面向EVNS的电子地图的设计

李爱国

（陕西工业职业技术学院 陕西 咸阳 712000）

电子地图[1]是指在计算机环境中制作和使用的，是由空间信息与属性信息构成的能够动态显示空间信息和属性信息及实时处理的数字图像，它不仅包含纸质地图的各种地理要素，而且还包含其他环境信息和相关内容，具有多维环境信息的特点。同纸质地图相比，电子地图具有信息无限、可随意添加的特点。它不受比例尺、图形样式的限制，抽象化更低，对象化更好，可以根据你的意图智能化的显示你所需要的信息。

车载导航电子地图是电子地图的具体应用之一，是车辆定位和导航基础。它可以提供一切与位置相关的特征，可作为定位和显示车辆的参照基准。在EVNS（嵌入式车载导航信息系统）中[2]，电子地图一般是基于地理信息系统平台设计和制作的。根据存储数据的结构方式的不同，可分为矢量地图和栅格地图两种。在矢量地图中，由于地图要素的数据结构在各种要素间建立了隐含关系，因此矢量地图的操作比较灵活、方便。栅格地图以光栅编码结构存储和检索地图数据，每一个栅格称为象素，以矩阵表达，栅格地图的存储空间大。在本系统中主要采用矢量地图。

1 坐标系

在GPS测量中，通常采用两种坐标系统，即协议天球坐标系和协议地球坐标系。协议天球坐标系随同太阳系一同旋转，与地球自转无关，讨论卫星轨道运动时，用这类坐标系方便；协议地球坐标系随同地球一起旋转，讨论随地球一起自转的目标位置，用这类坐标系方便。

天球坐标系[3]定义如下，原点是地球质心（O），Z轴指向地球自转轴（天极，向北为正），X轴指向春分点，根据春分点的定义可以证明X轴与Z轴互相垂直，且X轴在赤道面上，同时为数学描述方便，引入与XOZ成右手旋转关系的Y轴。因为地球自转轴受其他天体影响（日、月），在空间产生进动，使得春分点变化（章动和岁差），导致用“瞬时天极”定义的坐标系不断旋转，而旋转的坐标系表现出非惯性的特性，不能直接应用牛顿定律。我们可以用某一历元时刻的天极和春分点（协议天极和协议春分点）定义一个3轴指向不变的天球坐标系，称为固定极天球坐标系。

地球坐标系定义如下，原点为地球质心（O），Z轴为地球自转轴，X轴指向地球上赤道的某一固定“刚性”点，所谓“刚性”是指其自转速度与地球一致，同时也为数学描述方便，引入与XOZ成右手旋转关系的Y轴。地球不是一个严格刚性的球体，Z轴在地球上随时间而变，称为极移，同天球坐标系一样，需要指定一个固定极为Z轴，这样的地球坐标系称为固定极地球坐标系。可以证明当观察地球上的物体时，该坐标系是惯性的。

本系统涉及的坐标系主要为WGS-84大地坐标系和北京54坐标系。WGS-84大地坐标系统的几何定义是:原点位于地球质心，Z轴指向BIH 1984.0定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交点。对应与WGS-84大地坐标系有一WGS-84椭球，WGS-84椭球及有关常数采用国际大地测量和地球物理联合会第17届大会大地测量常数的推荐值，4个基本常数为:长半轴a、地心引力常数GM、地球重力场模型系数C2.0、地球自转角速度，其他的椭球常数可以根据以上4个常数计算得到，如偏心率、扁率等。由于冷战和特定历史条件，我国的54坐标系源于前苏联1942年的普尔科沃坐标系（水准面不同），采用克拉索夫斯基椭球，椭球的4个常数与WGS-84不同，椭球的中心与地球质心不重合。

GIS中的坐标系定义由主要是由基准面和地图投影两组参数确定，而基准面的定义则由特定椭球体及其对应的转换参数确定。下面详细介绍地球椭球体（Ellipsoid）、大地基准面（Datum）和地图投影（Projection）。

1.1 椭球体[4]

椭球体是大地坐标系统中比较重要的概念。从大地测绘的角度来看，地球不是一个标准的椭球体，理论上的椭球面只是对地球表面的近似，在定义的坐标系统中，任何点P的位置都可以用（B，L，H）来表示，B称为大地纬度，为过P点的椭球面法线与XOY平面的夹角；L称为大地经度，为过P点和Z轴的平面与XOY的夹角；H称为大地高程，为P点到椭球面的最短距离。

1.2 基准面的定义与转换

基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近，因此每个国家或地区均有各自的基准面。我国的基准面有北京1954和西安80，椭球体与基准面之间的关系是一对多的关系，也就是基准面是在椭球体基础上建立的，但椭球体不能代表基准面，同样的椭球体能定义不同的基准面，如前苏联的Pulkovo 1942、非洲索马里的Afgooye基准面都采用了Krassovsky椭球体，但它们的基准面显然是不同的。

虽然现有GIS平台中都预定义有上百个基准面供用户选用，但均没有我们国家的基准面定义。假如精度要求不高，可利用前苏联的Pulkovo 1942基准面 （Mapinfo中代号为1001）代替北京54坐标系；假如精度要求较高，如土地利用、海域使用、城市基建等GIS系统，则需要自定义基准面。

实际工作中一般都根据工作区内已知的北京54坐标控制点计算转换参数，如果工作区内有足够多的己知北京54与WGS84坐标控制点，可直接计算坐标转换的7参数或3参数；当工作区内有3个已知北京54与WGS84坐标控制点时，可用公式计算WGS84到北京54坐标的转换参数。

1.3 GIS中地图投影

地图投影是将地图从球面转换到平面的数学变换。我国的基本比例尺地形图（1:5千，1:1万，1:2.5万，1:5万，1:10万，1:25万，1:50万，1:100万）中，大于等于50万的均采用高斯一克吕格投影 （Gauss-Kruger），又叫横轴墨卡托投影（Transverse Mercator）；小于50万的地形图采用正轴等角割园锥投影，又叫兰勃特投影（Lambert Conformal Conic）；海上小于50万的地形图多用正轴等角园柱投影，又叫墨卡托投影（Mercator），我国的GIS系统中应该采用与我国基本比例尺地形图系列一致的地图投影系统。我国目前常用的地图投影有:GK投影系 （高斯一克吕格）、LAMBERT投影系 （兰勃特）和UTM投影系（墨卡托）。

GK投影、LAMBERT投影、UTM投影需要定义的坐标系参数序列如下:

1）GK 投影:投影代号（Type），基准面（Datum），单位（Unit），中央经度（OriginLongitude），原点纬度（OriginLatitude），比例系数（ScaleFactor），东伪偏移（FalseEas七 ing），北纬偏移（False-Northing）。

2）LAMBERT 投影:投影代号（Type），基准面（Datum），单位（Unit），中央经度（OriginLongitude），原点纬度（OriginLatitude），标准纬度 1（StandardParallelOne），标准纬度 2（StandardPara-11e1Two），东伪偏移（FalseEasting），北纬偏移（FalseNorthing）。

3）UTM 投影:投影代号（Type），基准面（Datum），单位（Unit），原点经度（OriginLongitude），原点纬度（OriginLatitude），标准纬度（StandardParallelOne）。

在城市GIS系统中均采用6度或3度分带的GK投影，因为一般城建坐标采用的是6度或3度分带的GK投影坐标。GK投影以6度或3度分带，每一个分带构成一个独立的平面直角坐标网，投影带中央经线投影后的直线为X轴（纵轴，纬度方向），赤道投影后为Y轴（横轴，经度方向），为了防止经度方向的坐标出现负值，规定每带的中央经线西移500公里，即东伪偏移值为500公里，由于GK投影每一个投影带的坐标都是对本带坐标原点的相对值，所以各带的坐标完全相同，因此规定在横轴坐标前加上带号，如（4231898，21655933）其中21即为带号，同样所定义的东伪偏移值也需要加上带号，如21带的东伪偏移值为21 500 000 m。

假如你的工作区位于21带，即经度在120度至126度范围，该带的中央经度为123度，采用Pulkovo 1942基准面，那么定义6度分带的GK投影坐标系参数为:（8，1001，7，123， 0，1，21500000， 0）。 那么当精度要求较高，实测数据为WGS1984坐标数据时，转换到北京54基准面的GK投影坐标时，可选择WGS 1984作为基准面。

1.4 坐标求解过程

利用GPS系统求解位置点P的坐标其过程一般是这样的:先观测点P到各个可见GPS卫星基线长（主要通过测电磁波传播延迟得到）；然后根据GPS卫星星历算出卫星的位置坐标，注意，卫星星历是在WGS84坐标系统中给出的，算出的卫星位置坐标基于WGS84坐标系统；平差求出P点坐标，P点的坐标当然也是基于WGS84坐标系统。

如果n个观测点组成GPS观测网，通过GPS相对定位前序数据处理方法求解出两个端点的大地坐标差或属于空间直角坐标系的坐标差（一般定义被观测的两端点的边线为GPS的观测基线），所得到的坐标差即为相应基线的基线解，基线解与坐标系统没有关系，即GPS观测网是一个局部独立的自由网，其网点的坐标基准和方位基准相对于实际存在的各种国家统一的坐标系或局部坐标系都是未知的。引入起算点，起算点的坐标决定了这个GPS观测网的坐标基准，假如起算点的坐标（可以不是一个，需要向测绘部门购买）是地方坐标，则平差求解出GPS网各点的坐标成果也是地方坐标；如果起算点是WGS84坐标，则需要将坐标成果进行转换，常用布尔莎参数法进行。

2 EVNS中的电子地图的设计

2.1 电子地图所需要的交通地理信息

嵌入式车载导航电子地图作为一种表现地理实体、显示车辆定位信息和实现相应的车载导航功能的数字化载体，既需要足够的信息量，又要符合嵌入式系统的特点，尽量减少地图的存储量的大小，还要便于管理、更新和维护。

交通地理信息从总体上可分为图形信息和属性信息。图形信息即地理实体的位置信息，属性信息是地理实体的特征、属性等信息，它们分别通过图形文件和数据文件以及对应索引文件进行管理。嵌入式车载导航电子地图所需要的交通地理信息为:道路、建筑、水系、山脉和植被、行政区域等。

道路是导航系统中最重要的内容，按照技术等级划分，道路可以分为:高速公路、一级公路、二级公路、三级公路、四级公路、高架上层和其他小路。按道路的构成来分，道路又可以分为路段、平面交叉口、立交桥等，其中交叉口在导航中起十分重要的作用，是导航的基础；道路的属性数据主要包括，道路的ID，名称，种类，路宽，路长等，在本系统中还加入了道路所占的地理范围。

建筑包括学校、企事业单位、商场、居民小区和交通设施。其中交通设施可包括桥梁、隧道、立交桥和收费站等。交通设施在导航中起重要的作用，而其他建筑则往往是导航的目标，是目的地。

在导航地图中，山脉、水系、植被和行政区域通常作为背景来处理。在制作的时候以粗线条表现出来，确定一种最大的比例（该比例下地图的内容最详尽），将该比例下的内容作为基础数据存储在数据文件（或数据库）中。在显示过程中，根据LOD系数来分级提取显示信息，从而达到缩放效果。

2.2 电子地图的数据组织[5]

数字地图数据包括几何图形数据和索引数据。几何图形数据以矢量化数据存在，地图的显示需要从大量索引中检索出相关的几何图形数据。

2.2.1 多比例的尺数字地图的分层显示

早期的GIS和现在流行的GIS都是将地理特征表达为带有分类属性的几何对象，然后以层（Layer）为概念组织、存储、修改和显示它们，分层几乎成了GIS的一个必不可少的基本特征。矢量地图数据通常进行分层存贮与处理，分层往往采用两种方法:一种是逻辑分层，在物理上数据的存贮与管理在一起，通过目标代码进行分层，视地图数据应用的需求来建立同层目标之间的拓扑关系。这种结构在管理上比较繁琐，数据量很大时影响数据操作和处理时间；另一种是物理分层，同一层内所有目标在一个平面上，可以通过平面上的算法自动建立目标之间的空间关系。这里的层是物理上的，与地理要素（居民地、水系、植被等）层概念不一一对应，也可以将两种或两种以上的地理要素放在一层。这种数据模型简化了数据的操作和处理但切断了同层间要素的空间关系。

一般GIS系统采用物理分层的数据模型，由于作为背景地图，可暂不考虑目标之间的空间关系。本系统也采用物理分层的数据模型。在图形显示方面，引进LOD（Layer of Details）技术思想。

2.2.2 不同比例尺数字地图嵌套显示[6]

从理论上讲，整个地图文件系统采用统一的坐标系、无裂隙，并且能受传统图幅划分的限制，是最理想的情况。但在实际情况中，往往面临不同区域、不同比例尺、不完整区域地图的动态显示问题。在地图缩放显示过程中运用多比例尺数据切换显示，是目前地图自动综合技术尚未成熟条件下的一种权益和有效的方法。

本系统解决办法:“按比例尺分级，同一级内的每幅地图按照地理要素分层”。详述如下:

1）建立图幅信息文件，记录每一幅地图的参数信息:左上角、右下角图形坐标、对应的大地坐标、比例尺、尺寸。

2）设定每幅地图各类要素分层显示的“LOD”系数；本系统的操作中实际用放大倍数来替代，即当缩小到一定程度的时候某些层将不再被显示，只有在大于某个放大倍数的情况下这些层才可能被显示出来。

3）生成“虚拟地图”:按照大地坐标组织图形，这个范围是所覆盖区域内各级比例尺地图的最大大地坐标范围。

4）根据当前屏幕显示范围，归算到对应的大地坐标范围，检索图幅信息数据文件，得到当前显示地图号（不止一幅），检索相关空间目标信息并绘图。

2.2.3 EVNS中的地图数据存放

由于硬件系统的限制，本系统中无法应用数据库管理系统。因此所有的地图数据必须存放在文件中。文件的存放方式如下:

1）不同图幅放在不同的文件夹中，文件夹的名字为该图幅所代表的行政名称。例如，对于整个浙江省地图来说，由全省地图、各个城市的地图等构成；那么文件夹名称可以是浙江省图（或者 zj），杭州地图（或 hj）等等。

2）对于每个文件夹中，存放的是该图幅的比例尺信息，地图各要素信息；事实上，一般一个文件代表地图中的一层。命名方式如下。ityname_layername。例如，道路层、河流层、街区层等。每层都有自己的坐标范围，描述了数据对象。

3）每一层（文件）中，又根据具体的情况划分为数据块；对应建立数据块索引文件；命名方式如下cityname_layername_index。不同的层，划分的方式可以不一样，也可以统一。可以是规则的，也可以是不规则的。本系统中，除道路层外，其他层均采用统一的数据块划分模式。

3 结束语

针对嵌入式车载导航信息系统体系结构进行研究，并重点讨论导航电子地图的实现。实践表明，本文建立的导航电子地图系统具有较强的灵活性和可扩展性，能方便移植于不同的软硬件平台，运行可靠，适合嵌入式系统应用，有一定的应用和推广价值。

[1]陈刚，贾奋励.超大数据量矢量电子地图显示的方法研究及实践[J].测绘通报，2000（2）：35-37.CHEN Gang，JIA Fen-li Large amount of data vector electronic map display method and practice[J].Surveying and Mapping， 2000 （2）：35-37.

[2]范一中，王继刚，赵丽华.抵偿投影面的最佳选取问题[J].测绘通报，2000（2）：25-26.FAN YI-zhong， WANG JI-gang， ZHAO Li-hua.Cover the projection plane the best selection problem[J].Surveying and Mapping， 2000（2）：25-26.

[3]谈国新.一体化空间数据结构及其索引机制研究[J].测绘学报，1998（4）：21-22.TAN Guo-xin.Integration of spatial data structure and indexing mechanism[J].Surveying and Mapping，1998（4）：21-22.

[4]吴云孙.GPS/GLONASS组合定位系统的精度分析[J].测绘信息与工程，2000（1）：63-65.WU Yun-sun.GPS/GLONASS positioning systems accuracy combined analysis[J].Mapping Information Engineering，2000（1）：63-65.

[5]王楠，王勇峰，刘积仁.一个基于位置点匹配的地图匹配算法[J].东北大学学报:自然科学版，1999（4）：35-37.WANG Nan， WANG Yong-feng， LIU Ji-ren.A locationbased map-matching algorithm for pointmatching[J].Northeastern University:Natural Science， 1999 （4）：35-37.

[6]韩雪培.GIS的地图投影功能及其作用浅析[J].地图，1999（4）：69-71.HAN Xue-pei.GIS map projection function and its role in the Analysis of[J].Maps，1999（4）：69-71.