导航地图服务系统设计研究

陈荣++张婷++任华

摘 要：本文基于笔者多年从事导航电子地图的相关研究，以导航地图服务系统设计为研究对象，论文首先分析了系统设计的原则，进而全面阐述了具体的设计思路和功能组成，全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：LBS 电子地图 服务系统 设计

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）06（a）-0043-02

LBS系统的基本原理是：当移动用户需要信息服务或监控管理中心需要对某移动终端进行移动监控时，首先移动终端通过内嵌的定位设备如GPS获得终端本身当前的空间位置数据，并实时地通过无线网络把数据上传到中心；中心GIS服务器根据终端的地理位置、服务要求进行空间分析；然后将分析结果以文本或地图的形式下传到移动终端。因此，LBS技术是新信息技术和通讯技术（NCITS）相互融合和相互渗透的结果，其中包括了GIS技术、移动通讯技术和Internet技术等。

1 LBS下导航电子地图设计原则

本文认为LBS移动终端导航地图设计应采取以下几条认知设计原则：

（1）人们通过路段名字和路段节点描述路线：通过系列转向节点描述路线从一路段到另一路段，路线描述的重点是每一路段的进出节点和转向（左或右）。地图中路段的名字有助于移动用户将地图与现实世界相联系，转向方向决定移动用户在节点处行为。因此，节点信息是路线导航中的重要认知信息。（2）路标是进行空间位置判断的重要元素：移动用户利用交叉路口路标和路线沿途路标可确认自己行走的路线是否准确，这大大有助于用户导航。较大路标如水体和路线的整体形状能帮助导航者将路线与现实周围环境相联系。同样，路段距离也有助于用户判断自己的行程，所以在导航服务地图中可标注路段长度。（3）认知心理学的研究表明，阅读地图是获取心象地图、实现空间认知的重要手段。不同使用目的用户对同一幅地图可产生内容不同的心象地图，而心象地图又包含诸多地理变形，心象地图包含的内容和变形完全取决于用户用图目的。（4）移动用户的导航认知心理不仅想了解整体路线经过的所有路段和节点，而且还需准确的路线引导策略。

2 导航地图服务系统设计

LBS应用服务类型很多，如查找地物、查询地物信息、物品追踪等。本节研究LBS导航服务地图的系统设计。

2.1 系统设计目标

本导航地图服务系统的设计目标是“满足导航用户空间认知需求”，并以“一次请求，多次反馈”模式提供道路导航认知信息。即基于空间导航认知需要，导航地图服务系统不仅向用户提供整个路线的概观简图，而且同时传输路线中的认知难点区域，如环岛、高架桥等周围的细部地图传输给用户，使移动用户在不同时刻可以选择不同的地图界面来获取当前所需的道路信息。如假定“国贸桥”行走地段是一认知难点，则系统会提供给用户的该区域的详细地图。

路线概观简图只包含对用户导航目的有重要认知价值的地理信息，这种经综合制作成的简化概观地图不仅图幅尺寸少，符合移动终端的小屏幕特点而且能满足用户在导航初始阶段对路线整体信息的认知需求。

本系统采用B/S模式，地理数据以ArcGIS形式存储在后台服务器数据库中，并且数据库中的地名和路段都有相应的等级划分。客户端通过输入起点和终点地名对，向服务器请求导航服务。服务器计算从出发地到目的地的最佳路径，以简化图的形式表现整个道路信息，同时将线路中的认知难点发送给用户，这样既减轻了用户的认知负担，也满足了用户的任务需求及网络和硬件条件。该系统有几大部分组成，见图1。完整的服务请求流程为：

（l）根据导航用户输入的出发地A和目的地B地名对，路径查询部分在道路网络数据库中，根据每一路段的方向和权值找出从A到B的最佳路径LAB；（2）根据得到的最佳路径LAB，地标搜索部分在数据库中提取路线LAB经过的所有地名地标集M{Ml，……，Mn}和节点集{a1，……，an}，并依据地名等级数据库查找出地标集M中各地标的认知等级；（3）道路简化部分根据本文所提出的认知简化原则进行地图简化，形成从出发地A到目的地B的路线认知简化图，地图内容只包含简化路线和沿途路线地标信息；（4）为保证移动用户在较小视野范围内最大限度得到有关路线导航信息，计算机制图部分需对地图组成元素进行地图布局形成简化路线地图；（5）最后，系统将地图制作成图片并以网页形式向用户发布。同时传输路线中认知难点区域的细部地图。

2.2 系统流程

2.2.1 最佳路径计算

最佳路径算法非本文的研究重点，因此，最佳路径的计算采用后台服务器平台ArcGIS自带的最佳路径算法，查询起点A到终点B的最佳路径LAB。

2.2.2 路线简化

路线简化包含几小部分，如图2所示。倘若按照常规简化原则简化路线长度，即路段具有统一比例尺，那么路线中的短路段在地图中就会变得很小，既不利于地图标注，也不利于用户对路线的整体认识和了解。在本文提出的“有效认知”简化原则下，为使组成路线的所有路段在一定的视野范围内都清晰可见，需要对路段长度进行不等比例尺的简化，即对长距离路段进行长度压缩，而对短距离路段进行放大，见图2（c）。这样形成的路线简化图（c）既能满足用户对导航的认知需求，同时也符合移动终端的屏幕限制，使用户在小视野范围内最大限度掌握整体路线情况。

另外，简化过程要删除路线中对导航认知没有较大意义的形状细节，保留路线中有重要认知价值的节点，并且尽可能将两重要节点间的路段简化成直线段，如图2（b）是删除了原始道路形状细节的简化直线图。

2.2.3 地标搜索

地标搜索根据计算出的最佳路径LAB检索路线经过的地名地标和地标等级，如图3，并找出距离出发点A和目的地B最近的最高等级地标ai，bi，向用户提供Aai间的详细路线图和biB间的详细路线图。endprint

Aai间和biB间这两区域的详细地图对用户导航认知很关键，因为对于城市地名而言，由于不同地名在交通网络、历史事件以及旅游价值等多方面重要性不同，导致人们对不同等级的地名有不同的熟知度，所以人们对不同等级的地标位置和周围环境有不同的认知度和熟悉度。例如，居民不可能熟悉所居城市的任何角落，尤其是对像北京、上海这样的大都市更是如此，外出办事打出租车，常常是司机也不熟悉所去单位的具体位置。下面举几个例子来说明问题：

（1）大部分人对北京“先农坛体育场”不熟悉，但说到在“天坛公园”附近，可能有大部分人（60%）因知道“天坛公园”位置而明白“先农坛体育场”的大致方位；若“天坛公园”的等级还低，那么说“先农坛体育场”在“前门”正南2 km处，相信有绝大部分人（88%）因知道“前门”位置而明白“先农坛体育场”的大致方位。（2）同样，“中国评剧大剧院”→“木择园”→“永定门”，人们熟悉“永定门”或“木挥园”的具体走法，从而知道“中国评剧大剧院”的位置。（3）再如，“中国测绘科学研究院”→“永定路口”→“五棵松”等等，这样的例子在生活中比比皆是。

综上所述，人们对某地名行走路线的熟知度随着地名等级的下降而降低，所以需对地图中的地名进行等级划分，确认路线中用户的认知难点。对地理信息服务系统而言，不仅要给用户整个路线概观简图，而且要将用户的认知难点进行细化表达，充分考虑数据资源和硬件资源的有效利用。

2.2.4 计算机制图

为符合人们的用图习惯，地图布局将路线起点设置在屏幕底端，并且路线走向沿着移动终端的长端。因为对于这样的地图，用户使用起来不需要经过思维旋转，就可将地图中的地理空间关系对应于人们头脑中的心像地图，因此，这种地图布局使用起来更加方便，多数导航应用系统采用的是这种地图布局形式。传统的“上北下南左西右东”的地图布局适合于规划，而走向朝上的地图布局由于符合人们的认知使用习惯而更加适合于应用。

2.2.5 地图发布

地图发布根据用户需求，将绘制出的简化地图和修饰信息以网页形式传送给移动用户，形成一个最终的网页地图。

3 结语

本文主要讲述系统的设计目标和预期成果，介绍系统流程与构成，分析系统中的组成部分以及每一部分的实现功能。

参考文献

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[2] 余涛平.掌上电脑手机导航电子地图设计与实现[D].武汉：武汉大学，2009.endprint