CN104699791A - 一种用于有损浮动车轨迹的路径还原方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于有损浮动车轨迹的路径还原方法，其主要步骤包括：1)轨迹点匹配：将轨迹中的每一个形点与实际地图中的一条道路或者多条道路关联起来，为之后的步骤做准备；2)轨迹点间探索：找到轨迹形点与形点之间的能通行的路径；3)轨迹路径选择：依靠层间探索的结果，以及形点间的距离、路网的拓扑结构以及道路种别等空间信息，从其中挑选出一条完整的路径，并根据一定的比较规则，选出一条最优的路径作为轨迹配准的结果路径。通过该方法，可以对有形状损失的浮动车轨迹的路径进行还原，得到浮动车在路网中真实的行车路线。

Description

一种用于有损浮动车轨迹的路径还原方法

技术领域

本发明涉及一种用于有损浮动车轨迹的路径还原方法，属于导航、电子地图、智能交通系统和数据挖掘的交叉领域。

背景技术

目前，汽车导航系统硬件平台的正在不断变化，由于导航系统性能的提升，人们在汽车主动安全，ADAS等方面的需求，导航系统对导航数据的要求也越来越多，主要体现在对数据的更新速度、数据内容的丰富程度以及新鲜度等方面。传统的测绘方法在应对这些变化方面存在成本过高、流程复杂、周期长等问题，新的导航数据制作方式不断出现，例如UGC、浮动车轨迹的数据挖掘等。本发明所解决的问题是在对浮动车轨迹进行数据挖掘时需要首先解决的一个问题，那就是浮动车轨迹与实际地图的(现实中的实际道路)的配准的问题。相关名词解释：

1.浮动车

带有各种传感器、能采集相关信息的在道路上实际行驶的汽车。

2.行车轨迹

浮动车在走行过程中采集的、用一系列形状点表示的轨迹形状。

4.结点(NODE)

用于表示道路连通网络，虚拟出来的节点对象。可以近似的理解为现实道路的一个路口。

5.LINK

用于表示NODE与NODE之间通路的曲线型对象，由两个NODE和若干形状点组成。可以近似的理解为现实道路连接两个路口的一段道路。其中两个NODE一个为起始结点、另一个为终止结点。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种用于有损浮动车轨迹的路径还原方法，使用该方法可以将浮动车轨迹与实地图中的道路关联，找到浮动车的具体行车路线，为浮动车轨迹相关的数据挖掘打下基础。而对浮动车轨迹进行数据挖掘可以得到用以补充现有导航数据的道路属性信息等，很好的提升导航服务的用户体验。

本发明以浮动车轨迹与实地图的匹配结果作为对象进行判定和处理，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、轨迹点匹配：将轨迹中的每一个形点与实际地图中的一条道路或者多条道路关联起来，为之后的步骤做准备；

步骤二、轨迹点间探索：找到轨迹形点与形点之间的可以通行的最短路径；

步骤三、轨迹路径选择：依靠轨迹点间探索的结果，以及形点间的距离、路网的拓扑结果以及道路种别等空间信息，从其中挑选出一条完整的路径，并根据一定的比较规则，选出一条最优的路径作为轨迹配准的结果路径。

所述步骤一具体包括以下步骤：

1.1)快速筛选：分别求出有损形状的轨迹线TRACK的外接矩形和实地图道路LINK的外接矩形，并根据设定的阈值以及外接矩形的重叠情况判断轨迹TRACK与实地图LINK是否存在一定的关联关系。

1.2)轨迹点匹配：在可能存在关联关系的实地图LINK中，对轨迹上的每一个轨迹点逐一进行点与LINK的匹配关系的判断，得到每个轨迹点的匹配道路LINK。

所述步骤二具体包括以下步骤：

2.1)查找轨迹点间所有可能路径：根据已经找到轨迹点的匹配道路LINK，对相邻的两个轨迹点所匹配上的道路LINK进行探索，得到从前一轨迹点到达后一轨迹点的所有可能的最短路径。

2.2)轨迹点间路径排序：对得到的相邻的两个轨迹点间的所有可能的路径，分别统计其路径长度、角度变化大小和路径中LINK数等，并按照上述路径长度、角度变化大小以及路径中LINK数这三个数值依次由小到大的顺序排序，首先用按照路径长度由小到大排序，路径长度相同的所有路径再按照角度变化值从小到大排序，如果存在路径长度和角度变化值均相同的路径，则将这些路径按照路径中LINK数量从小到大排序，如果三个值都相同，则这些路径优先级一致，从中选第一条路径作为这些路径中优先级最高的路径，然后进行选取的优先级的判定

步骤三轨迹路径选择具体包括以下步骤：

3.1)选取第一个形点至第二个形点间的层间探索结果作为路径选择的起始层；

3.2)判断剩余的层数是否大于5，如果是的话，选取起始层之后的第5层作为目标层，如果剩余层数不大于5的话，那么就将最后一层作为目标层；

3.3)通过LINK接续关系，查找到起始层至目标层之间的所有通路，并对通路进行类似层间探索步骤中的属性值计算及优先级排序，查找所有通路的过程主要是通过层间探索的结果路径中上层结果路径中最后一条LINK与下层结果路径中第一条LINK是否接续来进行拼接；

3.4)从上述所有通路中，选取优先级最高的通路中对应在起始层中的结果路径作为起始层的选定路径存储到最终路径中；如果不存在通路，则直接返回空的结果，说明探索不通，轨迹配准失败；

3.5)将起始层的下一层作为新的起始层，如果起始层已经是轨迹的最后一层，那么返回选取结果，退出；如果不是，则按照向前5层的原则选取目标层，如果剩余层数小于5层，则将最后一层作为目标层，同时获取起始层至目标层之间所有的通路，如果不存在通路，返回空值，配准失败；如果存在，则继续步骤3.6)；

3.6)判断上述所有通路中的最优路径的起始LINK与已经存储到最终路径中的上一层选定路径中的最后一条LINK是否接续，如果是，则选取优先级最高的通路中对应在起始层中的结果路径作为起始层的选定路径存储到最终路径中，然后继续步骤3.5)；如果不是，则需要回退起始层至前层，再次选定新的起始层与目标层，完成通路查找，并从排好序的所有通路中，选择未使用过的次优的通路对应的路径作为起始层的选定路径，存储到最终结果路径中，并继续步骤3.5)，如果不存在未使用过的次优通路，则继续回退起始层，回退至第一层或者回退层数超5次时，认为探索失败。

本发明的优点是：能够利用浮动车轨迹的通行信息，结合本发明还原得到的浮动车行车路线，从而对浮动车轨迹进行更进一步的数据分析与数据挖掘，得到更多与实地图道路LINK相关的信息，与导航服务相结合，可以提高导航服务的用户体验。

附图说明

图1是本发明的处理流程图；

图2是本发明的轨迹点匹配示意图；

图3是本发明的轨迹点间探索示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

本发明以基于浮动车轨迹、实地图道路LINK作为对象进行判定和处理，其特征在于包括以下步骤：

1)轨迹点匹配

获取备选新道路统计信息，指的是根据模拟地图LINK与轨迹信息的对应关系，获取模拟地图LINK_A所对应的轨迹的条数，具体步骤如下：

1.1)快速筛选：分别求出有损形状的轨迹TRACK的外接矩形和实地图道路LINK的外接矩形，并根据设定的外接矩形间隔距离阈值RD(外接矩形间隔距离阈值，值越大表明两个外接矩形间隔越远，该值的选取会影响到筛选后LINK的数量，该值越大，筛选得到的LINK越多，探索的复杂度会有所提高。一般取50以上的数值，单位为米，RD＝50)以及外接矩形的重叠情况判断轨迹TRACK与实地图LINK是否存在一定的关联关系。如果外接矩形间隔距离大于该阈值，则认为当前轨迹与当前道路LINK之间不可能存在关联关系，反之，如果外接矩形间隔距离小于该阈值或者外接矩形存在重叠(此时，两矩形的间隔距离定义为0)时，则认为当前轨迹与当前道路LINK之间有可能存在关联关系，保留当前LINK为筛选后得到的道路LINK，用于之后的匹配。

1.2)轨迹点匹配：在可能存在关联关系的实地图LINK中，对轨迹(即图2中虚线所表示的TRACK)上的每一个轨迹形点逐一进行形点与LINK的匹配关系的判断，得到每个轨迹形点的匹配道路LINK。而轨迹点与道路LINK是否匹配的判断主要是基于当前轨迹点与当前道路LINK的距离值是否大于距离阈值D(轨迹点匹配道路LINK的距离阈值，值越大表明轨迹点到道路LINK的距离越近。如果轨迹点到道路LINK的距离大于该阈值，则认为当前轨迹点与道路LINK并不匹配。该值越大，轨迹点匹配上的LINK数量越多，算法性能会有所下降，但是轨迹还原成功率增加)以及轨迹行驶方向与LINK在当前轨迹点处的道路方向之间夹角角度的大小是否大于角度阈值C(轨迹行驶方向与道路LINK方向夹角阈值，值越大表明两个方向相差越大。如果轨迹行驶方向与道路LINK方向夹角大于该阈值，则认为当前轨迹点与道路LINK并不匹配。该值越大，轨迹点匹配上的LINK数量越多，算法性能会有所下降，但是轨迹还原成功率增加)。其中轨迹(TRACK)行驶方向指的是当前轨迹形点与其下一个轨迹形点形成的方向(如果当前形点为轨迹的最后一个轨迹点时，则选当前轨迹点的前一个轨迹点与当前轨迹点所形成的方向)，LINK在当前轨迹点处的道路方向的确定方法是选取当前形点在LINK上的垂足(如果存在的话)的前一个LINK形点，和后一个LINK形点所形成的的直线方向。如图2所示。如果垂足不能落在LINK上，则选取离垂足最近的两个形点所形成的直线的方向作为LINK方向。

2)轨迹点间探索

轨迹点间探索主要是找到轨迹形点与形点之间的所有可以通行最短的路径。具体步骤如下：

2.1)查找轨迹点间所有可能的最短路径：找到当前轨迹形点下一个与形点之间的可以通行的最短路径。完成点匹配后，每一个形点都有可能会匹配到多条道路LINK，因此，轨迹点间探索的结果也可能是多个。如图3所示，轨迹点P3和P4，如果P3匹配上L1、L2两条不同的道路LINK，而轨迹点P4匹配上L3、L4、L5三条不同的道路LINK，那么P3、P4的层间探索结果就是分别找到L1到P3对应的三条LINK的最短路径以及L2到P4对应的三条LINK的最短路径，一共最多有2*3＝6个探索结果(其中有可能存在探索不通的情况)。

2.2)轨迹点间路径排序，即对得到的相邻的两个轨迹点间的所有可能的路径，分别统计其路径长度、角度变化大小、路径中LINK数等，并按照一定的排序规则进行最终路径选取的优先级的判定和排序。排序的规则主要是依据上述三个特征值进行。在上述三个特征值中，首先是按照路径长度进行排序，路径长度相对较小的优先级较高，而当两条路径的距离差值较小(比如小于100米)时，这个时候是根据道路种别变化次数来判定哪一条路径的优先级更高，判定标准是变化次数越少的，优先级越高。如果两条路径距离较接近，道路种别变化次数也一样，那么就看哪一条路径的角度变化更小，这里的角度变化只记路径中LINK相连接处的NODE处的LINK间角度变化大小。如图3所示：

3)轨迹路径选择

路径选择的主要目的在于，根据轨迹点间探索的结果亦即层间探索的结果(将相邻的两个轨迹点之间看做一层，如一条轨迹的轨迹点位N，则轨迹的探索层数为N-1层)，根据空间信息如位置间的距离、路网的拓扑结果以及道路种别等，从其中挑选出一条完整的路径，并根据一定的比较规则，选出一条最优的路径作为轨迹配准的结果路径。其主要步骤如下：

3.1)选取第一个形点至第二个形点间的层间探索结果作为路径选择的起始层；

3.2)判断剩余的层数是否大于5，如果是的话，选取起始层之后的第5层作为目标层，如果剩余层数不大于5的话，那么就将最后一层作为目标层。

3.3)通过LINK接续关系，查找到起始层至目标层之间的所有通路，并对通路进行类似层间探索步骤中的属性值计算及优先级排序，(通路本身也是路径，是层间探索结果路径所拼接起来的)。查找所有通路的过程主要是通过层间探索的结果路径中上层结果路径中最后一条LINK与下层结果路径中第一条LINK是否接续来进行拼接。

3.4)从上述所有通路中，选取优先级最高的通路中对应在起始层中的结果路径作为起始层的选定路径存储到最终路径中。如果不存在通路，则直接返回空的结果，说明探索不通，轨迹配准失败。

3.5)将起始层的下一层作为新的起始层，如果起始层已经是轨迹的最后一层，那么返回选取结果，退出。如果不是，则按照向前5层的原则选取目标层(如果剩余层数小于5层，则将最后一层作为目标层)，同时获取起始层至目标层之间所有的通路，如果不存在通路，返回空值，配准失败。如果存在，则继续步骤3.6)。

3.6)判断上述所有通路中的最优路径的起始LINK与已经存储到最终路径中的上一层选定路径中的最后一条LINK是否接续，如果是，则选取优先级最高的通路中对应在起始层中的结果路径作为起始层的选定路径存储到最终路径中，然后继续步骤3.5)。如果不是，则需要回退起始层至前层，再次选定新的起始层与目标层，完成通路查找，并从排好序的所有通路中，选择未使用过的次优的通路对应的路径作为起始层的选定路径，存储到最终结果路径中，并继续步骤3.5)，如果不存在未使用过的次优通路，则继续回退起始层，回退至第一层或者回退层数超5次时，认为探索失败。

综上所述，在路径选择的过程中，实际是通过保证局部最优(包括起始层在内，6层之内通路最优)来保证全局最优，而优先级的制定是参照空间信息和导航数据特征，结合行车习惯来制定的。

以上所述，仅是用以说明本发明的具体实施案例而已，并非用以限定本发明的可实施范围，举凡本领域熟练技术人员在未脱离本发明所指示的精神与原理下所完成的一切等效改变或修饰，仍应由本发明权利要求的范围所覆盖。

Claims (4)

1.一种用于有损浮动车轨迹的路径还原方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、轨迹点匹配：将轨迹中的每一个形点与实际地图中道路进行匹配，找到轨迹点所在的位置对应的一条或者多条道路关联LINK，为之后的步骤做准备；

步骤二、轨迹点间探索：找到轨迹形点与形点之间的所有能通行的路径；

步骤三、轨迹路径选择：依靠层间探索的结果，以及形点间的距离、路网的拓扑结果以及道路种别等空间信息，从其中挑选出一条完整的路径，并根据一定的比较规则，选出一条最优的路径作为轨迹配准的结果路径。

2.根据权利要求1所述的用于有损浮动车轨迹的路径还原方法，其特征在于：所述步骤一具体包括以下步骤：

1.1)快速筛选：将不可能是当前轨迹点匹配上的实地图道路LINK排除，减少算法的运算量；

1.2)轨迹点匹配：对快速筛选后剩下的实地图道路LINK进行与轨迹点的匹配，并记录下匹配成果的LINK用于轨迹点间探索。

3.根据权利要求1所述的用于有损浮动车轨迹的路径还原方法，其特征在于：所述步骤二具体包括以下步骤：

2.1)查找轨迹点间所有可能路径：对相邻的两个轨迹点所匹配上的LINK进行探索，得到从前一轨迹点到达后一轨迹点的所有可能的路径；

2.2)为查找到的路径按照特定规则排序：对得到的相邻的两个轨迹点间的所有可能的路径，分别统计路径长度、角度变化大小以及路径中LINK数，并按照上述路径长度、角度变化大小以及路径中LINK数这三个数值依次由小到大的顺序排序，首先用按照路径长度由小到大排序，路径长度相同的所有路径再按照角度变化值从小到大排序，如果存在路径长度和角度变化值均相同的路径，则将这些路径按照路径中LINK数量从小到大排序，如果三个值都相同，则这些路径优先级一致，从中选第一条路径作为这些路径中优先级最高的路径，然后进行选取的优先级的判定。

4.根据权利要求1所述的用于有损浮动车轨迹的路径还原方法，其特征在于：轨迹路径选择具体包括以下步骤：

3.1)选取第一个形点至第二个形点间的层间探索结果作为路径选择的起始层；

3.2)判断剩余的层数是否大于5，如果是的话，选取起始层之后的第5层作为目标层，如果剩余层数不大于5的话，那么就将最后一层作为目标层；

3.3)通过LINK接续关系，查找到起始层至目标层之间的所有通路，并对通路进行类似层间探索步骤中的属性值计算及优先级排序，查找所有通路的过程主要是通过层间探索的结果路径中上层结果路径中最后一条LINK与下层结果路径中第一条LINK是否接续来进行拼接；

3.4)从上述所有通路中，选取优先级最高的通路中对应在起始层中的结果路径作为起始层的选定路径存储到最终路径中；如果不存在通路，则直接返回空的结果，说明探索不通，轨迹配准失败；

3.5)将起始层的下一层作为新的起始层，如果起始层已经是轨迹的最后一层，那么返回选取结果，退出；如果不是，则按照向前5层的原则选取目标层，如果剩余层数小于5层，则将最后一层作为目标层，同时获取起始层至目标层之间所有的通路，如果不存在通路，返回空值，配准失败；如果存在，则继续步骤3.6)；

3.6)判断上述所有通路中的最优路径的起始LINK与已经存储到最终路径中的上一层选定路径中的最后一条LINK是否接续，如果是，则选取优先级最高的通路中对应在起始层中的结果路径作为起始层的选定路径存储到最终路径中，然后继续步骤3.5)；如果不是，则需要回退起始层至前层，再次选定新的起始层与目标层，完成通路查找，并从排好序的所有通路中，选择未使用过的次优的通路对应的路径作为起始层的选定路径，存储到最终结果路径中，并继续步骤3.5)，如果不存在未使用过的次优通路，则继续回退起始层，回退至第一层或者回退层数超5次时，认为探索失败。