（模式识别与智能系统专业论文）矢量地图道路拓扑数据文件的修正.pdf

中国科学技术丈学硕士论文 摘要 摘要 智能交通系统i t s 技术在现代社会中有着广泛的应用，其中g p s 车辆监控、交通 管理以及个人导航系统等方面的成果都为人类带来了极大的便利。在智能交通技术的应 用中，交通矢量地图是道路信息的有效载体，提供准确完整的交通矢量地图是各项应用 的重要前提。根据原始栅格地图，通过模式识别和图像处理的方法，可以实现对道路信 息的提取和识别，从而自动生成其对应矢量地图。由于道路地图自身较为复杂，而且矢 量地图生成过程中难免会引入一些误差，因此需要对自动生成的矢量地图加以校正，使 其信息能够正确反映实际道路的特征。 本文主要对城市交通矢量地图中的误差信息加以校正。首先介绍了矢量地图的自动 生成过程，对于栅格地图矢量化过程、地理数据库的组织规划以及地理信息的添加等， 均加以简要说明。在此基础上，通过对大量地图的分析，对矢量地图中数据信息可能存 在的误差问题进行了总结和分类，并给出校正方案。 基于城市道路规则和知识的矢量地图校正方法是本文作者研究的重点。对于已有矢 量地图中的一些错误和误差，采用图像处理等传统方法已经很难加以进一步的校正。由 于城市道路建设的规范化程度较高，因此可以考虑利用城市道路自身形成的约束来对矢 量地图进行校正。本文中通过对城市道路规范和常识的提炼，得出能够反映道路特点的 普遍规则和知识，并以其为基准，设计矢量地图的校正算法。该算法先检测矢量地图中 可能存在的错误和误差信息，然后判断其问题类型，并用特定的处理规则加以校正。该 算法充分考虑了城市道路的分布特点，能够在不引入新的误差的同时，对于矢量地图中 的几种普遍的问题加以有效的校正；同时能够结合地图自身的特点改变相关参数，算法 自动化程度较高，耗时很少。本算法在对合肥、西宁等多个城市的矢量地图的校正中均 取得了良好的校正效果，其结果可应用于城市道路最短路径的寻优中。 关键词：g p s ( 全球卫星定位系统) ，g i s ( 地理信息系统) ，i t s ( 智能交通系统) ， 车辆导航，矢量地图，道路拓扑数据文件，城市道路设计规范，自适应阙值 中国科学技术大学硕l 论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) p l a y s a l li m p o r t a n tr o l ei nt h em o d e ms o c i e t y , i n c l u d i n gg p sm o n i t o r i n gs y s t e m ，t r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n ta n di n t e l l i g e n t v e h i c l e n a v i g a t i o n , b r i n gm u c hc o n v e n i e n c et op e o p l e sl i f e i nd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n so ft h ei t s ，t h e e x a c tr o a di n f o r m a t i o ni s e x p r e s s e di nav e c t o rm a p v e c t o rm a p sc a r lb ea u t o m a t i c a l l y g e n e r a t e df r o mn o r m a lm a p sb yt h em e t h o do fp a t t e mr e c o g n i t i o na n di m a g ep r o c e s s h o w e v e r ，b e c a u s et h et r a f f i cm a p sa l ev e r yc o m p l e xa n dt h i sa u t o m a t i cp r o c e d u r eb r i n g si n d i f f e r e n te r r o r s ，t h ev e c t o rm a p sa l w a y sc a nn o td e n o t et h er a s t e rm a pa b s o l u t e l y s ot h e a d j u s t i n go f t h et r a f f i cv e c t o rm a p sa c c o r d i n g l yb e c o m e se x t r a o r d i n a r ys i g n i f i c a n t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h em o d i f i c a t i o no ft h ee r r o ri n f o r m a t i o ni nt h ev e c t o rm a p so fc i t i e s t h ep a p e rf i r s t l yb r i e f l yi n t r o d u c e st h ee n t i r ep r o c e d u r eo ft h ea u t o m a k i n go fv e c t o rm a p s t h ev e c t o r i n gp r o c e s st or a s t e rm a p s ，t h el a y o u to f t h eg e o g r a p h i c a ld a t a b a s ea n dt h ea d d i n g o fg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o nt ot h ev e c t o rm a p s ，a r ea l ld i s c u s s e d a f t e rt h a t ，b ya n a l y z i n ga l o to fm a p s t h i sp a p e rs u m m a r i z e sa n dc a t a l o g u e sn o r m a le x i s t i n ge r r o r si nv e c t o rm a p s ， l a t e r , a na d j u s t i n gs c h e m ei sb r o u g h tf o r w a r d t h ea u t o m a t i ca d j u s t i n gm e t h o di st h ef o c u so f t h i sp a p e r i ti so f m u e hd i f f i c u l t yt oa d j u s tt h e e x i s t i n ge r r o r sw i t ht h em e t h o do fi m a g ep r o c e s s i n g o nt h eo t h e rh a n d ，b e c a u s et h ec i t y r o a d sa r eh i g h l ys t a n d a r d i z e d ，t h e i rp r i n c i p l e sc o u l db ed i s c o v e r e dt ob et h er e s t r i c t i o nf o r v e c t o rm a p ，t h i sp a p e re x t r a c t ss o m eu n i v e r s a lp r i n c i p l e sa n dk n o w l e d g eo fc i t yr o a d s ，a n d t h e nb r i n g so u tt h es p e c i a la d j u s t i n ga l g o r i t h mo nt h ev e c t o rm a p t h i sa d j u s t i n ga l g o r i t h m s e a r c h e st h ep r o b a b l ee r r o r sa tf i r s t ，t h e nc l a s s i f i e st h e i re r r o rt y p e s ，m o d i f i e st h e ma tl a s t t h e a l g o r i t h mp r o c e s s e s s e v e r a lu n i v e r s a li s s u e s f u l l yc o n s i d e r i n g t h e d i s t r i b u t i n g c h a r a c t e r i s t i co f t h eu r b a nr o a d ，b r i n g i n gn on e we r r o r s ；o nt h eo t h e rh a n d ，t h ew h o l ep r o c e s s i sa u t o m a t i ca n dt a k e sl i r l et i m ew h i l ea d j u s tr e l e v a n tp a r a m e t e r sw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co f t h em a p s t h ee x p e r i m e n t a la d j u s t i n gr e s u l t sf o rd i f f e r e n tc i t i e sa sh e f e i ，x i n i n ga n ds oa l l ， s h o wt h a tt h ea l g o r i t h mi se f f e c t i v ei nm o d i f y i n gn o r m a le r r o r s t h em o d i f i e dv e c t o rm a p s c a nb eu s e di nd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n ss u c ha st h eo p t i m i z a t i o no f s h o r t e s tp a t hi nt r a f f i cm a p s k e yw o r d s ：g p s ，g i s ，i t s ，v e h i c l en a v i g a t i o n , v e c t o rm a p ，d a t af i l eo f t h er o a dt o p o l o g y , c o d ef o rd e s i g nt h ec i t yr o a d ，a d a p t a b l ev a l u e i i i 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 年多 月刁7 日 中国科学技术大学硕士论文 致谢 致谢 首先我要感谢我的导师鲍远律教授。鲍老师研究o p s 、g i s 领域多年，对于相关 技术的发展趋势和各种待解决的问题都有着非常深刻的了解，为我的科研学习指明了前 进的方法，并在课题的具体研究当中给与我耐心的指导。在g p s 实验室工作学习的三 年时间里，鲍老师一丝不苟的治学态度、乐观开明的工作作风、丰富的实践经验，诲人 不倦的精神都给我留下了深刻的印象。鲍老师倾囊相授，培养了我对科研认真负责的态 度，这一切使我受益匪浅。 感谢刘振安教授，在整个论文完成过程中给予我很多耐心的指导，在我的学习生 活中也给予我很多关心。 感谢刘浩、徐浩以及g p s 实验室所有的成员，实验室活跃的学术气氛，融洽的同 门关系以及无数次例会的讨论都让我终生难忘。同时感谢室友孙彦、金曼、张倩以及其 他同学好友，三年的同学情永远难忘。感谢男友常江龙，谢谢你一直给我的鼓励和支持， 使我可以坚强面对人生中的各种困难。 最后要感谢远去的妈妈，您一直是我前进的动力，您的母爱一直给我心灵上的温 暖，谨以此篇论文献给我最亲爱的妈妈! 杨凌 2 0 0 7 年5 月于科大 生国型堂燕苤太堂硒监塞缝监 第一章绪论 本章首先介绍g p s ( 全球卫星定位系统) 、g i s ( 地理信息系统) 的基本概念 以及当前国内外发展的现状和它们在i t s ( 智能交通系统) 领域的应用，并由此指出研 究城市交通g i s 系统的重大意义。由此构成本论文选题的时代背景与技术背景。 1 1g p s ，0 i s , 统简介 1 1 10 p s ( 全球定位系统) 简介 g p s 是英3 毫n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga n dr a a g i n g o l o b a lp o s i t i o ns y s t e m 的字头缩 写词n a v s t a r g p s 的简称。它的含义是，利用导航卫星进行测时和测距，构成全球定 “1 位系统。人们将这一全球卫星定位系统简称为g p s 。g p s 全球卫星定位系统从提出到 建成，经历了2 0 年，到1 9 9 4 年2 4 颗工作卫星进入预定轨道，系统全面投入运行。g p s 系 统因其应用价值极高，所以得到美国政府和军队的重视，不借投资3 0 0 亿美元来建立这 一工程，成为继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三大空间计划。 g p s 系统的空间部分由2 4 颗卫星组成，均匀分布在6 个仰角为5 5 度的轨道面上。g p s 系统的利用者接收卫星发送的扩频信号，测量电波传播时间求出卫星到接收机天线的距 离，利用空间三球相交一点的原理，解算以接收机位置为未知数的方程，从而确切知道 接收机的位置，也就是说，只需接收到3 颖卫星的信号，就能确定用户的二维( 经度、 纬度) 位置。g p s 系统从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，它可以为全球 用户提供连续、实时、高精度的三维位置、速度和时间信息，可以满足各种不同用户的 需要。在海洋上，它可用于舰船海上协同作战，在海洋交通管制、海洋测量、石油探测、 海轮进出港管理等领域提供定位服务；在陆地上，可用于各种车辆、坦克和陆军等的定 位；它还可以广泛应用子人们的日常生活和科学研究中，如汽车驾驶、旅游、探险、测 绘、勘探考古等方面。g p s 定位系统的建立，给导航和定位技术带来了巨大的变革。 美国政府在进行g p s 系统设计时，计划提供两种服务。一种为标准定位服务一s p s ， 利用粗测捕获码( c a 码) 定位，预计精度约为4 0 0 m ，提供民间用户使用。另一种为 精密定位服务p p s ，利用精密码( p 码) 定位，精度达到1 0 m ，提供给军方和得到特 许的用户使用。但在g p s 实验卫星应用阶段，多次实验表明，实际定位精度远高于此值， 利用c a 码定位精度可达到1 5 - - 4 0 m ，利用p 码定位精度可达3 m 。为了维护美国自身利益， 美国国防部在g p s 系统中加入了s a ( s e l e c t i v e a v a i l a b i l i t y ) 政策选择可用性政策， 人为地将误差引入卫星时钟和卫星数据中，降低g p s 的定位精度，以防止未经许可的用 户把g p s 用于军事目的。采用s a 政策后的g p s 系统c a 码定位，水平定位精度为1 0 0 米， 垂直测量精度为1 5 7 米。美国国防部常年对s a 政策进行测量，并根据形势和要求对部分 和全部卫星取消s a 政策。s a 政策的引入，在一定程度上限制了g p s 的应用，为了提高 定位精度，人们研究和发展出差分g p s 技术d g p s ( d i f f e r e n t i a lg p s ) 。但是，d g p s 系统需要建立相应的差分基准站和监测站，造价昂贵。随着g p s 应用的不断发展，g p s 广大用户要求取消s a 政策的呼声越来越高，考虑到庞大的g p s 应用市场，美国政府最终 于2 0 0 0 年5 月1 日取消了s a 政策，这必将促进g p s 定位和导航的应用的进一步发展。 2 0 0 0 年以后，以波音公司为首，休斯空间和通信公司、计算机科学公司( c s o 、洛 克西德马丁管理与数据系统( m & d s ) 和雷声公司开始研究开发新一代的全球定位系统 g p si i i 。g p si i i 的结构将基于现有的卫星导航系统，并将开发出具有创新结构的 新的g p s 系统。 1 1 2g i s ( 地理信息系统) 简介 g i s 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是集计算机科学、地理地质 学、测绘科学、环境科学、空间科学、信息科学和管理科学等为一体的多学科结合的新 e 习 兴边缘科学。它是在计算机硬件、软件系统的支持下，采集、存储、管理、分析和描 2 述整个或部分地球表面( 包括大气层在内) 与空闻和地理分布有关的数据的空闻信息系 统。它是融合计算机图形和数据库与一体，用来存储和处理空间信息的高新技术，它把 地理位置和相关属性有关地结合起来，根据用户地需要将空间信息及其属性信息准确真 实、图文并茂地输出给用户，满足城市建设、企业管理、居民生活对空间信息的变化， 借助其独有的空间分析功能和可视化表达功能，进行各种辅助决策。 地理信息系统具有一下三个方面的特征： 1 ) 具有采集、管理、分析和输出多种地理空问信息的能力，具有空间性和动态性； 2 ) 以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空闻分析、多 要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息； 3 ) 由计算机系统支持进行空伺地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的 地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务。 地理信息系统是从2 0 世纪6 0 年代开始逐渐发展起来的新技术。由于地球是人们赖以 生存和发展的基础，所以g i s 是与人类的生存、发展和进步密切关联的一门信息科学技 术，受到人们愈来愈多的重视，其应用已涉及到各行各业。特别是近几年来，由于全球 【羽 信息化的飞速发展、信息高速公路、“数字地球”、“数字城市”、“虚拟社区”理论的提 出，g i s 产业受到了空前的关注，越来越多的人投身n a i s 的学习浪潮中。 2 0 世纪8 0 年代是g i s 普及和推广应用匏阶段。由于计算机韵发展，推出了图形工 作站和p c 微机等性价比大为提高的新一代计算机，计算机和空间信息系统在许多部 门广泛应用。计算机网络技术的应用，使地理信息数据的长距离传输时效得到极大的提 高。g i s 系统软件和应用软件的发展，使得g i s 的应用从解决基础设施的规划( 如道路、 输电线) 转向更复杂的区域开发和规划，例如土地的农业利用、城市化发展、人口规划 与布局等，地理因素成为投资决策中不可缺少的依据。许多国家把g i s 作为有关部门的 必备工具投入日常运转。与卫星遥感技术想结合，g i s 开始用于全球性问题研究，例如 全球沙漠化、全球可居住区的评价、厄尔尼诺现象及酸雨、核扩散及核废料以及全球变 化与全球监测。美国军方制作了全球1 ：1 0 0 万空间数据库d c w ，原苏联制作了全球数 字调和模型和数字正摄影像。2 0 世纪8 0 年代，g i s 软件的研制和开发也取得了很大的 成绩，仅1 9 8 9 年市场上有报价的软件就达7 0 多个，并且涌现出了一些具有代表性的 g i s 商用软件，如a r c i n f o ，m i c r o s t a t i o n ，m g ei n t e r g r a p h , a u t oc a d a r cc a d 等。 我国g i s 的发展虽然较晚，但发展势头迅猛，大体上经历了4 个阶段，即起步( 1 9 7 0 1 9 8 0 年) 、准备( 1 9 8 0 1 9 8 5 年) 、发展( 1 9 8 5 1 9 9 5 年) 、产业化( 1 9 9 6 年以后) 阶段。g i s 已在很多部门和领域得到应用，并引起了政府部门的高度重视。从应用方面 看，地理信息系统已在资源开发、环境保护、城市规划建设、土地管理、农作物调查、 交通、能源、地图测量、林业、房地产开发、自然灾害的监测和评估、金融、保险、石 油与天然气、军事、犯罪分析、运输与导航、11 0 报警系统、公共汽车调度等方面得到 了具体应用。国内已有城市测绘地理信息系统或测绘数据库正在运行或建设中。一批地 理信息系统软件已研制开发成功( 如g e o s t a r , c i t y s t a r , m a p g i s 等) ，一批高等院校 已设立了一些与g i s 有关的专业或学科，一批专门从事g i s 产业活动的高新技术企业 相继成立。此外，还成立了“中国g i s 协会，和“中国g p s 技术应用协会”等组织。 进入2 l 世纪，随着地理信息产业的建立和数字化产品的普及，g i s 技术已深入到 各行各业，成为政府部门进行科学管理、快速决策及人们生活、生产、学习和工作中不 可缺少的工具。朱路基总理在中共十五届二中全会报告中明却指出地理信息将作为一个 产业来加以发展，我国的g i s 正迎来一个阳光明媚的春天 1 2i t s ( 智能交通系统) 简介 智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ，简称i t s ) 作为一种崭新的技术手段和管 理思维已成为世界各国目前普遍关注并大力开发的热点领域。智能交通系统代表了 世界科技发展的最高水平，是全面治理、解决交通运输问题的顶端技术，它第一次真正实 现了人、车、路的有机结合和协调发展，从而充分体现了经济、社会、生态效益的最大 4 虫国型堂拄苤鑫堂亟论塞鸶i 幺 化和交通发展的可持续性。 目前，世界上对智能交通系统尚没有统一的定义，其大体的含义是将先进的计算机 处理技术、信息技术、数据通讯传输技术及电子自动控制技术等有效地综合运用于整个 交通管理体系，将人、路、车有机结合起来，以达到最佳的和谐统一，从而建立起的一 种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的交通运输综合管理系统。i t s 是 为解决机动化引致的交通问题及其经济、社会、生态系统外部效益直接下降而产生的， 因而智能交通系统的目标应体现社会、经济、生态系统三个层次的效益提高。 i ) 智能交通系统提高了整个交通系统的管理水平i t s 可以为交通管理部门和人 员及时、准确地提供交通信息，从而使交通管理控制系统有效地适应各种交通状况，运用 多种控制系统，在相对宏观的高度合理疏导或调配运力，从而最大效能地发挥交通管理 系统在交通监视、交通控制、出入控制、救援管理等方面的准确性和调控性。 2 ) 智能交通系统提高了整个交通网络的通行能力i t s 可以为管理者和出行者随 时提供各种交通信息，帮助道路使用者合理选择行车路线，避开交通拥挤，减少交通事故， 从而极大增强了路网系统的有效使用潜力和通行能力，提高了整个交通系统的机动性、 便利性、安全性和舒适性，整个交通系统的运输效率和经济效益随之增加。 3 ) 智能交通系统降低了交通系统对环境的负面影响由交通量增长引致的空气、噪 声污染已越来越被人们广泛重视，i t s 通过道路使用者与交通管理部门之间、交通管理 部门相互之间、道路使用者相互之间及时地交换信息，增强了道路使用者的道路选择能 力，使路网交通流畅，既节约了燃料，也降低了对环境的负面影响。 世界上目前正在发展的i t s 技术多种多样，但其核心技术大体包括如下五个方面： 1 ) 先进的交通管理系统。是一种主动控制的综合交通管理系统，由6 个子系统组成： 智能交通管理系统、交通信息系统、路径诱导系统、车辆运行管理系统、公共交通运行 系统、交通公害减轻系统。 2 ) 先进的交通信息系统。包括无线数据交通信息通道、车载移动电话接收信息系 统、路由引导系统及选择最佳路由的电子地图 3 ) 先进的车辆控制系统。该系统是对车辆本身而吉的，主要包括行车安全警报系统 与行车自控和自动驾驶系统两部分组成。 4 ) 先进的公共交通系统。该系统包括公共交通车辆定位系统、客运量自动检测系统、 行驶信息诱导系统、自动调度系统、公交计费系统、视野支持系统和旅客服务系统等。 5 ) 先进的电子收费系统。该系统包括电子自动收费设备、不停车自动收费系统、停 车引导和收费系统。即通过电子卡、电子标签由计算机自动完成行驶或进出停车场车辆 的收费，实现地面交通费用收缴的自动化，从而减少停车延误，提高交通动态、静态化能 力和运营效率。 全球定位技术g p s 和地理信息系统技术g i s 为智能交通系统的建设提供了可靠技 术保障。无论是交通行为的具体实施者( 驾驶员) 还是整个交通体系的组织、管理和监 视者；无论是交通行为发生前( 例如出行前路线的选择) 还是交通行为实施过程中( 例 如车辆导航! 安全辅助信息) 或者交通行为结束之后( 例如收费结算、违章处罚) ，都 需多种时空信息支持。g p s g i s 技术是提供这些支持的重要平台。 地理信息系统所特有的空间数据描述与组织的数据模型，空间数据分析算法，多尺 度时态多种信息源的集成显示与存储管理，以及支网络信息发布功能，为智能交通提供 了技术支持。全球定位技术是一种最直接、最经济、最可靠和最成熟的技术，借助于 g i s 技术，可得到车辆在三维空间中的运动轨迹，即所谓四维航迹，不但可准确获得车 辆的准确位置，还可得到车辆的速度、运动方向等数据，为交通运输管理提供了动态检 测和导航的工具，是智能交通系统的重要组成部分。 g p s 为用户提供点的时空信息是几何的三维坐标和时间。若将它和用户点周围基 础的g i s 或专业的g i s 相结合，将使g p s 提供的用户点动态实时的时空信息和用户点 周围的地理信息有机地结合起来。这种结合将超越二者原有的功能和应用范围，产生 1 + 1 2 的效果，特别是g p s 和g i s 结合用于交通领域，利用g i s 中的电子地图和g p s 6 宝国銎堂拄苤太堂亟j 幺塞缝垒 接收机的实时定位技术，可以组成g p s - “3 1 s 的各种电子导航系统，用于交通、公安侦 破、车船自动驾驶等，这里存在几种复杂程度不同，价格也不同的结合模式： 1 ) g p s 单机定位+ 栅格式电子地图。该系统可实时显示移动物体( 如车、船、飞机) 所在位置，从而进行辅助导航，优点是价格便宜，不需要实时通讯，缺点是精度和自动化 程度不高。 2 ) g p s 单机定位+ 矢量电子地图。该系统可根据目标位置( 工作时输入) 和车船现 位置( s o p s 测定) 自动计算和显示最佳路径，引导司机最快地到达目的地，并可用多媒 体方式向驾驶员提示。制作矢量地图数据库需要花费较大成本。 3 ) g p s 差分定位+ 矢量栅格电子地图。该系统通过固定站与移动车船之间的两台 g p s 伪距差分技术，可使定位精度达到1 3 l n ，当采用双向通讯方式时，则可构成车船的 自动导航系统，又可将移动车船上的g p s 定位结果准确实时地传送到控制中心。并在电 子地图上显示出来，构成交通网络监控指挥系统。 车辆监控和个人导航是智能交通系统的主要应用方式。关于车辆监控和导航的研究 工作开始于本世纪7 0 年代。近年来，许多汽车生产公司为了提高本公司产品在市场的 竞争能力，投资研究和开发车辆导航设备，极大地推进了g p s 在车辆导航领域的应用 和发展。丰田、东芝，索尼等很多大公司与导航系统供应商协作，使得日本在轿车导航 系统方面的研究处于世界领先地位。1 9 9 1 年，东芝公司轿车导航系统，采用一种可操 作的电视g p s 接收机，可显示沿途饭店、旅馆和商店等信息。1 9 9 4 年，索尼公司推出 一种带电子地图的汽车导航系统，将一个8 通道的g p s 接收机与c d - r o m 格式的地图 及信息数据库结合在一起，并能接收调频无线电广播发送的交通流量信息。另外，许多 大公司，如奔驰日本公司、丰田、本田等，都在积极开发自己的导航信息系统，拓展导 航信息服务市场。在美国，有多个公司已研制或正在研制轿车导航系统。克莱斯勒公司 研制了一种基于g p s 的车辆导航系统，该系统在失去卫星信号后，可用计程器工作， 保持车辆继续导航。威斯汀豪斯公司研制了自动车辆定位系统，安装在城市公共汽车和 7 轻轨火车上。在欧洲，1 9 9 5 年，法国巴黎的公共汽车率先使用车辆调度和导航系统。 和很多发达国家相比，我国对g p s 应用的研究还处于初级阶段，还没有与g i s 地 理信息系统等其他系统有效结合，形成一个强大的系统。为了整个社会高效便利地运行， 值得我们投入更多力量研究g p s 、g i s 等技术的应用以及i t s 系统的构建。实现“数字 地球”的理想还有很长的路要走。 1 3 城市交通g i s 研究的意义和现状 1 3 1 城市交通g i s 研究和消除交通矢量地图误差的意义 交通是国民经济发展的两大支柱之一。交通问题具有明显的地域特征，是地理信息 科学的一个主要研究内容。此外，交通技术的发展与电子技术、通讯技术、计算机技术 等高新技术的发展息息相关，而这些高新技术同时也是实施“数字地球”战略必须着重 发展的技术。可以毫不夸张的说，交通将是“数字地球”战略发展的最大受益者之一， 同时也是实施“数字地球”战略的一个重要组成部分。 城市交通网络在城市发展中占有至关重要的地位。它不仅是城市的一个重要组成部 分，同时也决定了城市居民的生活方式。长期以来，交通问题严重影响了城市各项建设 的发展，如交通拥挤、车辆行驶缓慢、交通事故频繁及其由于交通堵塞造成的大量空气 污染等问题。很多发达国家逐渐认识到，为了有效解决这些问题，仅仅依靠道路建设， 扩大路网规模是远远不够的，交通问题的解决必须依赖现代信息技术与管理技术的有机 结合，寻求新的解决方案。 2 0 世纪9 0 年代初，美国、日本和西欧等竞相投入大量资金和人力，开始大规模地进 行道路交通运输智能化的研究和实验，开始时称之为“智能车辆道路系统”( i n t e l l i g e n t v e h i c l ea n dh i g h w a ys y s t e m s , i v h s ) ，进行道路功能和车辆智能化的研究。随着研究的 不断深入，系统功能扩展到道路交通运输全过程及其有关服务部门，发展成为带动整个 公路交通运输现代化的“智能交通系统”( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，i t s ) 圭国科堂蕴丕太堂亟论塞蠹监 目前，i t s 的发展已经使高科技研究人员与产品成为现代交通工业的重要的新生力量与 组成部分。 i t s 是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术以及 计算机处理技术等有效地集成，运用于整个地面运输管理体系，而建立起的一种在大范 围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合运输和管理系统。蜘具体在公路运 输及城市交通领域，该系统将汽车、司机、道路及相关的服务部门相互联接起来。并使 汽车在道路的运行功能智能化。i t s 主要由6 个高级交通系统构成，分别为：高级交通 管理系统、高级出行信息系统、高级车辆控制系统、商业车辆运行系统、车辆自动定位 系统及车辆自动识别系统。i t s 通过公共服务系统完成公路与街道的交通监控，为出行 者提供交通信息，对可能出现的险情及延误预先提出警告，帮助交通管理部门对车辆进 行有效的实时疏导、控制和事故处理，减少交通堵塞和延误，辅助车辆的自动导航，进 行公共交通的实时调度和行驶路线的调整，帮助运输部门增加运客率，降低运营成本， 提高商业运输效率等。i t s 这些辅助功能使路网上的交通流运行处于最佳状态，改善交 通拥挤状况、减少交通阻塞，最大限度的提高路网的通行能力，提高整个公路运输系统 的机动性、安全性和生产效率、使公众能够高效的使用公路交通设施和能源。 g p s 技术的广泛应用，既依赖于地理信息系统g i s ，又促进了地理信息系统g i s 的 蓬勃发展。必须看到，所有涉及g p s 应用的智能交通系统应用( 包括交通管理或监控导 航系统) 都离不开道路定位，或者说，离不开准确的矢量地图。 交通矢量地图是为道路交通管理、车辆安全监控等目的而使用的建立在准确地理位 置坐标数据模型的地理信息系统。交通矢量地图是完善g p s 应用技术的基石，这在我国 目前更显得重要。矢量地图的准确性直接关系到系统提供的资料的准确度以及由此做出 决策的效能。 实际上在目前的数字化时代，提出数字地球、数字城市、数字交通，只要涉及到地 理位置，就需要矢量地图。矢量地图的生成过程，目前主要使用数字化仪，如果要求直 9 接获得精确的矢量化地图，不仅需要小比例尺的精确的测绘地图，整个矢量化过程也变 成一件极为繁琐的过程。反过来，如果使用大比例尺的甚至只是市面上可以买到的交通 地图，矢量地图的生成过程，就会变成极为简单快捷，而且大大降低制作成本。但是制 作过程的简便，不可避免地保留了很多处理过程中的误差。为了提高矢量地图的精度， 就必须尽可能地消除这些误差。本文采用的是对数据文件进行修正来消除误差的方法， 它有别于其他消除误差的方法。 1 3 2 城市交通g i s 系统的研究现状 地理信息系统( g i s ) 是处理空间数据的输入、输出、管理、查询，分析和辅助决 策的计算机系统。对地学数据能够进行空间分析功能，是g i s 广泛应用的重要原因之一， 建立地理信息系统的基础是地学数据的采集，它包括空间数据的采集和属性数据的采 集。其中空间数据的采集方法包括有地图数字化、遥感数据获取以及基于g i $ 的数据采 集，而地图数字化又是最基本的数据采集方法。地图数字化可以分为栅格数字化和矢量 数字化，由于矢量数据具有很多相比于栅格数据的优点，目前地理信息系统中大多数应 用的都是矢量数据。矢量地图生成方法大致包括数字化仪矢量化方法以及自动矢量化方 法。 当要对大量的诸如等高线之类的复杂线型进行矢量化时，使用数字化仪进行地图矢 量化是常用的方法“。数字化仪最常用的操作模式为点模式、流模式、开关流模式。目 前大多数数字化仪都采用流模式，因为该模式下不需要操作员按游标，即可由计算机不 断地读取来自数字化仪的坐标数据，并在屏幕上显示出来，对该坐标数据的处理可以根 据操作员按下的游标键值不同作不同的处理。使用数字化仪进行矢量化输入时，操作复 杂，速度慢，操作员的工作量也很大，而且由于输入过程较长，图纸容易变形和易位， 从而导致输入到计算机中的图纸与实际图纸有些偏差，产生较大的误差。 在过去，从地图中获取地理信息是非常昂贵并且高时耗的一项工作，因为整幅地图 1 0 生国整堂拉苤太堂亟土i 幺塞缝j 幺 的信息输入借助于数字化仪来人工手动操作，虽然它具有很高的数字压缩比以及较低的 硬件损耗而且操作比较简单，但是在当今这个信息爆炸对更新要求较快的时代，它的制 图周期太长，更新太慢，信息更换不及时的缺点暴露无疑，一个中等规模的城市用数字 化仪生成矢量地图，大约需要一个月的时间。所以极为需要一个矢量地图自动输入系统 来对地图进行自动矢量化。 自动矢量化就是用一个命令在短时间内高质量地矢量化栅格图像，主要原理n 1 1 是从 点位图中利用模式识别的有关理论进行识别和提取，生成矢量地图的方式。我们将从纸 制地图扫描得到的点位图进行识别，提取出其中的道路信息，然后对提取之后的黑白点 位图进行预处理、矢量化操作，得到一副只包含道路信息的矢量文件，在这个基础上进 行编辑、校正，并输入各种地图上的有关数据，生成电子地图的数据库，最终生成一个 完整而准确的矢量地图。专业矢量化软件的处理效率高，精度也较高。 规范化的城市公路交通地图是用来自动生成交通矢量地图的图源，其基本特点是： 可能出现局部或大面积变形，但是地图上面的有限数目的关键点( 道路的交叉点、道路 在边界上的终端点) 之间的相对方位( 不是绝对距离) 是正确的。形象地说：城市公路 交通图不可能将交叉路n a 的东南处的交叉路口b 错印到交叉路d a 的西北，也不能将上 面( 左边) 的一条路错印成下面( 右边) 的一条路。这样，对矢量地图的第一个要求就 可以得到保证，即：道路之间的相对位置是准确的。 目前对矢量地图进行消除误差的方法大概有三种，即：人工逐节点修正，整体线性 校正和离散非线性校正。人工逐节点修正实际上是极为繁琐的手工逐点定标，其工作量 不亚于重新独立测绘制图。整体线性校正是均匀地使用校正点信息获得一个线性变换规 则并同时对全平面的所有节点进行校正，快速性方面有了显著提高。离散非线性校正则 通过离散的处理，有效消除非线性误差。而本文主要是对数字化仪和自动矢量化所产生 的道路拓扑数据文件进行修正，从而对矢量地图的误差进行消除。这种方法快速性方面 有了显著地提高，并且兼顾了准确性，实验中也取得了良好的效果。 本论文着眼于城市交通管理、车辆导航对交通矢量地图的迫切需要，吸取国内外在 矢量化改进过程中已经取得的研究成果，结合个人在交通矢量地图方面的研究进行学习 总结和思考，继而给出了矢量地图消除误差的另一种有效的方法。 1 4 1 研究方案 1 4 本文的内容及安排 1 ) 采用的研究方法 采用理论指导、算法选取与实验验证相结合的方法 2 ) 技术路线 在m i c r o s o f tv i s u a lc 什6 0 开发平台下，在实验室现有资源的基础上，根据国内 外较成熟的矢量文件修正思想，结合城市道路设计规范和城市地图的实际情况，实现 算法改进思想，修正数字化仪和自动矢量化产生的道路拓扑数据文件，最终实现输出 优化之后的道路拓扑数据文件，作为- - $ 1 1 数字地图的基础。 3 ) 实验方案的可行性分析； 前期的准备和调研阶段，主要是根据应用的需要，客观分析了已有光盘地图经过 m a p v e c t o r t r y 矢量化之后的图和原始彩色地图叠加得出目前存在的问题。 根据城市道路设计规范和城市道路实际状况，总结出适用于点、弧文件分析的抽 象道路规则和具体解决方案，这是整个研究工作的重点和难点所在。能够同时满足普 遍适用性的实用规则并不容易获得，而且各类问题产生的原因是要追溯到道路识别提 取和预处理、矢量化过程中的，需要对照原始彩色地图、提取的黑自位图和矢量化生 成的图，所以这个是存在一定难度的。 地理道路数据文件的修正和优化算法的设计，需要保证矢量地图前后拓扑意义的 一致和尽量的简约。可以借鉴目前相关的算法和思想，在此之上结合矢量地图的实际 情况进行改进。 技术方面，由于本研究工作是实验室系统中的一个组成部分，前人的工作是本文 研究的基础，各方面技术都比较成熟，可以使研究成果经过转换结构方便的应用于实 际问题中。 1 4 2 解决的问题 1 ) 分析得出目前的道路拓扑数据文件存在的各类问题，利用算法实现论文提出 的解决思想，客观评价解决算法的有效性，撰写相关学术论文。 2 ) 生成修正之后的道路拓扑数据文件，并使之应用于车辆导航系统中来检验其优越 性。 1 4 3 本文内容安排 本文内容安排如下： 第一章介绍g p s 、g i $ 、i t s 的概念，城市交通地图矢量化过程改进的意义和现状 本文研究对象的特点和研究方案。 第二章从栅格地图和矢量地图的概念出发，介绍了矢量地图同栅格地图相比所具 的一些优势，矢量地图的生成、编辑等。同时，对矢量地图中道路的拓扑结构和矢量地 图库的组成给出了清晰的阐述。 第三章首先分析交通矢量地图的误差来源，并介绍道路拓扑数据文件的基本结构， 然后通过对大量道路拓扑数据文件所显示的矢量图和原始彩色地图的比较，对存在的一 些主要问题进行分类并分析其产生原因，从而为之后的校正工作提供依据。 第四章本章根据城市道路交通的规则知识，针对第三章提出的各种问题，提出相 应的解决算法。在保证不引入新的误差的前提下，对原有矢量地图基本的位置和拓扑信 息进行了有效的校正。校正算法的算法复杂度较小，而且由于采用了相关参数的自适应 选取，算法的适应性和自动化程度也较高。 第五章简单介绍上面算法的程序实现，并对一些已有的城市道路矢量地图作处理， 分析算法的效果；在此基础上介绍校正后的矢量地图信息在城市道路路径寻优及车辆导 航中的应用。 第六章总结与展望。 1 4 中国科学技术大学硕士论文 橱格地图和矢量地图的概述 第二章栅格地图和矢量地图的概述 在车辆监控导航和智能交通系统中，都需要准确的矢量地图。导航电子地图是整个 导航系统的基础，导航系统的定位、路径的寻优、轨迹的校正等功能郡离不开导航电子 地图的支持。对于建设数字化地球、数字化城市，矢量地图具有重要的意义。 首先来了解一下电子地图的概念以及目前g p s 实验室做过的交通矢量地图生成平台 相关的工作。 2 1 栅格地图和矢量地图的基本概念 随着计算机的出现和信息论的发展，地图制图逐步由手工绘制过渡到电子化、自动 化的阶段，从数字资料自动制图、图形资料自动制图到航空遥感和航天遥感图像的自动 制图，电子地图的技术发展非常迅速。电子地图的应用非常广泛，海洋、气象、水文、 地质、土地利用、地球物理、宇航、测绘、勘探等领域都需要电子地图。2 0 世纪6 0 年代， 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) “”的兴起和迅猛发展更 推