第一篇 应急物流配送车辆导航地图多尺度空间数据模型研究
第二章 应急物流配送车辆导航地图多尺度空间数据模型研究综述
第一节 问题的提出与研究意义
一 问题的提出
“尺度是在空间数据分析处理中到处都要碰到的问题，应将它作为与空间、时间和主题一样的基本因素”（Cola, L. D., 1997）。“在自然现象中，生物界及非生物环境中存在着各种尺度的变化；社会、经济过程和现象中同样存在着尺度特点。对于由地理现象的多尺度问题所引发的空间数据的多尺度特征及其表示方法的研究是地图学与GIS不能回避的问题”（王家耀、成毅，2004）。“地图概括具有高度的尺度效应。经过量化的综合集成、合理利用，将会产生一些全新的科学概念，发现一些全新的规律”（陈述彭，2001）。
美国国家地理信息与分析中心（NCGIA）于1988年在其创新研究计划中提出研究空间数据的多重表示问题。1992年SMALL WORLD的Rich-ard G. Newell等人将空间数据的多尺度处理与表示列为GIS领域的十个难题之一。研究支持相同现象的多重表示共存于同一数据库中的新的数据表达与管理方法，已列入由欧洲多家研究机构参与的、在欧共体（欧盟前身）资助下的MurMur（Mutiple Representations, Multiple Resolutions）项目的研究计划中，并于2000年1月启动。国际摄影测量学会（ISPRS）数据综合与数据挖掘工作组也于2002年7月在加拿大渥太华以“空间数据的多尺度表示”为主题召开学术会议（ISPRS Comission Ⅳ ＆ ICA），研讨与多尺度表示有关的基础理论问题。随着数字地球、数字省、数字区域和数字城市研究与应用的深化，多尺度空间数据模型与自动综合的理论已成为研究的热点之一。
“尺度”是地理现象中最基本但也是难以理解和容易混淆的概念之一，它有多种含义，在这里一般指信息被观察、表示、分析和传输的详细程度。由于不可能观察到地理世界的所有细节，而多种地理现象和过程的尺度行为也并非按比例均匀变化，因此需要研究地理实体的空间形态和过程随比例尺变化的规律，这是建立GIS多尺度空间数据处理模型表示方法的基础（王家耀、成毅，2004）。
地图制图综合历来是地图学中最富挑战性和创造性的研究领域。数字环境下空间数据的自动制图综合仍是现代地图学面临的核心问题之一。原因如下。
1．利用大比例尺数字地图数据生产较小比例尺地图时，必须采用自动制图综合方法；
2．基于大比例尺基础空间数据库自动派生多尺度（比例尺）空间数据库及实施多尺度空间数据库一体化更新时，自动制图综合方法是最有效的解决途径；
3．为适应地理信息系统（Geographic Information System, GIS）中多尺度空间数据表达的要求，不仅必须采用自动综合方法，而且应该是在线的；
4．在构建空间数据库时，需要采用自动综合方法从不同部门、不同地区的异构数据库中抽取符合用户主题（解决问题）所需的空间数据。
正是基于空间数据自动综合研究的重要性，国际学术界长期以来，特别是近十年来一直对该领域的研究给予充分的关注，形成了一大批有价值的理论与技术成果。但是，由于空间数据自动综合问题的复杂性，目前的研究成果离问题的全局解决，特别是实际应用还有一定的距离（王家耀，2008）。
“从发展的观点看，传统地图制图时代，制图人员最关注的有两个问题：一是制图资料来源；二是制图综合。如今，天空地一体化的对地观测系统、多种来源的地图、各种社会经济统计资料及各种台（站）观测数据都成了制图资料源。特别是在当今大数据时代，制图资料源已不存在问题了，但却带来了制图资料多源异构的严重问题；数字制图环境下的制图资料的多源异构特性，更是给制图综合带来了新的难度。”（王家耀，2013）。
“由于地理信息的自动综合这个困扰地图学及GIS界的国际性难题至今难以解决，当前的GIS数据库为了满足人们浏览空间数据集的不同需求，不得不存储多种比例尺、不同详细程度的空间数据，即同一空间实体的多种表示共存于同一个数据库中，因此会产生大量的数据冗余及相应的一系列弊端，更重要的是在进行跨图幅综合分析时会产生一系列的问题。因此需要寻求合适的多尺度空间数据处理与表示方法，能够通过多尺度的操作，使之从一种表示完备地过渡到另一种表示。这种完备性包括保持相应尺度的空间精度和空间特征，保持空间关系的一致性以及维护空间目标语义的一致性”（王家耀，2004）。
现代物流管理发展的一个鲜明特点是以通信技术、信息技术等为代表的高新技术的应用，其目的是通过物流信息技术整合物流系统资源，使物流系统发挥最大的整体效益。这种要求首先反映在提供车辆货物的全过程跟踪、准时运输和降低物流成本方面，而车辆导航系统正是实现物流车辆监控、调度的有力工具。
近年来，车辆导航系统越来越为人们所接受，逐渐成为在复杂的城区道路中寻找捷径的重要工具。用于导航的大比例尺城区地图往往数据量庞大，动辄包含成千上万的路段和节点。但用于导航的车载设备却大多只有很有限的计算能力和存储容量，直接在这样的地图上进行路径分析求最优路径势必造成导航系统反应迟缓、力不从心。为提高反应速度，一些市场上的系统往往采用一些简单的近似算法搜索可行路径，但单纯追求速度的结果是求得的路径与实际最优路径偏离甚远，常常得出一些荒谬的结果，造成驾驶员对导航系统丧失信任，甚至因此放弃对导航系统的使用。
导航道路数据具有多尺度特性，对导航地图进行多尺度分析处理可以让车载设备根据导航需要从服务器下载不同尺度和区域的地图，在相对简化的子图上进行路径寻优。由于滤掉了大量的冗余元素，可以在子图上采用精度较高的搜索算法而不影响导航系统的反应速度，这样就允许车辆导航系统在速度和精度之间寻求平衡，从而可以在硬件资源受限制的情况下快速获取较优的导航方案，这是解决上述问题较为理想的方案，也是导航数据建设与应用的关键技术问题之一。然而，车辆导航地图因其应用领域的特点，其多尺度性与一般多尺度空间数据模型相比有着独特的表现形式。在导航数据中由于定位精度和路径引导的要求，“比例尺”的概念与一般的多尺度空间数据有很大不同，不同尺度的导航数据之间一般不存在精度与概括程度的差异，只是所表示的道路的重要程度不同。
目前车辆导航系统的多尺度空间数据模型的理论成果与实际车辆导航系统应用需求之间仍有较大差距。综观目前该问题的多数相关研究，可以发现，现有的研究有的是直接采用一般多尺度空间数据模型的方法，没有考虑导航道路数据多尺度分析的特点；有的提出的综合指标带有很大任意性，缺乏充分的理论基础。另外，车辆导航问题具有一定的目标性和局域性：每次行车的目标不同，用户关注的目标也随之变化，转到与目标最相关的那部分元素。而大多数现有模型的共同问题是：多尺度变换时选取的构成子图的元素都是固定的、对于整个路网较重要的元素，而没有考虑到随着每次行车目标的改变，各个元素对于问题求解的重要性也随之变化了。要求解的问题改变了，组成导航地图的道路元素却没有随着变化，这就导致生成的子网与原来的路网在问题求解空间方面存在较大的偏差。由于上述原因，尽管采用了高精度的搜索算法，仍然会由于子图与原图的解空间差异较大的缘故造成求解精度不够理想的问题。
总的看来，无论是从理论还是从技术方面，对导航地图多尺度数据模型的研究还是非常初步的，难以满足车辆导航系统空间数据处理的需求。
为此，本书尝试采用系统科学和社会网络分析的相关理论和方法来建立新的适合车辆导航系统的多尺度空间数据模型，为车辆导航空间数据分析的实时、精确化处理展开探索性研究。
二 研究意义
空间数据的多尺度处理与表示是当今地理信息科学领域理论与方法研究的重要的前沿性问题。随着数字地球、数字省、数字区域和数字城市研究与应用的深化，多尺度空间数据模型与自动综合的理论已成为研究的热点之一。对车辆导航系统多尺度空间数据模型进行广泛和深入的研究，建立相应的理论和方法，对于社会化物流活动、物流企业的发展以及该领域理论的深化都具有重要的意义。
在应用方面，本书针对车载终端计算能力难以适应导航地图庞大数据量的问题，构建了车辆导航地图分解算法，可以利用车载设备有限的计算能力同时获得快速的反应速度和较高的求解精度，为物流车辆导航提供了兼顾速度和精度的解决方案。如果配合以物流车辆的数据实时采集、监控与实时调度等技术，可以为物流中心的车辆实时导航与调度工作提供支持。
在理论方面，本书所提出的相对连通系数指标，为快速、准确地从网络中提取与节点（集）最相关的空间关系提供了一种度量工具，完善了网络节点重要性理论，弥补了现有指标难以精确度量网络节点相对行车目标的连通性的不足，不仅为导航地图的多尺度分解奠定了基础，而且对复杂网络、图论分析、疾病传播分析、无线传感器网络路由选择等领域中网络节点关系的分析也具有一定的参考价值。
本书研究建立的基础是广义尺度的车辆导航地图多尺度空间数据模型，其有利于解决现有模型生成的导航地图路径分析难以保证精度的问题，为空间数据服务的高精度按需生成提供了一种定量分析工具。该模型所提出的“先分解-再定制生成地图”的思想，为多尺度空间数据模型及地图自动综合等问题提供了新思路和新方法，有利于促进并深化图论与地理信息学科理论的交叉与渗透。