互联网导航电子地图质量检测
0 引言
作为公开地图的一种形式，互联网导航电子地图近年来得到了迅猛发展。据不完全统计，目前我国从事互联网地图服务的网站已超过4万个[1]。由于在服务领域、服务模式和方式等方面的不同，各互联网导航电子地图服务网站在地图基础数据、地图显示和服务功能等方面存在很大差别。另一方面，为确保互联网地图数据符合国家安全管理的要求，各互联网地图服务商都采用了“地图瓦片”[2-5]技术进行服务提供，不仅可以很好地高效实现地图数据的缓存和访问，而且能够对空间数据进行安全控制。因此，如何客观、准确地给出互联网地图的质量评价模型并能够独立地开展检测，是互联网地图服务管理的重要基础。
目前，在导航电子地图数据生产和质量检测方面，出台了测绘行业标准CH/T 1019[6]和国家标准GB/T28441[7]，这些标准的适用范围主要是针对库本数据设计的，而对瓦片地图数据的互联网导航电子地图服务的检测标准和方法相对较少。文献[8]提出采用数据质量和服务质量来构建互联网地图服务质量的模型，但未给出该质量模型的效果验证。文献[9]提出了通过数据、服务功能、搜索性能和操作4个方面构建网络地图的质量模型，其适用条件与现代互联网地图服务存在差别。本文基于互联网地图服务的浏览器页面访问模式，在CH/T1019和GB/T28441的基础上，对互联网地图服务的质量评价模型进行优化；并依据地图瓦片格式的特点，采用基于查询的检测方法，实现地图数据质量的“静默”检测。
1 互联网导航电子地图服务的数据瓦片格式
1.1 地图瓦片的分级
为确保高并发访问情况下互联网地图服务器的稳定运行和服务提供的高效，目前互联网地图服务商普遍采用了“地图瓦片”技术。这种技术采用了多级、多图层的四叉树金字塔模型来管理地图瓦片数据，瓦片地图的大小为65 536（256×256）个像素。用户进行缩放时，根据缩放的级数，选择不同分辨率的瓦片图拼接成一幅完整的地图。地图图片方式展示不仅可以很好地实现地图数据的高效缓存和访问，而且能够对空间数据进行处理，同时通过图片的信息处理可以做到地图精度、信息提取等用户使用权限的控制，既方便服务产品的开发，也方便地理信息服务的管理。
地图服务的瓦片级别通常最多可分为24级，由于不同的地图服务网站的0级地图瓦片的范围选择不同，相应的地面分辨率也各不相同。表1为微软bing地图的瓦片级别列表（其中0级范围为85.05°S ~ 85.05°N）[2]。
表1 微软Bing地图的瓦片数据分级表
等级 | 地面分辨率/ | 比例尺 | 等级 | 地面分 | 比例尺 |
0 | 156 543.000 | 1:59 165万 | 18 | 0.590 | 1:2 257 |
9 | 305.750 | 1:115万 | 19 | 0.290 | 1:1 128 |
16 | 2.390 | 1:9 028 | 22 | 0.037 | 1:140 |
17 | 1.190 | 1:4 514 | 23 | 0.018 | 1:70 |
实际应用中，互联网导航电子地图瓦片级别一般最大到18或19级，相当于比例尺为1:2 000~ 1:1 000地图级别。
1.2 地图瓦片的内容
地图瓦片内容分为2种，一种是栅格地图瓦片，一种是矢量地图瓦片。栅格地图瓦片是一种比较传统的模式，需要预先在服务器端完成渲染，前端地图框架只需要按一定规则编排显示，即可以实现地图数据的渲染。矢量地图瓦片是一种新模式，地图数据会以专用格式分块地传输到浏览器，浏览器端利用前端框架将地图重新渲染显示出来。传统的栅格地图瓦片主要用作地图服务中的底图；矢量瓦片主要用于存储查询、变更频繁的矢量图层。
除以上2种格式的瓦片数据外，对包含较多的鼠标交互操作的服务应用需要增加属性瓦片，就是在传统的栅格瓦片的基础上，额外存储按照格网划分的要素属性信息，这种预先划分的要素属性信息也称互动格网瓦片。地图瓦片结合属性瓦片的这种用法也已经有很多实践应用，最具代表性的是MBTiles 规范及其附属的UTFGrid规范[3]。Mapbox前端渲染通过Mapbox GL JS实现，MapBox GL JS能够解析各种来源的矢量数据，然后在客户端实时渲染生成带有几何图形、文字标注、图示符号3维（3D）场景地图，同时支持用户的各种交互操作。
2 互联网导航电子地图服务的质量评价
2.1 互联网导航电子地图服务的内容
1）导航地图数据。目前，主流的互联网导航地图数据包括二维地图数据、遥感影像、实景影像等类型。大部分互联网地图都以平面线划图作为提供浏览、定位的基础服务界面地图。地图数据内容主要包括道路、兴趣点（point of interest，POI）、背景、注记，以及叠加的附加信息等内容，如交通状况等。
道路信息是导航电子地图最关键的核心数据[5]，不仅涵盖了基础地理信息道路层的全部信息，还需要包括用于车辆导航控制所需要的交通限制、预警提示等内容，同时公共交通的信息也是导航电子地图的重要部分。POI信息也是导航电子地图的核心数据，主要有2类：①通用POI数据，各类网站均可提供的大众关注的各种POI数据，这类POI必须具有种类和名称属性；②专题POI数据，集中于特定领域和需求的POI数据，各地图服务商自行定义。背景信息主要指背景类型，如水系等；注记信息主要包括注记类型和名称；这2类数据是导航电子地图显示和应用的必要补充。
2）地图服务功能。互联网导航电子地图服务系统主要以提供出行服务为目标的互联网公共服务技术平台。依据目前互联网导航电子地图服务的发展情况，基本服务包括地图展示、POI搜索、导航线路规划、公交查询、地理信息标注服务、地图下载等。某些互联网导航电子地图服务还提供用户定制、用户二次开发、平台共享等特许服务等。
2.2 互联网导航电子地图服务质量评价模型
2.2.1 评价指标
互联网导航电子地图服务质量评价包括“地图数据质量”和“地图可视化表达和应用服务功能”2部分[6-9]。地图数据质量包括数据的完整性、逻辑一致性、位置精度、属性精度4个指标；地图可视化表达包括完整性、准确性、一致性和表征质量4个指标；服务功能包括基本功能、增强功能和扩展功能3个指标（见表2）。而每个质量评价指标又可以分解为若干子指标。相关文献中还规定了地图安全性指标，由于国家对公共地图服务产品执行地图审查制度，故本文不考虑该问题。
表2 CH/T 1019-2010中规定的质量评价一级指标（质量元素）
指标 | 地图数据质量 | 地图可视化 | 服务功能应用 |
一级指标 | ■完整性 ■逻辑一致性 ■位置精度 ■属性精度 | ■完整性 ■准确性 ■一致性 ■表征质量 | ■基本功能 ■增强功能 ■扩展功能 |
行业标准CH/T 1019-2010最初主要针对车载导航仪应用设计，在质量评价指标上对车载导航仪的导航应用服务质量有比较全面的覆盖，也非常适用个人手机导航。但对互联网导航电子地图服务质量检测，该标准存在多个方面不适宜。首先，互联网地图服务的主要目标是更快捷、更准确地提供客户端所需要的信息，并且获得较好的个人网络冲浪体验。其次，由于互联网导航电子地图用户更多的是通过个人电脑访问，大多是非移动的场合，不需要实时定位导航。另外，互联网地图服务网站大都采用了免费公开访问的模式，其地图服务的发展目标和自身营销策略也不同，地图服务的内容本身就有差别。因此，考虑到互联网导航电子地图服务的应用特点，表3、表4和表5分别从数据质量、地图可视化和应用功能3个方面对CH/T 1019-2010中的评价指标进行调整，实现互联网导航电子地图的服务质量评价的准确性和可操作性。表3所列质量指标适用于道路数据集、POI数据集、背景数据集以及其他附加的专题数据集，其中位置精度评定中不考虑高程精度，并且本文暂不考虑时间精度问题。表4主要以用户的浏览体验为目标，适用于各种数据集的2维、3维、准3维的显示。表5主要以用户通过各种功能获得信息的体量和体验为目标。
表3 互联网导航电子地图数据质量评价指标
指标 | 检查项 | 检查内容 |
完整性 | 图层、要素、属性项 | 各个检查项目是否多余、缺少。 |
逻辑一致性 | 数据集、属性项、数据格式、文件、拓扑关系 | 各检查项是否反映现实世界、是否符合技术要求；点、线、面要素是否满足拓扑关系，是否符合现实拓扑关系。 |
位置精度 | 要素绝对位置精度、相对位置精度、几何位置接边 | 地图空间坐标系；数据集空间位置精度等级；要素的绝对空间位置中误差；各要素的相对基准点的位置中误差、相对几何位置偏移；几何位置接边。 |
属性精度 | 要素属性分类、属性值、属性接边 | 要素分类是否正确、准确；属性值是否正确；属性接边是否正确。 |
表4 互联网导航电子地图可视化质量评价指标
指标 | 检查项 | 检查内容 |
完整性 | 道路显示、背景显示 | 道路显示是否缺失、断路、多余；道路设施遗漏、多余；背景显示（行政区划、水系、绿地等）是否缺失。 |
准确性 | 各数据集显示真实度 | 道路显示的位置、形状、连通关系、名称、类别、宽度、交通限制是否准确；兴趣点表达、与道路和背景的关系是否正确；背景要素显示位置、形状等是否准确；注记是否清楚准确。 |
一致性 | 显示继承性 | 各数据集、要素在不同尺度下是否能继承性显示。 |
表征质量 | 几何图形规范性、关系协调性、图面负载量 | 显示的道路、POI、背景以及注记等相关的几何图形是否规范；图层关系是否协调；符号是否形象；图面综合后信息量是否适中；注记字体大小是否美观；等等。 |
表5 联网导航电子地图服务应用功能质量评价指标
指标 | 检查项 | 检查内容 |
基本功能 | 地图显示 | 是否能够多尺度、多级差显示，覆盖范围的合理性 |
地图放大缩小漫游 | 用户的交互，要素分布的均衡性；不同尺度显示的连贯性；要素符号、注记等的压盖等。 | |
POI查询 | 查询的方式、查询的范围；查询结果的正确性。 | |
线路规划计算 | 驾行、公交模式的线路规划的计算时间、规划方案合理性；线路规划的避让条件选择等。 | |
测距、标记、 | 距离测量的准确性；标记的可用性。 | |
公交线路查询 | 公交线路搜索的可用性、搜索结果的正确性。 | |
扩展功能 | 实时交通信息 | 实时交通信息获取、显示正确性。 |
影像地图 | 卫星影像地图与线划图层的叠加显示合理性； | |
实景地图 | 实景地图的合理性、正确性 | |
地图下载 | 地图下载功能的可用性 |
2.2.2 评价方法
检测结果的得分按质量指标依错漏记录采用扣分制，每个指标的最高分值为100分，依不同级别错漏的比例计算，其分值为
3 实验与结果分析
3.1 实验案例
基于本文的质量模型，选取6家较有影响的互联网导航电子地图服务网站开展实验。实验的样区以地、县级城市为主，分别选择5个地级城市和5个县级城市作为样区城市，在每个样区内根据道路和POI的复杂程度，裁切不小于2 km×2 km的范围作为实际试验的样区范围；样区的基准参考数据通过外业实测获取。瓦片地图样本数据通过各个地图服务商的官方网站，以普通用户访问模式在线实时获取。实验中采用网站提供的查询功能逐一进行POI数据的查询，并与基准参考数据比对检查，确定数据的完整性和一致性。对道路数据采用线路规划功能进行线路数据完整性和正确性验证。测试结果如图1所示。
图1 互联网导航电子地图服务测试样区得分结果
图1显示6家图商的各个样区得分表现出很强的相关性。如洛阳样区，各图商的得分整体上基本一致，且都比较高；同样，如当阳样区，各家的得分整体上也基本一致，但都相对较低，反映出各图商在基础数据获取和更新方面存在一致性。图2显示了各图商的地级城市样区数据质量测试得分普遍高于县级城市样区数据质量得分，且整体表现为一致的分群现象。同时，某些图商的地、县级样区数据的得分相差接近10分，反映了图商在数据质量和地图服务上存在明显的城市级别的差别。
图2 互联网导航电子地图服务测试综合得分结果
以上的测试结果表明本文提出的质量评价方法不仅能够很好地评价互联网导航电子地图服务的质量，而且测试的结果数据还能反映出各个互联网地图服务商在数据和服务上的精细差别。
3.2 采用Bootstrap方法估计互联网地图服务整体质量水平
为了估计互联网地图服务质量的总体均值，常用的方法有学生t估计和非参数估计方法。t分布假定总体中的各元素需要服从正太分布，而非参数估计方法不需要假定总体中的各元素的分布。由于对互联网导航电子地图服务质量的分布情况缺乏相关资料，因此本文采用了Efron提出的Bootstrap[10]方法估计互联网导航电子地图服务整体质量水平和置信区间。先通过蒙特-卡洛随机方法在试验数据中分别抽取了2 000个Bootstrap样本，并以此构造了互联网导航电子地图服务质量均值的概率经验分布曲线（见图3）。基于该经验分布曲线，采用非参数估计方法得到总体均值的估计和相应的置信区间（见表6）。
图3 基于Bootstrap样本的质量得分均值的
经验分布曲线
为了评估Bootstrap估计的效果，对原始试验数据同时采用了经典学生t分布估计总体均值和置信区间，但结果显示：在95 %置信水平下，t分布的区间估计出现失效情况；而采用Bootstrap估计较合理，且区间估计的精度也较高。本试验结果也从另一个方面反映出，采用t分布估计评价类的数据存在一定的局限性。
表6 互联网导航电子地图服务质量总体均值估计
估计方法 | 均值 | 65 %置信区间 | 95 %置信区间 |
Bootstrap估计 | 94.5 | 92.6~96.3 | 93.2~95.7 |
t分布 | 94.4 | 89.7~99.1 | 84.5~104.3 |
4 结束语
互联网导航电子地图作为公开版地图的一种形式，在数据集的表现形式和提供方式上都有自身的特点。本文基于CH/T 1019和GB/T28441的质量评价模型，对互联网模式下的导航电子地图的质量评价指标进行了改进，使其能更合理、更准确地反映互联网导航电子地图服务的质量，并且能够适应瓦片地图数据条件下的用户模式质量检测，可以更客观、更真实地评价用户能够得到的服务质量。实验结果显示本文的方法能够较好地反映当前互联网导航电子地图服务的质量状况；同时，该方法对其他领域的互联网地图服务质量的评价也具有借鉴价值。针对本文发现的t分布的区间估计失效问题，作者后续将再开展进一步的研究。
参考文献（略）