CN102279406A - Gps定位轨迹的围栏识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GPS定位轨迹的围栏识别方法，它包括：1）预设线路：在电子地图上选取目标线路中的n个关键地点进行标记，按顺序保存为该线路的一组基准点，各基准点相连形成了n-1段带方向的线段；2）设定识别半径：分别以选取的基准点为圆心，以设定的识别半径r为圆半径形成圆形围栏，得到基准点的圆形识别范围；3）线路拆分：利用多边形生成方法，在连续的两个基准点之间形成矩形围栏；4）围栏识别：采用改进的弧长法计算目标点与矩形围栏的位置关系，通过基准点和目标点之间的距离D与该基准点的识别半径r作比较，判断该目标点与圆形围栏的位置关系。本发明只用GPS定位终端即可实现定位轨迹自动比对的功能，成本低，效率高，灵活性更好。

Description

GPS定位轨迹的围栏识别方法

技术领域

本发明涉及一种GPS卫星定位轨迹与地图上预设线路的自动比对技术，具体来说，涉及一种GPS定位轨迹的围栏识别方法。

背景技术

对户外移动目标的监控管理是GPS***的典型应用，通过在移动目标上安装定位终端，记录移动轨迹，达到监控和管理的目的。GPS***包含空中卫星、地面控制***和GPS接收器三部份，GPS定位***的原理是利用卫星基本三角定位原理，GPS接受装置以测量无线电信号的传输时间来量测距离。由每颗卫星的所在位置，测量每颗卫星至GPS接受器间距离，即可算出GPS接收器所在位置的三维空间坐标值(经度、纬度和高度)。 通过集中采集定位终端的数据，再进行转换和处理，最后借助电子地图将目标移动的轨迹呈现出来。

目前对于定位轨迹和预定线路的比对，主要有四类方法：

1、定点采集法

在线路中设置固定的标注点，移动终端按固定间隔上报经纬度信息，数据处理服务器实时计算当前位置与各定点之间的位置关系，自动识别是否已到达该定点，最后以所到达定点的数量、时间等信息判断运动轨迹。该方法已有很多应用，是与本发明最相近的方案。但是该方法不能监控移动终端的运用过程，无法适应更精确的监控管理。

2、辅助设备法

在线路沿途安装无线数据采集设备，如RFID（无线射频）、蓝牙、红外等接收器，当移动终端经过采集设备附近时，会立刻被识别出来，并与采集设备交换信息。用该方法实现轨迹比对的需要很高的硬件投入成本。

3、图像识别法

通过在电子地图上将预设线路和实际轨迹图像截取出来，进行一系列图像处理后，用图像识别算法计算出两条轨迹图像的相似度。该方法复杂度高，计算量大，结果也不够精确，现已很少使用。

4、人工比对法

与图像识别法相似，通过在电子地图上人工观察，对比预设线路与实际轨迹的差别。该方法直观简单，但是人力成本较高，效率比较低。

发明内容

针对以上的不足，本发明提供了一种GPS定位轨迹的围栏识别方法，它包括：

1）预设线路：在电子地图上选取目标线路中的                                               

个关键地点进行标记，按顺序保存为该线路的一组基准点，记为

，各基准点相连就形成了段带方向的线段，即为预设线路，其中

表示该点的十进制经度，

表示该点的十进制纬度；

2）设定识别半径：分别以步骤1）选取的基准点为圆心，设置每一个基准点的识别半径r，以设定的识别半径为圆半径形成圆形围栏，得到基准点的圆形识别范围：

；

3）围栏识别：根据目标点与基准点之间的位置来判定目标点是否在上述围栏内。

所述步骤2）中的每一个基准点的识别半径可以全部相同，也可以全部不同，还可以部分相同。

所述步骤2）与步骤3）之间还包括：

23）线路拆分：利用多边形生成方法，在连续的两个基准点之间形成多边形围栏。

所述步骤23）的多边形围栏为矩形围栏，所述矩形围栏的生成过程为；首先将每一预设线路的起点作为第一基准点，得到第一基准点的圆形围栏与该预设线路相垂直的直径；然后平移该预设线路，使得移动后的第一基准点与上述直径的两端点重合，得到两条相互平行的平移线段；连接两条平移线段的另外两条平行线，即可得到所述矩形围栏。

所述步骤3）包括圆形围栏识别和矩形围栏识别。

所述圆形围栏识别的过程为：首先计算基准点与目标点之间的距离D；然后将计算所得到的距离D与该基准点的识别半径r作比较，如果

，则目标点在该基准点识别范围外，反之如果

，则目标点在基准点识别范围内。

所述矩形围栏识别采用改进的弧长法计算目标点与矩形围栏的位置关系，它包括：

31）将坐标原点平移到目标点，形成新的坐标系，

32）按邻接顺序访问矩形围栏的各个顶点A，分析Ai和A[i+1]的关系，有下列四种情况： 

（1）A[i+1]在Ai的同一象限，此时弧长和加0；

（2）A[i+1]在Ai的下一象限，此时弧长和加π/2； 

（3）A[i+1]在Ai的上一象限，此时弧长和减π/2； 

（4）A[i+1]在Ai的相对象限，首先计算叉积

，若

，则点在多边形上；若

，弧长和减π；若

，弧长和加π，

33）将矩形围栏的全部有向边向单位圆作径向投影，计算单位圆上弧长的代数和，若代数和为0，则目标点在矩形围栏的外部；若代数和为2π，则目标点在矩形围栏的内部；若代数和为π，则目标点在矩形围栏的上。

本发明的有益效果：

1、成本低，用普通GPS定位终端即可实现功能，无需其他辅助的数据采集设备

2、效率高，线路设定可复用，全程实时监控和自动比对

3、灵活性高，可设置是否判断方向、是否判断先后顺序、是否识别线路中指定地点、状态报告和轨迹相似度计算规则等。

附图说明

图1为本发明的GPS定位轨迹的围栏识别方法流程图；

图2为本发明的预设线路的示意图；

图3为本发明的设定识别半径后基准点的识别范围示意图；

图4为本发明的矩形围栏的顶点确定示意图；

图5为本发明的线路拆分形成矩形围栏的示意图；

图6为本发明的改进弧长法的围栏识别示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步阐述。

如图1所示，本发明的GPS定位轨迹的围栏识别方法包括如下步骤：1）预设线路；2）设定识别半径；3）线路拆分；4）轨迹比对。

下面结合附图，对每一步骤进行详细的描述：

步骤一：预设线路

    如图2所示，在电子地图（以WGS－84坐标系为例说明）上选取目标线路中的

个关键地点进行标记，按顺序保存为该线路的一组基准点，记为

，其中表示该点的十进制经度，表示该点的十进制纬度，各基准点相连就形成了

段带方向的线段

，即为预设线路。

步骤二：设定识别半径

如图3所示，以步骤一选取的基准点为圆心，每个基准点均可设置不同的识别半径，以适应不同的精度要求，以设定的识别半径为圆半径，可得到基准点的圆形识别范围：

步骤三：线路拆分

线路自动拆分是本发明的关键步骤，最终目的是将线路拆分成一组矩形和一组圆形区域围栏，矩形围栏和圆形围栏交错相接，包含了整条线路，为接下来的轨迹比对打下良好的基础。

常用的多边形生成算法有基于方位角的左转或右转算法，以及结点依次搜索算法，但是这些算法计算复杂度较高，计算步骤繁多，在大数据量计算或实时计算的应用场合颇为吃力。因此本发明针对轨迹比对的实际应用特点，将多边形围栏区域标准化，统一为基准点区域的圆形围栏和两基准点之间的矩形围栏。使用此法生成多边形围栏，不仅计算复杂度地，计算步骤少，而且初始化设置的条件也少（只需要基准点和相应的识别半径），非常适用于海量空间数据的实时性运算和分析。

上一步骤已经得到了各基准点的圆形围栏，现在就在此基础上自动生成矩形围栏。如图5所示，因为各基准点的能识别半径不一样，规定以起点的识别范围生成矩形，只需将两个基准点之间的线段分别平移到与起点圆形围栏相切的位置，即可得到矩形的四个顶点。如将

分别平移至与

相切的两个位置，连接两条平移线段的4个端点就自动生成了矩形

。如图4所示，计算过程如下：

a.首先根据平面几何算法计算出平面坐标系中基准点

位移后，产生的新点

坐标。偏移量

、

和识别半径构成一个直角三角形，并且夹角

可通过线段两端点坐标求出。于是可算出偏移量

，

。

b.得到偏移量之后，再通过空间数据的平面坐标变换算法，求出

。

c.重复以上计算得出矩形的四个顶点。

步骤四：围栏识别

围栏识别就是判断目标点是否在围栏内部，当监控开关开启后，开始对GPS定位终端的上报数据进行实时计算，得出目标终端当前位置与预设线路围栏区域的位置关系。当目标终端进入或离开预设线路的任何一个围栏区域时，轨迹处理中心都能实时捕捉到该事件。

本发明通过计算目标点与基准点的距离来判断目标点是否在圆形围栏内，选择圆形作为基准点的识别范围，主要是可以非常方便地利用空间几何算法判定目标点是否在其内部，设目标点为，基准点为

，将两点的经度、纬度值转换成弧度制形式

和 

。

其中，

，，

。

求目标点与基准点

的距离D

如果

，则目标点在基准点识别范围外，反之如果

，则目标点在基准点识别范围内。

而对于矩形围栏的识别，则采用改进的弧长法计算目标点与围栏的位置关系。弧长法要求多边形是有向多边形，一般规定沿多边形的正向，边的左侧为多边形的内侧域。以被测点为圆心作单位圆，将全部有向边向单位圆作径向投影，并计算其中单位圆上弧长的代数和。若代数和为0，则点在多边形外部；若代数和为2π则点在多边形内部；若代数和为π，则点在多边形上。

改进型弧长法将坐标原点平移到目标点P，这个新坐标系将平面划分为4个象限，如图6所示，对每个多边形顶点A，只考虑其所在的象限，然后按邻接顺序访问多边形的各个顶点A，分析Ai和A[i+1]的关系，有下列四种情况： 

（1）A[i+1]在Ai的同一象限，此时弧长和加0；

（2）A[i+1]在Ai的下一象限，此时弧长和加π/2； 

（3）A[i+1]在Ai的上一象限，此时弧长和减π/2； 

（4）A[i+1]在Ai的相对象限，首先计算叉积

，若

，则点在多边形上；若，弧长和减π；若

，弧长和加π。

以被测点为圆心作单位圆，将全部有向边向单位圆作径向投影，并计算其中单位圆上弧长的代数和。若代数和为0，则点在多边形外部；若代数和为2π则点在多边形内部；若代数和为π，则点在多边形上。因为π为浮点数，不利于海量运算，因此将π用整数2替代，则若代数和为0，则点在多边形外部；若代数和为4则点在多边形内部；若代数和为2，则点在多边形上。

经过改进的算法只需做乘法和加减法，只需的空间复杂度和

的时间复杂度，具有很高的精度和效率，本发明中生成的多边形围栏都是矩形，计算更为快速。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (7)

1.一种GPS定位轨迹的围栏识别方法，其特征在于，它包括：

1）预设线路：在电子地图上选取目标线路中的                                               

个关键地点进行标记，按顺序保存为该线路的一组基准点，记为，各基准点相连就形成了段带方向的线段

，即为预设线路，其中

表示该点的十进制经度，

表示该点的十进制纬度；

2）设定识别半径：分别以步骤1）选取的基准点为圆心，设置每一个基准点的识别半径r，以设定的识别半径为圆半径形成圆形围栏，得到基准点的圆形识别范围：

；

3）围栏识别：根据目标点与基准点之间的位置来判定目标点是否在上述围栏内。

2.根据权利要求1所述的GPS定位轨迹的围栏识别方法，其特征在于，所述步骤2）中的每一个基准点的识别半径可以全部相同，也可以全部不同，还可以部分相同。

3.根据权利要求1所述的GPS定位轨迹的围栏识别方法，其特征在于，所述步骤2）与步骤3）之间还包括：

23）线路拆分：利用多边形生成方法，在连续的两个基准点之间形成多边形围栏。

4.根据权利要求3所述的GPS定位轨迹的围栏识别方法，其特征在于，所述步骤23）的多边形围栏为矩形围栏，所述矩形围栏的生成过程为；首先将每一预设线路的起点作为第一基准点，得到第一基准点的圆形围栏与该预设线路相垂直的直径；然后平移该预设线路，使得移动后的第一基准点与上述直径的两端点重合，得到两条相互平行的平移线段；连接两条平移线段的另外两条平行线，即可得到所述矩形围栏。

5.根据权利要求4所述的GPS定位轨迹的围栏识别方法，其特征在于，所述步骤3）包括圆形围栏识别和矩形围栏识别。

6.根据权利要求5所述的GPS定位轨迹的围栏识别方法，其特征在于，所述圆形围栏识别的过程为：首先计算基准点与目标点之间的距离D；然后将计算所得到的距离D与该基准点的识别半径r作比较，如果

，则目标点在该基准点识别范围外，反之如果，则目标点在基准点识别范围内。

7.根据权利要求5所述的GPS定位轨迹的围栏识别方法，其特征在于，所述矩形围栏识别采用改进的弧长法计算目标点与矩形围栏的位置关系，它包括：

31）将坐标原点平移到目标点，形成新的坐标系，

32）按邻接顺序访问矩形围栏的各个顶点A，分析Ai和A[i+1]的关系，有下列四种情况： 

（1）A[i+1]在Ai的同一象限，此时弧长和加0；

（2）A[i+1]在Ai的下一象限，此时弧长和加π/2； 

（3）A[i+1]在Ai的上一象限，此时弧长和减π/2； 

（4）A[i+1]在Ai的相对象限，首先计算叉积

，若

，则点在多边形上；若

，弧长和减π；若

，弧长和加π，

33）将矩形围栏的全部有向边向单位圆作径向投影，计算单位圆上弧长的代数和，若代数和为0，则目标点在矩形围栏的外部；若代数和为2π，则目标点在矩形围栏的内部；若代数和为π，则目标点在矩形围栏的上。

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