使用GPS數(shù)據(jù)確定道路線性幾何結(jié)構(gòu)的過程外文翻譯原文

1、使用GPS數(shù)據(jù)確定道路線性幾何結(jié)構(gòu)的過程 摘要交通平安和道路幾何結(jié)構(gòu)是嚴(yán)格相互關(guān)聯(lián)的，因?yàn)榈缆返膸缀谓Y(jié)構(gòu)深深的影響著司機(jī)的行為。所以知道道路幾何結(jié)構(gòu)的平面圖很重要。用于定義幾何結(jié)構(gòu)的道路中心線數(shù)據(jù)一般可以從現(xiàn)有地圖或靜態(tài)測(cè)量(傳統(tǒng)調(diào)查)或動(dòng)態(tài)測(cè)量(GPS接收器安裝在一輛車)中收集。獨(dú)立于測(cè)量技術(shù)和數(shù)據(jù)類型，定義道路幾何結(jié)構(gòu)的過程必須被應(yīng)用到考慮道路應(yīng)用程序所必須的精度水平中。為了定義根據(jù)道路幾何識(shí)別的最終應(yīng)用而確定的道路線性幾何結(jié)構(gòu)的的可靠性，本研究試圖定義這個(gè)集成的數(shù)據(jù)的測(cè)量和處理過程的內(nèi)在限制。關(guān)鍵詞：GPS，道路識(shí)別，移動(dòng)地圖系統(tǒng);1.簡(jiǎn)介 道路幾何知識(shí)是保證更高的行車平安標(biāo)準(zhǔn)的必要的要

2、求之一。司機(jī)實(shí)際上受道路幾何形狀的影響，因?yàn)樗麄兏鶕?jù)自己在該領(lǐng)域已經(jīng)得到的看法、駕駛能力和積累的經(jīng)驗(yàn)選擇適應(yīng)的駕駛方式1。 現(xiàn)有路線的知識(shí)和車 - 路相互作用的研究主要是基于車輛動(dòng)態(tài)的平衡給予我們判斷和附帶的關(guān)鍵點(diǎn)定位，讓我們有選擇更好的維修工程以減輕批評(píng)的可能。 為了到達(dá)這些目標(biāo)和提高交通平安，對(duì)水平道路的中心線的幾何結(jié)構(gòu)的定義必須包含所有構(gòu)成道路的幾何元素。事實(shí)上，許多國(guó)家對(duì)更好地了解交通危險(xiǎn)、更平安和可持續(xù)開展的交通都十分重視。歐洲道路平安方案2的目的是通過使用戶自覺和在道路設(shè)計(jì)人員和管理者中傳授經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)這一政策手段從而極大地減少道路交通事故的數(shù)量。這也可以通過對(duì)道路的深刻的認(rèn)識(shí)達(dá)成。

3、本文提出了一種方法自動(dòng)的、重復(fù)的識(shí)別組成布局的幾何元素：水平切線，周長(zhǎng)和螺旋曲線和縱向垂直切線和曲線。該方法接受的定義曲率所指的曲線橫坐標(biāo)，由動(dòng)態(tài)定位測(cè)量收集的數(shù)據(jù)通過最小二乘3回歸方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的精確擬定。分析結(jié)果是根本幾何元素的連續(xù)序列組成檢查道路的平面路線。因?yàn)轵?yàn)證結(jié)果的困難，調(diào)查方法必須預(yù)先設(shè)定：車輛速度和接收機(jī)采樣的時(shí)間頻率決定了測(cè)量點(diǎn)間的距離。這些物理量通常必須根據(jù)道路類別和幾何元素中測(cè)量的曲率值改變。 另外，無關(guān)測(cè)量技術(shù)，定義道路幾何結(jié)構(gòu)的步驟必須考慮對(duì)特定的公路應(yīng)用程序必不可少的精度水平。2.數(shù)據(jù)道路線形的地理參考數(shù)據(jù)可以從現(xiàn)有的地圖或直接通過GPS全球定位系統(tǒng)接收機(jī)獲得。在這項(xiàng)

4、研究中，因?yàn)閿?shù)據(jù)在應(yīng)用方面的高通用性和低運(yùn)營(yíng)本錢，使得數(shù)據(jù)已經(jīng)被測(cè)量系統(tǒng)利用移動(dòng)地圖系統(tǒng)收集完畢，4,5。通常，一個(gè)M.M.S.使用一輛車和不同的集成設(shè)備：一個(gè)GPS接收器，INS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和里程表是車輛的路徑組件，6，7，8；其他傳感器數(shù)碼相機(jī)，激光掃描儀，陀螺儀等獲取關(guān)于道路路徑的附加信息。設(shè)備的開發(fā)和集成水平隨著測(cè)量的目標(biāo)和適用的標(biāo)準(zhǔn)而變化：換句話說，根據(jù)獲得數(shù)據(jù)的類型和地理參考數(shù)據(jù)的質(zhì)量而變化。在WGS84參考系統(tǒng)和在時(shí)間頻率條件下，路徑組件取得空間坐標(biāo)x，y，Z。與此同時(shí)，一個(gè)高精度的同步裝置將空間位置和從各種傳感器獲得的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起：這樣一個(gè)地理參考數(shù)據(jù)系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了。使用的GP

5、S的空間分辨率和維持車輛行駛路徑平行于道路中心線的難度直接決定了數(shù)據(jù)的質(zhì)量。全球定位系統(tǒng)的固有誤差總是出現(xiàn)在使用相位測(cè)量的差分系統(tǒng)中7，并且偶然誤差和系統(tǒng)誤差是由于衛(wèi)星的不精確的絕對(duì)時(shí)間、折射現(xiàn)象或軌道計(jì)算造成的。這些誤差的值可能有十米。由于電磁干擾和多路徑造成的誤差可能是不重要的。移動(dòng)地圖系統(tǒng)的其它組件可能受到固有誤差的影響，比方導(dǎo)航系統(tǒng)組件的集成誤差或者同步誤差。在最好的情況下，如果使用一個(gè)慣性系統(tǒng)的精度，平面測(cè)量的精度可以控制在10厘米以下：位置數(shù)據(jù)的精度取決于設(shè)備質(zhì)量和測(cè)量闡述系統(tǒng)的復(fù)雜性7。某些使測(cè)量不準(zhǔn)確的情況可能會(huì)發(fā)生例如，可用的衛(wèi)星的數(shù)目。另一個(gè)已經(jīng)考慮的重要的方面是數(shù)據(jù)采集的

6、頻率：它是根據(jù)相對(duì)于道路的重要性和沿著道路線形等候的最小半徑被選擇作為時(shí)間頻率。除了設(shè)備的不精確，因?yàn)橐欢康臋M向偏心始終存在導(dǎo)致車輛路徑記錄點(diǎn)和道路中心線不重合。此外，道路中心線并不是真的可見，但它通常和中間線的標(biāo)記重合。3.道路中心線的定位根據(jù)定位數(shù)據(jù)定義道路中心線是不切實(shí)際的。這個(gè)問題對(duì)于合理的科學(xué)應(yīng)用是不尋常的，因?yàn)槌藴y(cè)量?jī)x器的固有誤差，這涉及到了一個(gè)三維曲線的無法實(shí)現(xiàn)。該曲線通常被稱為一個(gè)物理上確定的線，例如鋪裝路面平臺(tái)、標(biāo)記、或其他的中心線;但這些元素隨著在時(shí)間流逝中的磨損和維修工作是變化的。這項(xiàng)研究根據(jù)實(shí)際的意大利對(duì)于道路設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)開發(fā)了一些程序?qū)Φ缆分行木€個(gè)體化。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)

7、規(guī)定根據(jù)道路橫截面組織對(duì)道路中心線進(jìn)行不同的定義：*單車道有兩種交通方式：中心線是別離相反交通的線的標(biāo)記它可以不同于道路平臺(tái)的幾何中心線;*單車道有一種交通方式：中心線是行車道的幾何中心線它可以不同于道路平臺(tái)的幾何中心線;*兩個(gè)獨(dú)立的行車道;如果設(shè)計(jì)的中心線是唯一的，該道路中心線是中間的幾何中心線，否那么它是每個(gè)平臺(tái)的中心線。對(duì)于單車道或者雙車道，有兩種不同的算法被用來定義點(diǎn)集，這些點(diǎn)的集合在空間上繪制了道路中心線。對(duì)于單車道有兩種交通方式，有兩個(gè)點(diǎn)集被記錄，一個(gè)被用于記錄每種交通方式，被定義為：通過覆蓋的任意方向的道路被記錄成正向集和反向集。這種算法在Visual Basic應(yīng)用程序中得以實(shí)

8、現(xiàn)的，它定義對(duì)于每個(gè)正向集中的j點(diǎn)和最近的反向集中的k點(diǎn)，用坐標(biāo)為(xi ,yi,zi )的點(diǎn)作為j點(diǎn)和k點(diǎn)的估算的中間點(diǎn)。 xi=xj+xk2 yi=yj+yk2 zi=zj+zk2其中： xi,yi,zi 中間點(diǎn)坐標(biāo) xj,yj,zj 正向集中點(diǎn)的坐標(biāo) xk,yk,zk 反向集中點(diǎn)的坐標(biāo)這個(gè)點(diǎn)被認(rèn)為是屬于中心線水平走向的一局部圖1 圖1估算的中間線的點(diǎn)集 接著，對(duì)屬于反向集的點(diǎn)進(jìn)行同樣的處理并且排除了在前一階段確定的中心線的其他點(diǎn)。在這種方式中，用一種不和諧的方式確定了中心線點(diǎn)(它和其他研究中用一種獨(dú)立于序列數(shù)據(jù)分析的方法非常類似。此過程假定兩個(gè)車道的中心線具有相同的距離。此階段之后，可以

9、繪制對(duì)齊。此階段之后可以繪制準(zhǔn)線。在兩個(gè)單獨(dú)的行車道的情況下，兩個(gè)中心線使用車道分開并進(jìn)行單獨(dú)分析。4.道路線形幾何的認(rèn)識(shí)為了通過描述和道路中心線點(diǎn)的排列順序從而認(rèn)識(shí)道路的水平和垂直元素，計(jì)算的另一種特定的算法已經(jīng)被編譯在VBA中。地上物識(shí)別的目的是為了區(qū)分在意大利道路設(shè)計(jì)中可被同化到任何初級(jí)的水平要素的局部道路 1:切線，圓曲線和盤旋線。這些參數(shù)明確的描述了任何在這個(gè)方案中已經(jīng)被個(gè)性化、測(cè)定的要素：圓形曲線的半徑R和中心坐標(biāo) (x c ,y c )，切線的明確的直線方程y=mx+q和線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)。此外，對(duì)過渡曲線的認(rèn)識(shí)受到切線和圓周弧的開始位置的影響13。該切線與圓周弧的初步判定受

10、到使用最小二乘法迭代應(yīng)用程序的移動(dòng)基站n的影響，n由足夠的道路線形代表點(diǎn)構(gòu)成。移動(dòng)基站的數(shù)量由要測(cè)定的點(diǎn)的數(shù)量確定，通過回歸的方式，根本元素的特性能夠更好地接近所考慮的要點(diǎn)。它設(shè)想注意的重要性因?yàn)檫@影響到了該方法的有效性：被選擇在隨后的相對(duì)于敏感性分析的結(jié)果進(jìn)行描述。相對(duì)于回歸曲線的適宜與否，一些回歸質(zhì)量指標(biāo)已經(jīng)從最小二乘法的應(yīng)用程序中確定。這些指標(biāo)通常依賴于給定點(diǎn)xj,yj和通過擬合曲線假定的點(diǎn)之間的距離di。因此，最好的近似是通過獲得最小指標(biāo)值來改變某些參數(shù)的適宜的擬合曲線。最小二乘優(yōu)化的這一原那么已用于認(rèn)識(shí)圍線，這些圍線更能展示局部道路看重的各自的移動(dòng)基站。它需要記住從測(cè)量中得到的輸入數(shù)

11、據(jù)，因此，坐標(biāo)x和y之間不存在任何關(guān)系：這導(dǎo)致不允許考慮其中任何一個(gè)作為自變量，如圖2。圖2.使用X和Y獨(dú)立變量的最小二乘法5.圓形元素基于泰勒級(jí)數(shù)擴(kuò)展的高斯 - 牛頓算法是用于解決非線性最小平方問題的方法。通過一個(gè)迭代過程，本方法允許通過它在最小二乘線性序列問題中的分解來解決非線性問題。這種方法已經(jīng)在以前類似的研究中得以實(shí)施14。以這種方式有可能確定最正確擬合圓周，通過檢測(cè)過的移動(dòng)基站更好地表示道路規(guī)定的局部；這是移動(dòng)基站點(diǎn)到同一圓周的最小化的距離的平方之和的圓周。這個(gè)圓周和一個(gè)與移動(dòng)基站點(diǎn)距離平方和最小的圓周一致。通過一個(gè)未知量的矢量的定義和將非線性系統(tǒng)公式化成方程，非線性問題公式化的問題

12、是4：i=1mfiu=min對(duì)非線性方程組的最小化其中：fiu=0 非一般的線性方程一個(gè)在.環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的算法作為不精確的解決方法被用來選擇圓周弧的移動(dòng)基站點(diǎn)n的坐標(biāo)xj,yj，圖。3a.最正確擬合圓周的中心坐標(biāo)x，y和它的半徑R是這樣計(jì)算的：xc=de-cfad-bc yc=af-bead-bc (5)R=1ni=1nxi-xc+yi-yc (6)其中輔助量a,b,c,d,e,f計(jì)算計(jì)算方法如下：a=i=1nxi2nxi-2i=1nxib=i=1nyi2nxi-2i=1nxi (7)c=i=1nxi2nyi-2i=1nyi d=i=1nyi2nyi-2i=1nyi (8)e=i=1nxinxi

13、2+nyi2-i=1nxi-i=1nyif=i=1nyinxi+nyi-i=1nxi-i=1nyi (9)其中：xj,yj 通用的點(diǎn)的坐標(biāo)i=1,2,.,n n 點(diǎn)的數(shù)量。 在式6，標(biāo)志表示圓弧曲線分為順時(shí)針或逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)：有必要了解道路平面線形和曲率符號(hào)。垂直距離di確實(shí)定允許計(jì)算最正確擬合曲線的回歸質(zhì)量指標(biāo)；該指數(shù)RQIc，已被用于尋找最優(yōu)解。di=R-xc-xi+yc-yi (10) RQIC=i=1ndin (11) 圖3.a圓周曲線擬合 b直線擬合曲線6.線性元素已經(jīng)進(jìn)行過移動(dòng)基站點(diǎn)和線性回歸直線間距離最小化的直線更適合嚴(yán)格檢查過的移動(dòng)基站定義的局部道路。因此，直線方程y= A +

14、 BX上的點(diǎn)xj,yj之間的距離di之和最小化的函數(shù)如下12和13：di=yj-a+bxj1+b(12) R=j=1myj-a+bxj1+b (13)由于絕對(duì)值函數(shù)沒有連續(xù)的導(dǎo)數(shù)，用解析解法將 R最小化是不可能的。這種限制已經(jīng)使用解決問題的閉合形式的最小化公式克服14：R=j=1myj-a+bxj1+b (14)當(dāng)以下聯(lián)立方程15進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)此函數(shù)具有最小值：Ra=21+bj=1myj-a+bxj-1=0Rb=21+bj=1myj-a+bxj-xj+j=1myj-a+bxj-12b1+b=0(15)這些方程同時(shí)驗(yàn)證成為：yj-a+bxj=yj-2a+bxjyj+a+bxj=yj-2ayj-2bx

15、jyj+a+2abxj+bxj (16)考慮到輔助量B17：B=12j=1myj-1mj=1myj-j=1mxj-1mj=1mxj1mj=1mxjj=1myj-j=1mxjyj (17) 其中： xj,yj 通用的點(diǎn)的坐標(biāo)j=1,2,.,mm 點(diǎn)的數(shù)量解決的方法是b18：b=-BB+1 的程序已被應(yīng)用到移動(dòng)基站點(diǎn)m的坐標(biāo)xj,yj的線性回歸中。垂直距離dj確實(shí)定允許計(jì)算最正確擬合直線的回歸質(zhì)量指標(biāo)19;RQIT=j=1mdjm (19)7.垂直元素垂直元素已經(jīng)使用相同的用于水平元素的引入算法進(jìn)行分析：垂直曲線按類似于水平圓形元素進(jìn)行分析，而垂直切線按類似于水平線性元素進(jìn)行分析。8.平面化和測(cè)高

16、的識(shí)別先前描述的分析執(zhí)行之后，逼近曲線、線性的或圓形的特征參數(shù)和對(duì)準(zhǔn)系列的每一個(gè)點(diǎn)相關(guān)。有必要定義一個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以確定兩個(gè)元件中哪一個(gè)實(shí)現(xiàn)了最正確近似估計(jì)：對(duì)于中心線的每個(gè)點(diǎn)，所述RQI的值中，RQIc代表弧而RQI t代表切線?？紤]和所選擇的移動(dòng)基站n的數(shù)量相同的點(diǎn)，無論是在直線或圓周的情況下，相關(guān)指標(biāo)能夠確定哪些是實(shí)現(xiàn)最正確回歸的因素。屬于移動(dòng)基站的點(diǎn)被定義為局部最小點(diǎn)-PLM，呈現(xiàn)了檢查中指標(biāo)的相對(duì)最小值。在分析過程中，與PLM對(duì)應(yīng)的最正確擬合曲線的參數(shù)和移動(dòng)基站的其余各點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。如果k是移動(dòng)基站的半振幅，搜索平面化的相關(guān)局部最小點(diǎn)的第一步是對(duì)一個(gè)點(diǎn)的RQIc指標(biāo)和屬于移動(dòng)基站的每個(gè)點(diǎn)的

17、RQIc指標(biāo)進(jìn)行比擬。如果該RQIc值相對(duì)最小，當(dāng)它比RQIt小的時(shí)候它才會(huì)被選擇，這只有在圓周上得到的近似值比在點(diǎn)i的鄰域中得到的線性回歸值更好的情況下才會(huì)發(fā)生。以同樣的方式，也可以對(duì)RQIt值進(jìn)行運(yùn)算，最終得到中心線序列的最正確近似。在分析完每個(gè)可能關(guān)聯(lián)到的點(diǎn)這一階段后，因素的參數(shù)已經(jīng)給出了最正確近似：圓周的曲率半徑R和中心xc,yc，直線的角度系數(shù)a和截距b。此參數(shù)被分配給屬于移動(dòng)基站的所有點(diǎn)，如果近似因素是一條直線那么分配的曲率值為零，如果更好的近似是一個(gè)圓周那么為非空值，根據(jù)公式20：=y21+y=1R (20)其中： ： 曲率； y ： 一階導(dǎo)數(shù)； y： 二階導(dǎo)數(shù)； R ： 曲率半

18、徑；計(jì)算過程使我們對(duì)切線和圓周的弧線有直接的認(rèn)識(shí)：過渡曲線還沒有實(shí)現(xiàn)直接的認(rèn)識(shí)。在曲率有距離變量值的地方得到了施加的曲率的線性漸變：這些局部都包含在兩個(gè)元素與常曲率之間。在水平過渡曲線的識(shí)別中發(fā)現(xiàn)的困難是由于這些曲線的解析表達(dá)式和這些元素對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序行為的最大的隨機(jī)性。事實(shí)上，駕駛員正確地旋轉(zhuǎn)方向盤接近圓形曲線的更大或更小的敏感性涉及車輛路徑和車道中心線之間存在的偏差。首先，這一事實(shí)在于對(duì)圓弧的認(rèn)識(shí)。它還影響測(cè)量點(diǎn)集和確定中心線點(diǎn)集的可靠性：在這些特殊的局部，用幾何元素的近似不能代表中心線的實(shí)際進(jìn)程。用圖形的形式表示揭露過程的主要結(jié)果是可行的。圖4表現(xiàn)了RQIc和RQIt之間的比擬和作為最小

19、值外殼的最正確擬合曲線的選擇結(jié)果清晰可見。 圖4 水平回歸的質(zhì)量指標(biāo)圖5通過描述程序表現(xiàn)了水平曲率輪廓：事實(shí)上通過這種精細(xì)的分析可能影響對(duì)道路校準(zhǔn)幾何元素的認(rèn)識(shí)，與使用的方法引入的近似一致。 圖5 水平曲率分布同樣的過程被用于垂直元素的識(shí)別分析。最正確近似的選擇受到代表垂直切線的RQIVt和代表豎曲線RQIVc的值和圓弧的近似的影響。相對(duì)最小值的識(shí)別過程和水平的情況一樣，伴隨著對(duì)過渡曲線個(gè)性化的排斥，如圖6和圖7所示。 圖6 垂直回歸質(zhì)量指標(biāo) 圖7 垂直曲率分布9.靈敏度分析用于識(shí)別的移動(dòng)基站必須適合定義對(duì)準(zhǔn)元件。選擇有限的一組，近似幾何元素的測(cè)定可能具有顯著的模糊性，因?yàn)閱吸c(diǎn)定位的較大的誤差

20、會(huì)危及整個(gè)方法的可靠性。與此相反，很寬移動(dòng)基站可能因?yàn)橐粋€(gè)小半徑或短切線影響識(shí)別圓形曲線。由于這些原因，定義程序允許，首先，對(duì)回歸和幾何元素定義必要的基站擴(kuò)展的校準(zhǔn)，然后允許對(duì)該方法的可靠性驗(yàn)證。因此，事前可能使用一個(gè)迭代過程產(chǎn)生的適當(dāng)圖表對(duì)一個(gè)適宜的基站的擴(kuò)展進(jìn)行評(píng)估。這些圖從最大公路半徑期待值的算法可以知道可識(shí)別的最小弧長(zhǎng)。由一個(gè)適宜的算法通過重復(fù)執(zhí)行實(shí)現(xiàn)這些圖形工具，從而對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證。移動(dòng)基站點(diǎn)的數(shù)量n和固有測(cè)量技術(shù)的誤差Es的圖表顯示了關(guān)系到道路范疇敏感性分析的結(jié)果。對(duì)于每個(gè)準(zhǔn)確的半徑值Ri可以推導(dǎo)出一個(gè)可靠地識(shí)別最小弧長(zhǎng)Larc的算法；知道這個(gè)輸出數(shù)據(jù)和測(cè)量點(diǎn)的采

21、集步驟就可以確定移動(dòng)基站的延伸。數(shù)據(jù)輸入是：Es 測(cè)量技術(shù)的準(zhǔn)確性 Ri 道路類型的典型半徑的最大值 n 移動(dòng)基站點(diǎn)的個(gè)數(shù)Larc 圓曲線的長(zhǎng)度每個(gè)參數(shù)選擇的標(biāo)準(zhǔn)是不同的：Es只是測(cè)量技術(shù)和車輛設(shè)備的函數(shù)：為了確保與動(dòng)態(tài)DGPS定位模式兼容的精度，從0.05m至1.00m選擇了五個(gè)誤差值。在任何情況下，N是一個(gè)奇數(shù)值，得到的結(jié)果中始終有一個(gè)基站的中心點(diǎn)是必要的。選定的值從11到21不等。根據(jù)道路類別Ri有不同的值：實(shí)際上考慮到車輛在曲線的動(dòng)力平衡方程，為每種道路類別設(shè)計(jì)最小半徑Rmin是可行的：Rmin=VPmin127qmax+Ttmax (21)其中：VPmin 比方案的速度范圍更低的值，

22、km/h;qmax 該路段最大橫坡；Ftmax 橫向防滑性的最大系數(shù)。輸入數(shù)據(jù)Larc和駕駛者對(duì)道路的感受是相通的。它必須有一個(gè)不少于2.5秒的行駛時(shí)間曲線的設(shè)計(jì)速度值使駕駛員獲得正確的感知。然而，為了道路方案在現(xiàn)行工程標(biāo)準(zhǔn)2下得以實(shí)施，選擇考慮5秒的曲線行駛。拱的最小長(zhǎng)度是設(shè)計(jì)速度等于140公里/小時(shí)的道路的特點(diǎn)，計(jì)算22：LABC=vPmax5.0=1403.65.0=194.44m200.0m (22)而對(duì)于道路設(shè)計(jì)車速等于80公里每小時(shí)的拱的最小長(zhǎng)度為23： LABC=vPmax5.0=803.65.0=111.11m110.0m (23)計(jì)算程序繪制圖表要考慮半徑Ri的值和曲線Lar

23、c的長(zhǎng)度?；￠L(zhǎng)，n點(diǎn)計(jì)算完后，其精確的初始位置是隨機(jī)變化的，在一個(gè)半徑為Es的圓形區(qū)域內(nèi)。以這種方式對(duì)收集的數(shù)據(jù)的分布進(jìn)行了模擬，再加上最小二乘回歸方法驗(yàn)證的優(yōu)勢(shì)，得到了理論的初始半徑Ri。 圖8 隨機(jī)誤差的生成因此，當(dāng)把最小二乘回歸過程應(yīng)用到設(shè)定點(diǎn)后，能夠確定圓心坐標(biāo)和半徑的值。此值與在曲線段考慮了車輛穩(wěn)定性的初始半徑R比擬，關(guān)系到速度、輪胎與路面之間的防滑系數(shù)和適當(dāng)?shù)钠桨灿嗔?。因此，已?jīng)通過解析形式定義半徑的允許偏差值。通過這些圖，為了得到適宜的中心線的幾何重建可以定義最小圓弧的長(zhǎng)度，這涉及到半徑特征和道路類型。曲線的趨勢(shì)說明，半徑值的增長(zhǎng)需要弧的更大的擴(kuò)展來確定一個(gè)可接受的解決方案，這個(gè)

24、方案在固定范圍內(nèi)。圖9顯示了使用的移動(dòng)基站點(diǎn)n = 17時(shí)得到的圖表。例如，R = 1500米和Es = 0.10米時(shí)，一個(gè)適宜的曲線識(shí)別的最小長(zhǎng)度等于123米。Ri和Larc之間的關(guān)系只有在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)是可靠的，根據(jù)連續(xù)曲線的回歸繪制。對(duì)于此范圍以外的值虛線曲線沒有一個(gè)比照實(shí)驗(yàn)，只有一個(gè)推理擴(kuò)展。在這個(gè)例子中，可靠性上界的值對(duì)應(yīng)的半徑Ri = 3100米。 圖9 n=17時(shí)的敏感性分析不同的Es值得到的最小長(zhǎng)度之間的比擬說明，對(duì)于低水平的精度，主要的擴(kuò)展都需要做一個(gè)可靠性的識(shí)別。例如，如果Es= 0.2米，最小弧長(zhǎng)Larc是173米。圖10顯示了一個(gè)當(dāng)移動(dòng)基站n = 11時(shí)得到的類似的圖。

25、在這種情況下，考慮到半徑Ri= 1500 米和精度Es = 0.10m，弧的必要的長(zhǎng)度至少是132米，而對(duì)于Es= 0.20米那么弧長(zhǎng)Larc= 185米。用一個(gè)固定的半徑值Ri和誤差Es增加移動(dòng)基站點(diǎn)的數(shù)量，弧的必要長(zhǎng)度減少，特別是在半徑相當(dāng)長(zhǎng)的情況下。降低測(cè)量的精度，實(shí)際上，為了正確地確定該曲線的半徑，主要的弧的擴(kuò)展是必要的。圖和相關(guān)變量間的解析關(guān)系，被用來仔細(xì)研究從幾何識(shí)別得到的結(jié)果的可靠性。 圖10 N = 11時(shí)的敏感性分析10.結(jié)論道路的幾何知識(shí)是保證道路循環(huán)更高平安標(biāo)準(zhǔn)的根本步驟。在設(shè)計(jì)階段，它允許分析校準(zhǔn)，允許減少或消除臨界點(diǎn)并保證通視所必需的距離。在管理階段，它允許規(guī)劃行動(dòng)，

26、以提高行駛的平安性，例如設(shè)置關(guān)鍵道路上更低的速度限制。此外，用戶可以獲取他所在道路的信息，這多虧了Web2.0技術(shù)和GPS接收機(jī)的最新開展。許多作者是通過車輛MMS收集的位置數(shù)據(jù)研究關(guān)于道路線形幾何重構(gòu)。他們中的一些 9 ， 10 ， 11 ， 12 ， 13 使用多項(xiàng)式曲線作為樣條曲線得到了不滿意的結(jié)果，但具有較高的計(jì)算負(fù)擔(dān)且分析段長(zhǎng)度有限。此外，這些曲線在設(shè)計(jì)階段得到意大利標(biāo)準(zhǔn)1的成認(rèn)， 1 ，但他們的使用必須進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)的驗(yàn)證，以確保有足夠的平安條件。然而與當(dāng)前的公路設(shè)計(jì)慣例相比，這種方法沒有提供一致的解決方案，根據(jù)簡(jiǎn)單的幾何元素，諸如水平定線的切線，盤旋和圓形曲線和豎向定線的

27、切線和垂直曲線11。該方法允許對(duì)幾何道路特征識(shí)別，甚至對(duì)于整個(gè)中心線，只使用數(shù)據(jù)收集車輛測(cè)量的位置信息。本文論述了對(duì)于數(shù)據(jù) 模式、調(diào)查點(diǎn)采集頻率的設(shè)置和測(cè)量?jī)x器關(guān)于道路特征類型，設(shè)計(jì)速度，扭曲等的一些觀點(diǎn)。這些問題有潛在的嚴(yán)格的仔細(xì)檢查，它允許科學(xué)探索的重要開展。致謝作者感謝Eng. Luciano Cera (Cera Ingegneria)提供的位置數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)軌跡圖子系統(tǒng)在一些路段進(jìn)行的MMS測(cè)量中獲得，感謝Eng. Carlo Santoponte在分析模型的初始版本的開展中的奉獻(xiàn)。 參考1 Ministero delle Infrastrutture e Trasporti. De

28、creto ministeriale n.6792 /2001 (2001). Norme funzionali e geometriche per la costruzione delle strade. S.O. n. 5 G.U. 4/1/2002, n. 3. (in Italian).2 European Commission. (2007). Road safety: European action plan continues to deliver results - target of saving 25000 lives on Europes roads by 2021 is

29、 attainable.3 Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti .Decreto Ministeriale n.3484/2001 (2001). Modalit di istituzione ed aggiornamento del Catasto delle Strade. S.O. n. 6 G.U. 7/1/ 2002, n. 5.(in Italian).4 Palermo,C., Cera, L., Bidetta, F.(2007). Levoluzione dei veicoli ad alto rendimento p

30、er il rilievo stradale. Strade&Autostrade, 3, 1-4 (in Italian)5 Mussumeci, G.,& Sigillato, G. Mobile Mapping System per il rilevamento delle strade. Strade&Autostrade,online, :/ stradeeautostrade.it/materiali/articolo.asp?arid=874.Accessed April 2021. (in Italian).6 Anthony, L. (1998). Modern Inerti

31、al Technology New York: Ed. Springer.7 Cina, A. (2003).GPS. Principi, modalit e tecniche di posizionamento. Torino:Celid, 2003 (in Italian).8 Cramer, M. (1997).GPS/INS Integration, Stoccarda :Photogrammetric Week 97.9 Castro, M., Iglesias, L., Ridrguez-Solano, R., Snchez J. A.(2006). Geometric Model

32、ling of Higthways using Global Positioning System Data and Spline Approximantion. Transportation Research Part C 14, 223243.10 Cantisani, G., Loprencipe, G., Dondi, D., Ranzo, A. (2004). Spline Curves for Geometric Modelling of Highway Design. Florence. International Congress: New Technologies and M

33、odeling Tools for Road applications to design and management. ISBN 8884532698.11 Jimnez, F., Aparicio F., Estrada, G. (2021). Measurement uncertainty determination and curve-fitting algorithms for development of accurate digital maps for advanced driver assistance systems. Transportation Research Pa

34、rt C 17,225239.12 Guarino Lo Bianco C., Piazzi A. “Optimal trajectory planning with quintic G2-splines. Proceedings of the IEEE Intelligent Vehicle Symposium, Dearborn MI USA, 2000 pp. 620-625.13 Crisman, B., Robba, A. (2004). Safety Evaluation: Practical Use Of Collected-Data Vehicle To Obtain Geom

35、etric Information Of Existing Roadways.Florence: II S.I.I.V. International Congress: New Technologies and Modeling Tools for Road applications to design and management. ISBN 8884532698.14 Santoponte, C. (2004). Ricostruzione della geometria dei tracciati stradali dai rilievo GPS. Master degree thesi

36、s. Sapienza, Universit di Roma, Civil Engineering AA 2003-2004 (in Italian).Procedure to determine the geometry of road alignment using GPS dataAbstractTraffic safety and road geometry are strictly interlinked because road geometry deeply influences the drivers5 performance. So it is very important

37、to know road alignments geometry. Road centreline data for the geometry definition can be generally collected from existing maps or by static measurements (traditional surveys) or by dynamic measurements (GPS receiver mounted on a car). The procedure to define the road geometry, independently from t

38、he survey technique and the data type, must be implemented considering the precision level necessary to road applications. This study tries to define intrinsic limits of this integrated data measurement and processing procedure, with the aim to define the reliability of road alignment geometry accor

39、ding to the final employing of road geometry recognition.Keywords: GPS, Road recogn1.ition, Mobile Mapping System;1. IntroductionThe knowledge of road geometry is one of necessary requirements to guarantee higher traffic safety standards. Drivers, in fact, are influenced by road geometry, because th

40、ey adapt their way of driving to their perceptions, driving ability and accumulated experience in segments they have covered yet 1.The knowledge of existing alignments and the study of vehicle-road interaction (mainly based on vehicles dynamic balance) allow the diagnosis and the localization of inc

41、idental critical points, giving the possibility to choose better maintenance works to mitigate criticism.In order to reach these targets, with the aim to increase traffic safety, the geometry of the centreline of the horizontal road alignment must be defined recognizing all the geometric elements th

42、at compose the road.Actually, many countries are paying great attention to better awareness of the traffic dangers and a safer and sustainable mobility. The European Roads Safety Plan 2 has the aim to drastically reduce the number of road accidents by means of a policy to make conscious users and sp

43、reading experiences and knowledge among road designers and administrators. This can be reached also by a deeper knowledge of the road.This paper proposes a method for automatic and repeatable recognition of the geometric elements composing the layout: horizontal (tangents, circumferences and spiral

44、curves) and vertical (vertical tangents and curves).From data collected by dynamic positioning measurements, the proposed method allows the definition of the curvature referred to the curvilinear abscissa, by means of the punctual data elaboration with the Least Squares 3 regression method. The anal

45、ysis result is the continuous sequence of the elementary geometric elements composing the examined road horizontal alignments.The survey method must be previously set up because of difficulties to validate the results: vehicle speed and receiver acquisition time frequency defines the distance of sur

46、veyed points. These quantities must generally vary according to road category and the curvature value of the geometric element under measurement.In addition, independently from the survey technique, the procedure to define road geometry must consider the precision level necessary to specific road ap

47、plication.2. DataThe georeferred data of the road alignment can be collected from existing maps or by direct method based on GPS (Global Positioning System) receiver. In this study, data have been collected by survey system exploiting the Mobile Mapping System (M.M.S.) because of its high versatilit

48、y in applications and low operational costs, 4，5. Generally, a M.M.S. use a vehicle with different integrated equipment: a GPS receiver, INS (Inertial Navigation System) and an odometer are the path component of the vehicle, 6, 7, 8; other sensors (digital cameras, laser scanner, gyroscopes, etc.) a

49、cquire additional information on the road path. The development and integration level of the equipment varies with the survey aim and the applicable standards: in other words, according to the type of data to obtain and the quality of georeferenziation. The path component acquires the spatial coordi

50、nates x,y,z, in time frequency, in WGS84 reference system. At the same time, an high precision synchronizer combines the spatial location to the data coming from various sensors: so a system of georeferred data is realized.The data quality strictly depends from the spatial resolution of used GPS and

51、 the difficulty of maintaining the vehicle path parallel to road centreline. The intrinsic errors of the GPS are always present also using the differential system with phase measurement (DGPS-on-the-fly 7) and also accidental and systematic errors due to the imprecision of satellites absolute time,

52、refraction phenomena or orbit calculation. The values of these errors can be also about ten meters. The errors due to electromagnetic interferences or multipath can be less important instead. Also the other components of the MMS can be affected by intrinsic errors, such as integration errors for the

53、 INS components or synchronization errors. In the best case, planimetric precision can be in the order of ten centimeters if an inertial system precision has been used: the precision of positional data depends on both the equipment quality and the sophistication of measurements elaboration systems 7

54、.Some circumstances that make the survey less accurate (e.g the number of satellites available) can occur.Another important aspect, that has been considered, is the frequency of data acquisition: it is chosen, as time frequency, in relation to the road importance and to the awaited minimum radius al

55、ong road alignment.In addition to equipment imprecision, the logged points from vehicle path dont coincide with road centerline because a certain transversal eccentricity is always present. Moreover, road centreline is not really visible, but it is conventionally coincident with the marking of media

56、n line.3. Localization of road centrelineThe definition of the road centreline from positioning data is practically impossible. This problem is unusual for rational scientific applications because, in addition to intrinsic errors of the measurement instruments, it is related to a three-dimensional c

57、urve that cannot be materialized. This curve is conventionally referred to a line physically identified, e.g. the centreline of pavement road platform, the markings, or other; but these elements are variable during time because of wearing and maintenance works.This research has developed some proced

58、ures to individuate the road centreline according to actual ItalianStandard for Road Design 1. This standard states that road centreline is differently defined according to the road cross section organization:single carriageway and two traffic ways; the centreline is the separation marking of the li

59、nes of opposite traffic way (it could be different from the geometric centreline of road platform);single carriageway and one traffic way; the centreline is the geometric centreline of the carriageway (it could be different from the geometric centreline of the road platform);two separate carriageway

60、s; if the design centreline is unique, the road centreline is the geometric centreline of the median, otherwise it is the centreline of each platform.Two different algorithms, for single or double carriageway roads, have been implemented to define the point set that draw the centreline in the space.