导航电子地图位置精度及检测方法

蔡艳辉，章 炜，闫庆庆，王晓迪，白 金，马 旭

（1. 国家测绘产品质量检验测试中心，北京 100830；2. 自然资源部 地理信息管理司，北京 100034）

0 引言

导航电子地图的空间位置精度既是重要的质量指标，也是涉及安全的关键指标。作为1种公开版的地理信息产品，导航电子地图空间位置需进行强制性技术处理[1]，同时，公开表示的地理信息内容也需要进行审查。因此，导航电子地图在地图表现形式和地图功能上，都不同于普通地图，其中最主要的就是，导航电子地图与地物之间不再是纯地图投影关系，在地图上直接进行空间分析将带来很大的误差。

由于公开版的导航电子地图引入了人为的非线性位置偏转，所以在导航电子地图质量标准中，一般都并未将空间位置精度作为质量元素[2-3]。导航电子地图相关的学术研究中，涉及空间位置精度的分析也相对较少。但在导航电子地图后台服务系统提供的查询、线路规划、实时导航、缓冲区分析等各种地理信息应用中，实际上都需要考虑数据精度问题。为了客观准确地评价公开版导航电子地图的空间位置精度以及相关的应用，本文从地图数据和地图服务两个方面，定义了导航电子地图图面位置偏差和导航电子地图用户可获得定位服务精度的概念，同时，提出1种基于安卓（Android）平台架构的导航电子地图位置精度检测方法。

1 导航电子地图的空间位置精度概念

1.1 地图位置精度

对于传统的纸质地图，通常人眼能分辨的两点间的最小距离是约0.1 mm，把地形图上0.1 mm所能代表的实地水平距离称为比例尺精度[4-5]，因此，只要测量地物的位置精度小于比例尺精度，就能满足该比例尺地图制图的数据源要求。另一方面，地形图制作是1个复杂的过程，从大地控制点成果、航测成图到编绘、印刷出版整个过程中的每一道工序，都可能存在误差，因此，最后成图的地图位置精度，定义为地图上某一地点或地物轮廓点偏离它们真实位置的程度, 其值大小通常表示为

1.2 导航电子地图生产和服务

导航电子地图属于服务于大众的公开版地图，其生产流程除了传统的地图生产环节外，还需进行地图安全技术处理、地图内容的审查和出版登记。其中：地图安全技术处理包括对矢量地图数据的空间位置进行非线性的位置偏转，实现人为位置精度的降低处理，其数据变换流程如图1所示。

图1 导航电子地图数据变换

地图投影为

非线性变换为

式中：b、l为地面点的经纬度坐标；x=f x(b,l)、y=f y(b,l)为地图投影函数；x′=g x(x,y)、y′=g y(x,y)为非线性位置偏转函数；x′、y′为最终公开版地图空间位置坐标。

导航电子地图数据的非线性偏转处理由专门机构研发，以应用程序编程接口（application programming interface, API）的方式发布，授权使用。在实际应用中，各地图生产厂商都需要通过API插件进行数据变换后，才能为用户提供服务。

1.3 导航电子地图的空间位置精度

由于导航电子地图制作过程中增加了地图空间位置的人为偏转，最终的地图数据已不再是测绘学意义下的地图投影变换数据，实际上演变为1种广义的映射地图。随着互联网技术的发展，导航电子地图服务一般都需要后台服务系统支持，因此，导航电子地图的空间位置精度可以从两个方面来定义：

1）地图图面位置偏差。地图图面位置偏差定义为地图图面坐标与实测位置的偏差，本质上就是将导航电子地图视为传统地图，按1.1节的概念定义地图位置精度，将人为的非线性偏转偏移量视为地图空间位置的点位误差，按照图面图解坐标与实测坐标的差值统计地图的精度。所以，地图上一点的图面位置偏差包含了地图本身的位置误差和非线性偏转引入的误差。即

式中：ΔiD为地图上第i点的位置偏差；Δdi为第i点的地图本身的位置误差；Δgi为第i点非线性偏转偏差。

由于人为的非线性偏差在一定的范围内表现为系统性偏差，而非随机误差，且数值远大于地图本身的位置精度；因此采用“偏差”比“误差”更能准确表达其本质。在 Δdi＜＜Δgi时，Δdi可忽略，ΔDi近似等于Δgi。

尽管非线性位置偏转后的坐标可以公开，但导航电子地图图面一般不支持用户直接获取坐标，用户只能通过导航电子地图服务系统提供的专用接口获取偏转后的地图位置坐标数据。

2）用户可获得定位服务精度。用户可获得位置服务精度的定义为，导航电子地图及其服务系统为用户提供的用户可获得的定位服务精度，该指标由导航电子地图数据和支持服务系统共同决定。

导航电子地图的导航服务与地图数据通常都是集成在一起提供的，用户使用导航电子地图时，实际上是使用导航电子地图软件系统提供的、基于地图数据的分析服务，导航电子地图所展示的仅仅是地图数据和分析结果的综合提示信息。因此，用户可获得定位服务精度是从用户应用的角度来定义的导航电子地图位置精度。

导航电子地图定位服务实际上是1个大系统，当用户启用全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）定位时，导航电子地图软件系统将获得当前实际位置坐标，并将位置信息发送到后台云端服务器，通过云计算完成相关空间数据分析，然后将结果发送到导航电子地图软件前端显示，导航电子地图显示的位置与用户实际位置之间存在一定偏差，如图2所示。

图2 导航电子地图用户可获得定位服务精度示意

根据定位导航服务的全过程，导航电子地图图面显示点的位置精度可表示为

式中：σAll为导航电子地图图面检测点的位置精度；σMap为导航电子地图用户可获得定位服务精度；σGNSS为GNSS测量的位置精度；σothers导航电子地图定位服务云系统的其他误差影响。

当采用高精度GNSS定位时，可忽略GNSS定位误差和系统处理导致误差的条件，因此用户获得的定位服务精度就是用户所在位置与用户图面显示位置之间差值的统计均方差。

2 导航电子地图精度检测方法

2.1 地图图面位置偏差检测方法

在导航电子地图上选取一些道路特征点和兴趣点（point of interest, POI）作为检测点，通过高精度参考数据或外业实地测量的方式，获得检测点的绝对坐标。同时通过导航电子地图软件接口，获取监测点的图面坐标，采用式（1）计算相同样本点之间的位置差值，统计评估导航电子地图图面的均方差为

式中：Δdi为实测坐标和图解坐标的距离，本质上包含地图本身的误差和非线性偏转引入的误差；为地图图面位置偏差值的均方差。

2.2 用户可获得定位服务精度检测方法

用户可获得定位服务精度检测，需要通过导航电子地图软件系统的定位服务进行采样来完成。

在导航电子地图上选取道路及重要设施的特征点，如道路交叉点、建筑拐角、公交车站、天桥楼梯转角等作为特征点，在选取的特征点上，通过手机的GNSS定位软件（如图3所示）实地获取手机GNSS接收机的定位结果，同时记录导航电子地图软件定位的位置，由于导航电子地图上特征点的位置与特征点实地位置存在一定偏差，通过手持测距仪、皮尺、测量杆等方式，测量距离偏差。

图3 手机版导航电子地图特征点测量

为了降低GNSS定位误差，需进行多次测量，对多组测量结果取平均值，获得检测点的平均定位结果和偏差平均值。实际应用中，每个检测点的测量次数不少于20次[6]，通过观测数据取平均，计算最终的精度。通常手机GNSS定位精度约为5 m[7-10]，则测量20次平均值的精度相比而言，GNSS定位误差可忽略。由式（5）可得地图精度为

在Android系统下，应用软件都通过虚拟接口访问系统平台GNSS设备，因此在静止条件下，通过GNSS定位软件获取的位置坐标与导航电子地图获取的位置信息是同源的，相当于将相同的数据分别送到了不同的应用系统，等同于获取了导航电子地图使用的绝对位置坐标。

3 实验与结果分析

3.1 实验数据

为验证本文的方法，选择了国内4个较有影响的导航地图产品（地图1、地图2、地图3、地图4），测试硬件统一采用了Android系统的三星平板电脑（portable Android device, PAD）为硬件平台，PAD内置有GNSS定位模块，安装有4家的手机地图软件，并集中下载采样区的数据到三星PAD中。

测试的样本数据覆盖大城市、省会、地县级城市。在全国范围内，选择了8个检测样区，每个检测样区内不少于20个点，每个检测点需独立测量20次，同时采用高精度卫星影像对地面特征点的坐标进行检校，进一步消除PAD定位的粗差。

3.2 地图图面位置偏差检测结果

通过4家地图厂商提供的API接口，分别获取各个检测点的开放坐标，按式（1）计算偏差值，统计结果如图4所示。

图4 各样区地图绝对位置偏差

从图4可以看出：地图1的公开坐标的平均偏差为1 305.3 m；地图2的公开坐标的平均偏差平均为552.0 m；地图3的公开坐标的平均偏差平均为553.8 m；地图4的公开坐标的平均偏差平均为552.7 m。地图2、地图3及地图4的位置偏差相近，地图1的位置偏差明显大于其他3家。各家在样区6和样区8的位置偏差都明显低于其他检测样区。

地图图面位置偏差检测结果表明：

1）不同城市导航电子地图图面位置偏差表现出较大的变化，样区5结果与样区8结果相差达到400多米。

2）不同厂商的导航电子地图产品图面位置偏差变化具有相关性，尽管不同样区的偏差大小互异，但整体具有一致的变化特性。

3）地图1与地图2、地图3、地图4具有显著的偏差量，另外3家地图产品的图面位置偏差的幅度基本一样。

测试结果也表明，地图图面位置偏差值主要是非线性变换引入的偏差值，且各家采用的非线性变换算法具有相似性。由于其偏移幅度远大于地图本身的随机误差，整体表现为系统性偏差，由于该偏差是人为引入的，不能反映导航电子地图本身的地图精度特性。

3.3 用户可获得定位服务精度检测结果

用三星PAD进行现场测量并记录数据，采用式（6）计算用户可获得定位服务精度，忽略导航电子地图服务系统运算导致的误差影响，统计分析结果如图5所示。

图5 用户可获得服务精度

从图5可以看出：地图1的用户可获得定位服务精度平均为5.0 m；地图2的用户可获得定位服务精度平均为6.4 m；地图3的用户可获得定位服务精度平均为6.0 m；地图4的用户可获得定位服务精度平均为5.9 m。各家导航电子地图提供用户可获得的定位服务精度相当。

用户可获得定位服务精度检测结果表明：

1）同一地图厂商的数据在不同城市之间，用户可获得定位服务精度分布具有随机性；

2）不同厂商的用户可获得定位服务精度分布，在不同样区之间具有一致变化特性；

3）尽管地图1图面位置偏差很大，但地图1与其他3家地图产品的用户可获得定位服务精度平均值基本一致，约为6 m。

实测结果也表明，用户可获得定位服务精度反映了导航电子地图数据本身的精度特性，从用户的角度上看，4个地图提供给用户的导航体验基本一样，各家没有本质区别。另一方面，尽管公开版导航电子地图都增加了人为的非线性偏转变换，空间位置存在较大的偏移，但由于有后台的导航服务系统的支持，用户仍然可以获得较高精度的定位服务。采用用户可获得定位服务精度的概念及其检测方法，能够有效回避非线性偏转的影响，准确反映地图数据及其服务的精度特征。

4 结束语

导航电子地图的精度是提供高质量导航服务的基础，本文从导航电子地图的数据和应用的角度，定义了导航电子地图图面偏差和用户可获得服务精度概念，对我国公开版导航电子地图的位置精度特性进行描述，结合当前导航电子地图应用的实际，给出了1种基于Android平台的导航电子地图位置精度检测方法。实测数据结果显示，本文的方法能够较好地反映当前导航电子地图空间位置精度的情况，可以服务于导航电子地图数据质量及安全监管。