车载导航产品的数字地图格式
张小京
(中国全球定位系统技术应用协会)
摘要：本文扼要介绍了和车载导航产品有关的数字地图格式以及它们的作用，其中包括地图交換格式GDF4.0，介质存储格式Kiwi 和SDAL。同时介绍了我国采用数字地图格式的现状和标准制定意见。
关键词：车载导航产品；数字地图格式
1. 背景
近几年，在国家产业化政策的支持下，我国卫星导航应用产业化进程逐渐加快，卫星导航技术被越来越多的领域认知并开始应用，涌现出众多卫星导航应用产品。其中，内置数字地图的车载导航仪格外引人瞩目。
据最新的权威机构商业情报联盟公司2002年（2002年 Allied Business Intelligence Inc. study）统计测算，全球车载导航产品在卫星导航产品总产值中所占的比重，5年来一直都在30%以上，始终位于各领域应用产品的榜首。2001年年产值为41亿美元，约占卫星导航产品总产值的35%左右，在卫星导航产业十大应用领域中所占份额最大，并且远远超过其他领域。，
有资料显示，2001年我国的汽车导航产品年产值为仅为0.1亿人民币，约占我国卫星导航产品总产值8.9亿元的1.2 %左右。因此，我国车载导航仪产业刚刚处于起步阶段。
2000年一汽集团红旗“世纪星”轿车率先安装了国产自主导航仪，开创了我国轿车前装卫星导航仪的先河。2002年，天津丰田汽车有限公司生产的“微驰”轿车安装了经的日本导航产品，开始在中国市场销售。2003年5月，新科电子和合众思壮联合推出VM-680TV车载DVD.GPS导航仪，准备进入轿车市场。2003年初，我国家电生产龙头企业海尔集团向世人宣布，将进军车载卫星导航产业。在今年4月的上海汽车展上，国内有近10家企业展出了样机。据了解，我国还有更多的企业正在抓紧研发自己的车载导航产品。
为配合我国车载自主导航产业的发展，借鉴国外同类产品的发展经验，现将国际上和车载自主导航产品相关的数字地图格式简介如下。
2. 车载导航产品生产过程中的两类重要格式标准
在车载导航产品的生产过程中涉及到许多标准，目前国际上流行的和数字地图有关的格式标准主要有两类，一类是导航数字地图的交换格式，另一类是导航数字地图的物理存储格式。
下图表明了在数字地图生产过程中两类标准所起的作用。
其它 信息源
汽车导航仪
导航数据交換格式
(1) 导航数据的交換格式 导航数据交換格式主要在数字地图生产和提供过程中使用。如上图所示，它一般作为导航数据库的输入界面和输出界面。输入界面面向各类数据源，输出界面面向各类用户。其作用主要体现在如下两个方面：
作为各个导航数据生产企业之间提供数据的标准；
作为数字地图生产企业和导航产品生产企业之间的界面。导航产品生产企业可以在此
基础上开发自己的产品。
导航数据交換格式在各个数据生产商、各种数据格式之间提供了一个公共界面，供方只需将自己的数据
转换成该格式，需方只需利用该格式读取数据，就可实现导航数据共享，在各类用户之间搭起了一座桥梁。
设计导航数据交換格式主要考虑如下因素：
完整性。保持导航数据描述的完整性，不能丢失和导航应用有关的任何数据；  公开性。面对所有用户，便于实现数据共享；
简明性。虽然要求交换格式能够描述丰富的道路交通信息，但最终格式应该简单明
了，易懂易读；
灵活性。能够满足不同导航用户的需要。
连续性。由于是公众使用的共享界面，因此要保持相对的稳定性。在格式扩展时要保
持向下兼容。
(2) 导航数字地图的物理存储格式
导航数据物理存储格式是在存储介质（如VCD、DVD、HDD、Flash 等）上存储导航数据使用的格式。
导航设备经由驱动设备、解码器从存储介质上读取导航数据，供导航软件处理和使用。
物理存储格式的数据可以利用格式转换软件从交换格式的数据转换获得，也可以从数据库中的数据直接转换获得。通常，生产导航数据和制作存储介质为同一个企业时，可以从数据库直接转换；如果不是一个企业，一般由生产导航数据的企业向制作存储介质（例如光盘）的企业提供交换格式的数据，然后转换成物理存储格式的数据制作成存储介质。
物理存储格式在整个导航软件系统中扮演着承上启下的角，对数字地图的生产工艺和导航产品的功能性能有巨大的影响力，牵一发而动全身。它的水平高低直接影响导航产品的功能、性能和质量。因此，物理存储格式是导航产品中最重要的关键技术之一。
设计物理存储格式考虑的因素和数据交换格式有很大不同，主要考虑如下几个因素：  数据组织要充分考虑导航产品各项功能实现的方便性；
提高各项功能实现的综合效率；导航地图标注
考虑承载和使用导航数据的物理环境；
注意数据压缩，在有限的空间内尽可能多的存储导航数据；；
保证数据安全；
留有格式扩展的结构，以便使产品多样化。
3. 国际上主要的两类格式标准
目前，国际上流行的导航数字地图交換格式以GDF4.0为代表。导航数字地图的物理存储格式以日本的Kiwi 格式和美国NAVTECH 公司的SDAL格式为代表。本文只介绍这三个格式的简况，它们的主要内容将分别撰文另行介绍。
(1) GDF4.0
ISO GDF4.0 (英文Geographic Data Files - Version4.0的缩写) 导航导航数据交換格式。
ISO GDF4.0是国际标准化组织（ISO）204技术委员会（TC204）的第三工作组（WG3）针对智能交通领域（Intelligent Transportation Systems ，ITS）地图数据库建设与数据交换而开发的标准。是在欧洲工业标准CEN-GDF（CEN TC278）的基础上发展而来的。GDF的第一个版本GDF1.0 于 1988年10月发布，当时主要应用于欧洲的与交通导航有关的工程中，如“欧洲数字化地图”等。1994年11月发布了GDF2.2并将其提交给欧洲标准化委员会。经过审议修改，于1995年10月发布了GDF3.0，将其正式作为欧洲标准。GDF4.0于2001年02月发布，它是在ISO/TC204/WG3的框架下，以GDF3.0为基础，综合了美国、日本等国家的相关标准，汇总了各成员国提出的各类需求后得到的成果，准备作为国际标准公布。
目前GDF4.0已经进入最终草案审议阶段，并已由ISO的中心委员会审阅后提出了修改意见，这些修改意见中的90%已由GDF工作组长于7月底前处理完毕，ISO的中心委员会将于8月份作最后投票，估计今年年底前即可正式发布。
在此之前，虽然有许多类型的数据交换格式，但都不是专门为交通导航数据设计的，都无法完整描述导航数据。GDF4.0全面系统地描述了用于导航的道路交通数据概念模型、逻辑模型和存储模型，有很强的实用性、适用性和灵活性，是目前全球ITS及相关产业所公认的导航数据交换格式标准。
根据我们对GDF4.0的了解，感到其中还存在一些问题。对此，我们和制定GDF4.0的有关专家交换过意见，他们也承认，由于时间较短，GDF4.0在实践中还未全面采用过，很多细节来不及推敲，确实存在一些疏漏。目前正在进行GDF的扩展版本X-GDF的制定工作，同时希望中国同行参与这项工作。据说，在新版本中这些问题将得到很好的解决。但GDF扩展版本何时问世，目前还没有时间表。
(2) Kiwi
Kiwi格式是用于光盘的导航数据物理存储格式，主要在日本产品上使用。在我国2002年生产的天津“威驰”轿车上安装的导航仪采用的就是Kiwi格式。
1996年9月，日本成立了Kiwi研讨委员会开始研究Kiwi格式，该委员会主要由和生产导航产品有关的公司
参加。该委员会在总结日本导航产品发展经验的基础上，于1997年1月完成了 Kiwi 1.0。1997年12月，在完成 Kiwi Ver1.1之后，Kiwi研讨委员会曾向国际标准化组织推荐Kiwi格式，议作为国际标准发布。为了让国际标准化组织选择该标准作为国际标准，之后又对格式不断进行修改，加入了适合欧美地区使用的数据结构，于2000年05月推出了Kiwi 1.22。但到目前为止，国际标准化委员会还没有采用该标准的意思。
目前绝大多数日本产品都采用Kiwi格式或该格式的扩展。
Kiwi格式主要描述如下数据：
- 数据库控制数据；
- 地图数据；
- 引导数据；
- 道路网络（路径规划）数据；
- 检索 / 索引  数据；
- 图像数据 / 语音数据；
- 参数数据；
- 相应的交通信息数据。
(3) SDAL
SDAL格式也是一种用于光盘的导航数据物理存储格式，是美国NAVTECH 公司推出的。目前该格式广泛地应用于欧洲、北美厂商生产的产品中。NAVTECH 公司在发布SDAL格式的同时，还推出了图形显示、路经计算、路径引导等5个API软件包。开发厂商可以购买部分或全部软件包，在此基础上进行导航软件的开发。这样可以避免直接在SDAL格式上进行项目开发带来的诸多不便，减少开发难度，缩短开发周期。
该格式首先叙述SDAL的数据组织。其中主要描述存储介质上的文件组织，数据包的类型、划分原则和组织方式，SDAL 使用的各种索引，数据包和数据记录的压缩等内容。
其次描述全局介质数据。其中包括全局介质头，全局介质索引包，元数据，参考数据，图标数据等。
第三部分描述空间数据的内容和组织。空间数据包括路径计算数据，图形数据，交叉路口数据等，还包括路径计算数据、图形数据、POI数据之间的交叉引用数据。空间数据按照地理位置进行划分，按照邻近的原则进行排序。空间数据主要用kd-tree进行索引。
第四部分描述非空间数据的内容和组织。非空间数据包括POI数据，连接数据，地名数据，数据等。非空间数据按照索引值划分，主要用B-tree进行索引。
4. 我国导航数据格式标准的发展
(1) 导航数据的交换格式
在中国全球定位系统技术应用协会的组织下，我国已经完成了《导航地理数据模型与交换格式》国家标准的编写工作。该标准以GDF4.0作为基础，根据我国国情作了少量修改。目前正在报批过程中。
《导航地理数据模型与交换格式》在我国的的推广和应用，将为消除不同导航数据之间进行数据交换的障碍，使其在全国范围兼容和共享；为充分利用我国现有数字地图数据资源，使数据生产企业从整体上减少重复生产；为建立全国范围的稳定可靠的数字地图服务保障体系，使导航产品生产者能够获得全国范围的高质量、规范化的数字地图产品提供了切实可行的技术手段。因此，是我国卫星导航应用产业化中一项十分重要的基础性工作。
(2) 导航数字地图的物理存储格式
目前国际上还没有被国际标准化组织认可的，供导航产品使用的物理存储格式标准。
从发展趋势看，SDAL格式和Kiwi格式可能都不会成为国际标准。我们分析主要原因为：由于物理存储格式比较复杂，要求各厂家用完全一样的格式比较困难；同时厂家为了自己产品的个性化，也需要采用自己独特的数据格式。因此许多企业认为不宜要求所有产品采用统一的物理存储格式标准。
尽管不需要规定统一的标准，但是导航数据的物理存储格式本身还是需要的，并且还要不断的完善和发展。
目前Kiwi 格式和SDAL格式正在激烈竞争，大力推行自己的格式，希望能够被尽可能多的厂家采用。竞争的目的只有一个，扩大市场占有率，获取更大的经济利益。为了进军中国这个潜力巨大的消费市场，两者的代表都到我国介绍过他们的格式，都希望我国企业能够采用它们的标准。
我国采用什么物理存储格式，是一个很值得研究的问题。目前国内车载导航产品生产企业，一部分采用自己定义的介质存储格式，另一部分采用Kiwi 格式和SDAL格式（或其变种），没有统一的标准。
本人意见为：我国需要制定一个物理存储格式参照标准，该标准不能照搬国外格式标准，但要汲取它们的长处，再结合我国的具体国情来制定。其理由为：
国外两个主流数据格式SADL和KIWI，都是从90年代初逐步发展起来的，受到当时硬件条件的限制，过多的强调节省空间而使整个结构过于繁杂，增加了应用软件的编码难度，降低了兼容性、可靠性和可维性。所以不能照搬。
SADL和KIWI最初是根据不同应用需求独立制定的，双方的侧重点不同，各有千秋。
我们应该将两者的长处集中起来。
两个格式都有不适合我国国情的地方，应该在它们成果的基础上，进一步考虑我国的实情和未来发展，设计更好更加适合我国市场需求的格式。
我国对数字地图的生产和使用有比较严格的限制，从保证数据安全的角度看，采用我国自己的标准是一个较好的解决办法。
我国是一个大国，又是一个大市场，不能依赖别人，应该有自己的核心技术。
目前我国自行设计的已经应用到产品中的物理存储结构，和国外还有很大差距。借鉴国外经验，设计新的标准，有利于提高我国在这一领域的整体技术水平。
我国制定的物理存储格式标准应该只是一个“参照”格式标准，要具有较强的扩展性，以便各厂家可以在此基础上扩展自己的结构，生产出各具特的产品。
（有关GDF4.0、Kiwi 和SDAL格式的内容概况，本文作者将分别撰文另行介绍。）