改進(jìn)的地圖匹配技術(shù)在車(chē)載導航系統中的應用

0引 言
　　隨著(zhù)城市化的進(jìn)展和汽車(chē)的普及，交通擁擠加劇，交通事故頻發(fā)，交通環(huán)境惡化，這成為長(cháng)期以來(lái)困擾發(fā)展中國家和發(fā)達國家的嚴重問(wèn)題。解決此問(wèn)題的直接方法是提高路網(wǎng)的通行能力?？尚藿ü返目臻g有限，而且建設資金籌措困難。交通系統是復雜的大系統，我們應從系統論的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，把車(chē)輛和道路綜合起來(lái)考慮，運用各種高新技術(shù)系統解決交通問(wèn)題，智能交通系統(intelligent transport system)應運而生。

　　整個(gè)智能交通系統都以車(chē)輛的定位導航為核心，車(chē)輛導航系統是智能交通系統的中心部件，是其他各種功能應用的基礎。GPS或者GPS／INS或者GPS／DR方案以其結構簡(jiǎn)單、成本低廉、中高精度和良好的動(dòng)態(tài)性能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應用于車(chē)輛導航系統。本文就是實(shí)現組合定位，在應用地圖匹配(map matching，MM)定位技術(shù)進(jìn)行車(chē)輛定位，以便在行駛過(guò)程中為用戶(hù)提供準確可靠的實(shí)時(shí)定位信息，為智能交通管理系統的實(shí)現提供技術(shù)上的保障。

　　1地圖匹配的原理

　　地圖匹配是一種基于軟件技術(shù)的定位修正方法，其基本思想是將車(chē)輛定位軌跡與數字地圖中的道路網(wǎng)信息聯(lián)系起來(lái)，并由此相對于地圖確定車(chē)輛的位置。

　　地圖匹配應用是基于以下2個(gè)假設條件：

(1)車(chē)輛總是行駛在道路上；
(2)采用的道路數據精度要高于車(chē)載定位導航系統的定位精度。當上述條件滿(mǎn)足時(shí)，就可以把定位數據和車(chē)輛運行軌跡同數字化地圖所提供的道路位置信息相比較，通過(guò)適當的匹配過(guò)程確定出車(chē)輛最可能的行駛路段以及車(chē)輛在該路段中的最大可能位置。如果上述假設不成立，則地圖匹配將產(chǎn)生錯誤的位置輸出，并可能導致系統性能的嚴重下降。一般認為用于匹配的數字地圖誤差不應超過(guò)巧米(真實(shí)地面距離)。由于陸地車(chē)輛在除進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)等之外的絕大多數時(shí)間內都位于公路網(wǎng)絡(luò )中，因此使用地圖匹配技術(shù)的條件是滿(mǎn)足的。

　　2地圖匹配算法

　　地圖匹配的算法是曲線(xiàn)匹配原理和地理空間接近性分析方法的融合。曲線(xiàn)匹配算法的基本思想是：如果對一條曲線(xiàn)做任意數量、任意比例的分割，分割點(diǎn)都落在另一條曲線(xiàn)上，則兩條曲線(xiàn)嚴格匹配。實(shí)際應用中，就是計算一條曲線(xiàn)上相對均勻的某一數量分割點(diǎn)到參考曲線(xiàn)的距離的平均值，將其作為到參考曲線(xiàn)的平均距離，并將此平均距離的倒數作為匹配優(yōu)劣的度量?？臻g接近性分析方法就是在已知的可能正確的地理數據集中，按照空間最接近的方法匹配當前定位數據。

　　地圖匹配算法可分為2個(gè)相對獨立的過(guò)程：一是尋找車(chē)輛當前行駛的道路；二是將當前定位點(diǎn)投影到車(chē)輛行駛的道路上。其基本辦法是按照曲線(xiàn)匹配的思想在車(chē)輛航跡的鄰近區內搜索所有道路路段及其組合，把這些組合路線(xiàn)分別與車(chē)輛航跡求取匹配度量值，將取得最佳匹配度量值的組合路線(xiàn)作為車(chē)輛當前行駛路線(xiàn)。地圖匹配的常用算法有以下幾種：直接投影算法；相關(guān)性算法；半確定性算法；概率統計算法；模糊邏輯算法；基于計算幾何(非數值計算)知識(并暫時(shí)不考慮測量誤差)算法。

　　由于計算幾何知識算法不需要數據融合，極少需要考慮行車(chē)方向，非常直觀(guān)，并且減少了許多數值計算，具有極高的正確匹配率，能夠滿(mǎn)足快速、準確、實(shí)時(shí)地定位車(chē)輛位置的要求。因此，本系統選用基于計算幾何知識的地圖匹配算法。

　　基于計算幾何(非數值計算)知識(并暫不考慮測量誤差)，根據測量點(diǎn)位坐標有2種思路：

　　(1)不斷判斷剛測得的點(diǎn)位于道路的哪一側，如果剛測得的點(diǎn)與前期測得的某個(gè)點(diǎn)位于道路1的兩側，則車(chē)輛在道路1上行駛。如果道路1是一條彎曲的路徑，那么經(jīng)多次測量，并應用該方法也可以判斷車(chē)輛所處的道路。

　　(2)逐段計算測量點(diǎn)集的凸殼，依據道路與凸殼的交判斷車(chē)輛在哪條道路上行駛。

　　但當測量點(diǎn)全部位于1的同一側時(shí)，算法失敗。另該算法沒(méi)有考慮測量誤差，由此對GPS測量誤差的抗噪性差很有可能使算法失敗。

　　3改進(jìn)的地圖匹配方法

　　在算法設計時(shí)基于以下4個(gè)方面的考慮：一是效率，地圖匹配算法必須能夠滿(mǎn)足車(chē)輛導航實(shí)時(shí)、快速的要求；二是精度，地圖匹配的目的就是有效地提高車(chē)輛定位目標的精度，并保持定位結果的穩定性；三是不同交通狀況分別給出策略處理以提高道路選取得正確率和縮短匹配時(shí)間；四是程序設計，必須用可以量化的方式保證程序設計的可能性?；谏鲜隹紤]提出了以下的地圖匹配算法，算法分為3個(gè)步驟。

　　3.1數據預處理過(guò)程

　　利用各種規則形成的知識庫過(guò)濾掉異常定位數據，并對其進(jìn)行有效插值。主要考慮的因素有：GPS板提供的PDOP值(一般取PROP>6)、地圖范圍(預先確定車(chē)輛行駛的有效地理區域)，以及車(chē)輛的行駛速度等。其規則如下：
規則1 IF PDOP>6 THEN GPS數據異常，轉規則5；
規則2 IF Pos(L，B)NOT IN MapArea THENGPS數據異常，轉規則5；
規則3 IF Pos( V)>Const Car Speed THENGPS數據異常，轉規則5；
規則4 IF Pos(V)規則5 IF Car In隧道或立交橋THEN GPS數據異常；ELSE DR子系統啟動(dòng)獲取定位數據。

　　其中，MapArea為預先設定的車(chē)輛行駛的地理區域理論范圍；Pos(L，B)為當前車(chē)載GPS定位數據；Pos(V)為當前車(chē)輛行駛速度；Car Speed為預先設定的車(chē)輛行駛的最大理論值。

　　3.2車(chē)輛行駛路段的確定

　　美國取消SA干涉政策后，GPS的精度在正常狀況下小于25 m，在大部分路段可以直接投影獲得當前車(chē)輛行駛的道路。難于判斷的情況一般出現在車(chē)輛通視條件較差等原因引起的GPS定位精度降低或車(chē)輛在道路交叉口時(shí)。