基于GPS信號(hào)的導(dǎo)航地圖路網(wǎng)生成方法研究-

1、Vol 19 No 3公 路 交 通 科 技2002年6月JOURNAL OF HIGHWAY AND TRANSPORTATION RESE ARCH AND DE VELOPMENT文章編號(hào):1002 0268(200203 0115 04基于GPS信號(hào)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084摘要:基于對(duì)制作電子地圖傳統(tǒng)方法特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)方法、優(yōu)缺點(diǎn)以及改進(jìn)的方法。實(shí)際

2、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(hào):U46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AR esearch on C reation of Navigation Road net Map Based on GPS SignalsZ HE NG Si fa,BAN Xue gang,ZOU Xue don g,LIAN Xiao min(State Key Laboratory of Automoti ve Safety and Energy,Tsinghua University,Beijing 100084,ChinaAbstract:Based on

3、 the analysis of the characteristics and defects of the tradi tional method to create electronic maps(E mapsand the requirement of road net in E maps used for vehicle navigation,this paper present a new method to create road net through the planar in formation provided by the GPS signals The idea,im

4、plementation,advantages,disadvantages as well as improvement of the method are also discussed in this paper especially the road net relationship between the new roads and old ones,and the attributes of newly generat ed road nodes using GPS signals.The author s practical application indicates that th

5、is method could be used i n generating of E maps based on GPS signalsKey words:Vehicle Navi gation;GPS;Electronic Maps;Road Network0 引言在I TS中,車輛導(dǎo)航及誘導(dǎo)系統(tǒng)是一個(gè)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(duì)車輛集中管理、調(diào)度,為駕駛員提供實(shí)時(shí)交通、娛樂及其它服務(wù)信息,從而提高交通運(yùn)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、

6、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(shí)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(gè)重要課題。本文根據(jù)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(hào)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?？捎玫牡貓D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

7、描述地理信息詳盡、精確度較高、資源豐富等特點(diǎn),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,因此被大量用來制作導(dǎo)航地圖,有力地促進(jìn)了導(dǎo)航的實(shí)際應(yīng)用。一方面,對(duì)紙質(zhì)地圖數(shù)字化需要大量的人力及非常繁重的勞動(dòng)。另一方面,由于經(jīng)費(fèi)等限制,紙質(zhì)地圖一般更新很慢。而且,有時(shí)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(shí)際導(dǎo)航又需要相應(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(duì)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(diǎn)的

8、位置、形狀、屬性是最重要的信息。因此有必要針對(duì)導(dǎo)航特點(diǎn),找到一種脫離紙質(zhì)地圖的地圖生成辦法。2 利用GPS信號(hào)生成導(dǎo)航用新路網(wǎng)的方法2 1 基本思路利用GPS信號(hào)生成新道路的基本思路是:利用GPS接收機(jī)所提供的絕對(duì)位置信息對(duì)現(xiàn)有電子地圖中的路網(wǎng)進(jìn)行更新或者生成新的路網(wǎng)。當(dāng)裝備了GPS 接收機(jī)的車輛行駛在電子地圖上沒有記錄的道路上時(shí),由系統(tǒng)根據(jù)GPS接收機(jī)所記錄的車輛行駛軌跡自動(dòng)生成需要的新路。這樣,利用GPS信號(hào)來生成新路網(wǎng)實(shí)際上可以完成兩種功能:(1對(duì)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(gè)問題:(1路網(wǎng)關(guān)系判斷。在車輛導(dǎo)航

9、所使用的電子地圖中,路網(wǎng)是一個(gè)統(tǒng)一的、相互連通的結(jié)點(diǎn)和路段的集合。所以,利用GPS信號(hào)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(diǎn)、路段正確地加入舊路網(wǎng)。(2路網(wǎng)結(jié)點(diǎn)判斷。路網(wǎng)中的結(jié)點(diǎn)是基礎(chǔ)要素。在利用GPS信號(hào)生成新路網(wǎng)的操作中,路網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)是通過GPS信號(hào)所提供的位置信號(hào)來確定的。如果直接將每個(gè)GPS信號(hào)所提供的位置信息都作為路網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)而加入到電子地圖中,就會(huì)有大量的新結(jié)點(diǎn)加入,這樣會(huì)導(dǎo)致整個(gè)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?hào)作為結(jié)點(diǎn)加入到舊路網(wǎng)中。2 2 路網(wǎng)關(guān)系的

10、判斷路網(wǎng)關(guān)系共分為兩大類:(1新路是舊路網(wǎng)的補(bǔ)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(bǔ)充作為道路補(bǔ)充,新路應(yīng)是始于舊路網(wǎng)某路段或者路網(wǎng)結(jié)點(diǎn),而止于舊路網(wǎng)的另一路段或路網(wǎng)結(jié)點(diǎn)。因此,在舊路網(wǎng)上補(bǔ)充新路時(shí),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(diǎn)相連接還是與原路段相連接。當(dāng)為后者時(shí),還要考慮在原路段的正確位置上生成新的路網(wǎng)結(jié)點(diǎn),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(diǎn),不論這個(gè)路網(wǎng)結(jié)點(diǎn)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(diǎn),而止于新路盡頭的盲結(jié)點(diǎn)。除

11、了止點(diǎn)為盲結(jié)點(diǎn)外,道路延伸的其它處理與道路補(bǔ)充相同,如圖2 (a、(b所示。在這兩個(gè)圖中,實(shí)線是舊路網(wǎng)中的路段,虛線是要加入的新路;空心點(diǎn)A-F是舊路網(wǎng)中的結(jié)點(diǎn),實(shí)心點(diǎn)是車輛位置點(diǎn)。2 3 連接新路的路網(wǎng)結(jié)點(diǎn)的判斷與生成根據(jù)行駛中車輛的當(dāng)前位置和上一時(shí)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。公路交通科技 2002年 第3期行駛中車輛的位置狀態(tài)有3種:在結(jié)點(diǎn)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(shí)刻(一般取GPS信號(hào)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(diǎn), %表示舊路網(wǎng)中的

12、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(shí)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(gè)中間結(jié)點(diǎn)作為該路段上新生成的一個(gè)路網(wǎng)結(jié)點(diǎn),將該路段一分為二。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(duì)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(diǎn)為盲結(jié)點(diǎn)。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(gè)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。2 4 新路的中間結(jié)點(diǎn)設(shè)GPS接收

13、機(jī)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(huì)自動(dòng)記錄下車輛所走過的軌跡,該軌跡是一個(gè)離散點(diǎn)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(diǎn),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(diǎn)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(jìn)行判斷。1 平均方向準(zhǔn)則當(dāng)車輛駛離舊路網(wǎng)時(shí),如圖3,A點(diǎn)是上一個(gè)中間結(jié)點(diǎn),稱之為基準(zhǔn)中間結(jié)點(diǎn);C是車輛當(dāng)前的位置,B、D、E是從A到C之間車輛所經(jīng)過的位置點(diǎn)。平均方向 a即這些點(diǎn)分別與A點(diǎn)構(gòu)成方向的算術(shù)平均。如圖4(a,平均方向 a是AD、AE、和AB 3個(gè)方向的算術(shù)平均。C點(diǎn)的方向AC與平均方向之間的差值超

14、過了 max,則說明從A點(diǎn)到C點(diǎn),新路已出現(xiàn)了較大程度的彎曲,需要將C之前的位置點(diǎn)B作為中間結(jié)點(diǎn)加入。如圖4(b所示。當(dāng)中間結(jié)點(diǎn)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(diǎn)。 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(shí),當(dāng)車輛的位置點(diǎn)到基準(zhǔn)中間結(jié)點(diǎn)的距離很大的時(shí)候,需要引入相鄰方向準(zhǔn)則做基于GPS信號(hào)的導(dǎo)航地圖路網(wǎng)生成方法研究 鄭四發(fā)等補(bǔ)充。如果新路是直路,那么車輛的3個(gè)相鄰位置點(diǎn)所組成的兩條直線之間的方向差 不會(huì)超過設(shè)定的數(shù)值 max ;否則的話,就認(rèn)為新路進(jìn)入彎道,從而加入新的中間結(jié)點(diǎn)。如圖4所示,A 是基準(zhǔn)中間結(jié)點(diǎn),B 、C 、D 是相

15、鄰的3個(gè)位置點(diǎn),并且BC 與CD 之間的方向差 大于設(shè)定的值 ma x ,則將C 點(diǎn)作為新的結(jié)點(diǎn)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(diǎn),繼續(xù)進(jìn)行判斷和處理。 3 長度準(zhǔn)則由于GPS 信號(hào)有隨機(jī)誤差,因此即使車輛是在一條直路上行駛,從GPS 信號(hào)得到的車輛位置也可能會(huì)偏離該道路。如圖5(a所示,A 是基準(zhǔn)中間結(jié)點(diǎn),B 、C 、D 、E 是車輛位置點(diǎn),C 點(diǎn)由于GPS 信號(hào)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(gè)新的中間結(jié)點(diǎn)之間的距離必須大于某個(gè)設(shè)定的值L min (例如25

16、m,否則,不加入新的中間結(jié)點(diǎn)。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(diǎn)加入舊路網(wǎng)。因此,長度準(zhǔn)則可以將GPS 誤差的擾動(dòng)剔除,使 中間結(jié)點(diǎn)的加入更加符合實(shí)際情況。圖5 長度準(zhǔn)則示意圖在實(shí)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(diǎn)。2 5 新方法的優(yōu)勢(shì)和不足利用GPS 信號(hào)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(fèi)時(shí)、費(fèi)力、成本高、周期長、更新和修改困難等缺陷?？偟膩碚f,它具有如下的優(yōu)點(diǎn):(1操作快速、簡(jiǎn)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

17、的成本;(3電子地圖和路網(wǎng)的更新和修改容易并且簡(jiǎn)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(diǎn),即所制作或者更新的路網(wǎng)的精度相對(duì)較低。這是因?yàn)槟壳癎PS 信號(hào)的精度只有100m (SA On或25m (SA Off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(shí)際的車輛導(dǎo)航道路實(shí)驗(yàn)證明,該方法基本上是可靠的、實(shí)用的,可以滿足對(duì)現(xiàn)有地圖道路網(wǎng)絡(luò)的快速、簡(jiǎn)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(xiàn):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,19983 Hirofumi Ohni shi,Is ao Ogawa,FuminoriMorisue Map Databas e Generati