改進(jìn)的地圖匹配技術(shù)在車載導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用

0引 言
　　隨著城市化的進(jìn)展和汽車的普及，交通擁擠加劇，交通事故頻發(fā)，交通環(huán)境惡化，這成為長期以來困擾發(fā)展中國家和發(fā)達(dá)國家的嚴(yán)重問題。解決此問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(shè)資金籌措困難。交通系統(tǒng)是復(fù)雜的大系統(tǒng)，我們應(yīng)從系統(tǒng)論的觀點(diǎn)出發(fā)，把車輛和道路綜合起來考慮，運(yùn)用各種高新技術(shù)系統(tǒng)解決交通問題，智能交通系統(tǒng)(intelligent transport system)應(yīng)運(yùn)而生。

　　整個(gè)智能交通系統(tǒng)都以車輛的定位導(dǎo)航為核心，車輛導(dǎo)航系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)的中心部件，是其他各種功能應(yīng)用的基礎(chǔ)。GPS或者GPS／INS或者GPS／DR方案以其結(jié)構(gòu)簡單、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(yīng)用于車輛導(dǎo)航系統(tǒng)。本文就是實(shí)現(xiàn)組合定位，在應(yīng)用地圖匹配(map matching，MM)定位技術(shù)進(jìn)行車輛定位，以便在行駛過程中為用戶提供準(zhǔn)確可靠的實(shí)時(shí)定位信息，為智能交通管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)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，其基本思想是將車輛定位軌跡與數(shù)字地圖中的道路網(wǎng)信息聯(lián)系起來，并由此相對于地圖確定車輛的位置。

　　地圖匹配應(yīng)用是基于以下2個(gè)假設(shè)條件：

(1)車輛總是行駛在道路上；
(2)采用的道路數(shù)據(jù)精度要高于車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。當(dāng)上述條件滿足時(shí)，就可以把定位數(shù)據(jù)和車輛運(yùn)行軌跡同數(shù)字化地圖所提供的道路位置信息相比較，通過適當(dāng)?shù)钠ヅ溥^程確定出車輛最可能的行駛路段以及車輛在該路段中的最大可能位置。如果上述假設(shè)不成立，則地圖匹配將產(chǎn)生錯(cuò)誤的位置輸出，并可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降。一般認(rèn)為用于匹配的數(shù)字地圖誤差不應(yīng)超過巧米(真實(shí)地面距離)。由于陸地車輛在除進(jìn)入停車場等之外的絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)都位于公路網(wǎng)絡(luò)中，因此使用地圖匹配技術(shù)的條件是滿足的。

　　2地圖匹配算法

　　地圖匹配的算法是曲線匹配原理和地理空間接近性分析方法的融合。曲線匹配算法的基本思想是：如果對一條曲線做任意數(shù)量、任意比例的分割，分割點(diǎn)都落在另一條曲線上，則兩條曲線嚴(yán)格匹配。實(shí)際應(yīng)用中，就是計(jì)算一條曲線上相對均勻的某一數(shù)量分割點(diǎn)到參考曲線的距離的平均值，將其作為到參考曲線的平均距離，并將此平均距離的倒數(shù)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(shù)據(jù)集中，按照空間最接近的方法匹配當(dāng)前定位數(shù)據(jù)。

　　地圖匹配算法可分為2個(gè)相對獨(dú)立的過程：一是尋找車輛當(dāng)前行駛的道路；二是將當(dāng)前定位點(diǎn)投影到車輛行駛的道路上。其基本辦法是按照曲線匹配的思想在車輛航跡的鄰近區(qū)內(nèi)搜索所有道路路段及其組合，把這些組合路線分別與車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作為車輛當(dāng)前行駛路線。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(tǒng)計(jì)算法；模糊邏輯算法；基于計(jì)算幾何(非數(shù)值計(jì)算)知識(并暫時(shí)不考慮測量誤差)算法。

　　由于計(jì)算幾何知識算法不需要數(shù)據(jù)融合，極少需要考慮行車方向，非常直觀，并且減少了許多數(shù)值計(jì)算，具有極高的正確匹配率，能夠滿足快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地定位車輛位置的要求。因此，本系統(tǒng)選用基于計(jì)算幾何知識的地圖匹配算法。

　　基于計(jì)算幾何(非數(shù)值計(jì)算)知識(并暫不考慮測量誤差)，根據(jù)測量點(diǎn)位坐標(biāo)有2種思路：

　　(1)不斷判斷剛測得的點(diǎn)位于道路的哪一側(cè)，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(cè)，則車輛在道路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(yīng)用該方法也可以判斷車輛所處的道路。

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

　　但當(dāng)測量點(diǎn)全部位于1的同一側(cè)時(shí)，算法失敗。另該算法沒有考慮測量誤差，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(shè)計(jì)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足車輛導(dǎo)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輛定位目標(biāo)的精度，并保持定位結(jié)果的穩(wěn)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(shè)計(jì)，必須用可以量化的方式保證程序設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)預(yù)處理過程

　　利用各種規(guī)則形成的知識庫過濾掉異常定位數(shù)據(jù)，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(yù)先確定車輛行駛的有效地理區(qū)域)，以及車輛的行駛速度等。其規(guī)則如下：
規(guī)則1 IF PDOP>6 THEN GPS數(shù)據(jù)異常，轉(zhuǎn)規(guī)則5；
規(guī)則2 IF Pos(L，B)NOT IN MapArea THENGPS數(shù)據(jù)異常，轉(zhuǎn)規(guī)則5；
規(guī)則3 IF Pos( V)>Const Car Speed THENGPS數(shù)據(jù)異常，轉(zhuǎn)規(guī)則5；
規(guī)則4 IF Pos(V)規(guī)則5 IF Car In隧道或立交橋THEN GPS數(shù)據(jù)異常；ELSE DR子系統(tǒng)啟動(dòng)獲取定位數(shù)據(jù)。

　　其中，MapArea為預(yù)先設(shè)定的車輛行駛的地理區(qū)域理論范圍；Pos(L，B)為當(dāng)前車載GPS定位數(shù)據(jù)；Pos(V)為當(dāng)前車輛行駛速度；Car Speed為預(yù)先設(shè)定的車輛行駛的最大理論值。

　　3.2車輛行駛路段的確定

　　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(dāng)前車輛行駛的道路。難于判斷的情況一般出現(xiàn)在車輛通視條件較差等原因引起的GPS定位精度降低或車輛在道路交叉口時(shí)。