车载导航电子地图走向标准化

何为车载导航电子地图?
　　导航用电子地图在整个车辆导航应用体系中起到核心的作用，针对不同导航应用往往会采用不同规格的电子地图。通常电子地图由记录实际地物的地理数据和与实际地物相关的标识、整饰信息以及各类附加信息组成。根据应用场合的不同，电子地图的选用也是不同的。
　　电子地图数据与导航应用功能之间的关系如下图所示。
　　1． 电子地图的构成
　　电子地图主要由道路形状数据、背景数据、拓扑数据和属性数据构成，它们之间紧密衔接，共同为车辆导航应用提供服务。
　　道路形状数据 主要记录与道路相关的精确地理位置、路面形状、道路隔离带、相应的附属设施等。它必须准确如实地反映真实世界的具体情况，为其他类型的数据提供空间基础，是电子地图与客观世界和各种导航应用功能相联系的纽带。
　　背景数据 既包括了植被、水系、行政区划、面状公共场所等现实意义上的背景信息，也包括各类与智能导航相关的实时交通信息。背景信息的提供优化了地图的显示，满足了实时网络路径分析的需要。
　　拓扑数据 定义了电子地图中各种地物间的相互关系，包括拓扑联接、拓扑相邻、拓扑包含等。拓扑数据的定义使电子地图中的各类数据在内涵上有了关联，使地图数据在语义和概念上更加完整，也更符合客观现实，为电子地图数据自身完备性检查、网络路径分析和实现交通信息处理提供了便利。
　　属性数据 记录各类地物除位置信息以外的数据。根据针对的地物不同，属性数据的组织结构也不尽相同。例如，POI(信息点)的属性中常包括名称、地址、电话、网址等，而针对道路的属性数据则要记录道路名称、道面宽度、车道数据、通行级别等。随着导航应用需求的不断扩展，对属性数据完备性的要求也在不断提高，属性数据中包括的信息量及其准确度是评价当今业界领先的导航电子地图质量的重要依据之一，如NavTech公司生产的导航电子地图中道路层的属性数据就拥有150个字段，内容巨细无遗。
　　2． 电子地图的种类
　　电子地图从数据格式上可以分为矢量地图和栅格地图。这里的矢量和栅格之分主要是针对于道路形状数据和背景数据中与地物相关部分而言，前者用于地图缩放、路径计算分析等场合，而后者则主要用于固定比例尺地图的显示。
　　同时，根据电子地图应用场合的不同，也可将其划分为车载导航地图、应用于监控跟踪的电子地图、用于导游目的的手持式电子地图、用于智能交通全局指挥调度的电子地图等。这些不同的划分也对应着不同的电子地图数据构成要求和技术要求，由此延伸出整个导航应用的完整体系。
　　3． 电子地图的技术要求
　　首先，导航用电子地图必须具有极高的精确性，包括地理位置数据的精确性和实际地物信息的准确性。与此同时，电子地图中各要素之间必须具有正确的拓扑关系和整体的联通性，使各地物在逻辑上和语义上能够正确地映射现实世界。这些条件是保证电子地图实际可用性的客观基础。
　　其次，导航电子地图必须提供完备的地物属性信息。一方面这是电子地图进行查询检索的需要，另一方面也是进行实际智能交通分析及相关导航应用的客观需要。例如，地图数据中需要有表达交通禁则的信息，以说明哪些路口禁止左转、禁止直行等，哪些路段在特定的时间段不许机动车通行或只许单行等，还需要有表达道路特质和运行情况的数据，以表明道路的材质、收费情况、允许哪些车辆类型通过等。这些属性信息与导航应用的需求密切相关，与一般意义上的电子地图有很大不同。
　　再次，在许多应用场合，如车载系统、手持式设备等环境下，硬件条件相对特殊，对导航电子地图的要求也相应地更加苛刻。电子地图数据必须在保证精度和信息量的情况下尽可能的精炼，同时其数据结构也必须更加符合嵌入式设备显示、运算和分析的要求。
　　最后，由于导航电子地图使用场合的特殊性，需要配以便捷高效的GUI，以保证信息的快速获取和用户的安全，其中常常要用到语音、触摸屏、针对强光源的特殊着色等技术，并配合以视频、动画等相关数据来展现丰富的电子地图应用。
　　针对电子地图的技术要求，业界已出现了许多相应的技术标准，下面对目前在国内外比较有影响的几个导航电子地图标准做一个简要的介绍和分析。
　　车载导航电子地图
　　标准什么样?
　　国外的空间数据处理，特别是导航电子地图的标准与规范制定，经历了较长时间的发展，相关的主要行业标准化组织有ISO TC204/WG3等，它是国际标准化组织专门讨论制定用于汽车导航电子地图存储格式的工作组。
　　目前世界上最主要的导航电子数据标准/格式有以下几种：GDF(v3.0/ 4.0)、KIWI(v1.22)、NavTech(v3.0)。
　　1．GDF格式
　　GDF（Geographical Data File）是欧洲交通网络表达的空间数据标准，用于描述和传递与路网和道路相关的数据。它规定了获取数据的方法和如何定义各类特征要素、属性数据和相互关系。主要用于汽车导航系统，但也可以用在其他交通数据资料库中。GDF格式已为CEN（Central European Normalization）所认可，并已提交ISO TC204/ WG3，最新版本的GDF 4.0极有可能被ISO采纳，而成为国际标准。
　　GDF用ASCII码编码，以单个文件的形式存储，可用通常方式压缩。
　　每个GDF都被分为多个分区，分区包括信息单元和载体单元。信息单元包含载体单元中具体数据的信息，载体单元由Volume和Album组成，Volume是基本的数据组织单位， Album是Volume的集合。
　　GDF对要素属性的定义非常全面，仅对Road的定义中就包括了长度单位、道路材质、道路方向、建筑情况、自然障碍物、（高架）路面高度、平均时速、最高限速、最大承重等20多项，同时还定义了各种要素间的关系。
　　另外，GDF还提供了评价电子地图数据质量及精度的标准和依据，使电子数据生产过程中的质量控制有据可循。任何公司都可生产GDF格式的数据，GDF标准采用ISO2859质检规范，以保证所有GDF数据的质量精度。
　　2．KIWI格式
　　KIWI格式是由KIWI-W Consortium制定的标准，它是专门针对汽车导航的电子数据格式，旨在提供一种通用的电子地图数据的存储格式，以满足嵌入式应用快速精确和高效的要求。该格式是公开的，任何人都可使用。
　　KIWI-W Consortium成立于2001年7月，致力于制定汽车导航用电子地图物理存储格式（PSF）的行业标准。KIWI格式目前在ISO TC204 / WG3中是PSF标准的有力竞选者。
　　PSF的主要载体是CD、DVD和HDD，与KIWI类似的还有许多不同格式，如NRNE等，都是不同公司的自有格式。KIWI格式的最新版本是1.22，可从KIWI-W Consortium的官方网站上下载。
　　KIWI的特点是把用于显示的地图数据和用于导航的数据紧密结合起来，并将数据按照分块方式以四*树的数据结构保存于物理介质中，不同用途的信息存在不同的块中，从而使数据适合于实时高效应用的要求，其中很多信息以Bit为单位存储，并以Offset量提取其索引。这也就是KIWI在技术上的目标，即加速数据的引用和压缩数据的量。
　　KIWI最重要的特点是其将数据物理存储和数据逻辑结构相结合的优越的机制。KIWI按分层结构来组织地图，并且这种层的逻辑结构与其物理存储也是相联系的。它可以做到在不同的Level层之间做快速的数据引用。因此，针对不同的应用目的或不同级别的用户，可以使用或提供不同抽象层次的数据，例如，对于导航应用提供精度相对较高的立交桥数据，而对于一般应用只需把立交桥表示为若干道路结点就行了。而这两份不同抽象等级的数据完全可以由同一份地图数据按要求提取生成。与此同时，在采用了分层次的数据参考后，会使查询、路径分析、连通性分析等各种算法更加快速。
　　3．NavTech的数据格式
　　NavTech公司致力于生产大比例尺的道路网商用数据，包括详细的道路、道路附属物、交通信息等，这些数据主要用于车辆导航应用。NavTech公司自有的商用地理数据库的数据格式是SDAL（Shared Data Access Library），通过SDAL编译器，可以把一般的电子地图数据转换为SDAL格式，进而可以由SDAL程序接口调用SDAL格式数据用于各种车辆导航应用。
　　SDAL格式本身提供了对地图快速查询和显示的优化，可提高路径分析和计算速度，并可存储高质量的语音数据为用户提供语音提示。SDAL格式的标准也是公开的。
　　NavTech还为导航应用提供了一套NAVTOOLS工具，可以较方便地进行基于SDAL格式数据的导航应用开发。NAVTOOLS提供了地图显示、车辆定位、路径计算等多种功能。当然，也可直接由SDAL开发导航应用。
　　汽车导航是集GIS、GPS、通信、嵌入式软硬件技术为一体的高度综合性的高技术产品。作为一种高技术含量的产品，日本及欧美国家经历了10多年的发展过程，才取得了今天的成就。在这一过程中，有很多成功的经验，也有不少失败的教训。正是在这些经验和教训的基础上，才有了今天的导航电子地图标准化研究成果。
　　随着中国经济快速、持续的发展，中国的汽车工业亦呈现出蓬勃发展之势，从而使汽车导航技术引起了人们的极大关注。可以预计，在今后的几年中，汽车导航市场必将迅速崛起。为了迎接中国汽车导航产业的兴起，导航电子地图的标准化研究与标准的制定是我们必须重视的工作。令人欣慰是，我国交通、测绘等部门的有关研究机构已经积极地参与了ISO TC204/WG3的有关工作，我国自己的汽车导航电子地图标准也已经完成草案。所有这些工作必将为促进我国汽车导航产业的快速、健康发展起到积极的指导作用。
　　小资料：全球导航卫星系统GNSS
　　早在1999年2月10日，欧盟执行机构欧洲委员会（EC）公布了欧洲导航卫星系统“伽利略”计划。该系统是与美国全球定位系统（GPS）和俄罗斯的GLONASS系统兼容的民用全球定位卫星系统。欧盟之所以进行“伽利略”计划，主要是为了摆脱对美国GPS系统的依赖，打破美国对全球卫星导航定位产业的垄断，在使欧洲获得工业和商业效益的同时，赢得建立欧洲共同安全防务体系的条件。
　　其实，欧空局（ESA）早在1990年就决定研制全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS），并分为两个阶段，第一阶段是建立一个与美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统以及三种区域增强系统均能相容的第一代全球导航卫星系统（GNSS-1），第二阶段是建立一个完全独立于GPS系统和GLONASS系统之外的第二代全球导航卫星系统（GNSS-2）。由于GNSS-1主要是利用GPS等已经建成的系统，因此，其主要工作是在欧洲建立30座地面站和4个主控制中心，系统在2002年部署完毕，2004年将完成运营试验。欧洲的长远目标是拥有自己的独立的全球导航卫星系统，即GNSS-2，也就是“伽利略”系统。
　　新趋势：网络汽车
　　近来流行的“网络汽车”或“数字汽车”概念更突出语音指令控制能力。所谓“网络汽车”，是指传统汽车技术与现代信息技术高度结合的产品，汽车与网络的高度整合是网络汽车最显著的特征。“网络汽车”一般都装有声音辨认系统和卫星接收器与数据链，这是由于人们为了保证安全驾驶，无法在同一时间内既注意路况又操作键盘和鼠标，因此，声控软件是最好的解决之道。目前，汽车电脑可以对大约200个声音指令做出反应，而福特公司正在试验的一种更为复杂的声音辨认系统甚至可以通过装在轮胎上的微型麦克风来辨别路面状况和发动机的异响。通过声音辨认系统，驾车者可以与汽车对话，用声音来控制车内仪器，还可以通过卫星数据链连接Internet，收发电子邮件或上网冲浪。
　　网络技术在汽车上的高度应用，不仅可以大大提高汽车的综合性能，提高行车质量，减轻驾驶者的负担，而且还可以使驾驶者始终保持与外界的紧密联系。在行驶过程中，驾驶者可以充分利用GPS实时接收汽车所处位置周围的路况，然后由计算机根据车流的密度选择出最佳的行车路线，并将行车路线的指令传递给车辆导向系统。同时，无所不包的网络还会大大缓解人们在道路阻塞或长途行车中的寂寞感与孤独感。在“网络汽车”上不仅可以收看到电视节目、玩电子游戏、观看DVD节目，而且还可以接收到互联网上的信息。特别是当有人通过电子邮件与驾驶者联系时，电脑会及时提醒驾驶者，而且还可以读出电子邮件上的内容。当汽车发生故障或紧急情况时，电脑会通过网络通知有关的汽车服务人员，并通过GPS帮助汽车服务人员查找到该车具体的方位，以便及时给予救助。据有关资料显示，在如今的汽车整车成本中，计算机及其相关部件已占到30％以上，而且目前还有进一步上升的趋势，特别是随着环境保护、行驶中的路况监测、外部通信功能等一系列要求的提高，汽车对计算机和网络的依赖程度也越来越大。据悉，为了开发“网络汽车”，通用汽车公司和IBM公司、网景公司，福特与Intel公司已经分别结成了战略联盟，准备研制开发多种型号的“网络汽车”。
　　标准比较：KIWI vs. GDF
　　KIWI与GDF最关键的不同就在于PSF。GDF仅定义了数据的组织和表达，而其物理存储只是简单地采用ASCII码的单文件形式，并没有对物理存储模式进行规范。相反，KIWI的核心就在于PSF。KIWI在物理层面将地图数据分层分区块地组织起来，通过计算偏移量和大量采用以Bit为单位的标志位来加速各种地图要素的引用和查询。采用KIWI格式地图数据的车载导航系统的高效性很大程度上就来自于KIWI格式提供的物理存储模式。而且，需要注意的是，KIWI格式与采用KIWI的导航系统的硬件相关，两者的密切配合达到了导航过程中地图显示查询等功能实时高效的需求。因而可以说，KIWI是一种直接与硬件和车载导航应用相关的电子地图格式，它的各种特性都是完全针对特定的导航应用需求而设计的，不具有一般意义上的通用性。
　　GDF则不是这样。GDF是一种通用的描述路网和道路相关信息的数据格式。在车辆导航应用领域中，它往往并不直接作为与硬件相关联的电子地图数据，而是扮演了作为基础数据交换格式的角色。在采用KIWI的导航数据应用模型中往往将GDF作为由通用GIS数据转换为特定PSF的中间件，它是基础的数据交换格式。
　　相对来说，GDF在导航应用体系中起到的作用更基础一些，而KIWI的层次更高一些，它直接与硬件和系统要实现的功能相关。