第一篇 應(yīng)急物流配送車(chē)輛導(dǎo)航地圖多尺度空間數(shù)據(jù)模型研究

第二章 應(yīng)急物流配送車(chē)輛導(dǎo)航地圖多尺度空間數(shù)據(jù)模型研究綜述

第一節(jié) 問(wèn)題的提出與研究意義

一 問(wèn)題的提出

“尺度是在空間數(shù)據(jù)分析處理中到處都要碰到的問(wèn)題，應(yīng)將它作為與空間、時(shí)間和主題一樣的基本因素”（Cola, L. D., 1997）。“在自然現(xiàn)象中，生物界及非生物環(huán)境中存在著各種尺度的變化；社會(huì)、經(jīng)濟(jì)過(guò)程和現(xiàn)象中同樣存在著尺度特點(diǎn)。對(duì)于由地理現(xiàn)象的多尺度問(wèn)題所引發(fā)的空間數(shù)據(jù)的多尺度特征及其表示方法的研究是地圖學(xué)與GIS不能回避的問(wèn)題”（王家耀、成毅，2004）。“地圖概括具有高度的尺度效應(yīng)。經(jīng)過(guò)量化的綜合集成、合理利用，將會(huì)產(chǎn)生一些全新的科學(xué)概念，發(fā)現(xiàn)一些全新的規(guī)律”（陳述彭，2001）。

美國(guó)國(guó)家地理信息與分析中心（NCGIA）于1988年在其創(chuàng)新研究計(jì)劃中提出研究空間數(shù)據(jù)的多重表示問(wèn)題。1992年SMALL WORLD的Rich-ard G. Newell等人將空間數(shù)據(jù)的多尺度處理與表示列為GIS領(lǐng)域的十個(gè)難題之一。研究支持相同現(xiàn)象的多重表示共存于同一數(shù)據(jù)庫(kù)中的新的數(shù)據(jù)表達(dá)與管理方法，已列入由歐洲多家研究機(jī)構(gòu)參與的、在歐共體（歐盟前身）資助下的MurMur（Mutiple Representations, Multiple Resolutions）項(xiàng)目的研究計(jì)劃中，并于2000年1月啟動(dòng)。國(guó)際攝影測(cè)量學(xué)會(huì)（ISPRS）數(shù)據(jù)綜合與數(shù)據(jù)挖掘工作組也于2002年7月在加拿大渥太華以“空間數(shù)據(jù)的多尺度表示”為主題召開(kāi)學(xué)術(shù)會(huì)議（ISPRS Comission Ⅳ ＆ ICA），研討與多尺度表示有關(guān)的基礎(chǔ)理論問(wèn)題。隨著數(shù)字地球、數(shù)字省、數(shù)字區(qū)域和數(shù)字城市研究與應(yīng)用的深化，多尺度空間數(shù)據(jù)模型與自動(dòng)綜合的理論已成為研究的熱點(diǎn)之一。

“尺度”是地理現(xiàn)象中最基本但也是難以理解和容易混淆的概念之一，它有多種含義，在這里一般指信息被觀察、表示、分析和傳輸?shù)脑敿?xì)程度。由于不可能觀察到地理世界的所有細(xì)節(jié)，而多種地理現(xiàn)象和過(guò)程的尺度行為也并非按比例均勻變化，因此需要研究地理實(shí)體的空間形態(tài)和過(guò)程隨比例尺變化的規(guī)律，這是建立GIS多尺度空間數(shù)據(jù)處理模型表示方法的基礎(chǔ)（王家耀、成毅，2004）。

地圖制圖綜合歷來(lái)是地圖學(xué)中最富挑戰(zhàn)性和創(chuàng)造性的研究領(lǐng)域。數(shù)字環(huán)境下空間數(shù)據(jù)的自動(dòng)制圖綜合仍是現(xiàn)代地圖學(xué)面臨的核心問(wèn)題之一。原因如下。

1．利用大比例尺數(shù)字地圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)較小比例尺地圖時(shí)，必須采用自動(dòng)制圖綜合方法；

2．基于大比例尺基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)派生多尺度（比例尺）空間數(shù)據(jù)庫(kù)及實(shí)施多尺度空間數(shù)據(jù)庫(kù)一體化更新時(shí)，自動(dòng)制圖綜合方法是最有效的解決途徑；

3．為適應(yīng)地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System, GIS）中多尺度空間數(shù)據(jù)表達(dá)的要求，不僅必須采用自動(dòng)綜合方法，而且應(yīng)該是在線的；

4．在構(gòu)建空間數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，需要采用自動(dòng)綜合方法從不同部門(mén)、不同地區(qū)的異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中抽取符合用戶主題（解決問(wèn)題）所需的空間數(shù)據(jù)。

正是基于空間數(shù)據(jù)自動(dòng)綜合研究的重要性，國(guó)際學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期以來(lái)，特別是近十年來(lái)一直對(duì)該領(lǐng)域的研究給予充分的關(guān)注，形成了一大批有價(jià)值的理論與技術(shù)成果。但是，由于空間數(shù)據(jù)自動(dòng)綜合問(wèn)題的復(fù)雜性，目前的研究成果離問(wèn)題的全局解決，特別是實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離（王家耀，2008）。

“從發(fā)展的觀點(diǎn)看，傳統(tǒng)地圖制圖時(shí)代，制圖人員最關(guān)注的有兩個(gè)問(wèn)題：一是制圖資料來(lái)源；二是制圖綜合。如今，天空地一體化的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)、多種來(lái)源的地圖、各種社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料及各種臺(tái)（站）觀測(cè)數(shù)據(jù)都成了制圖資料源。特別是在當(dāng)今大數(shù)據(jù)時(shí)代，制圖資料源已不存在問(wèn)題了，但卻帶來(lái)了制圖資料多源異構(gòu)的嚴(yán)重問(wèn)題；數(shù)字制圖環(huán)境下的制圖資料的多源異構(gòu)特性，更是給制圖綜合帶來(lái)了新的難度。”（王家耀，2013）。

“由于地理信息的自動(dòng)綜合這個(gè)困擾地圖學(xué)及GIS界的國(guó)際性難題至今難以解決，當(dāng)前的GIS數(shù)據(jù)庫(kù)為了滿足人們?yōu)g覽空間數(shù)據(jù)集的不同需求，不得不存儲(chǔ)多種比例尺、不同詳細(xì)程度的空間數(shù)據(jù)，即同一空間實(shí)體的多種表示共存于同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余及相應(yīng)的一系列弊端，更重要的是在進(jìn)行跨圖幅綜合分析時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列的問(wèn)題。因此需要尋求合適的多尺度空間數(shù)據(jù)處理與表示方法，能夠通過(guò)多尺度的操作，使之從一種表示完備地過(guò)渡到另一種表示。這種完備性包括保持相應(yīng)尺度的空間精度和空間特征，保持空間關(guān)系的一致性以及維護(hù)空間目標(biāo)語(yǔ)義的一致性”（王家耀，2004）。

現(xiàn)代物流管理發(fā)展的一個(gè)鮮明特點(diǎn)是以通信技術(shù)、信息技術(shù)等為代表的高新技術(shù)的應(yīng)用，其目的是通過(guò)物流信息技術(shù)整合物流系統(tǒng)資源，使物流系統(tǒng)發(fā)揮最大的整體效益。這種要求首先反映在提供車(chē)輛貨物的全過(guò)程跟蹤、準(zhǔn)時(shí)運(yùn)輸和降低物流成本方面，而車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)正是實(shí)現(xiàn)物流車(chē)輛監(jiān)控、調(diào)度的有力工具。

近年來(lái)，車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)越來(lái)越為人們所接受，逐漸成為在復(fù)雜的城區(qū)道路中尋找捷徑的重要工具。用于導(dǎo)航的大比例尺城區(qū)地圖往往數(shù)據(jù)量龐大，動(dòng)輒包含成千上萬(wàn)的路段和節(jié)點(diǎn)。但用于導(dǎo)航的車(chē)載設(shè)備卻大多只有很有限的計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量，直接在這樣的地圖上進(jìn)行路徑分析求最優(yōu)路徑勢(shì)必造成導(dǎo)航系統(tǒng)反應(yīng)遲緩、力不從心。為提高反應(yīng)速度，一些市場(chǎng)上的系統(tǒng)往往采用一些簡(jiǎn)單的近似算法搜索可行路徑，但單純追求速度的結(jié)果是求得的路徑與實(shí)際最優(yōu)路徑偏離甚遠(yuǎn)，常常得出一些荒謬的結(jié)果，造成駕駛員對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)喪失信任，甚至因此放棄對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的使用。

導(dǎo)航道路數(shù)據(jù)具有多尺度特性，對(duì)導(dǎo)航地圖進(jìn)行多尺度分析處理可以讓車(chē)載設(shè)備根據(jù)導(dǎo)航需要從服務(wù)器下載不同尺度和區(qū)域的地圖，在相對(duì)簡(jiǎn)化的子圖上進(jìn)行路徑尋優(yōu)。由于濾掉了大量的冗余元素，可以在子圖上采用精度較高的搜索算法而不影響導(dǎo)航系統(tǒng)的反應(yīng)速度，這樣就允許車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)在速度和精度之間尋求平衡，從而可以在硬件資源受限制的情況下快速獲取較優(yōu)的導(dǎo)航方案，這是解決上述問(wèn)題較為理想的方案，也是導(dǎo)航數(shù)據(jù)建設(shè)與應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。然而，車(chē)輛導(dǎo)航地圖因其應(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)，其多尺度性與一般多尺度空間數(shù)據(jù)模型相比有著獨(dú)特的表現(xiàn)形式。在導(dǎo)航數(shù)據(jù)中由于定位精度和路徑引導(dǎo)的要求，“比例尺”的概念與一般的多尺度空間數(shù)據(jù)有很大不同，不同尺度的導(dǎo)航數(shù)據(jù)之間一般不存在精度與概括程度的差異，只是所表示的道路的重要程度不同。

目前車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)的多尺度空間數(shù)據(jù)模型的理論成果與實(shí)際車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用需求之間仍有較大差距。綜觀目前該問(wèn)題的多數(shù)相關(guān)研究，可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的研究有的是直接采用一般多尺度空間數(shù)據(jù)模型的方法，沒(méi)有考慮導(dǎo)航道路數(shù)據(jù)多尺度分析的特點(diǎn)；有的提出的綜合指標(biāo)帶有很大任意性，缺乏充分的理論基礎(chǔ)。另外，車(chē)輛導(dǎo)航問(wèn)題具有一定的目標(biāo)性和局域性：每次行車(chē)的目標(biāo)不同，用戶關(guān)注的目標(biāo)也隨之變化，轉(zhuǎn)到與目標(biāo)最相關(guān)的那部分元素。而大多數(shù)現(xiàn)有模型的共同問(wèn)題是：多尺度變換時(shí)選取的構(gòu)成子圖的元素都是固定的、對(duì)于整個(gè)路網(wǎng)較重要的元素，而沒(méi)有考慮到隨著每次行車(chē)目標(biāo)的改變，各個(gè)元素對(duì)于問(wèn)題求解的重要性也隨之變化了。要求解的問(wèn)題改變了，組成導(dǎo)航地圖的道路元素卻沒(méi)有隨著變化，這就導(dǎo)致生成的子網(wǎng)與原來(lái)的路網(wǎng)在問(wèn)題求解空間方面存在較大的偏差。由于上述原因，盡管采用了高精度的搜索算法，仍然會(huì)由于子圖與原圖的解空間差異較大的緣故造成求解精度不夠理想的問(wèn)題。

總的看來(lái)，無(wú)論是從理論還是從技術(shù)方面，對(duì)導(dǎo)航地圖多尺度數(shù)據(jù)模型的研究還是非常初步的，難以滿足車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)處理的需求。

為此，本書(shū)嘗試采用系統(tǒng)科學(xué)和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析的相關(guān)理論和方法來(lái)建立新的適合車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)的多尺度空間數(shù)據(jù)模型，為車(chē)輛導(dǎo)航空間數(shù)據(jù)分析的實(shí)時(shí)、精確化處理展開(kāi)探索性研究。

二 研究意義

空間數(shù)據(jù)的多尺度處理與表示是當(dāng)今地理信息科學(xué)領(lǐng)域理論與方法研究的重要的前沿性問(wèn)題。隨著數(shù)字地球、數(shù)字省、數(shù)字區(qū)域和數(shù)字城市研究與應(yīng)用的深化，多尺度空間數(shù)據(jù)模型與自動(dòng)綜合的理論已成為研究的熱點(diǎn)之一。對(duì)車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)多尺度空間數(shù)據(jù)模型進(jìn)行廣泛和深入的研究，建立相應(yīng)的理論和方法，對(duì)于社會(huì)化物流活動(dòng)、物流企業(yè)的發(fā)展以及該領(lǐng)域理論的深化都具有重要的意義。

在應(yīng)用方面，本書(shū)針對(duì)車(chē)載終端計(jì)算能力難以適應(yīng)導(dǎo)航地圖龐大數(shù)據(jù)量的問(wèn)題，構(gòu)建了車(chē)輛導(dǎo)航地圖分解算法，可以利用車(chē)載設(shè)備有限的計(jì)算能力同時(shí)獲得快速的反應(yīng)速度和較高的求解精度，為物流車(chē)輛導(dǎo)航提供了兼顧速度和精度的解決方案。如果配合以物流車(chē)輛的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控與實(shí)時(shí)調(diào)度等技術(shù)，可以為物流中心的車(chē)輛實(shí)時(shí)導(dǎo)航與調(diào)度工作提供支持。

在理論方面，本書(shū)所提出的相對(duì)連通系數(shù)指標(biāo)，為快速、準(zhǔn)確地從網(wǎng)絡(luò)中提取與節(jié)點(diǎn)（集）最相關(guān)的空間關(guān)系提供了一種度量工具，完善了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)重要性理論，彌補(bǔ)了現(xiàn)有指標(biāo)難以精確度量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相對(duì)行車(chē)目標(biāo)的連通性的不足，不僅為導(dǎo)航地圖的多尺度分解奠定了基礎(chǔ)，而且對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、圖論分析、疾病傳播分析、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由選擇等領(lǐng)域中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)關(guān)系的分析也具有一定的參考價(jià)值。

本書(shū)研究建立的基礎(chǔ)是廣義尺度的車(chē)輛導(dǎo)航地圖多尺度空間數(shù)據(jù)模型，其有利于解決現(xiàn)有模型生成的導(dǎo)航地圖路徑分析難以保證精度的問(wèn)題，為空間數(shù)據(jù)服務(wù)的高精度按需生成提供了一種定量分析工具。該模型所提出的“先分解-再定制生成地圖”的思想，為多尺度空間數(shù)據(jù)模型及地圖自動(dòng)綜合等問(wèn)題提供了新思路和新方法，有利于促進(jìn)并深化圖論與地理信息學(xué)科理論的交叉與滲透。