CN103438897B - 基于栅格地图的路径轨迹校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于栅格地图的路径轨迹校正方法。其特征在于包括以下步骤：一、根据移动终端获取到卫星定位所包含的数据建立卫星定位数据模型；二、识别跨路段的相邻卫星定位点；三、对跨路段的相邻卫星定位点的判断方法；四、对跨路段的相邻卫星定位点进行校正。本发明主要实现了基于栅格地图的路径轨迹校正方法，其不借助道路路网的矢量数据，在栅格地图上识别偏离道路的卫星定位异常点；不借助道路路网的矢量数据，在栅格地图上识别跨路段的相邻卫星定位点；实现了基于栅格地图的跨路段轨迹校正方法。

Description

基于栅格地图的路径轨迹校正方法

技术领域

本发明涉及一种基于栅格地图的路径轨迹校正方法。

背景技术

卫星定位定位应用系统从逻辑结构上可由物理层、处理层和应用层三个层次构成。物理层提供当前移动终端的相关信息，包括定位、方向、时间等信息；处理层负责在移动终端相关信息的基础上，进行一系列的数据处理；应用层则实现卫星定位定位的最终应用。

卫星定位用于移动终端物体的定位，总会存在随机定位偏差，在车辆导航系统或实时跟踪移动终端的系统的显示屏幕上经常会出现被定位终端偏离轨道或道路的情况，如移动终端“行进”到一些建筑物上或者相邻的卫星定位点跨越路段而出现移动终端穿越建筑物或斜穿道路路口。借助常识，虽然我们可以准确地判断实际情况，但是会造成系统使用的麻烦，以及降低了用户对系统的信任度。

常见的基于卫星定位轨迹数据是一系列包含有经纬度、速度和方向信息的时序卫星定位轨迹点。

卫星定位定位的偏差问题，在物理层上主要通过提高移动终端定位的精度。移动终端定位的精度取决于移动终端所采用的定位方式。目前采用卫星定位接收机来实现移动终端的定位。应用差分卫星定位方法提高卫星定位的定位精度，但是该方法需要硬件上的支持，费用也相对较高。

在处理层上，矢量地图生产商采用实地跑车采集车辆沿道路行驶的轨迹来校正道路路网以提高矢量地图的精度，导致成本居高不下。而对于非矢量地图，由于没有地图矢量库和地图数据库，无法根据移动终端卫星定位判断其与道路的相对位置关系，因此对于应用于非矢量地图的卫星定位，无法有效识别跨越路段的相邻卫星定位点，并对偏离道路的路径轨迹进行校正。

目前，在基于现有卫星定位偏差的基础上主要在处理层将卫星定位轨迹数据（如速度和方向信息等）结合数字地图上的路网数据进行地图匹配获得移动终端的轨迹描述。主要步骤如下：

1.计算当前点的可能行驶的路段集RC；

2.计算RC与各阶段总体路径path(i)的最后一条路段Rlast的后续可行路段集NR_Rlast(i)的交集Rinsect(i)；

3.由Rinsect(i)更新并重组备选总体路径集path；

4.所有待处理的卫星定位点循环完毕后，计算path中的各条可能路径与由卫星定位轨迹路径的曲线相似度Sim(i)，选取最相似的路径作为整体轨迹的匹配路径。

现有技术主要在卫星定位系统的处理层，将一系列包含有经纬度、速度和方向信息的时序卫星定位轨迹点，结合路网信息进行道路匹配，实现对偏离道路的轨迹描述点进行校正。但是这种方法需要知道路网的数据，所依赖的地图主要是矢量地图。利用矢量地图提供的地图矢量数据和地图描述数据，确定每个卫星定位点与周围道路网的相对位置关系。但是对于非矢量地图则无法获取路网数据，无法实现通过道路匹配校正偏离道路的轨迹描述点。

诸多卫星定位相关的应用系统，由于系统本身的原因，使用了栅格地图。如果要求系统使用矢量地图，则必须购买地图矢量数据库和地图描述数据库，增加了系统开发的成本。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于栅格地图的路径轨迹校正方法的技术方案，在不使用矢量地图中的路网数据，不增加地图成本的前提下，校正跨路段而偏离道路的轨迹点。

所述的基于栅格地图的路径轨迹校正方法，其特征在于包括以下步骤：

一、根据移动终端获取到卫星定位所包含的数据建立卫星定位数据模型

移动终端使用卫星定位接收机在物理层获取到得卫星定位数据主要包括物体的经度、纬度、方向和速度信息，实际地理坐标不能直接在屏幕上显示，要使用墨卡托投影算法MercatorProjection实现地理坐标到屏幕坐标的转换；

1）移动终端每次获取到的卫星定位数据，构成一个卫星定位数据点，该数据点包含经度、纬度、方向和速度信息，构建数据模型：

GPSPoint=（lon,lat,dir,v），

GPSPoint：每次获取到的卫星定位点，

lon：当前位置的经度，

lat：当前位置的纬度，

dir：当前位置处的移动方向，

v：当前位置处的速度；

2）使用墨卡托投影算法将点GPSPoint进行处理，如下：

MercatorProjection（GPSPoint）=PlaneGPSPoint=（X,Y,dir,v）

其中：X、Y为变换之后的点PlaneGPSPoint在屏幕坐标ScreenPoint中的X轴和Y轴的值，并且X、Y一一对应lon、lat，这样每一个GPSPoint都一一对应到屏幕坐标点ScreenPoint（X,Y）；

二、识别跨路段的相邻卫星定位点

在进行跨路段的相邻卫星定位点识别时，首先需要对产生较大误差的卫星定位点进行判断并做处理，该类点会影响跨路段的相邻卫星定位点的识别，用ErrorPoint点表示偏离道路的异常点，由于栅格地图没有相关路网及道路的矢量数据，需要根据现有的卫星定位数据，使用距离及角度方法进行判断，具体如下：

a）

其中，i=0,1,2,3,…；error下标为异常点的唯一标识；

b）向量，向量，

向量，向量；

其中：

向量为道路内正常点GPSPoint0与偏离道路异常点ErrorPoint连接构成；

向量为道路内偏离道路异常点ErrorPoint与正常点GPSPoint1连接构成；

向量为道路内正常点GPSPoint0与正常点GPSPoint1连接构成；

向量为道路内正常点GPSPoint0与正常点GPSPoint2连接构成；

c）使用平面向量夹角公式：

求得角度a、b、c及向量所在直线与向量所在直线的夹角d；

其中：

角度a表示向量所在直线与向量所在直线的夹角；

角度b表示向量所在直线与向量所在直线的夹角；

角度c表示向量所在直线与向量所在直线的夹角；

d）如果b>90°或者c>90°，则ErrorPoint为误差异常点；

如果b<90°且a<90°，则ErrorPoint为误差异常点；对于该类误差异常点，直接舍去，即轨迹描述的路线为GPSPoint0GPSPoint1GPSPoint2；

三、对跨路段的相邻卫星定位点的判断方法

跨路段的相邻卫星定位点是属于正常接收到的点，必须先排除掉产生较大误差的卫星定位点，使用步骤二的方法可以有效识别卫星定位误差异常点并做处理；

跨路段的相邻卫星定位点与为相邻的卫星定位点，它们分别在道路R1和道路R2两个不同的路段上，由于轨迹线穿越道路，该类跨越路段的相邻卫星定位点的判断步骤如下：

ⅰ）首先对卫星定位点经纬度数据做转换

，

其中i=0,1,2,3,…；

ⅱ）计算向量；向量；

其中：

为道路上的正常点与连接构成的向量；

为道路上的正常点与连接构成的向量；

ⅲ）使用平面向量夹角公式：

令：，，可求得向量与向量的夹角β；

ⅳ）根据公路路线设计规范，平面交叉的斜交角度必须严格限制在70°-110°之间，也即多岔道路路口转角的角度范围；如果角度β在70°-110°之间，则可判定点与为跨路段相邻卫星定位点；

四、对跨路段的相邻卫星定位点进行校正

识别出跨路段的相邻的卫星定位点之后，应用平面几何的知识对跨路段的轨迹进行校正，使轨迹尽可能的沿着道路前进，步骤如下：

Ⅰ）跨路段的相邻卫星定位点与分别在道路R1和道路R2上，分别延长线段和线段，使得直线line1与line2相交于点E；

Ⅱ）已知点，应用平面几何知识求得直线line1与line2的解析式：

line1：

line2：

构建方程组：

得到E点屏幕坐标（X，Y），由反墨卡托投影变换即可得到对应的经纬度值，构建一个校正路径轨迹线的卫星定位点CorrectGPSPoint，依次连接各点便形成校正之后的路径轨迹线。

本发明主要实现了基于栅格地图的路径轨迹校正方法，其不借助道路路网的矢量数据，在栅格地图上识别偏离道路的卫星定位异常点；不借助道路路网的矢量数据，在栅格地图上识别跨路段的相邻卫星定位点；实现了基于栅格地图的跨路段轨迹校正方法。

附图说明

图1为识别跨路段的相邻卫星定位点的结构示意图；

图2为跨路段的相邻卫星定位点的判断方法的结构示意图；

图3为跨路段的相邻卫星定位点进行校正的结构示意图。

具体实施方式

栅格地图没有矢量地图的地图矢量库和地图数据库，因此也就没有道路路网相关的矢量数据，需要判断异常卫星定位点是否偏离道路及哪些点是跨路段的相邻卫星定位点，从而实现对跨路段的路径轨迹校正。

图1为识别跨路段的相邻卫星定位点的结构示意图，假设行进道路上一次上报卫星定位点GPSPoint0、ErrorPoint、GPSPoint、GPSPoint2，GPSPoint0、GPSPoint1、GPSPoint2表示上报正常的点，ErrorPoint表示上报异常即偏离道路的点。

图2为跨路段的相邻卫星定位点的判断方法的结构示意图，假设道路R1上有卫星定位点，道路R2上有卫星定位点，延长线段，相交于点E，构成角度。

图3为跨路段的相邻卫星定位点进行校正的结构示意图，点CorrectGPSPoint为校正之后在物体行进路径上通过校正算法添加的点。

本发明基于栅格地图的路径轨迹校正方法包括以下步骤：

一、根据移动终端获取到卫星定位所包含的数据建立卫星定位数据模型

由于移动终端使用卫星定位接收机在物理层获取到得卫星定位数据主要包括物体的经度、纬度、方向和速度信息，实际地理坐标不能直接在屏幕上显示，必须进行坐标变换，本发明中使用墨卡托投影算法（MercatorProjection）实现地理坐标到屏幕坐标的转换，墨卡托投影算法的内容为现有技术，在此不做详述,具体转换步骤为：

1）移动终端每次获取到的卫星定位数据，构成一个卫星定位数据点，该数据点包含经度、纬度、方向和速度信息，构建数据模型：

GPSPoint=（lon,lat,dir,v），

GPSPoint：每次获取到的卫星定位点，

lon：当前位置的经度，

lat：当前位置的纬度，

dir：当前位置处的移动方向，

v：当前位置处的速度；

2）使用墨卡托投影算法将点GPSPoint进行处理，如下：

MercatorProjection（GPSPoint）=PlaneGPSPoint=（X,Y,dir,v）

其中：X、Y为变换之后的点PlaneGPSPoint在屏幕坐标ScreenPoint中的X轴和Y轴的值，并且X、Y一一对应lon、lat，这样每一个GPSPoint都一一对应到屏幕坐标点ScreenPoint（X,Y）；

二、识别跨路段的相邻卫星定位点

在进行跨路段的相邻卫星定位点识别时，首先需要对产生较大误差的卫星定位点进行判断并做处理，因为该类点会影响跨路段的相邻卫星定位点的识别，产生较大误差的卫星定位点如图1所示，用ErrorPoint点表示偏离道路的异常点，由于栅格地图没有相关路网及道路的矢量数据，需要根据现有的卫星定位数据，使用距离及角度方法进行判断，具体如下：

a）

其中，i=0,1,2,3,…；error下标为异常点的唯一标识；

b）向量，向量，

向量，向量；

其中：

向量为道路内正常点GPSPoint0与偏离道路异常点ErrorPoint连接构成；

向量为道路内偏离道路异常点ErrorPoint与正常点GPSPoint1连接构成；

向量为道路内正常点GPSPoint0与正常点GPSPoint1连接构成；

向量为道路内正常点GPSPoint0与正常点GPSPoint2连接构成；

c）使用平面向量夹角公式：

求得角度a、b、c及向量所在直线与向量所在直线的夹角d；

其中：

角度a表示向量所在直线与向量所在直线的夹角，此时；

角度b表示向量所在直线与向量所在直线的夹角，此时；

角度c表示向量所在直线与向量所在直线的夹角，此时；

角度d表示向量所在直线与向量所在直线的夹角，此时；

d）如果b>90°或者c>90°，则ErrorPoint为误差异常点；

如果b<90°且a<90°，则ErrorPoint为误差异常点；对于该类误差异常点，直接舍去，即轨迹描述的路线为GPSPoint0GPSPoint1GPSPoint2；

三、对跨路段的相邻卫星定位点的判断方法

由于跨路段的相邻卫星定位点是属于正常接收到的点，因此必须先排除掉产生较大误差的卫星定位点，使用步骤二的方法可以有效识别卫星定位误差异常点并做处理；

跨路段的相邻卫星定位点如图2所示，跨路段的相邻卫星定位点与为相邻的卫星定位点，它们分别在道路R1和道路R2两个不同的路段上，由于轨迹线穿越道路，该类跨越路段的相邻卫星定位点的判断步骤如下：

ⅰ）首先对卫星定位点经纬度数据做转换

，

其中i=0,1,2,3,…；

ⅱ）计算向量；向量；

其中：

为道路上的正常点与连接构成的向量；

为道路上的正常点与连接构成的向量；

ⅲ）使用平面向量夹角公式：

令：，，求得向量所在直线与向量所在直线的夹角β；

ⅳ）根据公路路线设计规范，平面交叉的斜交角度必须严格限制在70°-110°之间，也即多岔道路路口转角的角度范围；如果角度β在70°-110°之间，则可判定点与为跨路段相邻卫星定位点；

四、对跨路段的相邻卫星定位点进行校正

识别出跨路段的相邻的卫星定位点之后，应用平面几何的知识对跨路段的轨迹进行校正，使轨迹尽可能的沿着道路前进，如图3所示，步骤如下：

Ⅰ）跨路段的相邻卫星定位点与分别在道路R1和道路R2上，分别延长线段和线段，使得直线line1与line2相交于点E；

Ⅱ）已知点，应用平面几何知识求得直线line1与line2的解析式：

line1：

line2：

构建方程组：

得到E点屏幕坐标（X，Y），由反墨卡托投影变换即可得到对应的经纬度值，构建一个校正路径轨迹线的卫星定位点CorrectGPSPoint，依次连接各点便形成校正之后的路径轨迹线。

本发明是在原有栅格地图而不额外增加成本的基础上，借助平面几何的知识对卫星定位点包含的数据进行分析和计算，识别卫星定位偏离道路的异常点和跨路段的相邻点，从而实时校正跨路段路径。

本发明不借助道路路网的矢量数据，在栅格地图上识别偏离道路的卫星定位异常点；不借助道路路网的矢量数据，在栅格地图上识别跨路段的相邻卫星定位点；实现了基于栅格地图的跨路段轨迹校正方法。

Claims (1)

1.基于栅格地图的路径轨迹校正方法，其特征在于包括以下步骤：

一、根据移动终端获取到卫星定位所包含的数据建立卫星定位数据模型

移动终端使用卫星定位接收机在物理层获取到得卫星定位数据主要包括物体的经度、纬度、方向和速度信息，实际地理坐标不能直接在屏幕上显示，要使用墨卡托投影算法MercatorProjection实现地理坐标到屏幕坐标的转换；

1）移动终端每次获取到的卫星定位数据，构成一个卫星定位数据点，该数据点包含经度、纬度、方向和速度信息，构建数据模型：

GPSPoint=（lon,lat,dir,v），

GPSPoint：每次获取到的卫星定位点，

lon：当前位置的经度，

lat：当前位置的纬度，

dir：当前位置处的移动方向，

v：当前位置处的速度；

2）使用墨卡托投影算法将点GPSPoint进行处理，如下：

MercatorProjection（GPSPoint）=PlaneGPSPoint=（X,Y,dir,v）

其中：X、Y为变换之后的点PlaneGPSPoint在屏幕坐标ScreenPoint中的X轴和Y轴的值，并且X、Y一一对应lon、lat，这样每一个GPSPoint都一一对应到屏幕坐标点ScreenPoint（X,Y）；

二、识别跨路段的相邻卫星定位点

在进行跨路段的相邻卫星定位点识别时，首先需要对产生较大误差的卫星定位点进行判断并做处理，该类点会影响跨路段的相邻卫星定位点的识别，用ErrorPoint点表示偏离道路的异常点，由于栅格地图没有相关路网及道路的矢量数据，需要根据现有的卫星定位数据，使用距离及角度方法进行判断，具体如下：

a）

其中，i=0,1,2,3,…；error下标为异常点的唯一标识；

b）向量，向量，

向量，向量；

其中：

向量为道路内正常点GPSPoint0与偏离道路异常点ErrorPoint连接构成；

向量为道路内偏离道路异常点ErrorPoint与正常点GPSPoint1连接构成；

向量为道路内正常点GPSPoint0与正常点GPSPoint1连接构成；

向量为道路内正常点GPSPoint0与正常点GPSPoint2连接构成；

c）使用平面向量夹角公式：

求得角度a、b、c及向量所在直线与向量所在直线的夹角d；

其中：

角度a表示向量所在直线与向量所在直线的夹角；

角度b表示向量所在直线与向量所在直线的夹角；

角度c表示向量所在直线与向量所在直线的夹角；

d）如果b>90°或者c>90°，则ErrorPoint为误差异常点；

如果b<90°且a<90°，则ErrorPoint为误差异常点；对于该类误差异常点，直接舍去，即轨迹描述的路线为GPSPoint0GPSPoint1GPSPoint2；

三、对跨路段的相邻卫星定位点的判断方法

跨路段的相邻卫星定位点是属于正常接收到的点，必须先排除掉产生较大误差的卫星定位点，使用步骤二的方法可以有效识别卫星定位误差异常点并做处理；

跨路段的相邻卫星定位点与为相邻的卫星定位点，它们分别在道路R1和道路R2两个不同的路段上，由于轨迹线穿越道路，该类跨路段的相邻卫星定位点的判断步骤如下：

ⅰ）首先对卫星定位点经纬度数据做转换

，

其中i=0,1,2,3,…；

ⅱ）计算向量；向量；

其中：

为道路上的正常点与连接构成的向量；

为道路上的正常点与连接构成的向量；

ⅲ）使用平面向量夹角公式：

令：，，可求得向量与向量的夹角β；

ⅳ）根据公路路线设计规范，平面交叉的斜交角度必须严格限制在70°-110°之间，也即多岔道路路口转角的角度范围；如果角度β在70°-110°之间，则可判定点与为跨路段相邻卫星定位点；

四、对跨路段的相邻卫星定位点进行校正

识别出跨路段的相邻的卫星定位点之后，应用平面几何的知识对跨路段的轨迹进行校正，使轨迹尽可能的沿着道路前进，步骤如下：

Ⅰ）跨路段的相邻卫星定位点与分别在道路R1和道路R2上，分别延长线段和线段，使得直线line1与line2相交于点E；

Ⅱ）已知点，应用平面几何知识求得直线line1与line2的解析式：

line1：

line2：

构建方程组：

得到E点屏幕坐标（X，Y），由反墨卡托投影变换即可得到对应的经纬度值，构建一个校正路径轨迹线的卫星定位点CorrectGPSPoint，依次连接各点便形成校正之后的路径轨迹线。