CN101950509B - 用于交通状态监控***的数字地图构建方法 - Google Patents

Abstract

一种数字地图技术领域的用于交通状态监控***的数字地图构建方法，采用分层化结构构建地图，对道路和节点的原始信息进行重建和提取，利用同一道路上、下行道地理数据的统一性，实现运算结果的双向显示，最后给出一种GPS坐标到城建坐标的快速转换方法，以满***通估计算法的实时性要求。本发明能够较为精确地反映实际的地理信息，并针对GPS交通状态估计算法重构了地理信息结构，以利于算法实现及运算结果的显示，提高了算法的准确度和运行效率。

Description

用于交通状态监控***的数字地图构建方法

技术领域

本发明涉及的是一种数字地图领域的方法，具体是一种用于交通状态监控***的数字地图构建方法。

背景技术

交通状态监控***(Traffic State Monitoring System，TSMS)是智能交通***最主要的子***之一，监控***获取的实时交通状态信息是城市路网控制***、智能诱导***、信息服务***等子***运行的基础。交通状态信息的获取方法很多，包括基于地感线圈和基于GPS的交通流状态估计算法，其中GPS具有全天候、低成本以及实时检测等诸多优势(无需支付使用费用，便可使用GPS接收机接收民用GPS信号，经接收机内置芯片运算后即实现实时定位)，因此在智能交通领域发展迅速、应用广泛。Quiroga和Bullock于1998年发表在《TransportationResearch Part C：Emerging Technologies(运输研究C部分：新兴技术)》上的论文“Travel timestudies with global positioning and geographic information systems：an integrated methodology(基于全球定位和地理信息***的行程时间分析：一种综合方法)”采用了基于GPS数据和GIS-T地图信息融合的交通状态估计方法，取得了良好的效果。Q.-J.Kong等人于2009年发表在《IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems(IEEE智能交通***会刊)》上的论文“An approach to urban traffic state estimation by fusing multisource information(融合多源信息的城市交通状态估计方法)”对此算法进行了更深入的探讨，并给出了一个应用实例，但是其使用的数字地图在地理信息组织结构上对算法的支持不够，精确度也有所欠缺，从而大大影响了算法的准确性和运算效率。

GIS数字地图的开发方式基本可分为二次开发和独立开发两种。二次开发是指利用专业的GIS工具软件，如ArcView、MapInfo等，实现GIS的基本功能。采用二次开发方式开发速度快，但编程人员无法控制程序的核心，有时需要实现复杂的功能就力不从心，且效率较低。独立开发方式不依赖于任何GIS工具软件，从数据的采集整理到处理分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计。这种方式无须依赖任何商业GIS工具软件，减少了开发成本，有利于实现一些复杂的功能。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于交通状态监控***的数字地图构建方法，采用分层化结构构建地图，对道路和节点的原始信息进行重建和提取，利用同一道路上、下行道地理数据的统一性，实现运算结果的双向显示，最后给出一种GPS坐标到城建坐标的快速转换方法，以满***通估计算法的实时性要求。本发明能够较为精确地反映实际的地理信息，并针对GPS交通状态估计算法重构了地理信息结构，以利于算法实现及运算结果的显示，提高了算法的准确度和运行效率。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步、地图的分层化结构：将地图分为点、线、块三种结构，其中：点结构表示建筑物，块结构表示绿地或公园，线结构表示道路或桥梁。

第二步、建立地理信息初始数据结构：所述线结构采用若干个相连的节点结构进行替代，每两个相邻的节点结构之间为路段结构，所述节点结构包括：节点ID、道路ID和节点坐标；所述路段结构包括：路名、道路ID以及路段链表。

第三步、重构初始地理信息结构：对所有路段结构建立参数方程，并两两联立，求出两条相交的路段结构的交叉点，即路口坐标，并得到与此交叉点相邻的节点结构。

所述的参数方程是指：X＝X_k1+t_k×(X_k2-X_k1)，Y＝Y_k1+t_k×(T_k2-T_k1)；

其中：l_k为第k个路段结构，(X_k1，Y_k1)和(X_k2，Y_k2)分别为路段结构l_k的两个端点坐标，t_k为参数，0≤t_k≤1。

第四步、向路段结构中添加上行道和下行道的交通状况，其具体步骤为：

在道路结构中描述速度和拥挤度等交通状况的地方添加一项“下行情况”；显示时，将道路的位置向两边分别作平移来显示上、下行道的交通状况。

第五步、将路段结构及节点结构的GPS坐标变换到城建坐标，实现快速转换。

所述的坐标变换是指：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{a}_1& a_2\\ a_3& a_4\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\φ}\\ \mathrm{\λ}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{a}_5\\ a_6\end{array}\right]$

其中：为GPS坐标，(X，Y)为城建坐标，a₁......a₆为待定的6个参数。

本发明提高了地理信息的准确度；完善了地理信息数据结构对于GPS交通估计算法的支持度，从而能够提高算法的准确度和运算效率；采用GPS坐标到城建坐标的快速变换方法，更好的满足算法的实时性要求。

附图说明

图1本方法流程图。

图2数字地图的分层化结构示意图。

图3地理信息数据结构重构流程图。

图4数字地图整体效果图。

图5GPS交通估计算法运行效果图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1本方法流程图所示，本实施例具体实施步骤如下：

(1)分层化构建地图：

为了能够方便的管理和更新地图信息，本发明采用分层结构构建数字地图。如图2所示，把地图数据分为点、线、块三种结构，分别表示地图上不同的元素。其中点结构表示政府机关、学校、医院等标志性地点，块结构表示绿地和公园等，这两个图层都是相对固定的，信息处理较少。线结构是地图数据的主体，用于表示道路、桥梁等，是数据分析的主要对象。

(2)设计地理信息的初始数据结构：

数字地图采用若干条直线段表示一条道路，因而道路可以用一系列的点来表示，这些点称为路的“节点”，两个节点之间的线段称为“路段”。道路数据结构包含：路名，每条道路都有一个路名，允许为空；道路ID，8位数字，每条道路的唯一标识；路段链表，道路所含的所有路段，每条路段又包含路段方向、起止节点。节点数据结构给出了路网中的所有道路节点，包括：节点ID，唯一标识某一节点；道路ID，节点所在道路的ID；节点坐标。

(3)重构初始地理信息结构：

初始地理信息数据结构对GPS交通估计算法的支持不足，需要对其进行重构，以更好的满足算法的要求。重构思想如下：

所有的路口都可以看成是两条道路相交而成的，而道路是由若干条线段构成的，所以路口其实是由两条线段相交而成的。

设某一指定的线段l_k的方程为：

X＝X_k1+t_k×(X_k2-X_k1)        (1)

Y＝Y_k1+t_k×(Y_k2-Y_k1)        (2)

式中：(X_k1，Y_k1)，(X_k2，Y_k2)分别为线段l_k的两个端点坐标，可从节点数据中获取；t_k为参数，0≤t_k≤1。

设l_k外的某一线段l_n的方程为：

X＝X_n1+t_n×(X_n2-X_n1)    (3)

Y＝Y_n1+t_n×(Y_n2-Y_n1)    (4)

式中：(X_n1，Y_n1)，(X_n2，Y_n2)分别为线段l_n的两个端点坐标，可从节点数据中获取；t_n为参数，0≤t_n≤1；1≤n≤N，n≠k，N为道路数据中所有路段的总数。

对于每条线段l_k(1≤k≤N)的方程(1)、(2)，分别和其余的N-1条线段l_n的方程(3)、(4)联立，求出参数t_k、t_n。若t_k和t_n均在[0，1]内，则该点为道路节点。

将t_k和t_n分别回代到方程(1)、(2)和(3)、(4)，求得节点的准确坐标，并可以从节点数据中获得此节点的相邻节点信息以及形成此节点的两条路段所在道路ID。若ID_1＝ID_2，则此节点为普通节点；否则此节点为路口点。重建流程图如图3所示。

重建后的路段信息在路段数据结构和节点数据结构之间建立了快捷的联系。从一个路段可以直接引用到它的节点信息，从一个节点也可以直接引用到它所在的两个路段，这样就避免了搜索的低效率，为GPS交通状态估计算法提供了方便。

(4)双向道路的实现：

由于同一道路的两个方向的交通状况会有很大的差别，所以数字地图必须能够对道路的上、下行道的交通信息分别进行分析和显示。同一条道路的上、下行道在地理数据上是完全一样的，所以只需在道路结构中描述速度和拥挤度等交通状况的地方添加一项“下行情况”即可；显示时，可由道路的位置向两边分别作平移来显示上、下行道的交通状况。

至此，数字地图的基本功能已经实现，整体效果图如图4所示。

(5)GPS坐标变换到城建坐标：

由于本发明的研究对象仅为某一城市(如上海市)的地理信息，其面积和跨度相对于整个地球来说是非常小的，经纬度变化可认为是线性的，因此可近似认为GPS坐标和平面直角坐标之间只差一个仿射变换：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{a}_1& a_2\\ a_3& a_4\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\φ}\\ \mathrm{\λ}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{a}_5\\ a_6\end{array}\right]$

其中

为GPS坐标，(X，Y)为城建坐标，a₁......a₆为待定的6个参数。采用一些标志性地点GPS坐标和对应的城建坐标，对所得到的多组数据利用最小二乘法进行处理，即可确定上面6个参数。

由此面向GPS交通估计算法的精确数字地图构建完成，在此基础上添加交通流估计算法即可实现对城市路网交通状态的监控。***在Intel Core i52.67G四核CPU、4GB内存配置的个人电脑上运行，对包含4200多条道路和17万多个道路节点的上海市路网的交通状态进行估计，处理一个周期(4分钟)数据所需的时间约为35秒，能够满足监控的实时性要求。运行效果如图5所示。

Claims (4)

1.一种用于交通状态监控***的数字地图构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、地图的分层化结构：将地图分为点、线、块三种结构，其中：点结构表示建筑物，块结构表示绿地或公园，线结构表示道路或桥梁；

第二步、建立地理信息初始数据结构：所述线结构采用若干个相连的节点结构进行替代，每两个相邻的节点结构之间为路段结构；

第三步、重构初始地理信息结构：对所有路段结构建立参数方程，并两两联立，求出两条相交的路段结构的交叉点，即路口坐标，并得到与此交叉点相邻的节点结构，具体如下：

设某一指定的线段l_k的方程为：

X＝X_k1+t_k×(X_k2-X_k1)    (1)

Y＝Y_k1+t_k×(Y_k2-Y_k1)    (2)

式中：(X_k1，Y_k1)，(X_k2，Y_k2)分别为线段l_k的两个端点坐标，从节点数据中获取；t_k为参数，0≤t_k≤1；

设l_k外的某一线段l_n的方程为：

X＝X_n1+t_n×(X_n2-X_n1)    (3)

Y＝Y_n1+t_n×(Y_n2-Y_n1)    (4)

式中：(X_n1，Y_n1)，(X_n2，Y_n2)分别为线段l_n的两个端点坐标，从节点数据中获取；t_n为参数，0≤t_n≤1；1≤n≤N，n≠k，N为道路数据中所有路段的总数；

对于每条线段l_k(1≤k≤N)的方程(1)、(2)，分别和其余的N-1条线段l_n的方程(3)、(4)联立，求出参数t_k、t_n，若t_k和t_n均在[0，1]内，则该点为道路节点；

将t_k和t_n分别回代到方程(1)、(2)和(3)、(4)，求得节点的准确坐标，并从节点数据中获得此节点的相邻节点信息以及形成此节点的两条路段所在道路ID，若ID_1＝ID_2，则此节点为普通节点；否则此节点为路口点；

第四步、向路段结构中添加上行道和下行道的交通状况；

第五步、将路段结构及节点结构的GPS坐标变换到城建坐标，实现快速转换。

2.根据权利要求1所述的用于交通状态监控***的数字地图构建方法，其特征是，所述节点结构包括：节点ID、道路ID和节点坐标。

3.根据权利要求1所述的用于交通状态监控***的数字地图构建方法，其特征是，所述路段结构包括：路名、道路ID以及路段链表。

4.根据权利要求1所述的用于交通状态监控***的数字地图构建方法，其特征是，所述的坐标变换是指：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{a}_1& a_2\\ a_3& a_4\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\φ}\\ \mathrm{\λ}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{a}_5\\ a_6\end{array}\right]$

其中：(φ，λ)为GPS坐标，(X，Y)为城建坐标，a1......a6为待定的6个参数。

Images