CN111310984B - 一种基于二维地图网格划分的路径规划方法和系统 - Google Patents

一种基于二维地图网格划分的路径规划方法和系统 Download PDF

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CN111310984B CN202010070752.0A CN202010070752A CN111310984B CN 111310984 B CN111310984 B CN 111310984B CN 202010070752 A CN202010070752 A CN 202010070752A CN 111310984 B CN111310984 B CN 111310984B
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Abstract

本发明公开了一种基于二维地图网格划分的路径规划方法和系统，包括以下步骤：构建一个网格集合X，使得网格集合X包含地理位置A所在的网格a和地理位置B所在的网格b，并获取网格集合X内每一个网格所在地理位置的地形特征值；在网格集合X内构建一个包含网格a和网格b的网格集合Y，使得网格a和网格b在网格集合Y内连通，且网格集合Y内的网格特征值之和最小。本发明提供了一种基于二维地图网格划分的路径规划方法和系统，将地理区域进行网格划分，并将每个网格量化为一组特征值，通过寻求两地理位置之间的最小特征值之和，可以准确、快速的得到两个地理位置之间的路径规划。

Description

一种基于二维地图网格划分的路径规划方法和系统
技术领域
本发明涉及地理数据量化分析应用技术领域，尤其涉及一种基于二维地图网格划分的路径规划方法和系统。
背景技术
对任何一个地理区域都可以被一个或多个类似规格的网格全覆盖。反而言之，将二维地图用网格覆盖后，任意大小和连通性的区域都能找到对应的网格将其覆盖。而覆盖这个区域的网格集合，则可近似代表这个区域。对地图上任何的一个点，也能被一个唯一的网格覆盖。
每一个网格均有类似的规格，网格间是无缝且没有重叠的，所以在地图上的相对位置可以表示其唯一性，每一个网格均采用多组维度不同的数据量化，对于一个网格特征的定量，就是该网格的多维向量中对应位置的标量值。
路径规划是指，在一个地理区域内，对任意两个网格，找到一条连通两个网格的路线，并且使这条路径满足路径规划的目标，即路径中的网格特征值满足某特定条件(一般为特征和最小)。
在对这个特定的领域进行路径规划时，现有的方法多以点线结合的模型，将特征化为线的权重，考虑是否成环，是否有向等特点；然而并没有以网格形式存在的路径规划模型，以及网格路径规划模型的量化解决方案。
发明内容
本发明提供了一种基于二维地图网格划分的路径规划方法和系统，将地理区域进行网格划分，并将每个网格量化为一组特征值，通过寻求两地理位置之间的最小特征值之和，可以准确、快速的得到两个地理位置之间的路径规划。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于二维地图网格划分的路径规划方法，包括以下步骤：
S1：构建一个网格集合X，使得网格集合X包含地理位置A所在的网格a和地理位置B所在的网格b，并获取网格集合X内每一个网格所在地理位置的地形特征值；
S2：在网格集合X内构建一个包含网格a和网格b的网格集合Y，使得网格a和网格b在网格集合Y内连通，且网格集合Y内的网格特征值之和最小。
将地理区域进行网格划分，并使得每个网格量化为一组特征值，该特征值可以根据目标规划的实际需求进行选取，可以是两个地理位置之间的距离，也可以是两个地理位置之间的连通性或者其他。从其中一个地理位置出发，不断的向四周寻求相邻网格，可以使得两个地理位置之间有若干条路径连通，选择连通路径中特征值之和满足要求的，可以准确、快速的得到两个地理位置之间的目标路径。
进一步地，所述S1具体包括：
S11：任意选取一个能覆盖地理位置A和地理位置B的地理区域Q；
S12：将地理区域Q划分为若干个大小形状均相同的网格，以构建网格集合X；
S13：获取网格集合X内每一个网格所在地理位置的地形特征值。
进一步地，所述S2具体包括：
S21：在网格集合X内，选择网格a作为起始点D，网格b作为终点F；
S22：构建集合S，使得S＝{a}；
S23：找到集合S中所有网格的相邻网格，用以构建集合O；
S24：当集合O中的任意网格m与网格a连通时，可得到网格m和网格a连通时的网格特征值之和，选取集合O中使得与网格a连通时网格特征值之和最小的网格m，并将其加入集合S中，即，S＝{a,m}；
S25：重复S23-S24，直至所述网格b在所述集合S内；
S26：在集合S内构建一个包含网格a和网格b的网格集合Y，使得网格a和网格b在网格集合Y内连通，且网格集合Y内的网格特征值之和最小。
一种基于二维地图网格划分的路径规划系统，包括，
建模单元，构建一个网格集合X，使得网格集合X包含地理位置A所在的网格a和地理位置B所在的网格b，并将构建的网格集合X传输给预处理单元和处理单元；
预处理单元，用于接收建模单元传输的网格集合X，并根据网格集合X内每一个网格所处的地理位置获取地形特征值；同时将获取的地形特征值传输至处理单元；
处理单元，用于接收建模单元传输的网格集合X和预处理单元传输的地形特征值，在网格集合X内构建一个包含网格a和网格b的网格集合Y，使得网格a和网格b在网格集合Y内连通，且网格集合Y内的网格特征值之和最小；将所述网格集合Y传输至输出单元；
输出单元，用于接收处理单元传输网格集合Y，并将网格集合Y对外输出。
将地理区域进行网格划分，并使得每个网格量化为一组特征值，该特征值可以根据目标规划的实际需求进行选取，可以是两个地理位置之间的距离，也可以是两个地理位置之间的连通性或者其他。从其中一个地理位置出发，不断的向四周寻求相邻网格，可以使得两个地理位置之间有若干条路径连通，选择连通路径中特征值之和满足要求的，可以准确、快速的得到两个地理位置之间的目标路径。
进一步地，所述建模单元的具体处理过程包括：
任意选取一个能覆盖地理位置A和地理位置B的地理区域Q；
将地理区域Q划分为若干个大小形状均相同的网格，以构建网格集合X；
将构建的网格集合X传输给预处理单元和处理单元。
进一步地，所述处理单元的具体处理过程包括：
步骤1：接收建模单元传输的网格集合X和预处理单元传输的地形特征值；
步骤2：在网格集合X内，选择网格a作为起始点D，网格b作为终点F；
步骤3：构建集合S，使得S＝{a}；
步骤4：找到集合S中所有网格的相邻网格，用以构建集合O；
步骤5：当集合O中的任意网格m与网格a连通时，可得到网格m和网格a连通时的网格特征值之和，选取集合O中使得与网格a连通时网格特征值之和最小的网格m，并将其加入集合S中，即，S＝{a,m}；
步骤6：重复步骤4和步骤5，直至所述网格b在所述集合S内；
步骤7：在集合S内构建一个包含网格a和网格b的网格集合Y，使得网格a和网格b在网格集合Y内连通，且网格集合Y内的网格特征值之和最小；
步骤8：将所述网格集合Y传输至输出单元。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、将地理区域进行网格划分，并将每个网格量化为一组特征值，通过寻求两地理位置之间的最小特征值之和，可以准确、快速的得到两个地理位置之间的路径规划；
2、该方法可以对任意形状和任意大小的两个地理位置进行路径规划，并且充分考虑了在地理区域场景下可能出现的山峰、江河等不连通的区域，使得利用该方法规划路径的实用性更高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种具体实施方式的地理区域示意图；
图2为本发明一种具体实施方式的单一网格示意图；
图3为本发明一种具体实施方式的网格集合示意图；
图4为本发明一种具体实施方式的路径规划示意图；
图5为本发明一种具体实施方式的路径规划示意图；
图6为本发明一种具体实施方式的路径规划示意图；
图7为本发明一种具体实施方式的路径规划示意图；
图8为本发明一种具体实施方式的目标路径示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
如图1-8所示，
一种基于二维地图网格划分的路径规划方法，包括以下步骤：
S1：构建一个网格集合X，使得网格集合X包含地理位置A所在的网格a和地理位置B所在的网格b，并获取网格集合X内每一个网格所在地理位置的地形特征值；
S2：在网格集合X内构建一个包含网格a和网格b的网格集合Y，使得网格a和网格b在网格集合Y内连通，且网格集合Y内的网格特征值之和最小。
进一步地，所述S1具体包括：
S11：任意选取一个能覆盖地理位置A和地理位置B的地理区域Q；
S12：将地理区域Q划分为若干个大小形状均相同的网格，以构建网格集合X；
S13：获取网格集合X内每一个网格所在地理位置的地形特征值。
进一步地，所述S2具体包括：
S21：在网格集合X内，选择网格a作为起始点D，网格b作为终点F；
S22：构建集合S，使得S＝{a}；
S23：找到集合S中所有网格的相邻网格，用以构建集合O；
S24：当集合O中的任意网格m与网格a连通时，可得到网格m和网格a连通时的网格特征值之和，选取集合O中使得与网格a连通时网格特征值之和最小的网格m，并将其加入集合S中，即，S＝{a,m}；
S25：重复S23-S24，直至所述网格b在所述集合S内；
S26：在集合S内构建一个包含网格a和网格b的网格集合Y，使得网格a和网格b在网格集合Y内连通，且网格集合Y内的网格特征值之和最小。
为方便理解，下面以具体的例子进行说明：
现有地理位置A和地理位置B需要路径规划，首先选取一个能覆盖地理位置A和地理位置B的方形地理区域X，并将该地理区域X划分为若干个大小形状均相同的矩形网格，为了方便对每一个网格进行描述，对每一个所述网格进行标号处理。
如图1-3所示，
图1为方形地理区域X，所述方形地理区域X包括四个顶点，分别用Nw、Ne、Se以及Sw表示，其中Sw的坐标为(lng_start，lat_start)，Se的坐标为(lng_start，lat_end)，Nw的坐标为(lng_end，lat_start)，Ne的坐标为(lng_end，lat_end)；
其中，lng_start和lng_end表示经度longitude，lat_start和lat_end表示纬度latitude；
所述地理区域X的尺寸为：(Lng_end-Lng_start)×(Lat_end-Lat_start)，其中，lng_end＞lng_start，lat_end＞lat_start。
图2为一个矩形网格，并分别用nw、ne、se以及sw表示矩形网格的四个顶点，其中sw的坐标为(x0，y0)，ne的坐标为(x1，y1)，nw的坐标为(x0，y1)，se的坐标为(x1，y0)；
其中，x0和x1表示经度longitude，y0和y1表示纬度latitude；
其中，经度步长lng_step＝x1–x0，x1＞x0；纬度步长lat_step＝y1-y0，y1＞y0；所述网格的尺寸为lng_step×lat_step。
由此可见，所述网格在所述地理区域X经度方向的个数h和纬度方向的个数w分别为：
h＝(lng_end–lng_start)/lng_step；
w＝(lat_end–lat_start)/lat_step；
对所述划分好的网格按照地理区域的低纬度到高纬度，低经度到高经度的顺序进行编号处理，其中，每个网格编号的计算公式为：
其中，id表示编号。
待所述网格编号完毕，任意选择地理位置A或地理位置B作为起始点，另外一个地理位置作为终点。起点和终点是可以由多个网格相连或不相连的集合组成。在本实施例中，选取地理位置A作为起始点，地理位置B作为终点，采用地理位置的连通性作为特征，当遇到高山、荒漠、江河湖海等特殊地质时，特征值为正无穷，用inf表示，使其目标路径在此处的代价巨大；当遇到为其它地质时，依据实际情况从外界读取该网格所在地理位置的特征值，并将获取的每一个网格所在地理位置的地形特征值记录于网格内。如图3所示，其中，网格中未加括号的数值表示网格特征值，加括号的数值表示网格的编号。
待上述准备工作完成，便可对所述地理位置A和所述地理位置B进行路径规划，路径规划的具体步骤如下：
如图4-8所示，
(1)初始化，将网格A(START)看作一个单元素集合S，即S＝{A}，每个网格的特征值大小代表该网格到网格A的距离，初始化时，di＝∞，{i|i∈N+，i≠9，i≤27}，d9＝0，表示任意其他它网格到网格A的距离均为正无穷(不可达)，网格A(网格A的id＝9)到自身的距离为0；
(2)根据网格A，找到与网格A相邻的网格，如图4所示，网格2，网格8，网格10以及网格16均与网格A相邻。其中，网格2的特征值为23，网格8的特征值为20，网格10的特征值为100，网格16的特征值为86。
(3)在与网格A相邻的4个网格中，当网格8与网格A连通时，网格8和网格A的特征值之和最小，因此，将网格8加入集合S中，即，S＝{A，8}。
(4)再找到与集合S中的网格A和网格8的相邻网格，如图5所示，网格1，网格2，网格10，网格15以及网格16均与集合S相邻。其中，网格1的特征值为18，网格2的特征值为23，网格10的特征值为100，网格15的特征值为36，网格16的特征值为86。因此可以得出各个网格与网格A连通时的特征值之和为：
由此可知，在与集合S相邻的5个网格中，当网格2与网格A连通时，网格的特征值之和最小。因此，将网格2加入集合S中，即，S＝{A,8,2}。
(5)找到集合S中所有网格的相邻网格，如图6所示，网格1，网格3，网格10，网格15以及网格16均与集合S相邻。其中，网格1的特征值为18，网格3的特征值为41，网格10的特征值为100，网格15的特征值为36，网格16的特征值为86。因此，可以得出各个网格与网格A连通时的特征值之和为：
由此可知，在与集合S相邻的5个网格中，当网格15与网格A连通时，网格的特征值之和最小。将网格15加入集合S中，即，S＝{A,8,2,15}，再找到与集合S中所有网格的相邻网格，依次类推，直到网格B(END)也加入集合S，如图7所示。
(5)最后，在集合S中选择合适的网格，使得网格a和网格b连通；且使得各个网格的特征值之和最小。如图8所示。
一种基于二维地图网格划分的路径规划系统，包括，
建模单元，构建一个网格集合X，使得网格集合X包含地理位置A所在的网格a和地理位置B所在的网格b，并将构建的网格集合X传输给预处理单元和处理单元；
预处理单元，用于接收建模单元传输的网格集合X，并根据网格集合X内每一个网格所处的地理位置获取地形特征值；同时将获取的地形特征值传输至处理单元；
处理单元，用于接收建模单元传输的网格集合X和预处理单元传输的地形特征值，在网格集合X内构建一个包含网格a和网格b的网格集合Y，使得网格a和网格b在网格集合Y内连通，且网格集合Y内的网格特征值之和最小；将所述网格集合Y传输至输出单元；
输出单元，用于接收处理单元传输网格集合Y，并将网格集合Y对外输出。
进一步地，所述建模单元的具体处理过程包括：
任意选取一个能覆盖地理位置A和地理位置B的地理区域Q；
将地理区域Q划分为若干个大小形状均相同的网格，以构建网格集合X；
将构建的网格集合X传输给预处理单元和处理单元。
进一步地，所述处理单元的具体处理过程包括：
步骤1：接收建模单元传输的网格集合X和预处理单元传输的地形特征值；
步骤2：在网格集合X内，选择网格a作为起始点D，网格b作为终点F；
步骤3：构建集合S，使得S＝{a}；
步骤4：找到集合S中所有网格的相邻网格，用以构建集合O；
步骤5：当集合O中的任意网格m与网格a连通时，可得到网格m和网格a连通时的网格特征值之和，选取集合O中使得与网格a连通时网格特征值之和最小的网格m，并将其加入集合S中，即，S＝{a,m}；
步骤6：重复步骤4和步骤5，直至所述网格b在所述集合S内；
步骤7：在集合S内构建一个包含网格a和网格b的网格集合Y，使得网格a和网格b在网格集合Y内连通，且网格集合Y内的网格特征值之和最小；
步骤8：将所述网格集合Y传输至输出单元。
为方便理解，下面以具体的例子进行说明：
现有地理位置A和地理位置B需要路径规划，首先选取一个能覆盖地理位置A和地理位置B的方形地理区域X，并将该地理区域X划分为若干个大小形状均相同的矩形网格，为了方便对每一个网格进行描述，对每一个所述网格进行标号处理。
如图1-3所示，
图1为方形地理区域X，所述方形地理区域X包括四个顶点，分别用Nw、Ne、Se以及Sw表示，其中Sw的坐标为(lng_start，lat_start)，Se的坐标为(lng_start，lat_end)，Nw的坐标为(lng_end，lat_start)，Ne的坐标为(lng_end，lat_end)；
其中，lng_start和lng_end表示经度longitude，lat_start和lat_end表示纬度latitude；
所述地理区域X的尺寸为：(Lng_end-Lng_start)×(Lat_end-Lat_start)，其中，lng_end＞lng_start，lat_end＞lat_start。
图2为一个矩形网格，并分别用nw、ne、se以及sw表示矩形网格的四个顶点，其中sw的坐标为(x0，y0)，ne的坐标为(x1，y1)，nw的坐标为(x0，y1)，se的坐标为(x1，y0)；
其中，x0和x1表示经度longitude，y0和y1表示纬度latitude；
其中，经度步长lng_step＝x1–x0，x1＞x0；纬度步长lat_step＝y1-y0，y1＞y0；所述网格的尺寸为lng_step×lat_step。
由此可见，所述网格在所述地理区域X经度方向的个数h和纬度方向的个数w分别为：
h＝(lng_end–lng_start)/lng_step；
w＝(lat_end–lat_start)/lat_step；
对所述划分好的网格按照地理区域的低纬度到高纬度，低经度到高经度的顺序进行编号处理，其中，每个网格编号的计算公式为：
其中，id表示编号。
待所述网格编号完毕，任意选择地理位置A或地理位置B作为起始点，另外一个地理位置作为终点。起点和终点是可以由多个网格相连或不相连的集合组成。在本实施例中，选取地理位置A作为起始点，地理位置B作为终点，采用地理位置的连通性作为特征，当遇到高山、荒漠、江河湖海等特殊地质时，特征值为正无穷，用inf表示，使其目标路径在此处的代价巨大；当遇到为其它地质时，依据实际情况从外界读取该网格所在地理位置的特征值，并将获取的每一个网格所在地理位置的地形特征值记录于网格内。如图3所示，其中，网格中未加括号的数值表示网格特征值，加括号的数值表示网格的编号。
待上述准备工作完成，便可对所述地理位置A和所述地理位置B进行路径规划，路径规划的具体步骤如下：
如图4-8所示，
(1)初始化，将网格A(START)看作一个单元素集合S，即S＝{A}，每个网格的特征值大小代表该网格到网格A的距离，初始化时，di＝∞，{i|i∈N+，i≠9，i≤27}，d9＝0，表示任意其他它网格到网格A的距离均为正无穷(不可达)，网格A(网格A的id＝9)到自身的距离为0；
(2)根据网格A，找到与网格A相邻的网格，如图4所示，网格2，网格8，网格10以及网格16均与网格A相邻。其中，网格2的特征值为23，网格8的特征值为20，网格10的特征值为100，网格16的特征值为86。
(3)在与网格A相邻的4个网格中，当网格8与网格A连通时，网格8和网格A的特征值之和最小，因此，将网格8加入集合S中，即，S＝{A，8}。
(4)再找到与集合S中的网格A和网格8的相邻网格，如图5所示，网格1，网格2，网格10，网格15以及网格16均与集合S相邻。其中，网格1的特征值为18，网格2的特征值为23，网格10的特征值为100，网格15的特征值为36，网格16的特征值为86。因此可以得出各个网格与网格A连通时的特征值之和为：
由此可知，在与集合S相邻的5个网格中，当网格2与网格A连通时，网格的特征值之和最小。因此，将网格2加入集合S中，即，S＝{A,8,2}。
(5)找到集合S中所有网格的相邻网格，如图6所示，网格1，网格3，网格10，网格15以及网格16均与集合S相邻。其中，网格1的特征值为18，网格3的特征值为41，网格10的特征值为100，网格15的特征值为36，网格16的特征值为86。因此，可以得出各个网格与网格A连通时的特征值之和为：
由此可知，在与集合S相邻的5个网格中，当网格15与网格A连通时，网格的特征值之和最小。将网格15加入集合S中，即，S＝{A,8,2,15}，再找到与集合S中所有网格的相邻网格，依次类推，直到网格B(END)也加入集合S，如图7所示。
最后，在集合S中选择合适的网格，使得网格a和网格b连通；且使得各个网格的特征值之和最小。如图8所示。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于二维地图网格划分的路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：构建一个网格集合X，使得网格集合X包含地理位置A所在的网格a和地理位置B所在的网格b，并获取网格集合X内每一个网格所在地理位置的地形特征值；
S2：在网格集合X内构建一个包含网格a和网格b的网格集合Y，使得网格a和网格b在网格集合Y内连通，且网格集合Y内的网格特征值之和最小；
所述S2具体包括：
S21：在网格集合X内，选择网格a作为起始点D，网格b作为终点F；
S22：构建集合S，使得S＝{a}；
S23：找到集合S中所有网格的相邻网格，用以构建集合O；
S24：当集合O中的任意网格m与网格a连通时，可得到网格m和网格a连通时的网格特征值之和，选取集合O中使得与网格a连通时网格特征值之和最小的网格m，将其加入集合S中，即，S＝{a,m}；
S25：重复S23-S24，直至所述网格b在所述集合S内；
S26：在集合S内构建一个包含网格a和网格b的网格集合Y，使得网格a和网格b在网格集合Y内连通，且网格集合Y内的网格特征值之和最小。
2.根据权利要求1所述的一种基于二维地图网格划分的路径规划方法，其特征在于，所述S1具体包括：
S11：任意选取一个能覆盖地理位置A和地理位置B的地理区域Q；
S12：将地理区域Q划分为若干个大小形状均相同的网格，以构建网格集合X；
S13：获取网格集合X内每一个网格所在地理位置的地形特征值。
3.一种基于二维地图网格划分的路径规划系统，其特征在于，包括，
建模单元，构建一个网格集合X，使得网格集合X包含地理位置A所在的网格a和地理位置B所在的网格b，并将构建的网格集合X传输给预处理单元和处理单元；
预处理单元，用于接收建模单元传输的网格集合X，并根据网格集合X内每一个网格所处的地理位置获取地形特征值；同时将获取的地形特征值传输至处理单元；
处理单元，用于接收建模单元传输的网格集合X和预处理单元传输的地形特征值，在网格集合X内构建一个包含网格a和网格b的网格集合Y，使得网格a和网格b在网格集合Y内连通，且网格集合Y内的网格特征值之和最小；将所述网格集合Y传输至输出单元；
输出单元，用于接收处理单元传输网格集合Y，并将网格集合Y对外输出；
所述处理单元的具体处理过程包括：
步骤1：接收建模单元传输的网格集合X和预处理单元传输的地形特征值；
步骤2：在网格集合X内，选择网格a作为起始点D，网格b作为终点F；
步骤3：构建集合S，使得S＝{a}；
步骤4：找到集合S中所有网格的相邻网格，用以构建集合O；
步骤5：当集合O中的任意网格m与网格a连通时，可得到网格m和网格a连通时的网格特征值之和，选取集合O中使得与网格a连通时网格特征值之和最小的网格m，并将其加入集合S中，即，S＝{a,m}；
步骤6：重复步骤4和步骤5，直至所述网格b在所述集合S内；
步骤7：在集合S内构建一个包含网格a和网格b的网格集合Y，使得网格a和网格b在网格集合Y内连通，且网格集合Y内的网格特征值之和最小；
步骤8：将所述网格集合Y传输至输出单元。
4.根据权利要求3所述的一种基于二维地图网格划分的路径规划系统，其特征在于，所述建模单元的具体处理过程包括：
任意选取一个能覆盖地理位置A和地理位置B的地理区域Q；
将地理区域Q划分为若干个大小形状均相同的网格，以构建网格集合X；
将构建的网格集合X传输给预处理单元和处理单元。
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