测量基准和1971年的国际重力基准网（IG⁃SN—1971）。

中国于1956—1957年建立了全国范围的第一个国家重力基准，称为1957年国家重力基准网，该网由21个基本点和82个一等点组成。1985年，中国重新建立了国家重力基准。它由6个基准重力点、46个基本重力点和5个因点组成，称为1985年国家重力基准网。

4）地理坐标系

地理坐标系有国际坐标系和国家坐标系之分。

中国有54国家坐标系和80国家坐标系。

54国家坐标系采用克拉索夫斯基椭球参数，又称北京坐标系。80国家坐标系采用国际地理联合会（IGU）第十六届大会推荐的椭球参数。大地坐标原点在陕西省泾河县永乐镇的大地坐标系，又称西安坐标系。

2.地图概述

1）测绘

地图是通过测绘并经过编制得到的。

测绘可分为基础测绘、专业测绘、军事测绘、地籍测绘、航空测绘、工程测绘和海洋大地测绘等。

基础测绘是指为国民经济和社会发展以及为国家各个部门和各项专业测绘提供基础地理信息而实施的测绘的总称。基础测绘必须在全国或局部区域按国家统一规划和统一技术标准进行。

专业测绘是指产业部门为保证本部门的业务工作所进行的具有专业内容的测绘的总称。专业测绘应采用国家测绘技术标准或者行业测绘技术标准。

军事测绘是指具有军事内容或者为军队作战、训练、军事工程、战略准备等而实施的测绘的总称。

地籍测绘是对地块权属界线的界址点坐标进行精确测定，并把地块及其附着物的位置、面积、权属关系和利用状况等要素准确地绘制在图纸上和记录在专门的表册中的测绘工作。地籍测绘的成果包括数据集（控制点和界址点坐标等）、地籍图和地籍册。

航空测绘指从空中由飞机等航空器拍摄地面照片。为使取得的航空照片能用于在专门的仪器上建立立体模型进行量测，摄影时飞机应按设计的航线往返平行飞行进行拍摄，以取得具有一定重叠度的航空照片。按摄影机物镜主光轴相对于地表的垂直度，其可分为近似垂直航空摄影和倾斜航空摄影。近似垂直航空摄影主要用于摄影测量目的。科学考察和军事侦察有时采用倾斜航空摄影。

工程测绘指在工程建设勘测设计、施工和管理阶段所进行的各种测量工作。其按工作顺序和性质分为：勘测设计阶段的控制测量和地形测量、施工阶段的施工测量和设备安装测量、管理阶段的变形观测和维修养护测量。其按工程建设的对象分为：建筑、水利、铁路、公路、桥梁、隧道、矿山、城市和国防等工程测量。

海洋大地测绘是在海洋范围内建立大地控制网所进行的测量工作。其内容有控制测量、水深测量、海洋重力测量、卫星大地测量等。它与大地测量、地图制图、航海学、海洋学、潮汐学、水声物理学、电子技术和遥感技术等有着密切的联系。

2）测量标志

测量标志是在陆地和海洋标定测量控制点位置的标石、觇标以及其他标记的总称。标石一般埋于地下，用于测量和标定控制点的地理坐标、高程、重力、方位、长度（距离）等方面；觇标是建在地面上或其他建筑物顶部的测量专业标架，作为观测照准目标和供升高仪器位置之用。

根据用途和使用期限，测量标志可分为永久性测量标志和临时性测量标志。永久性测量标志是指设有固定标志物以供测绘单位长期使用的需永久保存的测量标志。临时性测量标志指测绘单位在测量过程中设置和使用的，不需要长期保存的标志物和标记，如测站点木桩、活动觇标、测旗、测杆、航空摄影测量地面标志、绘在地面或建（构）筑物上的标记等。

国家基本比例尺地图系列是指按照国家规定的测图技术标准（规范）、编图技术标准、图式和比例尺系统测量和编制的使用若干特定规格比例尺的地图系列。中国的国家基本比例尺地图系列包括：1∶500、1∶1 000、1∶2 000、1∶5 000、1∶1万、1∶2.5万、1∶5万、1∶10万、1∶20万、1∶50万、1∶100万比例尺地图。它们的基本精度包括测图精度和编制精度。

中华人民共和国地图的国界线标准样图是指按照一定的原则而制作的一种有关中国国界线画法的统一标准图样。中华人民共和国地图的国界线标准样图上中国国界线的画法原则是，凡是中华人民共和国政府已同有关邻国签订边界条约、边界协定、边界协定书的地段，以有关边界条约、边界协定、边界协定书的规定及其附图国界线的画法标绘；中华人民共和国政府同邻国未签订边界条约、边界协定、边界协定书的界段，依照新中国成立前出版的地图或传统习惯边界线标绘。

根据需要，中华人民共和国地图的国界线标准样图的比例尺可以是一种，也可以是各种比例尺的系列图。中华人民共和国地图的国界线标准样图由国务院外交行政主管部门和国务院测绘行政主管部门共同制定，报国务院批准发布。

中华人民共和国地图的国界线标准样图上的中国国界线的画法，是代表中华人民共和国政府立场的，是各公开地图上中国国界线画法的标准依据。图2-4所示是中华人民共和国地图的国界线标准样图上的中国国界线的画法。

图2-4　中华人民共和国地图的国界线标准样图上的中国国界线的画法

3）数字高程模型

数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是在某一投影平面（如高斯投影平面）上规则格网点的平面坐标（X，Ｙ）及高程（Z）的数据集。数字高程模型的格网间隔应与其高程精度相适配，并形成有规则的格网系列。根据不同的高程精度，数字高程模型可分为不同类型。为完整反映地表形态，还可增加离散高程点数据。

4）数字线划地图

数字线划地图（Digital Line Graphic，DLG）是现有地形图要素的矢量数据集，保存各要素间的空间关系和相关的属性信息，全面地描述地表目标。

5）数字栅格地图

数字栅格地图（Digital Raster Graphic，DRG）是现有纸质地形图经计算机处理后得到的栅格数据文件。每一幅地形图在扫描数字化后，都要经过几何纠正，以并进行内容更新和数据压缩处理，彩色地形图还应经色彩校正，以使每幅图像的色彩基本一致。数字栅格地图在内容上、几何精度和色彩上与国家基本比例尺地图保持一致。

6）数字正射影像图

数字正射影像图（Digital Orthophoto Map，DOM）是利用数字高程模型对经扫描处理的数字化航空照片，经逐像元进行投影差改正、镶嵌，按国家基本比例尺地图图幅范围剪裁生成的数字正射影像数据集。它是同时具有地图几何精度和影像特征的图像，具有精度高、信息丰富、直观真实等优点。

3.地图及参考坐标系

数字地图与各种地理特征属性（如坐标）一起表示地球表面的几何形状。研究所使用的坐标系及术语是有益的，有助于解释不同组织使用的地图基准。下面将说明为什么不能盲目地把具有不同基准的地图混在一起以及如何进行各种坐标间的变换，同时给出进一步研究的参考资料。

如前所述，大地水准面是引力位在所有点都恒定的表面，因此引力矢量与各点垂直，这与平均海平面是一致的，如图2-5所示。子午圈是地球表面上的大圆圈，该大圆圈与坐标系的南北基准线具有相同的经度且通过地轴。方位角是用360°量的水平角，按子午圈从北起顺时针计算。椭球体是一个平滑闭合的表面，它的平面部分是椭圆或圆。旋转椭球体是椭圆绕其一个轴旋转所形成的形状。

图2-5　地球体和椭球体

设椭球体的几何参数的长半轴为a，短半轴为b，则扁率f和偏心率e的计算如式（2-1）和式（2-2）所示。

f＝（a-b）／a（2-1）

e＝（a2-b2）／a（2-2）

地球是扁状旋转体，在两极方向稍显扁平。对于地球有许多数学描述和坐标系。为了把局部地理区域准确地映射到地图上，许多地区当局将采用特殊的局部坐标系。这些坐标系的大地坐标（纬度、经度和高度）取决于参考椭球的形状、大小和取向。这些参数（及其他参数）被作为计算其他量的参考基准，因此称为坐标系基准。在考虑的区域内，应使得旋转椭球体和地球体尽可能紧密地匹配，这说明了为什么有如此之多的可用基准。某些重要的基准列于表2-1中。

表2-1　地球的参考坐标系及重要基准

注意：①基准的原点是定义的固定点，不必同相关的坐标系原点一致。②1954年北京坐标系参考椭球的基本几何参数短半轴b＝6 356 863.018 8m，第一偏心率平方e2＝0.006 693 421 622 966，第二偏心率平方e2＝0.006 738 525 414 683。③1980年西安坐标系参考椭球的地球引力常数（含大气层）短半径：b＝6 356 755.288 2m，GM＝3 986 005× 108m3 s-2，二阶带谐系数：J2＝1 082.63×10-6，地球自转角速度ω＝7 292 115×10-11rads-1，第一偏心率平方：e2＝0.006 694 384 999 59，第二偏心率平方：e′2＝0.006 739 501 819 47，椭球正常重力位：u0＝62 636 830m2 s-2，赤道正常重力γe＝9.780 318ms-2。

我们将讨论两种坐标系和一种地图投影：地心坐标系、大地坐标系和通用横墨卡托（Universal Transverse Mercator，UTM）等角地图投影。有关世界上采用的各种其他地球坐标系和投影的更多信息参见相关文献。

理解这些坐标系对于地图数据库是重要的。例如，不同的地图数据库厂商可能提供不同参考椭球（或基准）定义的数据库。数字地图数据库一般采用一个参考椭球作为它的坐标参照，而从全球定位系统（GPS）接收机得到的定位数据使用另一个参考椭球WGS84作为它的坐标参照。在不同坐标系间没有适当的转换，人们就不能期望系统按规划运转。因此，必须学习这些不同的坐标系，了解它们之间的转换。

地心坐标系是原点位于“地球中心”的特殊点上（如图2-6所示）的地心（CM）坐标系，它采用极坐标系，其中点坐标由地心纬度Φ、经度λ和到原点的距离r来定义。换言之，它借助经地心到该点的射线与天球赤道面和起始选定的大地子午面间的夹角来定义一个点。天球赤道面是天空中假设的一个大圆，正好位于地球赤道上，其平面垂直于地球转轴且包括地球质心。由于地心坐标系与实际坐标不一致，所以，它不能在车辆定位与导航系统中使用。某些文献使用“地心系”这一术语描述数字地图或GPS接收机的参考坐标系，实际上是指参考椭球的原点位于地心的大地坐标系。

图2-6　地心（CM）坐标系

大地坐标系是由椭球、椭球赤道面和通过椭球极轴的子午面组成的坐标系，如图2-7所示。其中点坐标表示为（Φ，λ，h），Φ为经该点的椭球法线与赤道面之间的夹角（大地纬度），λ为过该点的子午面与格林尼治子午面之间的夹角，大地高h为地面点沿椭球法线至椭球面的距离。这个坐标系相对于参考椭球、大地赤道面和选择的子午面表示点。大地赤道是位于参考椭球旋转轴中间的椭球面上的椭圆。赤道是大地纬度为0的线，大地纬度从此线开始向北极、南极计算，最大角度为90°。如果参考椭球的短轴与地球旋转轴平行，大地赤道将同地球赤道一致。

图2-7　大地坐标系和笛卡尔坐标系

有时采用三维笛卡尔坐标（x，y，z），其坐标系如图2-7所示。点划线表示地球表面上选择点的坐标。笛卡尔坐标系的主要优点是它完全由原点（在此情况下为地球质点）和三个轴定义，与其他坐标系相比简单得多。然而，该坐标系对于定位与导航系统来说并不方便。例如，除北极外，向东北移动某一距离将不会导致z值的相应增加。因此，这种类型的坐标系在地面车辆定位与导航系统中很少使用。以WGS84地心椭球为参照的大地坐标系通常称为协议地球坐标系或地心、地固（ECEF）坐标系。原点在地球质心的笛卡尔直角坐标系也可看作是ECEF坐标系。假设原点相同，大地椭球坐标系中的任一点能转换成笛卡尔坐标系中的相应点。三维笛卡尔坐标和椭球坐标之间的精确变换。

下面的方程（2-3）描述了地心纬度Φｃ和大地纬度Φd之间的关系，有关参数如图2-8所示。

tanΦｃ＝（1-e2）tanΦd（2-3）

图2-8　地球截面的地心纬度和大地纬度

由图2-6和图2-7可看到地心经度λｃ和大地经度λd是相同的。

许多大地坐标系不是地心坐标系，即它们的原点与地球中心不一致。这是因为偏移可改进椭球面与相关地区大地水准面的匹配。不同椭球的纬度和经度是不同的坐标系，不能混为一谈。如果混淆的话，对地球表面上的点会导致高达1 500m的位移，这取决于基准、参考椭球和所使用的投影。GPS接收机可能未必同某一地图匹配的原因就在于此。

现代定位与导航系统通常使用大地坐标系。大地坐标系存在三个问题：①存在各种不同的大地坐标系，当在不同系统切换时或在使用不同坐标系车辆定位与导航系统的不同组成部分之间切换时，必须小心，以确保进行适当的变换；②大地坐标对于三维航空、航天导航是不方便的，因为由这种坐标系提供的第三维（即参考椭球之上的高度）不同于大地水准面的高度和其他相关的不同椭球的高度；③纬度和经度不能直接在基于大地坐标的定位与导航系统中使用。尽管可用精确或近似的数学公式计算距离和方位角，但是这不像二维笛卡尔坐标系中平面三角那样简单。

这些考虑导致了下面描述的第三种方法的发展，用这种方法，若已知坐标的两点间的距离和方位角，就很容易通过平面三角计算出来。

为了把大地纬度和经度转换成平面笛卡尔坐标系，可采用投影公式。通用横墨卡托（UTM）等角地图投影是一种有效的投影。由于在这种投影中，一定方位角的线可用直线表示，所以其常用于大陆或较大国家的地图投影。

当把GPS接收机和推算定位模块或地图匹配模块集成起来时，人们常常需要把GPS接收机使用的WGS84坐标系转换成UTM坐标系，以便把所有相关的观测定位调整到大地表面，转换如式（2-4）所示。

x＝f1（Φ，λ）

y＝f2（Φ，λ）（2-4）

式中，x和y分别是UTM投影中的北距和东距，Φ和λ分别是大地坐标系中的纬度和经度。

UTM投影与定位大地坐标系的某一基准相结合，可以把WGS84大地坐标直接转换到任一椭球的UTM映射平面的坐标。另一方面，可以利用简单的平方根算式计算具有经纬轴的任一坐标系中的二点间的距离。因为对应于特定车辆与导航系统的车辆行驶区域常常是相对平坦的，即使地球表面是弯曲的。只要区域不太大，像大多数都市区域，计算误差可忽略不计。然而，对这样的计算结果必须适当地调整，即必须沿每一轴、每度乘以适当的米数。现就UTM投影的基本原理讨论如下。

把三维地球体表达在二维映射平面上需要进行投影，或者用等角投影（保角投影，即地图上的角与地球上的角完全相同），或者用等面积投影（相等投影，即在地图上的任一区域和地球上相应区域的比是恒定）。没有一种投影能够既保持角又保持面积。UTM投影是基于圆柱投影的等角地图投影。在这种投影中，赤道是真实比例的直线，子午圈是等长的直线，纬线是不等长的直线，圆柱面沿赤道正切于地球。如果把圆柱面旋转90°，就得到横轴UTM投影，如图2-9所示。其中，中央子午圈是真实比例的直线，与中央子午圈成90°的子午圈和赤道也是直线，其他子午圈和纬线是复杂的曲线。设想把柱面绕在一个球体上，柱面沿某一子午圈是正切的，或者沿平行于该子午圈的线是正切的，子午圈和纬线在概念上被放在柱面上。当柱面沿垂直于该子午圈的一条线切开并展开放平时，就得到了横轴UTM投影。地球被划分成等经度带，其中，中央子午线是每个带的中心。

图2-9　横轴UTM投影

通用横轴UTM投影是一个特殊的横轴UTM投影。椭球被划分成60个带，每个带经宽6°；在每个带的外部区域，比例因子0.999 6用于二维坐标，以避免大的变形。在北、东方向，UTM坐标被称为“北距”和“东距”。每个带被分成较小的正方形，其坐标以m为单位代表每个正方形边界的左下端。换言之，UTM坐标是基于经度带系的坐标，每个带有它自己的中央子午圈。尽管UTM坐标系为车辆定位与导航工程师提供了有效的方法，但必须注意跨越UTM带的导航的转换问题。

UTM投影被美国军事地图机构在1947年所采用，用于边界范围的映射。在美国，用于局部勘探和其他映射操作的许多纸制地图也是基于横轴UTM投影的地图，而美国各州所使用的投影方法各不相同。

对于数字地图没有普遍被接收并可利用的标准，但是地图数据库商和用户普遍达成了软件接口标准。用这种方式，接口灵活地提供了数据的存储和检索。

2.4.2.2　数字地图

1.数字地图概述

对任何车辆定位和导航系统，只要涉及与地图有关的功能，数字地图数据库是必不可少的模块。没有地图，旅行者探索不熟悉的区域，制定正确的路径规划非常困难。以地图为媒介，能够容易地传送复杂的信息。

数字地图数据库可为车辆定位与导航系统提供许多重要功能，简言之，它有助于系统显示地图、利用街区地址和附近交叉路口确定某一地址或目的地、计算行驶路径、引导驾驶员沿着预先计算出的路径行驶、把传感器检测的车辆轨迹和已知路网进行匹配以便更准确地确定车辆的实际位置、提供旅游信息（如旅游指南、路标、旅馆和饭店等信息）等任务的完成。

2.数字地图基本表示法

一般计算机以两种形式向旅行者提供地图：一种是用扫描仪数字化纸质地图，以便以数字图像，即以光栅编码结构存储和检索；另一种是把纸质地图转化成矢量编码结构，以便存储于计算机存储器并方便地进行检索，进而基于所要求的功能或特性以不同的方式提供给用户。

光栅编码的地图易于制作并能提供包含在原始地图中的所有信息。它看上去和原来的地图一样。图像以矩阵表达，每个元素称为像素。这种类型的地图要求的存储空间大，在要求利用数学模型或各种计算的车辆定位和导航应用中难以使用。这种地图尽管有其局限性，但仍然具有应用价值。例如，在车辆定位跟踪系统中，把车辆或其他信息叠加到地图上时就可用于显示。

第二种形式为矢量编码地图方法。矢量编码的地图只需要较少的存储空间并具有较快速的存取时间。在矢量地图中，由于地图要素的数据结构在各种要素之间建立了隐含关系，所以矢量地图操作更灵活、更方便，并且反映了真实地图要素之间的固有关系。

矢量编码是一种基于解析几何的地形地貌和道路网及建筑物的特征表示。特征表示真实世界中存在或规划的地物。把每个特征与一个或多个点、线、面基元联系起来建立特征模型。点由参考坐标系中的坐标表示；线由两个相连的点表示；面由一系列闭合线段表示。这种编码可利用计算机自动进行。

数字地图数据库模块旨在定义地形地貌、道路网、地物和基于数字制图信息的相关属性；然后，把它编译成文件或文件集合，该文件或文件集合易于车辆定位和导航系统中的其他模块存取。典型道路网如图2-10所示。

数字制图信息是以数字形式编码的地理信息，它是基于航空照片或地图的数字化数据。其属性包括道路类型、街道名称、地址范围、要求的行驶速度、联通性、标志和信号、转弯限制及感兴趣点等。

数字道路网一般使用线段表示道路数据，它的节点形状按经度、纬度来定义，有时外加相对高度。为了更好地理解数字地图数据库，需要定义节点、线段和形状点的概念。

节点是一条街道或道路的交叉点或端点，用于表示道路的交叉路口或终点。在地图数据库中，节点通常用经度和纬度表示。

线段是两节点间的一段道路，用于表示分段道路。一个节点可以是一条线段的端点，但不能是形状线段的端点。

形状点是点的有序集，它把给定线段（不包括端点）的弯曲部分映射到一系列相邻的直线段，这些小直线段称为形状线段。用这种方法计算出的线段距离接近实际长度。线段、节点和形状点的例子如图2-11所示。

图2-11　地图中的线段、节点和形状点

根据上述定义，可知道路一般表达成一系列直线（如果考虑行驶方向就叫矢量），所选择的直线近似于道路的实际弯曲程度。

计算机程序的数据库编译器，读出地图输人文件，该文件包含原始数字制图信息；然后以压缩形式生成一个输出文件或文件集合，以适合于定位和导航系统的快速存取。除了在预先选定的区域内组合及格式化线段和节点外，编译过程可涉及许多属性，譬如道路名称、路段长度、路段方向、行驶速度、道路的地址范围和由目标导航系统使用的各种其他相关的附加数据。最后输出数据文件必须以一定的格式适合于运行系统在目标计算机上的存取，即适合于管理定位和导航系统的所有活动的专用计算机的存取。

数字地图数据库是定位和导航系统的重要组成部分。一旦确定了车辆的位置，地图可提供一切与位置相关的特征。车载数字地图数据库可作为定位和显示车辆的参照基准。地图匹配算法可利用道路网的几何参数和拓扑结构帮助确定车辆的位置。因此，数字地图数据库不只是位置的图像表示，而且可作为提供车辆位置的工具。

3.数字地图标准

国际标准化组织204技术委员会（ISO/TC204），除了建立地图数据库物理存储格式（PSF）外，还批准用于数字地图数据库的应用程序接口（API）的任务，这将导致数字地图数据库的一个开放或全球标准。API任务组在1996年12月举行了第一次会议，为导航软件建立一个标准方法，以链接不同数字地图数据库商所使用的不同数据格式。PSF任务组旨在使存储介质数据定位标准化，这样系统知道在什么地方查找它。简言之，这些活动的目的是为导航软件提供一个标准机制，以同存储在不同介质中的地图数据库相互作用。这些标准化活动推动了车辆定位与导航系统的市场。

1）地理数据文件

地理数据文件（GDF）设计第1版是欧洲EUREＫA计划中由Philips和 Bosch承担的DEMETER工程的产品，于1988年10月发行。制定该标准是为了说明用于车辆导航系统的数据结构、数据表示方法和数据内容。GDF第2版（GDF2.0）是由欧洲数字道路图任务组的3532工作组开发的。GDF2.0工作组由下列代表组成：EDRM任务组合作人Daim ler Benz（主要承担者），博世、飞利浦、雷诺、Tele Atlas、夜鹰图等公司的代表和MVA Systematica，一个PANDO⁃RA工程的参与者。PANDORA工程的伙伴是飞利浦、博世、Ordnance Survey和汽车协会。GDF2.0无论在数据结构组织的处理，还是技术术语的使用上都不同于GDF1.0。它也是一份最广泛的说明书。它规定了描述、分类和编码道路环境的特征，这将支持广泛的应用领域。

GDF2.0包括下列内容：特征类提供真实世界对象，例如道路、建筑物、行政管理区及要求道路环境的住宅区的明确定义；属性类定义了每个特征的特性，特有特征的专用属性可交叉引用；关系类以现实方式表达信息特征之间的关系；特征表达模式说明现实世界对象应该如何按照GDF逻辑结构表示；数据内容说明不同的应用需要哪些数据；全局数据类把大地需求和与几何数据特征、地理数据特征相关的其他信息进行分类；最后，存储介质记录说明提供了GDF2.0数据作为物理数据记录所需要的信息。

GDF2.0有三个主要部分：第一是数据内容说明部分（SDC），列出导航系统所要求的信息；第二是数据获取说明部分，描述了表达非空间信息的一系列特征、属性和关系；第三是交换格式（EF）部分，定义了记录和字段。

这个标准的一个重要方面是数据模型。在该模型中形式化定义特征属性及关系和层的概念。层是具有紧密相关的特征的分类，如道路和渡口、行政管理区、居民点、建筑物、桥梁和隧道、铁路及水路等。例如，道路层由道路要素、交叉路口和道路本身组成。每个特征又具有属性，例如道路元素具有交通方向、名称、等级、速度限制及阻塞值等属性。关系表示与行驶有关的信息，是许多特征如禁止转弯和路标信息的函数。根据大地坐标，通过相邻特征的相对位置和占用的地形来描述道路图的几何拓扑特征和相关的地理特征。

继GDF2.0发行后，GDF2.1于1992年10月发行，GDF2.2于1994年11月发行，GDF3.0于1995年10月提交给欧洲标准化委员会TC278，以便正式批准作为ENV。这些版本的主要变化是引人分段属性、时域等概念及注释，这些版本和改进版本将不断满足国际需求。许多国家的地图转换标准正朝着同GDF国际版本兼容的方向发展。GDF的ISO版为ITS地图数据转换标准的国际化奠定了基础。

GDF是一个数据库交换标准，用户必须开发自己的编译器以使之转换为可导航的数据库。可导航数据库是一个向车辆提供信息以使其通过道路网的数据库。例如，为了提供依次转弯的路径引导，数据库必须包含如单行道和转弯限制等重要属性，大多数数字地图供应商能够为欧洲用户提供GDF地图。目前涉及地图数据库制作的主要国际性公司是Etak公司、鹰图公司、导航技术公司、Tele Atlas国际BV公司等。近年来中国也有一些公司提供数字地图，如四维图新、高德、百度、搜狗等。

2）数字道路地图协会

日本数字道路地图协会（DRM或JDRMA）由日本建设省公共事业研究所于1988年创立。他们的产品是数字地图标准和地图数据库。该协会当时用磁带向各成员公司提供数字道路地图数据库。DRM利用1∶50 000比例尺的地形图制作了数字地图数据库，后来又利用1∶25 000比例尺地形图改进数据库，该数据库提供了更详细、更精确的特征。地形图由建设省地理研究所发行。此外，他们也使用其他城市的规划图和道路管理人员提供的信息。他们利用传统的数据源，但是把数据投影到参考椭球时基于东京基准，该基准由贝塞尔椭球1841上的位置和方向角定义，其原点位于老东京观测站子午圈中心。

DRM采用三个设计原则：第一是地图上特征的位置和结构是在两个不同比例尺（1∶25 000、1∶50 000）的地形图上测量的，并按标准局部网格编码体制汇总为文件；第二是为道路网建立独立链以指示道路结构、道路立体枢纽、坡道和小巷并且路径搜索和地图匹配是系统的集成部分；第三是数字地图由二层道路网组成，用于最佳路径计算的基本道路网（主干路）和详细操作，如地图匹配、变焦图形显示详尽的道路网。

二层道路网的定义如下：基本道路网由国家交通干线、县级公路和路宽5.5m以上的道路组成。详尽道路网由基本道路网覆盖的所有路，加上路宽3m以上的所有道路组成。位置用网格号（每个网格覆盖大约10km×10km的区域）和每个网格内的规格化坐标（x：0～10 000，y：0～10 000）表示。道路网由节点和链（类似于前面的路段定义）定义。

基本道路网使用4位数字节点码，而详尽道路网使用5位数字节点码。每个链码是端点节点编码的组合码。这样，所有道路均可由网格和链码加以区分。每一链的位置和形状由一系列插人点坐标值表示，数据库被组织成一系列文件。

DRM已经覆盖了整个日本。DRM在磁带或光盘上向用户提供地图，它的数据结构是公开的，然而，文件格式是正确阅读文件的关键，其仅对DRM用户公开。DRM没向用户提供任何数据库接口，用户必须设计实现自己的接口以存取地图数据库。此外，DRM也没有包含为路径规划和引导的信息，例如转弯限制或单行道等信息，用户需进一步扩充数据库或为车辆导航包含较大比例尺的信息（1∶10 000）。

3）空间数据转换标准

空间数据转换标准（SDTS）由美国数字制图数据标准国家委员会于1982年开始创建。该标准用于转换空间科学所使用的各种数据结构。这些科学包括制图学、地理学、地质学、地理信息系统（GIS）和许多其他相关学科。1985年，联邦国际机构数字制图学协作委员会标准工作组也开始制定空间数据交换标准。1987年，数字制图数据标准任务组综合了前面的研究成果，推出数字制图数据标准建议案，于1988年作为专辑发表。

空间数据转换标准是一个开放的、通用的标准，也是联邦信息处理标准（FIPS）。1994年2月，人们要求美国联邦机构向其他联邦机构提供数据和全面公开空间数据转换标准的格式。空间数据转换标准主要由三个部分组成：第一部分是空间数据转换标准上层逻辑结构，描述了空间数据转换标准转换机制的组织结构；第二部分说明了空间特征和属性的定义；第三部分描述了ISO 9211数据转换标准（即编码方法）的实现方法。

对于把空间数据（包括地理数据和制图数据）从概念级转换到物理文件编码的详细描述问题，空间数据转换标准给出解决办法。空间数据转换包括空间数据概念建模，数据结构，文件的逻辑结构、物理结构。为了实用，转换的数据按其内容和特性必须是有意义。空间数据转换标准对矢量和光栅数据结构提出了上述所有要求。

美国智能交通协会地图数据库和信息系统分委会围绕空间数据转换标准，致力于矢量方案，它将成为北美公路数据库标准，这一项目正与联邦公路管理局合作进行。

4）真值标定标准

真值标定标准（Truth—in—labeling）由汽车工程师协会（SAE）地图数据库委员会完成。该标准的目的是定义一致的技术术语、度量标准以及描述和比较车辆定位与导航地图数据库的内容和特性的测试标准。该标准将允许用户确定一个给定的地图数据库是否满足应用需求。然而，像其他标准一样，它没有说明最低的性能标准或物理数据库格式。

真值标定标准包括地图数据库属性的定义和详细描述，以及每一地图数据库定义对象（包括数字地图数据库中诸如“节点”或“线段”等概念的物理表示）的度量标准和测试标准。该标准使用“链路”（link）代替“线段”（seg⁃ment）。

其定义的对象包括节点和交叉口、附加链路的位置和实体、道路名称、地址范围、道路分类、限制操作。

该标准的焦点是车载导航应用，例如地址定位、路径确定、路径引导、车辆定位和显示。该标准应用于其他与地图有关的智能交通系统。此外，SAE打算建立一个测试研究所，利用该标准对各种数据库进行测试。数据库商将说明在该标准规定格式方面他们的数据库的内容、准确度、覆盖范围、市价等。研究所将验证他们宣称的内容。在验证结果的基础上，用户将能够迅速、准确地选择最适合其应用的数据库。因此，用户能够事先确定某一数据库的有用性，而不是在购买数据库产品后才能确定。简言之，该标准允许不同需求的用户选择对其应用最适当的数据库。

尽管有这些标准工作，但是在美国，大多数汽车定位与导航产品是基于私人公司提供的专有数字地图数据库。

4.专用数字地图数据库

1）导航专用地图数据库

导航专用地图数据库利用多种数据源，把所有地物投影到地球参考椭球的二维表示。基本数据库概念包含在导航技术早期的接口标准中，包括数据库内容、数据组织、数据关系和数据存取策略。它的数据源包括拓扑基础地图、空间测量照片、局部地域勘测以及来自各种其他数据源的信息。每个数据库数据存储区由地方现场工作人员和全球用户维护组织不断地更新和维护。数据库中的信息包括道路网的几何形状、道路等级、道路特征、转弯和限制、制图和地理政治边界、感兴趣的点、路标和服务设施。导航专用地图数据库提出了基于真实地域的至少97%准确性和完整性的书面保证。它的保证精度是城市区域真实地面误差为15m以内，城镇间地图覆盖的区域误差为100m。

导航专用地图数据库包括道路网信息和道路、交叉路口、感兴趣的点的环境信息。数据进行逻辑组织以便存取和操作某一信息；数据的物理组织使得系统提供最大的灵活性；数据关系包括同一层或区域数据实体之间的各种关系，这意味着道路名称可以附加到正确路段上面。数据存取方法包括透明的用户界面，该界面介于应用和数据库之间，因此，用户不必知道数据库的结构就能进行高层逻辑查询。

2）数字地图的编译

数字地图编译过程如图2-12所示。

图2-12　数据库编译

可以从非数字地图或航空照片编码成数字地图数据库。通常利用计算机进行节点编码，记录给定点的坐标，把数字化仪的十字准线放在纸图的点上，按下按钮，对该点进行数字化或转换。用这种方式，扫描纸图通过软件被转换成矢量形式。一旦基本的道路几何形状被编码，道路的拓扑结构被检查完毕，向数据库输人道路类型、道路名称、速度限制、长度、转弯限制和其他信息。逐渐地，所有这些数据形成错综复杂的数据网——一个道路网络被虚拟实现。目前已通过现场测绘直接生成。

这些数据的精度对于实现与地图有关的功能非常重要，较大误差（城市区域大于15m）可能会导致整个系统性能低下。除了以一种交换格式提供原始制图数据文件外，所有地图数据库商同时把他们的数据库以某种内部格式进行编译，用户可利用他们的地图检索和绘图程序库方便地进行数据库存取。

（1）数据结构。

许多不同的数据结构和实现可用于存储数字地图数据库。数据库存储在定位与导航计算机的主存或者存储在辅存，如硬盘、CD-ROM或内存卡中。通常一个非压缩的城市区域地图需要10～100MB的存储空间。地图的大小是所选择的数据结构、属性的复杂性、覆盖的地理区域、道路网拓扑和其他因素的函数。压缩技术可用于减少地图的存储量，但应用时需要解压，这常常需要额外的设计考虑和研究处理实时应用的适当机制。根据系统的实现，用户可设计一个数据库管理器以提供存取数据库的一系列服务。

数据结构通常包括最小限度的节点记录和线段记录。其通常包含三个可能的记录及其属性：①节点记录，包括节点标识符ID、经度、纬度和连通性等；②线段记录，包括线段标识符ID、左节点、右节点、长度、速度限制、方向性、地址范围、道路名称、城市名称、州名称、ZIP码、形状点、道路类型及等级和通行能力等；③面记录，包括面标识符ID、面名称、城市范围、城市名称、州名称、ZIP码等。

（2）编译器结构。

数据库编译器与传统的计算机语言编译器具有同样的结构。

顶层包括前端和后端两部分。前端的目的是从厂商提供的交换格式文件中读取数据并分析，将分析结果输出作为中间文件。分析过程包括确定道路网的连通性，查找地物对象，如街道、城市、县、感兴趣的点等的唯一名称。后端的目的是读取中间文件，进行有效编码，将结果作为导航数据库以供应用或其他模块存储和检索。编码过程包括为街区名和城市名建立B树索引，为包含相应空间对象建立数据块以及建立存取这些对象的索引，如四叉树等。

如果处理适当，编译器及编译过程应该不会对地图的质量产生影响。在基于地图的系统中，混合参考坐标系可能导致地图上每一点的系统误差达1 500m。另一方面，数据文件本身的误差常常随机地出现在不同的属性上，误差并不一样，例如街道上一点的误差可能是真实地面上的20m、一个局部街道可能消失、一个单行道可能被标记为双行道、一个特定的道路可能被不正确地分类等。这样的误差常常出现在数据库编译前，对定位和导航系统的性能产生负面影响。

（3）分层地图。

为了有效地解决车辆定位和导航的复杂问题，系统应该首先忽略低层细节，而把注意力集中在问题的本质特性上，最后再加上细节部分。这一思想导致一般化，即多层次抽象层，每一层集中处理不同层的细节。这一技术是降低大问题复杂性的非常有效的方法。这种存储方法的一个关键特征是存储在高层的线段等于其底层存储的几条线段的组合，这导致在高层表达完全相同的道路网络的节点数目大量地减少。对于路径规划算法的运行时间分析，这种道路数据重新组合以产生较高层路段的方法会导致路径规划运行时间的改进，其原因是在高层对应线段的节点数较少，使得在规划过程中访问的节点数目是影响算法运行时间的主要因素。

另一个方法是建立一个数据库。在该数据库中，在较高层精确地复制较底层的线段。与前面的方法不同，不需要对底层线段进行组合。由于这种方法在移动到较高层时简单地消去某些局部道路，其余的路段数据将精确地从较底层向较高层复制。这将需要更多的存储空间，但减少了编译时间并使得数据库设计较简单。然而，采用这种类型的数据库时，相对的路径规划消耗一定时间，原因是进行决策时访问的节点数目没有实质性地减少。

分层地图数据库是层的集合，整个集合可由第0层（最底层）、第1层、第2层和第3层4层组成。第0层包括道路网的所有道路和相关的导航信息；第1层包括汇聚道路、干道、公路；第2层包括干道和公路；第3层仅包括公路。

汇聚道路是通向干道的半主路。尽管使用4层地图，但数据库编译器能支持多达8层。4层地图的图形表示如图2-13所示，可以考虑仅包括一层的地图，如第2层，或者多层，如第1层和第2层。

图2-13　层次地图数据库

这样的地图将覆盖较大区域且含有较少的线段，因此与提供所有地图相比要求较少的存储空间。当在城市间旅游时，这些地图是对县、州地图的直接模拟。

具有前端和后端结构的地图数据库编译器把原始制图数据编译成包含地图块文件和索引文件的导航层次数据文件。这些文件被存储在CD-ROM或其他存储空间中，以供其他模块通过应用接口（API）存取。块是一部分地图区域的模拟，它是落在由最大和最小经纬度定义的直线围着的区域内的线段等地理对象的集合。

地图索引数据帮助定位存储的多幅地图。地图块数据包括地图上每一区域的详细信息。索引数据用于定位存储矢量编码地图的块。飞利浦公司和其他公司也采用类似的CD-ROM存储方法。

分层次数据库的另一个特征是它增加了一个动态数据库，如图2-14所示。动态数据库用于存储从交通控制信息中心接收到的每个链路的动态更新信息。链路在这里是指具有转弯延时信息的线段。转弯延时是车辆完成与特定线段相关的转弯所需要的正常时间。根据行车前面转弯的数目，一个特定线段可能需要不止一个链来区分不同转弯的延时。数据库模块及其应用模块把每一线段的实时更新数据包含进去，并且为某些特定应用使用转弯延时信息。

图2-14　动态数据库

开发层次地图数据库的关键益处是在使用低速辅助数据库存储设备的环境中支持层次路径规划算法。除路径规划模块外，所有的模块工作在第0层。数据库在第0层具有详细的数据，在其他层具有最少的数据。这种方式对路径规划模块来说，辅助存储器较高层的一次读操作与底层的一次读操作相比，系统能取出覆盖较大区域的数据。层次存储的另一个应用是地图显示。根据用户要求的地图比例尺，地图显示将选择需要画图的层。这将减少从CD-ROM读数据的量和减少过滤掉不需要信息的处理时间。

总之，数字地图数据库的设计应考虑四个方面：内容、组织、关系和存取方法。换言之，一个车辆定位和导航系统需要这样的数据库，它能支持地图匹配、路径规划、路径引导、地图显示和相关的感兴趣的点的显示。为了把厂商的数据库编译成定制的数据库，数据库编译器的设计者必须考虑其所涉及的特殊应用域。对于车辆导航系统来说，导航数据库至少应提供准确的与地图相关的定位信息、需要计算最佳路径和引导车辆的属性，以及与道路有关的设置和信息。数据库必须易于存取。对于车辆导航数据库，对运行时的存取速度必须仔细考虑。

5.空间数据库的建立

1）信息来源

获取信息是建立数据库的第一步，非数字信息必须转换成数字形式才能被计算机接受。地理信息系统将信息分成空间信息和属性信息两大类，这两类信息的获取途径主要有五种：①野外实地测量；②摄影测量与遥感；③现场专题考察与调查；④社会调查与统计；⑤利用已有资料。利用野外观测、遥感、现场调查、已有资料可获得空间信息，利用遥感、现场调查、社会调查、已有资料可获取属性信息。

野外实地测量是传统的地图测量方法，通过这种方法所获得的资料具体、准确，但花费人工多，工作周期长。一般是测得资料后制成通用地图，再输人到地理信息系统的数据库中。近年来得到推广的利用人造卫星的全球定位系统（GPS），给野外实地测量带来极大方便。

航空摄影测量已普遍用于通用地图的制作。经过专门训练的操作员可以用一种称为立体解析测图仪的光学电子仪器，直接在航空照片上读取坐标，传输人计算机中。现已用软件取代立体解析测图仪的新技术，它将有良好的推广应用前景。

遥感技术是在航空摄影的基础上发展起来的，从广义上说前者也包括了后者。除可见光外，遥感技术还可利用其他自然电磁波（如红外线）或人工发射的电磁波对地球表面进行远距离探测，探测的结果如果记录在照片上，可以用扫描仪或解析测图仪输人到计算机中；如果是用数字方式记录下来，则可直接用计算机来处理，然后转人地理信息系统的数据库。

某些专门的信息，如土壤成分、道路交通量、房屋质量、土地使用情况、降雨量等，要靠现场专题调查才能获得。与人口有关的年龄、性别、教育程度、收人与消费，工业生产，商业经营，医疗保健等其他数据，必须经过社会调查与统计才能获得。

任何一个信息系统，都应尽量利用已有的资料，以减少工作成本，缩短工作周期，例如现有地图，历史上的遥感资料，政府统计部门的各种调查、统计报表等，都是最常用的信息来源。

2）分类与编码

把数据输人到计算机之前，必须先按使用要求进行分类，这是项基础性的工作。分类过粗会影响将来分析的深度，分类过细则工作量很大，计算机的存储量也会加大。有时过细的分类在技术上也难以做到，如用遥感数字图像对农业土地分类时，就无法做到很细。

编码是将经过分类的信息用适当的数码（字符串或数值）来表示，也称代码化。属性信息的编码方法除用于和空间信息连接的关键字外，和常规事务管理信息系统的编码方法差不多，大致有五个原则：①唯一性；②可扩充性；③易识别性；④简单性；⑤完整性。

空间信息即地理要素的位置信息，其编码方式主要有三类：①用地理坐标来表示地理要素的位置，包括坐标系的选择，坐标数据的输人、编辑、校正等一系列工作；②在地理要素之间建立起联系，反映空间位置上的相互关系；③对地理要素人为地给定一些编号或字符串。

3）输人方法

完成了分类与编码方案之后，就可把收集到的资料分类编码后输人到计算机中，常用的输人方法有五种：①键盘，一般录人属性数据时采用；②图形数字化仪，录人地图数据时使用；③扫描仪，录人地图数据时使用；④坐标几何，录人地图数据时使用；⑤现有数据转换。对已经用计算机储存在其他系统中的数据则可用文件转换的方法从别处输人到自己的系统中。

6.地理信息系统应用软件开发

1）应用模式与分类

地理信息系统可分为通用地理信息系统平台和面向特定专题或地区的地理信息系统应用。通用地理信息系统平台提供了基本的空间信息处理方案，可以应用于各个领域，一般由专门的软件开发商完成。地区的地理信息系统应用往往针对某个用户单位提供特定的技术手段。具体而言，地理信息系统应用按照其应用模式又可以分为两类，即科学研究工具和办公服务系统两种。

科学研究工具是将地理信息系统作为科学研究工具的应用模式，强调对于科学计算结果的获得和分析，把地理信息系统作为科学研究的辅助手段。它主要应用于有关地理学领域的科研项目研究中。它不仅需要用到地理信息系统通用软件所提供的功能，而且还要用到各种专业分析模型。

办公服务系统应用于涉及空间数据的政府部门以及企业，以提高管理效率、制定决策和实现组织目标。办公服务系统按照其应用层次的高低，又可以分为空间事务处理系统（Spatial Transaction Process System，STPS）、空间信息管理系统（Spatial Management Information System，SMIS）、空间决策支持系统（Spatial De⁃cision Support System，SDSS）和专家系统（Expert System，ES）。

STPS的目标是迅速、及时、准确地处理大量空间信息，以有效地进行日常事务的自动化处理。它注重于空间数据的收集、处理和存储，以供将来使用在各种大型应用地理信息系统的数据采集部门和具体事务部门，包括测绘、资源调查、地籍管理、地图出版等领域。

SMIS是基于空间事务处理系统发展起来的，除了提供高效率的信息处理服务以外，还对决策者提供辅助决策信息，包括数据的查询和统计以及专业模型的分析功能。

SDSS为决策者提供了一个模拟决策过程，并提供了选择方案的决策支持环境，强调系统推理的有效性，更多地应用于宏观决策过程。

ES是能够模仿人工决策处理过程的基于计算机的信息系统，它由知识库、推理机、解释系统、用户接口和知识获得系统组成。它扩大了计算机的应用范围，使其从传统的资料处理领域发展到智能推理上来。

2）开发应用的方式

一旦组织决定建立用于本单位的地理信息系统，可以采取三种方式，一是通过购买，在组织中实施；二是请软件开发商来开发；三是由组织内部的人员开发。其中购买地理信息系统又可以分为购买地理信息系统平台软件进行二次开发，购买完整的软件产品，购买完整的地理信息系统以及购买地理信息系统服务。

请软件开发商进行开发以得到完整的软件产品或系统，也可以认为是系统购买的一种形式，但是从系统购买到系统运行的时间比直接购买的时间要长。在请开发商进行开发时，可以有两种具体方式，即承包开发和合作开发。前者由开发商独立开发完整的系统，又称为“交钥匙”系统；后者在开发过程中，可以由用户方的技术人员参与开发，双方合作完成整个系统，这种方式有利于开发系统时对用户需求进行准确把握。

上述地理信息系统应用的建立方式各有利弊，各个组织可以根据具体情况确定采用何种方案。