基于GPS信號的導(dǎo)航地圖路網(wǎng)生成方法研究_鄭四發(fā)

1、基于GPS信號的導(dǎo)航地圖路網(wǎng)生成方法研究_鄭四發(fā) 公路交通科技 JOURNALOFHIGHWAYANDTRANSPORTATIONRESEARCHANDDEVELOPMENT 2002年6月 文章編號:1002-0268(2002)03-0115-04 基于GPS信號的導(dǎo)航地圖路網(wǎng) 生成方法研究 鄭四發(fā),班學(xué)鋼,鄒旭東,連小珉 (清華大學(xué)汽車工程系汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室,北京100084) 摘要:基于對制作電子地圖傳統(tǒng)方法特點的分析,結(jié)合車輛導(dǎo)航用電子地圖中道路網(wǎng)絡(luò)的需要,提出一種利于GPS衛(wèi)星所提供的平面二維位置信息來生成道路網(wǎng)絡(luò)的新方法。文中介紹該方法的基本思路、實現(xiàn)方法、優(yōu)缺點以及

2、改進的方法。實際應(yīng)用表明,該方法可以應(yīng)用在制作電子地圖道路網(wǎng)絡(luò)中。關(guān)鍵詞:車輛導(dǎo)航;GPS;電子地圖;道路網(wǎng)絡(luò)中圖分類號:U46 文獻標(biāo)識碼:A ResearchonCreationofNavigationRoad-netMapBasedonGPSSignals ZHENGSi-fa,BANXue-gang,ZOUXue-dong,LIANXiao-min (StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China) Abstract:Basedontheanalysisofthec

3、haracteristicsanddefectsofthetraditionalmethodtocreateelectronicmaps(E-maps)andtherequirementofroadnetinE-mapsusedforvehiclenavigation,thispaperpresentanewmethodtocreateroadnetthroughtheplanarin-formationprovidedbytheGPSsignals.Theidea,implementation,advantages,disadvantagesaswellasimprovementofthem

4、ethodarealsodiscussedinthispaperespeciallytheroadnetrelationshipbspracticalapplicationindicatesthatthismethodcouldbeusedingeneratingofE-mapsbasedonGPSsignals. Keywords:VehicleNavigation;GPS;ElectronicMaps;RoadNetwork 0引言 在ITS中,車輛導(dǎo)航及誘導(dǎo)系統(tǒng)是一個非常重要和基礎(chǔ)的組成部分。它可以有效地利用現(xiàn)有的道路及通訊設(shè)施,對車輛集中管理、調(diào)度,為駕駛員提供實 時交通、娛樂及其它服

5、務(wù)信息,從而提高交通運輸?shù)陌踩托?。其?電子地圖是車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)最基本的組成部分。車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的絕大多數(shù)功能,例如車輛的定位顯示、復(fù)雜交通信息的表達(dá)、路線修正、尋路、路線引導(dǎo)以及各種查詢功能,都需要利用電子地圖,它們與道路網(wǎng)絡(luò)的完備和精確是密不可分的。因此如何根據(jù)路網(wǎng)實際情況快速生成電子地圖,就構(gòu)成了車輛導(dǎo)航研究中的一個重要課題。本文根據(jù) 收稿日期:2001-01-14 導(dǎo)航需要,在總結(jié)前人制作以及更新電子地圖及道路 網(wǎng)絡(luò)的方法的基礎(chǔ)上,介紹了一種新的生成道路網(wǎng)絡(luò)的方法利用GPS信號來生成及更新道路網(wǎng)絡(luò)。1導(dǎo)航用電子地圖的傳統(tǒng)生成方法 車輛導(dǎo)航系統(tǒng)中地理信息的原始資料主要是地圖?？捎玫牡?/p>

6、圖范圍包括各種紙質(zhì)地圖,例如通用的地形圖、規(guī)劃圖以及專用的公路分布圖等。通過專門手段得到的航拍圖。各種數(shù)字化地圖,主要是指紙質(zhì)地圖通過數(shù)字化儀或掃描儀得到的矢量或者位圖形式的地圖數(shù)據(jù)文件。由于紙質(zhì)地圖具有描述地理信息詳盡、精確度較高、資源豐富等特點,能夠用來制作內(nèi)容豐富、精度高的車輛導(dǎo)航用電子地圖,因此 , 公路交通科技2002年第3期 被大量用來制作導(dǎo)航地圖,有力地促進了導(dǎo)航的實際應(yīng)用。 一方面,對紙質(zhì)地圖數(shù)字化需要大量的人力及非常繁重的勞動。另一方面,由于經(jīng)費等限制,紙質(zhì)地圖一般更新很慢。而且,有時又得不到某些區(qū)域的詳盡紙質(zhì)地圖(例如在我國象沙漠、戈壁灘這樣的人跡罕至的地方),而實際導(dǎo)航又

7、需要相應(yīng)電子地圖。如在野外作業(yè)的車輛經(jīng)常遇到將已走過的道路記錄下來以備今后導(dǎo)航使用的問題。這些不足,限制了導(dǎo)航用電子地圖資源的獲取,從而影響到導(dǎo)航的應(yīng)用。從導(dǎo)航系統(tǒng)來看,它對信息的需求與傳統(tǒng)的地圖不完全相同。在導(dǎo)航用電子地圖中,路網(wǎng)及其中結(jié)點的位置、形狀、屬性是最重要的信息。因此有必要針對導(dǎo)航特點,找到一種脫離紙質(zhì)地圖的地圖生成辦法。2利用GPS信號生成導(dǎo)航用新路網(wǎng)的方法基本思路 利用GPS信號生成新道路的基本思路是:利用GPS接收機所提供的絕對位置信息對現(xiàn)有電子地圖中的路網(wǎng)進行更新或者生成新的路網(wǎng)。當(dāng)裝備了GPS接收機的車輛行駛在電子地圖上沒有記錄的道路上時,由系統(tǒng)根據(jù)GPS接收機所記錄的車

8、輛行駛軌跡自動生成需要的新路。這樣,利用GPS信號來生成新路網(wǎng)實際上可以完成兩種功能:(1)對現(xiàn)有電子地圖中路網(wǎng)的更新和修改;(2)是生成全新的道路網(wǎng)絡(luò)。 上述的兩種功能在本質(zhì)上是相同的,都需要解決以下兩個問題: (1)路網(wǎng)關(guān)系判斷。在車輛導(dǎo)航所使用的電子地圖中,路網(wǎng)是一個統(tǒng)一的、相互連通的結(jié)點和路段的集合。所以,利用GPS信號生成的新的路網(wǎng)(稱為新路)加入以后,必須能夠與原電子地圖中路網(wǎng)(稱為舊路)合理地組織在一起。因此,首先必須處理好新路與舊路的關(guān)系,將新路中的結(jié)點、路段正確地加入舊路網(wǎng)。 (2)路網(wǎng)結(jié)點判斷。路網(wǎng)中的結(jié)點是基礎(chǔ)要素。在利用GPS信號生成新路網(wǎng)的操作中,路網(wǎng)的結(jié)點是通過GP

9、S信號所提供的位置信號來確定的。如果直接將每個GPS信號所提供的位置信息都作為路網(wǎng)的結(jié)點而加入到電子地圖中,就會有大量的新結(jié)點加入,這樣會導(dǎo)致整個路網(wǎng)變得龐大。因此,還必須尋找一定的判斷準(zhǔn)則,選擇適當(dāng)?shù)奈恢眯盘栕鳛榻Y(jié)點加入到舊路網(wǎng)中。路網(wǎng)關(guān)系的判斷 路網(wǎng)關(guān)系共分為兩大類:(1)新路是舊路網(wǎng)的補 116 充,如圖1;(2)新路是舊路網(wǎng)的延伸,如圖2 。 圖1新路是舊路網(wǎng)的補充 作為道路補充,新路應(yīng)是始于舊路網(wǎng)某路段或者 路網(wǎng)結(jié)點,而止于舊路網(wǎng)的另一路段或路網(wǎng)結(jié)點。因此,在舊路網(wǎng)上補充新路時,要正確處理新路首尾與舊路網(wǎng)的連接關(guān)系:是與舊路網(wǎng)結(jié)點相連接還是與原路段相連接。當(dāng)為后者時,還要考慮在原路段

10、的正確位置上生成新的路網(wǎng)結(jié)點,以連接新生成的道路?？傊?新路總是起止于舊路網(wǎng)中的路網(wǎng)結(jié)點,不論這個路網(wǎng)結(jié)點是原有的還是在原路段上新生成的,如圖1(a)(d)所示 。 圖2新路是舊路網(wǎng)的延伸 作為道路的延伸,新路是始于舊路網(wǎng)某路段或者路網(wǎng)結(jié)點,而止于新路盡頭的盲結(jié)點。除了止點為盲結(jié)點外,道路延伸的其它處理與道路補充相同,如圖2(a)、(b)所示。在這兩個圖中,實線是舊路網(wǎng)中的路段,虛線是要加入的新路;空心點A-F是舊路網(wǎng)中的結(jié)點,實心點是車輛位置點。連接新路的路網(wǎng)結(jié)點的判斷與生成 根據(jù)行駛中車輛的當(dāng)前位置和上一時刻的位置,可以判斷出圖1(a)(d)中指出的車輛駛離舊路網(wǎng)的4種狀態(tài),見表1。 基于

11、GPS信號的導(dǎo)航地圖路網(wǎng)生成方法研究鄭四發(fā)等 行駛中車輛的位置狀態(tài)有3種:在結(jié)點上、在路段上和不在舊路網(wǎng)中。根據(jù)車輛當(dāng)前的位置和上一時刻(一般取GPS信號的間隔為1s)位置的相互關(guān)系(共有9種關(guān)系),可以正確判斷當(dāng)前的行車狀態(tài)和車輛位置,見表1。表中“ ”表示舊路網(wǎng)中的結(jié)點,“”表示舊路網(wǎng)中的路段,“·”表示車輛當(dāng)前的位置。例如,當(dāng)車輛在某路段上行駛,即當(dāng)前位置判斷是“在路段上”,而它上一時刻的位置是不在舊路網(wǎng)中,那么這就表示車輛的行駛狀態(tài)是從新路返回到舊路網(wǎng)的路段上,見表1中狀態(tài)。因此,如果要加入該新路的話,就需要將該新路的最后一個中間結(jié)點作為該路段上新生成的一個路網(wǎng)結(jié)點,將該路段

12、一分為二。表中其它幾種狀態(tài)關(guān)系的分析與此類似。其中狀態(tài)、即對應(yīng)圖1中(a)(d)描述的4種新路與舊路網(wǎng)的連接關(guān)系。當(dāng)出現(xiàn)狀態(tài)后又未出現(xiàn)狀態(tài)、,則判斷新路的尾結(jié)點為盲結(jié)點。這樣,一旦車輛駛?cè)胄侣?又需要加入該新路,就可用根據(jù)這個表所記錄的狀態(tài)正確處理所加新路與舊路網(wǎng)的關(guān)系。新路的中間結(jié)點 設(shè)GPS接收機每隔1s輸出一次車輛的當(dāng)前位置,當(dāng)車輛駛離舊路網(wǎng)道路,系統(tǒng)會自動記錄下車輛所走過的軌跡,該軌跡是一個離散點序列。電子地圖生成過程中,可以根據(jù)導(dǎo)航的需要去掉部分中間結(jié)點,從而既滿足導(dǎo)航用路網(wǎng)精度,又減小了地圖信息量。中間點的取舍可以通過方向準(zhǔn)則(包括平均方向準(zhǔn)則和相鄰方向準(zhǔn)則)和長度準(zhǔn)則來進行判斷。

13、 1.平均方向準(zhǔn)則 當(dāng)車輛駛離舊路網(wǎng)時,如圖3,A點是上一個中間結(jié)點,稱之為基準(zhǔn)中間結(jié)點;C是車輛當(dāng)前的位 117 置,B、D、E是從A到C之間車輛所經(jīng)過的位置點。平均方向a即這些點分別與A點構(gòu)成方向的算術(shù)平均。如圖4(a),平均方向D、AE、和Aa是A3個方向的算術(shù)平均。C點的方向A與平均方向之間的差值超過了max,則說明從A點到C點,新路已出 現(xiàn)了較大程度的彎曲,需要將C之前的位置點B作為中間結(jié)點加入。如圖4(b)所示。當(dāng)中間結(jié)點B加入之后, B就變成了下一段路彎曲判斷的基準(zhǔn)中間結(jié)點。 圖3平均方向準(zhǔn)則示意圖 圖4相鄰方向準(zhǔn)則示意圖 2.相鄰方向準(zhǔn)則 采用平均方向準(zhǔn)則時,當(dāng)車輛的位置點到基

14、準(zhǔn)中間結(jié)點的距離很大的時候,需要引入相鄰方向準(zhǔn)則做 公路交通科技2002年第3期 補充。如果新路是直路,那么車輛的3個相鄰位置點所組成的兩條直線之間的方向差不會超過設(shè)定的數(shù)值max;否則的話,就認(rèn)為新路進入彎道,從而加入新的中間結(jié)點。如圖4所示,A是基準(zhǔn)中間結(jié)點,B、C、D是相鄰的3個位置點,并且BC與CD之間的方向差大于設(shè)定的值max,則將C點作為新的結(jié)點加入,AC作為新的路段加入。隨后將C作為基準(zhǔn)中間結(jié)點,繼續(xù)進行判斷和處理。3.長度準(zhǔn)則 由于GPS信號有隨機誤差,因此即使車輛是在一條直路上行駛,從GPS信號得到的車輛位置也可 能會偏離該道路。如圖5(a)所示,A是基準(zhǔn)中間結(jié)點,B、C、D

15、、E是車輛位置點,C點由于GPS信號的誤差而偏離了車輛所行駛的道路。如果僅按照方向準(zhǔn)則來判斷,這樣直路就被誤當(dāng)作彎路加入,如圖5(b)中 所示。因此,引入了長度準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則要求加入的兩個新的中間結(jié)點之間的距離必須大于某個設(shè)定的值Lmin(例如25m),否則,不加入新的中間結(jié)點。如圖5(c)所示,按照長度準(zhǔn)則,由于B、C、D與A的距離都不滿足該準(zhǔn)則,所以它們并不作為中間結(jié)點加入舊路網(wǎng)。因此,長度準(zhǔn)則可以將GPS誤差的擾動剔除,使中間結(jié)點的加入更加符合實際情況 。 圖5長度準(zhǔn)則示意圖 在實際加入新路的操作中,方向準(zhǔn)則和長度準(zhǔn)則是共同起作用的。方向準(zhǔn)則滿足之后還要滿足長度準(zhǔn)則才加入新路的中間結(jié)點。新

16、方法的優(yōu)勢和不足 利用GPS信號生成新路網(wǎng)的方法在一定程度上解決了傳統(tǒng)方法工作繁重、費時、費力、成本高、周期長、更新和修改困難等缺陷。總的來說,它具有如下的優(yōu)點:(1)操作快速、簡便,電子地圖和路網(wǎng)的制作周期縮短;(2)降低了制作電子地圖的成本;(3)電子地圖和路網(wǎng)的更新和修改容易并且簡單、快速;(4)在某些沒有紙質(zhì)地圖存在的特定地區(qū)也可以很容易地制作電子地圖和路網(wǎng)。 但是,這種新方法也有它自身的缺點,即所制作或者更新的路網(wǎng)的精度相對較低。這是因為目前GPS信號的精度只有100m(SAOn)或25m(SAOff)所限。如果采用DGPS技術(shù),可相應(yīng)提高制地圖的精度。 3結(jié)束語 在作者編制的車輛導(dǎo)航系統(tǒng)中,使用了本文提出的新的生成車輛導(dǎo)航用電子地圖道路的方法。實際的車輛導(dǎo)航道路實驗證明,該方法基本上是可靠的、實用的,可以滿足對現(xiàn)有地圖道路網(wǎng)絡(luò)的快速、簡便、 低成本更新,以及快速、低成本地生成全新的電子地圖道路網(wǎng)絡(luò)。 參考文獻: 1方群,宋長清.汽車導(dǎo)航的新趨向.導(dǎo)航,1994(3).2譚國真譯,趙亦林著.車輛定位與導(dǎo)航系統(tǒng).電子工業(yè)出版社, 1998. 3HirofumiOhnishi,IsaoOgawa,FuminoriMorisue