第三章 路径规划的分析及设计 9 第三章 路径规划的分析及设计
3.1 导航电子地图数据库的设计
3.1.1 导航电子地图的数据结构与数据模型
1.常用导航电子地图数据模型与结构 （1）空间数据结构
空间数据结构包括矢量结构、栅格结构及矢量栅格一体化结构三种。 ①矢量结构
该结构用空间坐标及其关系描述空间对象，单个空间对象是图形数据的基本逻辑单位。其优点是对图形数据表达良好、结构紧凑、冗余度低。缺点是数据结构复杂，对软硬件要求高。根据数据结构中空间对象的组织形式与联系程度又分为描述结构、整体多边形结构、对偶独立地图编码结构及ARC-NODE结构。
②栅格结构
该结构用点的像素表示空间对象。其优点是结构简单、显示速度快。缺点是精度较差、网络拓扑建立困难。根据像素的存贮结构及空间单元不同，具体又分为栅格编码结构、嵌套结构、不规则结构等多种形式。
③矢量栅格一体化结构
该结构综合了两种结构的优点，在许多电子地图中得到了应用。 （2）属性数据的数据模型
目前，属性数据采用的模型有层次模型、网状模型和关系模型。 ①层次模型
该模型的基本结构是树形结构。层次模型数据库系统是数据库领域发展最早的一种，目前已基本不用，但其在数据库发展历史上有着重大的作用和影响，以后的模型均受其影响。
②网状模型
网状模型明显优于层次模型，数据显示和数据操作方法均呈现高效、成熟的特点，但是，网状模型不足之处在于使用时涉及系统内部因素较多，用户操作使用不方便，数据模式与系统实现也甚不理想。
10 GPS车载导航仪的路径规划研究 ③关系模型
关系模型是完全不同于前两种模型的一种新的模型，前两种模型一般被称为格式化模型，而关系模型一般称为非格式化模型，其基本结构是二维表，简称表（table）。二维表由表框架和元组组成，表框架由n个属性（或称为列）组成，而存放于框架内的每行数据称为元组（或称为行），因此，一张二维表是由一个n元属性的框架及m个元组组成。关系模型中的操作是建立在二维表上的操作，包括对一张表及多张表间的查询、删除、插入及修改等操作。
2.面向对象的整体数据结构
面向对象的整体数据模型是将面向对象（object oriented）思想和面向对象的分析设计方法应用到空间数据模型的设计中，将各种空间实体抽象为某一类具有公共属性的对象，如点、线、面等对象，每个具体的地理实体是该对象的一个实例，具有自己的属性，各种对象分层管理，实现空间数据与属性数据的统一管理。
面向对象的整体数据模型强调的是整体与面向对象的概念。它不仅将地理世界以实体为单位进行组织，而且将客观世界作为一个整体看待，即每个实体不仅自身具有空间特性和属性特性的联系，更重要的是它与其它实体之间同时还具有逻辑上的语义联系，此外，它也具有时间属性。面向对象的方法为数据模型的建立提供了四种数据抽象技术（分类、概括、联合、聚集）和两种数据抽象工具（继承和传播），利用这些技术所构造的数据模型要比传统的数据模型丰富的多，更适用于定义复杂的地理实体和对复杂对象的直接操作。因此，面向对象的整体数据模型是一种有效的空间数据模型。
面向对象的方法为描述复杂的空间信息提供了一种直观有效的方法。与传统的导航电子地图数据模型相比，面向对象的数据模型具有的优点是：结构清晰、组织有序，所有空间实体都以对象的形式封装；可以定义和处理复杂的空间实体；易于扩充和二次开发；面向对象的用户界面更便于用户操作和使用。 3.1.2 导航电子地图数据库的设计原则
在智能车辆导航系统中，导航电子地图工作于实时、多任务的环境，图形的显示、刷新、信息查询、拓扑关系等是数据结构设计必须考虑的重要因素。一般设计导航电子地图数据库应遵循以下原则：
第三章 路径规划的分析及设计 11 ①图形结构简单。由于导航电子地图主要包含点、线、面等空间对象，简单的图形结构具有数据量少、刷新快、图形剪裁方便等特点。
②冗余度小。小的地图数据冗余度将使地图信息查询、路径搜索的速度都得以提高，同时降低数据的储存空间。
③拓扑关系简单。简单明了的拓扑关系将缩短最优路径规划及地图匹配时间。 ④空间信息查询速度快。好的数据结构将提高空间信息的查询速度。 ⑤数据接口开放。电子地图中的非空间数据具有良好的数据接口，能够兼容商用的非空间数据库。
3.1.3 导航电子地图数据库的结构设计与实现
导航电子地图数据库是整个系统的基石，系统中几乎所有的模块都直接或间接的与其相关，其结构设计的好坏将直接影响整个系统的最终性能。综合考虑各方面因素，采用三层结构模式，以便充分利用面向对象程序设计方法的特性，使各层之间保持低耦合、高内聚的特点，层与层之间以通过的接口方式保持通讯，其层次结构如图3.1所示。
接口层 空间对象 属性数据 核心层 对象访问 索引操作 属性操作 读写层 二进制文件读写模块 OBJ文件 IDX文件 DBF 文件 其他 文件
图 3.1 导航电子地图数据库的层次结构
第一层为接口层，包括空间对象与属性结构。该层为设计的数据库进行二次开发提供了一系列的接口。应用软件设计人员可以调用该结构访问数字地图文件，并对地图对象和属性数据进行操作，例如属性数据的查询等。
12 GPS车载导航仪的路径规划研究 第二层为核心层，是实现整个数据库的关键部分，涉及到得数据结构和算法在这部分实现。
第三层为读写层，完成对二进制文件底层读写操作。系统的其他部分不能对数据库文件直接进行操作。读写层抽象了对文件进行操作的特性，封装了对磁盘链的管理和读写操作等。
图3.2给出了导航电子地图数据库实现流程，整个过程可以分为文件层、用户层和接口层三部分。
人机接口界面 （地图显示、信息查询、路径规划及地图匹配等功） 用户层 空间数据 属性数据 接口层 空间对象/索引对象/属性对象 地图数据库文件读写 导航电子地图数据库文件 （即.OBI、.IDX、.DBF及.TP文件） 文件层 格式转换及拓扑生成
数据格式分析/关键数据解析
图 3.2 导航电子地图数据库实现流程
外部地图数据源 3.2 导航电子地图中道路网络的拓扑生成方法
3.2.1 导航电子地图中道路网络的模型与储存
1.导航电子地图中道路网络的数据模型
道路网络的数据模型，是指导航电子地图道路网络用来组织其数据所采用的模型，它是生成具有拓扑结构道路网络的基础。目前，有关道路网络的数据模型
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