CN106447774B - 一种gps地图到三维地图的映射方法 - Google Patents

一种gps地图到三维地图的映射方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于仿射和非线性点变换的地图映射方法：通过采集校园三维地图中标志点的经纬度数据以及对应的三维地图图片中的位置坐标，计算出经过投影绘制后，校园地图的真实经纬到三维地图图片位置坐标的仿射变换关系；采集大量特征点的GPS真实经纬度，通过该仿射变换关系，换算出其对应的三维地图图片中的位置坐标点集A，并在三维地图图片中标定出这些特征点所对应的真实图片位置坐标点集B，得到训练样本点集{A，B}，通过基于B‑样条的自由形变模型的非线性点配准技术实现坐标误差的纠正；通过法向投影技术，使得映射后的点都被投影显示在标定好的道路中心线上。本发明达到很好的地图导航的效果。

Description

一种GPS地图到三维地图的映射方法
技术领域
本发明涉及计算机应用技术与地图配准技术领域，具体涉及一种GPS地图到三维地图的映射方法。
背景技术
近十年来，随着全国高校校园规模的扩大，校园公交的普及率显著提升。据统计，2014年综合排名前100所高校中，38%的高校开设了校园公交。以福州大学为例，在福州大学城内的高校中，开设校园公交的学校达到了80%。它为学生在校内移动提供了极大的便利，但也存在一些亟待解决的问题。从管理者角度来看，校园公交存在严重的调度问题，导致资源利用率不高。校园公交的管理相当困难，管理者无法实时了解校园公交位置，因而未能根据学生人流实现动态调配，造成资源浪费。从学生角度看来，存在“学生等车难、上车也难”的问题。一方面，学生无法了解校园公交的实时位置信息，只能盲目等待，有时甚至需要等上几十分钟。另一方面，校园公交座位有限，长时间苦等到的校园公交常常是满载而来，严重影响了学生的出行选择。
目前，定位系统广泛应用在平面地图当中，如谷歌地图、百度地图、高德地图和腾讯地图等，但在校园内部，这些地图无法准确地提供更加直观和清晰的校园内部格局和建筑信息，对用户的体验效果不够理想。据统计，目前全国高校大部分都有自己定制版的三维地图，校园公交导航项目采用这种范围适合、色彩鲜亮、画面制作精美、建筑物突出明显的校园三维地图，将大大提高系统视觉效果和提升用户体验性。但要使用校园三维地图进行导航，需要抛弃传统的单纯调用地图供应商如百度地图API导航的思路，通过将GPS数据与校园三维地图位置信息精确衔接，才能够在校园地图上准确显示校园公交的实时位置。
然而，校园三维地图实质上通常是一张经过压缩、投影后具有三维视觉效果的二维图片，准确说来，它应称作“2.5维地图”或“伪三维地图”，即只是将建筑物等物体投影立体化的平面地图。以福州大学校园三维地图为例，是一张716*4083分辨率的JPG图片，如图1所示。经过三维绘制，其经纬度坐标系由原来的平面直角坐标系变为斜坐标系，即坐标系中两条坐标轴不垂直，但仍为直线，同时，由于绘制过程中的压缩形变，校园三维地图和经纬度信息的配准存在着一定的误差。因此，如何实现真实GPS经纬度与校园三维地图图片的准确映射成为一个急需解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的是实现真实GPS经纬度坐标到校园三维地图的准确映射，并能够在校园三维地图上准确地显示校园公交的实时位置。
本发明采用以下技术方案实现：一种GPS地图到三维地图的映射方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：提供一校园三维地图，将所述校园三维地图的GPS经纬度坐标系视作第一幅图的坐标系，将校园三维地图的图片位置坐标系视作第二幅图的坐标系，借助仿射变换进行两个坐标系的变换，将校园地图真实GPS经纬度到校园三维地图图片坐标的映射；步骤S2：采集大量特征点的GPS真实经纬度，通过仿射变换关系，换算出其对应的三维地图图片中的位置坐标点集A，并在三维地图图片中标定出这些特征点所对应的真实位置坐标点集B，得到训练样本点集{A，B}，通过基于B-样条的自由形变模型的非线性点配准技术，寻找到GPS真实经纬度的映射坐标到校园三维地图真实坐标的形变关系；通过非线性配准，将GPS真实经纬度所对应的校园地图的映射点和校园三维地图图片上实际对应点之间的局部纠偏，计算出两个点集空间的形变模型；利用该形变模型，每一个输入的点根据变形函数映射到一个新的位置，从而实现点的智能纠偏；步骤S3：通过法向投影使得映射后的点都被投影显示在标定好的道路中心线上
在本发明一实施例中，步骤S1包括以下具体步骤：S11：取校园三维地图图片的左上角为原点，水平向右为X轴，竖直向下为Y轴，以像素点的数量为坐标单位，建立平面直角坐标系，则图片位置坐标可以表示为；S12：取校园地图的斜坐标系的两条坐标轴，纬度均匀增加、经度不变的坐标轴为Latitude轴，纬度不变、经度均匀增加的坐标轴为Longitude轴，选取一个特征明显的点作为校园地图经纬度斜坐标系的坐标参考点，非原点，记录经纬度为，其中坐标单位为度；S13：在图片中找到同一坐标参考点，记录位置坐标，其中坐标单位为像素点数量；S14：根据仿射变换公式，坐标变换公式可以表示为：
公式(1)
S15：按照以上步骤，已经从校园地图中取出了1个特征标志点作为坐标参考点，坐标值为，经纬度值为；另从校园地图中取出2个特征标志点，记录坐标值、和经纬度值、，将所有数据代入公式计算出映射参数A、B、C、D，得到坐标变换公式。
进一步的，、及彼此间隔要足够远（尽量占满整张地图），且及与的连线成一定夹角，夹角在之间。
在本发明一实施例中，所述步骤S2包括以下具体步骤：S21：在校园三维地图的园道路网内取足够多的覆盖校园道路网络的真实GPS经纬度点，一般应为100个点以上，使得采集的点尽量覆盖校园道路网区域，并将这些点分为训练点和测试点，从真实经纬度点中随机抽取部分点为测试点，其余为训练点；S22：使用步骤S1的地图映射功能，将GPS真实经纬度转为校园三维地图图片位置坐标，保存在VTK文件中，作为待配准数据；从校园地图图片中取得所有点的真实图片位置坐标，作为标准数据；S23：利用IRTK开源软件提供的基于B-样条的自由形变模型的非线性点配准技术pnreg，对训练点的待配准数据和标准数据进行配准，通过调整模型的控制点网格间距，得到最佳的非线性映射关系；S24：当非线性纠偏映射关系建立之后，当一个新的GPS真实经纬度数据传入后，经过步骤S1的地图仿射变换后，得到其对应的校园三维地图图片位置坐标，再通过已经训练好的非线性映射模型，通过IRTK算法中ptransformation来实现该映射点的局部纠偏，以得到更加准确的校园三维地图坐标。
与现有技术相比，本发明运用仿射变换技术，实现校园真实GPS经纬度到校园的三维地图图片位置坐标的映射；同时，运用非线性点配准技术——基于B-样条的自由形变模型的非线性点配准技术，进一步有效改善利用仿射变换实现的地图映射精度不足的问题，最后，利用道路的法向投影技术，可以保证经位置映射纠偏后的校园公交，可以实时准确地显示在校园三维地图上。该技术为GPS经纬度坐标到三维地图的映射提出了一种有效可靠的映射方法。
附图说明
图1 为现有技术的三维地图。
图2 为图1地图的标准系统主界面。
图3为地图图片位置坐标系。
图4为地图的GPS经纬度坐标系（斜坐标系）。
图5 为GPS经纬度到三维地图图片坐标的映射。
图6为选取的地图特征点。
图7为公交的行走路线道路网。
图8为基于B-样条的自由形变模型控制点网格配准前后变化。
图9为未使用道路法向投影技术的公交映射后的位置。
图10为使用道路法向投影技术的公交映射后的位置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。
本发明提供了一种基于仿射和非线性点变换的地图映射方法。首先，通过采集校园三维地图中标志点的经纬度数据以及对应的三维地图图片中的位置坐标，计算出经过投影绘制后，校园地图的真实经纬到三维地图图片位置坐标的仿射变换关系。然后，采集大量特征点的GPS真实经纬度，通过该仿射变换关系，换算出其对应的三维地图图片中的位置坐标点集A，并在三维地图图片中人工标定出这些特征点所对应的真实位置坐标点集B，得到训练样本点集{A，B}，通过局部非线性点变换模型—基于B-样条的自由形变模型的非线性点配准技术，寻找到GPS真实经纬度的映射坐标到校园三维地图真实坐标的形变关系，可以实现误差的纠正。同时，为了使校园公交在三维导航地图上都能够行驶在道路中心，通过法向投影技术，使得映射后的点都被投影显示在标定好的道路中心线上。通过上述方法，可以准确地将校园公交定位的GPS经纬度信息映射到校园三维地图上进行显示，达到很好的地图导航的效果。
具体实施例参见图2至图10，以某大学校园地图为例。
本方法主要包含三个部分：线性仿射地图映射，非线性点配准纠偏技术和道路法向投影技术，该方向集成到*大校园地图配准系统中，如图2所示。
步骤1：将校园地图的GPS经纬度坐标系视作第一幅图的坐标系，将校园三维地图的图片位置坐标系视作第二幅图的坐标系，借助仿射变换的思想进行两个坐标系的变换，从而实现校园地图真实GPS经纬度到校园三维地图图片坐标的映射，具体方法如下。
1）如图3所示，取校园三维地图图片的左上角为原点，水平向右为X轴，竖直向下为Y轴，以像素点的数量为坐标单位，建立平面直角坐标系，则图片位置坐标可以表示为。
2）如图4所示，在“*大学校园地图服务系统”上，取校园地图的斜坐标系的两条坐标轴，纬度均匀增加、经度不变的坐标轴为Latitude轴（纬度轴），纬度不变、经度均匀增加的坐标轴为Longitude轴（经度轴），选取一个特征明显的点作为校园地图经纬度斜坐标系的坐标参考点（非原点），记录经纬度为（坐标单位为度）。
3）在图片中找到同一坐标参考点，记录位置坐标（坐标单位为像素点数量）。
4）根据仿射变换公式，坐标变换公式可以表示为：
公式(1)
5）按照以上步骤，已经从校园地图中取出了1个特征标志点作为坐标参考点，坐标值为，经纬度值为；另从校园地图中取出2个特征标志点，记录坐标值、和经纬度值、。将所有数据代入公式计算出映射参数A、B、C、D，得到坐标变换公式，如图5所示。
为使坐标变换公式的映射足够精确，要求以上三点特征明显，具有典型性、代表性，彼此间隔要足够远（尽量占满整张地图），且2个特征点与坐标参考点的连线成一定夹角（尽量在之间）。
通过上述方法，我们可以获得校园地图真实GPS经纬度到校园三维地图图片坐标的唯一映射关系。
步骤2：运用基于B-样条的自由形变模型的非线性点配准技术，可以实现GPS真实经纬度所对应的校园地图的映射点（即待配准数据）和校园三维地图图片上实际对应点（即标准数据）之间的局部纠偏配准，找出两个点集空间的形变模型，如图9所示，每一个输入的点都可以根据变形前后的二维网格空间映射到一个新的位置，从而实现点的智能纠偏，大大提高映射的精度。基于B-样条的自由形变模型的非线性点配准算法在IRTK开源软件中提供。本发明结合VTK来实现点集的存储，并调用IRTK算法中的pnreg和ptransformation两个开源的函数接口来实现本系统的非线性点配准和点变换功能。
该局部纠偏配准技术需要大量训练数据集的支持，因此需要提前通过手机GPS应用采集足够多的真实经纬度点，并在三维地图上标定所有的对应点，如图6所示，具体实现方案如下：
1）在*大学校园道路网内取足够多的覆盖校园道路网络（如图6所示）的真实GPS经纬度点，一般应为100个点以上，使得采集的点尽量覆盖校园道路网区域，并将这些点分为训练点和测试点。从真实经纬度点中随机抽取测试点，其余为训练点。
2）使用本系统步骤1开发的地图映射功能，将GPS真实经纬度（单位为度）转为校园三维地图图片位置坐标（单位为像素点数量），保存在VTK文件中，作为待配准数据；在校园地图图片中通过鼠标点击取得所有点的真实图片位置坐标，作为标准数据。
3）利用IRTK开源软件提供的基于B-样条的自由形变模型的非线性点配准技术pnreg, 对训练点的待配准数据和标准数据进行配准，通过调整模型的控制点网格间距，得到最佳的非线性映射关系，如图7所示。
4）当非线性纠偏映射关系建立之后，当一个新的GPS真实经纬度数据传入后，经过步骤1开发的地图仿射变换后，得到其对应的校园三维地图图片位置坐标，然后通过已经训练好的非线性映射模型，通过IRTK算法中ptransformation来实现该映射点的局部纠偏，以得到更加准确的校园三维地图坐标。
步骤3：经过上述映射和纠偏后的校园公交位置，有可能会偏离道路的中心显示，如图9所示，为了到达更好的用户体验效果。本发明提出了一种道路法向投影技术，得到经过映射的校园公交实时路径都显示在我们预先规划的道路上，如图10所示。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种GPS地图到三维地图的映射方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：提供一校园三维地图，将所述校园三维地图的GPS经纬度坐标系视作第一幅图的坐标系，将校园三维地图的图片位置坐标系视作第二幅图的坐标系，借助仿射变换进行两个坐标系的变换，将校园地图真实GPS经纬度到校园三维地图图片坐标的映射；
步骤S2：采集大量特征点的GPS真实经纬度，通过仿射变换关系，换算出其对应的三维地图图片中的位置坐标点集A，并在三维地图图片中标定出这些特征点所对应的真实图片位置坐标点集B，得到训练样本点集{A，B}，通过基于B-样条的自由形变模型的非线性点集配准技术，寻找到GPS真实经纬度的映射坐标到校园三维地图真实图片坐标的形变关系；通过非线性配准，将GPS真实经纬度所对应的校园地图的映射点和校园三维地图图片上实际对应点之间的局部纠偏，计算出两个点集空间的形变模型；利用该形变模型，每一个输入的点根据变形函数射到一个新的位置，从而实现点的智能纠偏；
步骤S3：通过法向投影使得映射后的点都被投影显示在标定好的道路中心线上；步骤S1包括以下具体步骤：
S11：取校园三维地图图片的左上角为原点，水平向右为X轴，竖直向下为Y轴，以像素点的数量为坐标单位，建立平面直角坐标系，则图片位置坐标可以表示为(x，y)；
S12：取校园地图的斜坐标系的两条坐标轴，纬度均匀增加、经度不变的坐标轴为Latitude轴，纬度不变、经度均匀增加的坐标轴为Longitude轴，选取一个特征明显的点作为校园地图经纬度斜坐标系的坐标参考点，非原点，记录经纬度为(Lon0，Lat0)，其中坐标单位为度；
S13：在图片中找到同一坐标参考点，记录位置坐标(x0,y0)，其中坐标单位为像素点数量；
S14：根据仿射变换公式，坐标变换公式可以表示为：
S15：按照以上步骤，已经从校园地图中取出了1个特征标志点作为坐标参考点，坐标值为(x0,y0)，经纬度值为(Lon0,Lat0)；另从校园地图中取出其它2个特征标志点，记录坐标值(x1,y1)、(x2,y2)和经纬度值(Lon1,Lat1)、(Lon2,Lat2)，将所有数据代入公式计算出映射参数A、B、C、D，得到坐标变换公式。
2.根据权利要求1所述的GPS地图到三维地图的映射方法，其特征在于：(x0,y0)、(x1,y1)及(x2,y2)彼此间隔要足够远，且(x1,y1)及(x2,y2)与(x0,y0)的连线成一定夹角，夹角在60°～120°之间。
3.根据权利要求1所述的GPS地图到三维地图的映射方法，其特征在于：所述步骤S2包括以下具体步骤：
S21：在校园三维地图的园道路网内取足够多的覆盖校园道路网络的真实GPS经纬度点，一般应为100个点以上，并将这些点分为训练点和测试点，从真实经纬度点中随机抽取部分点作为测试点，其余为训练点；
S22：使用步骤S1的地图映射功能，将训练点的GPS真实经纬度转为校园三维地图图片位置坐标，保存在VTK文件中，作为待配准数据；从校园地图图片中取得训练点的真实图片位置坐标，作为标准数据；
S23：利用IRTK开源软件提供的基于B-样条的自由形变模型的非线性点配准技术pnreg，对训练点的待配准数据和标准数据进行配准，通过调整模型的控制点网格间距，得到最佳的非线性映射关系；
S24：当非线性纠偏映射关系建立之后，当一个新的GPS真实经纬度数据传入后，经过步骤S1的地图仿射变换后，得到其对应的校园三维地图图片位置坐标，再通过已经训练好的非线性映射模型，通过IRTK算法中ptransformation来实现该映射点的局部纠偏，以得到更加准确的校园三维地图坐标。
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