基于嵌入式地圖數(shù)據(jù)分塊組織研究

本文研究了基于嵌入式地圖數(shù)據(jù)分塊組織。嵌入式設(shè)備相對于PC機(jī)，CPU運算速度較慢，內(nèi)存較??；而嵌入式設(shè)備處理大量的數(shù)據(jù)時，CPU和內(nèi)存資源相對來說比較緊張。實現(xiàn)基于嵌入式電子地圖的功能，數(shù)據(jù)存取策略比較重要。本文提出了一種電子地圖數(shù)據(jù)分塊組織的方法，并且使用雙緩沖技術(shù)在QT／Embcdded平臺上實現(xiàn)了嵌入式地圖在設(shè)備上的漫游，放縮等功能。

近年來，嵌入式Linux得到了快速發(fā)展，它被廣泛應(yīng)用在移動電話、個人數(shù)字助理(PDA)、媒體播放器、消費性電子產(chǎn)品以及航空航天等領(lǐng)域中。車輛導(dǎo)航系統(tǒng)是空間信息產(chǎn)業(yè)中衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的一個重要的發(fā)展領(lǐng)域。導(dǎo)航電子地圖數(shù)據(jù)是導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其存儲和組織策略是嵌入式導(dǎo)航系統(tǒng)中最基本和重要的一部分。導(dǎo)航是集GIS、GPS、通信、嵌入式軟硬件技術(shù)為一體的高度綜合性的高技術(shù)產(chǎn)品。在導(dǎo)航系統(tǒng)中電子地圖數(shù)據(jù)量比較大，而嵌入式設(shè)備資源比較有限，所以電子地圖數(shù)據(jù)組織的好壞，決定了導(dǎo)航系統(tǒng)本身的成敗。

1 數(shù)據(jù)的分塊的邊界問題
嵌入式設(shè)備的LCD一般都比較小，本文使用的LCD大小是480×272。嵌入式設(shè)備內(nèi)存也較小，不能一次把所有電子地圖數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，即使能夠把全部數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存，在LCD屏幕上也不能完全顯示，這樣大大浪費了有限的內(nèi)存資源。把嵌入式電子地圖數(shù)據(jù)分塊組織，節(jié)省了嵌入式設(shè)備的CPU和內(nèi)存資源。數(shù)據(jù)地圖數(shù)據(jù)分塊后，原來數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系被破壞，數(shù)據(jù)塊的邊界可能出現(xiàn)問題。比如一條線從一數(shù)據(jù)塊中射出，因為數(shù)據(jù)塊的不同，跨越多個數(shù)據(jù)塊的線會出現(xiàn)線的斷點情況，此時需要重新求得數(shù)據(jù)塊邊界與線的交點，重建拓?fù)?。再者，地圖中的線并不是規(guī)則的折線，可能從一個數(shù)據(jù)塊中射出，而后經(jīng)過彎轉(zhuǎn)重新進(jìn)入該數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)分塊的時候不考慮這個問題，就會出現(xiàn)拓?fù)溴e誤。
本文提出了一種數(shù)據(jù)分塊組織方法。即把一幅地圖按照行列分成行×列個規(guī)則矩形網(wǎng)格(Grid)。為了便于數(shù)據(jù)的讀取，給格網(wǎng)的每個網(wǎng)格進(jìn)行編碼。如圖1所示把幾條線路分割成4×5個網(wǎng)格。

地圖分割成一定數(shù)量的規(guī)則網(wǎng)格后，為便于讀取格網(wǎng)數(shù)據(jù)，需要對不同的網(wǎng)格編碼組織。規(guī)則格網(wǎng)是一種普遍應(yīng)用的分塊方法，只需指定在行、列方向上的分塊數(shù)m、n，就可以按照相等的間隔把圖像區(qū)域分為m×n個子塊。假如地圖被分割成i×j個網(wǎng)格的格網(wǎng)，格網(wǎng)中的網(wǎng)格用“mn”、“m，n”或Grid(m,n)表示，其中m表示網(wǎng)格行號，n表示網(wǎng)格列號。簡單按照行列進(jìn)行編碼，比較方便數(shù)據(jù)組織。如上圖：從左上角開始，第一行的網(wǎng)格編碼為00、01、02、03。這種簡單的網(wǎng)格編碼，可以很容易找到其相鄰的網(wǎng)格，如用m表示網(wǎng)格的行號，用n表示網(wǎng)

格的列號，則編碼為Grid(m,n)的網(wǎng)格，其左邊的網(wǎng)格編碼為Grid(m，n-1)，右邊相鄰的網(wǎng)格編碼為Grid(m,n+1)，如果找其上方下方的網(wǎng)格，只需行號保持不變列號加1或者減1即可。如果一節(jié)點x在網(wǎng)格mn中，則點x屬于網(wǎng)格mn，即x∈Grid(m，n)；如果一條線L在網(wǎng)格mn中，則線L屬于網(wǎng)格mn，即L∈Grid(m，n)。

規(guī)則的格網(wǎng)是按照一定的長寬劃分的，假如每個網(wǎng)格的長為272、寬為480，一個長為816寬為960的地圖，就被分成3×2個規(guī)則網(wǎng)格。

電子地圖數(shù)據(jù)包括很多元素，其中包括點、線、區(qū)域等。對于地圖上的點來說，可以很容易判斷其屬于哪個網(wǎng)格。比如點p(242,400)，網(wǎng)格的長如果為272，寬為480，則點p屬于第一個網(wǎng)格，其編碼為00。線或區(qū)域分布在很多網(wǎng)格里面，這樣就會與不同的網(wǎng)格邊界有交點，實際上這個交點不一定存在。比如一條線Line，由4個節(jié)點P1、P2、P3、P4組成。Line分布在三個網(wǎng)格中，如圖2所示。

讀取格網(wǎng)數(shù)據(jù)時，如果沒有讀取到網(wǎng)格10和11的數(shù)據(jù)，只顯示網(wǎng)格00的數(shù)據(jù)，那么Line會出現(xiàn)斷點，如圖3所示：

可以看出，P2和P3的點之間的連線消失了。因為，在網(wǎng)格00的數(shù)據(jù)里并沒有P3點的信息，Line在網(wǎng)格00中顯示的只是P1到P2的連接線。同樣，如果顯示網(wǎng)格10的數(shù)據(jù)，而不顯示網(wǎng)格00的數(shù)據(jù)和網(wǎng)格11的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)格10中，Line只有一個點P3，而P3到P2、P4的連接線消失了。此時需要添加節(jié)點并且斷開原來的線段重建拓?fù)鋪硖幚磉B接線消失的情況。斷開線段p2p3，并求得p2p3與網(wǎng)格00、網(wǎng)格10邊界的交點p，此時p2p屬于網(wǎng)格00中，pp3屬于網(wǎng)格10。如圖4所示。實際上，路段是不規(guī)則的，可能出現(xiàn)如圖5所示的情況。

從圖5可以看出，一條線從網(wǎng)格射出后，然后再次穿過該網(wǎng)格。并與網(wǎng)格有4個交點。在重建拓?fù)潢P(guān)系的時候，兩次穿過格網(wǎng)中的線要被分成兩部分重新建立拓?fù)洌驗榫€是由按照一定順序的節(jié)點以及節(jié)點之間的連線組成。當(dāng)一條線從一網(wǎng)格射出時，如果不斷開該線重建拓?fù)?，則會出現(xiàn)如圖6所示的情況，出現(xiàn)了拓?fù)溴e誤。圖6中的線段pp1實際上是不存在的。

2 拓?fù)渲貥?gòu)算法

有時路網(wǎng)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，一條線可能多次穿過同一網(wǎng)格，即一條線與網(wǎng)格的交點可能不只4個，如果不重建拓?fù)?，可能會造成電子地圖畫面更加混亂。所以在每次求得線與網(wǎng)格邊界交點的時候，判斷該線是否從網(wǎng)格中射出，如果線從網(wǎng)格中射出則斷開該線，并求得交點后重新建立拓?fù)潢P(guān)系。求得線與網(wǎng)格邊界交點的算法如下：

(1)假設(shè)當(dāng)前網(wǎng)格的編碼為mn。

(2)如果線L上的一個節(jié)點P1屬于當(dāng)前網(wǎng)格mn，判斷線L上p1的前一個節(jié)點P0是否屬于當(dāng)前網(wǎng)格mn，如果p1不屬于當(dāng)前網(wǎng)格mn則轉(zhuǎn)到(3)；如果p0屬于當(dāng)前網(wǎng)格mn，則轉(zhuǎn)到(4)：如節(jié)點p0不屬于當(dāng)前網(wǎng)格mn，如果p1在格網(wǎng)邊界轉(zhuǎn)到(4)；如果p1不在網(wǎng)格邊界上則求P0和p1的連線與網(wǎng)格邊界的交點p，并把p的信息保存到網(wǎng)格mn中，轉(zhuǎn)到(4)。此時p節(jié)點屬于網(wǎng)格mn。

(3)如果線L上的一個節(jié)點P1不屬于當(dāng)前網(wǎng)格，判斷p1在線L上的前一個點P0是否屬于網(wǎng)格mn，如果p0不屬于網(wǎng)格mn，則轉(zhuǎn)到(4)。如果節(jié)點p0屬于當(dāng)前網(wǎng)格mn，此時線L從網(wǎng)格mn射出，如果p0在網(wǎng)格邊界，轉(zhuǎn)到(4)；如果p0不在網(wǎng)格邊界則求P0和P1的連線與網(wǎng)格mn邊界的交點p，把線L斷開重建拓?fù)潢P(guān)系。并把p的信息保存到網(wǎng)格mn中，轉(zhuǎn)到(4)。此時節(jié)點p屬于網(wǎng)格mn。

(4)如果線L上的點處理完畢則返回，否則繼續(xù)(2)，直到線L上的所有點處理判斷完畢。

流程圖如圖7所示。

3 數(shù)據(jù)分級組織

導(dǎo)航系統(tǒng)在使用過程中，用戶的興趣點不同，會放大電子地圖查看某個區(qū)域更詳細(xì)的信息。把電子地圖數(shù)據(jù)分級適合地圖縮放功能的實現(xiàn)。假如電子地圖最初顯示的地圖為x級，放大一次就是顯示x+1級地圖，縮小一次就顯示x-1級地圖。

如圖8所示，瀏覽x級地圖，假設(shè)x級地圖顯示m(m=4)塊格網(wǎng)的數(shù)據(jù)；此時地圖放大一級變成x+1級地圖，如果地圖放大了s倍(s=2)，此時重新讀取地圖數(shù)據(jù)，只需讀取m／s2塊網(wǎng)格即可。相反，如果地圖縮小一級，x-1級地圖需讀取的網(wǎng)格數(shù)為m×s2(16塊)。

不同級別的地圖數(shù)據(jù)顯示的內(nèi)容不同。在縮放最小一級地圖時，只顯示地圖的區(qū)界和背景。假如把地圖放大到某一級別，此時電子地圖顯示地區(qū)名稱、高速公路以及名稱、鐵路等地圖信息；再次把該電子地圖放大一級則顯示當(dāng)前城市的主要地區(qū)名稱和主要路段。放縮的級別劃分根據(jù)不同的地理情況處理?？梢哉J(rèn)為，高級別的地圖是對低級別地圖的補(bǔ)充。

電子地圖數(shù)據(jù)包括地物點、線、區(qū)域等。地圖的屬性分為地區(qū)名稱、學(xué)校名稱、公司名稱等，線又分層劃分為一級道路、二級道路、三級道路、水系等。基于上述電子地圖數(shù)據(jù)的特點，根據(jù)中國行政單位的劃分，把電子地圖數(shù)據(jù)分層。電子地圖數(shù)據(jù)分層可以加快數(shù)據(jù)的讀取，也方便電子地圖數(shù)據(jù)的存儲。

4 嵌入式電子地圖實現(xiàn)

本文使用的嵌入式開發(fā)平臺為：cpu s3c2440，64M nandflash，64M ram，1Gsd卡，480*272LCD。本文選擇QT／Embedded作為圖形界面，并結(jié)合雙緩沖機(jī)制QT／Embedded實現(xiàn)了嵌入式電子地圖。

使用雙緩沖畫圖，是避免地圖在漫游、放縮的時候產(chǎn)生屏幕閃爍比較常見的方法。主要過程如下：

(1)把需要顯示的網(wǎng)格，畫在OPximap上。

(2)通過bitblt()函數(shù)把QPximap上的圖像拷貝到顯示組件。

根據(jù)LCD的尺寸劃分網(wǎng)格大小，即網(wǎng)格的寬為480，長為272。某一級別的電子地圖每次讀取9個網(wǎng)格數(shù)據(jù)，此時LCD屏幕的大小和格網(wǎng)的大小一樣，每次讀取9個網(wǎng)格數(shù)據(jù)，其中一個網(wǎng)格數(shù)據(jù)顯示在LCD屏幕上，其它8個網(wǎng)格的數(shù)據(jù)為預(yù)取數(shù)據(jù)。如圖9所示，網(wǎng)格22部分是LCD屏幕：

如圖10所示，圖像拖至左邊邊界。程序每次讀取9個網(wǎng)格數(shù)據(jù)，LCD屏幕尺寸和一個網(wǎng)格一樣大。根據(jù)LCD屏幕大小規(guī)定邊界，比如圖像向x軸正方向移動480像素時，即到了圖像左邊邊界。每次拖動圖像至邊界，