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基于Web的无线导航服务技术及其空间数据组织方法研究

叶常春  
【摘要】:出门在外,人们离不开导航。本文旨在随时随地向人们提供细致周到的导航服务——深度的、实时的、个性化的和综合的导航帮助。 目前,陆上导航产品主要有手持导航设备和车载导航系统两种。两种产品都属于自主导航系统,除定位外不需要其他外界协助即可独立完成导航任务。自主导航系统的最大特点是本地存储电子地图,本地执行包含最优路径求解等复杂任务在内的全部计算。这一特点使得自主导航系统存在以下不足:(1)受存储容量的限制,手持导航设备无法存储精细的地图,不能向用户提供深度的导航帮助。(2)受CPU性能的限制,执行复杂计算耗时严重。(3)地图更新不及时,使用陈旧数据可能带来错误的导航。可见,手持导航设备无力提供细致周到的导航服务。 无线导航服务是一种更好的技术方案。在国外这项技术已经走向实用,不过因为属于商业机密,我们只能了解到技术概况。而在国内没有见到成功的应用案例的推出。于是,本文提出了“基于Web的无线导航服务(WWNS)”技术。WWNS系统由连接于Internet的服务器和接入移动通信网络的移动设备组成。服务器管理海量的地图数据,承担主要的计算任务,通过移动通信网络向移动设备提供全部或部分地图数据。传输协议采用HTTP协议,通讯基于XML语言。移动设备本地不存储或存储部分地图,执行简单计算和人机交互。WWNS基于Web和浏览器(安装于移动设备内),这是与国外同类技术方案的不同之处。因为将来几乎所有移动设备都会具备Web访问能力,这使得WWNS的导航服务能够送达各种各样的移动设备。 WWNS能够提供细致周到的导航服务,原因在于:(1)服务器能够存储任意精细的电子地图(不会有存储容量的限制)并共享Internet上的信息资源;(2)服务器执行复杂计算,快速响应用户请求;(3)地图数据在线维护,始终保持最新;(4)服务器融合实时信息,对外提供实时信息服务;(5)服务器开展个性化适配,支持个性化服务;(6)服务器支持位置服务集成,提供综合的导航帮助。 WWNS系统的可用性受制于三大问题。一是带宽有限问题,是指移动网络带宽有限使得地图数据无法及时送达移动客户端。二是访问量大问题,是指输出地图时需要访问大量数据使得I/O开销大。三是处理复杂问题,是指输出地图前的复杂的处理工作使得计算开销高。针对三大问题,本文分别给出有效的对策。 对于带宽有限问题,本课题从数据传输格式角度展开研究。在功能和应用前景等方面对多种传输格式作出比较分析之后,得出以下结论:基于XML的SVG语言最适宜用作WWNS的地图数据传输格式。然而,SVG文档相当累赘。针对这一问题,本课题设计和实现了两种精简方法并通过基于实际地图数据集的实验加以评测。评测结果表明,分别用GIF、JPEG和SVG描述同一幅地图,经过精简处 国防科学技术大学研究生院学位论文 理的SVG文档最简洁。进一步的统计实验得出以下数据:通过GPRS(带宽假定 为40kbPs)传输分辨率为300*200的SVG格式的地图,下行传输时间小于1秒的 占到81%。而SVG文档经过gziP压缩之后,下行传输时间小于1秒的占到97%。 可见,基于GPRS向手机传输SVG格式的地图是可行的。 对于访问量大问题,本文提出新型的空间索引作为对策。空间索引是提高访 问效率的必要手段。本文归纳分析得出导航应用的数据访问过程存在“成批性”、 “区域性”和“多尺度性”三种最重要的特性。成批性是指数据访问的总量大, 因此数据1/0宜采用大粒度。区域性是指所读取的数据总是聚集在一个矩形区域 内,因此相互邻近的要素(即空间对象)的数据记录宜聚簇存储。多尺度性是指 重要性等级相同的要素经常被一起使用,因此同等级要素的数据记录宜聚簇。传 统空间索引重点关注区域性,没有把另外两个特性考虑在内。基于传统空间索引 的数据访问方法存在UO粒度偏小和同等级要素之间的聚簇性差两个问题,造成效 率不高。为此,本文提出多尺度R一tree索引,它综合三种特性,避免了1/0粒度偏 小和同等级要素弱聚簇问题。基于实际地图数据集的性能评测表明,对于区域查 询,基于多尺度R一tree的数据访问方法在效率上明显优于基于Hilbert一R一tree或 ReactiveR一tree的数据访问方法。使用多尺度R一tree索引能够提高服务器响应速度。 对于处理复杂问题,本文从数据组织角度提供对策。由于实际应用要求WWNS 服务器能够输出任意比例尺的地图,而地图数据库出于成本考虑只存储一份基础 比例尺地图,更小比例尺的地图需通过自动综合处理得到。自动综合处理包含选 择、精简、合并、移位、局部放大和变形等操作,计算代价非常高。为降低自动 综合处理的计算代价,目前广泛采用多尺度数据库技术。该技术通过特别的数据 组织方法来支持自动综合处理。然而,己有的多尺度数据库模型存在破坏数据聚 簇性、访问无效数据的概率大和额外存储空间开销偏大等问题。为此,本文提出 了基于分片的多尺度数据库(F MSD)模型。与己有模型相比,FMSD模型的优点 有:数据组织结构更加合理、所需的额外存储空间开销更小、访问无效数据的概 率趋小和支持更多的自动综合处理操作等。FMSD模型可自然地与多尺度凡tree 索引结合在一起,加快WWNS


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