CN111998828B - 一种基于便携式gps的道路坡度估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于便携式GPS的道路坡度估算方法，方法包括以下步骤：将多个GPS接收器放置在车辆上收集数据；对收集得到的数据进行预处理；测试道路划分，考虑数据点的数量，确定路段分割长度并依据确定的长度将测试道路划分为多个分路段；分路段高程数据对齐，对获取的高程数据进行对齐处理；计算路段的道路坡度并定量精度，对每个分路段进行分路段的坡度计算，使用每个分路段对齐后的高程数据进行线性回归来估算道路坡度并根据线性回归的斜率估计的标准误差来推断测量的道路坡度的精度。本发明方法可以方便精确地通过GPS数据解析获取，不受所测试道路类型及车辆行驶状态的影响，通过对累积距离和高程的校正能获得更加精确的坡度结果。

Description

一种基于便携式GPS的道路坡度估算方法

技术领域

本发明属于交通环保技术领域，具体涉及一种基于便携式GPS的道路坡度估算方法。

背景技术

高精度地图提供的信息有利于汽车在行驶中的***控制，有利于减少交通事故的发生，而且自动驾驶技术的成熟发展也离不开高精度地图数据的支持，而道路坡度又是高精度地图的重要组成元素，所以准确高效的测量路面坡度具有重要意义。

目前国内外在路面坡度测量上，如想获得高精度的路面坡度数据需要价格非常昂贵的专业测绘仪器且涉及数据融合和解算等，较为复杂。对于非测绘专业人员在如想获得道路坡度数据则非常困难，仅用简单的GPS接收器或水平仪等设备很难获得高精度的道路坡度数据，且不能满足对路面坡度的动态快速测量需求。

专利CN101838958A提出了一种道路坡度的检测方法，该方法是基于测绘部门的等高线图和道路规划图进行处理计算，主要针对道路设计规划中的坡度获取，需要首先获得从测绘部门的等高线图和道路规划图。该方法所获取的坡度为静态数据，且在道路规划与实际建设后的路面坡度往往存在些偏差，不能准确反映机动车实际行驶中所处道路的坡度信息。而且对于普通使用者也难以从测绘部门获取相关道路规划图再进行专业分析计算。

专利CN102313535A中提出了一种坡度的检测方法，该方法通过加速度传感器和速度信号模块根据经过校正的校正值、加速度信号、机动车加速度值和地球重力加速获得坡度值。该发明依赖于安装在车架上传感器信号的推算，用到不同的车辆时需要分别进行安装调试。该方法更多为了反映车辆的起伏状态变化，无法获取真实的道路坡度值且容易受传感器安装及传感器的精度影响。该方法所获取坡度难以满足机动车尾气排放测量及估算时的高精度和便携测量需求。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种基于便携式GPS的道路坡度估算方法，该方法所用设备价格低廉、操作方便、获取的坡度数据精度高、方便普及与应用，在高精度地图坡度数据完善及机动车动态排放估算等领域均有重要的实用价值。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于便携式GPS的道路坡度估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用一个或多个便携式GPS接收器收集数据，每个GPS接收器采集的数据包括道路的经纬度和高程数据；

对收集得到的数据进行预处理，根据每个GPS收集到的经纬度数据，计算每条路线轨迹的累积距离并参考实际道路长度进行校正；

对测试道路进行路段划分，考虑路段中数据点的数量，确定路段分割长度并依据确定的长度将测试道路划分为多个分路段，所述数据点为测试中GPS接收器记录的数据；

分路段高程数据对齐，将每个分路段涉及的多组GPS数据合并为数据集，对各组高程数据进行对齐处理，解决平均高程数据误差问题；

计算测试道路的道路坡度并定量精度，对每个分路段进行分路段的坡度计算，使用每个分路段对齐后的高程数据进行线性回归来估算道路坡度并根据线性回归的斜率估计的标准误差来推断测量道路坡度的精度。

进一步的，所述计算路段的累积距离具体为：

假设GPS接收器数量为m，车辆重复n次行驶经过测试道路，则根据GPS接收器的经纬度数据，得到m*n条路线轨迹，基于每条GPS轨迹逐秒速度计算路线轨迹的累积行驶距离，对m*n条路线轨迹累积距离求平均即为路线轨迹累积距离，公式如下：

其中，d为路线轨迹累积距离，i表示第i个GPS，1≤i≤n，j表示第j次测试，1≤j≤n，l_i,j为第i个GPS第j次测试的累积距离。

进一步的，所述对参考实际道路长度进行校正具体为通过对每条路线轨迹累积距离***一致的起点和终点，将其校正为真实距离，每条路线轨迹累积距离的校正因子如下表示：

θ_i,j＝d/l_i,j

其中，θ_i,j为第i个GPS第j次测试的累积距离校正因子。

进一步的，所述确定路段分割长度具体为：

数据点数量影响测试道路坡度的精度，所以路段分割长度需保证分割后每个分路段数据点的数量，而数据点的数量取决于数据记录频率、车速以及分路段长度；

分路段的长度越长其数据点数越多获得的坡度精度越高，但是分路段过长会导致路段内的实际变化被平均，从而导致对真实坡度变化的低估；如果分路段长度太短，则分路段内的数据点过少会导致估算坡度不精确。

进一步的，所述数据点数量的计算公式如下：

其中，number为分路段中数据点数量，Δl_i,j为第i个GPS第j次测试的路段长度；Δv_i,j为第i个GPS第j次测试的路段平均速度，H为GPS数据记录频率。

进一步的，每个分割后分路段数据点的数量大于20。

进一步的，所述分路段高程数据进行对齐处理具体为：

对每个分路段获取的多组GPS数据进行融合，合并为数据集，对测试道路上所有的高程数据计算平均高程作为参考绝对高程，然后使用每个数据点的高程减去参考绝对高程，每个数据点之间的相对高程差不变。

进一步的，所述计算路段的道路坡度具体为：

对分路段进行路段坡度计算，使用每个分路段对齐后的高程数据点进行一元线性回归拟合来估算道路坡度，拟合直线的斜率乘以100即为测试道路坡度百分比，将全部分路段的坡度进行连接即为测试道路的坡度信息。

进一步的，所述道路坡度的精度具体为拟合直线斜率的标准误差。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明方法通过对测试道路进行分段并计算坡度，对不同路段的高程数据进行对齐处理，提高了坡度计算准确度；本发明利用低精度的便携式GPS实现了高精度道路坡度的实时快速测量，不受所测试道路类型及车辆行驶状态的影响，解决了普通便携式GPS无法获取高精度坡度数据的问题。

2、本发明方法成本较低、操作方法简单、不依赖于专业测绘工具即可实现高精度道路坡度的测量。

3、本发明方法给出了道路坡度准确度的定量思路，使用者可以根据对坡度精度的需求选择不同的GPS个数进行坡度测量。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2a是路段高程数据对齐前数据；

图2b是路段高程数据对齐后数据；

图3a是路段高程数据对齐前拟合坡度结果与精度；

图3b是路段高程数据对齐后拟合坡度结果与精度；

图4是所测试路线的坡度结果。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

以机动车实际道路排放测试需要知道所测试路线的坡度数据且要求有较高的精度为例，如图1所示，本发明一种基于便携式GPS的道路坡度估算方法，包括以下步骤：

S1、利用多个GPS接收器收集数据，具体为：

将1个或多个便携式GPS接收器放置在车辆上，车辆重复多次正常行驶经过测试道路，采集GPS接收器的所有记录数据，每个GPS接收器采集的数据包括道路的经纬度和高程数据。

在本实施例中，采用4个便携式GPS放置在测试车辆的前端固定，沿机动车排放测试道路正常行驶，重复行驶经过路段4次，共采集了16条路线轨迹数据。

S2、计算路线轨迹的累积距离，对参考实际道路长度进行校正，具体为：

假设GPS接收器数量为m，车辆重复n次行驶经过测试道路，则根据GPS接收器的经纬度数据，得到m*n条路线轨迹，基于每条GPS轨迹逐秒速度计算路线轨迹的累积行驶距离，对m*n条路线轨迹累积距离求平均即为路线轨迹累积距离，路线轨迹累积距离计算公式如下：

其中，d为路线轨迹累积距离，i表示第i个GPS，1≤i≤n，j表示第j次测试，1≤j≤n，l_i,j为第i个GPS第j次测试的累积距离。

参考实际道路长度进行校正具体为：

通过对每条路线轨迹累积距离***一致的起点和终点，将其校正为真实距离，每条路线轨迹累积距离的校正因子如下表示：

θ_i，j＝d/l_i，j。

其中，θ_i,j为第i个GPS第j次测试的累积距离校正因子。

在本实施例中，对上述16条轨迹进行道路累积距离校正，16条轨迹的累积距离如下表所示，所获得的平均累积距离为35.3km标准偏差为±0.7％。

S3、测试道路划分，具体为：

路段内的数据点数量同样决定了所获得道路坡度的精度，为保证每个分路段内所保留的数据点数量，首先要确定划分路段长度。每个分路段内数据点的数量取决于数据记录频率、车速和分别路段长度，在所用GPS为1Hz的数据记录频率下，以速度100km h^-1的典型高速公路速度为例，在0.1km的路段内单个GPS仅有3个数据点，但基于m个GPS的n次运行，在100km h^-1的速度0.1km的路段长度上则有3*m*n个数据点；如果分路段的长度太长其数据点数越多获得的坡度精度越高，但分路段过长会导致分路段内的实际变化被平均，从而导致对真实坡度变化的低估；如果分路段长度太短，则分路段内的数据点过少可能会导致估算坡度不精确；一般每个分路段的数据点数需要大于20个才能满足坡度精度计算需求。

数据点数量的计算公式如下：

其中，number为分路段中数据点数量，Δl_i,j为第i个GPS第j次测试的路段长度；Δv_i,j为第i个GPS第j次测试的路段平均速度，H为GPS数据记录频率。

在本实施例中，划分长度为0.1km，测试道路被划分为353段。因行驶速度越大每个分路段上的数据点越少，以最大行驶速度为120km/h计算则每个分路段上至少有48个数据点。

S4、分路段高程数据对齐，具体为：

首先对每个分路段内的多条数据合并为一个数据集，因不同GPS的绝对高程存在随机误差，需要对所获取的每个分路段的高程数据进行对齐处理。计算沿该路段每次行驶的平均海拔。对每个路段融合之后的数据计算平均高程作为参考绝对高程，然后每个数据点的高程减去绝对高程参考值，其每个数据点之间的相对高程差异不变。

在另一个实施例中，以从GPS B和GPS C获得的高程数据为例，如图2a、图2b所示。

S5、计算测试道路的道路坡度，具体为：

对分路段进行每个分路段坡度的计算，使用每个分路段对齐后的高程数据点进行一元线性回归拟合来估算待测量坡度。拟合直线的斜率乘以100以百分比来表示道路坡度，全部分路段的坡度进行连接即为测试道路的坡度信息；拟合直线斜率的标准偏差为所获取道路坡度的精度。一个分路段中的数据点数量可能会因车速的不同而有所不同，当选择适当的分路段长时该方法可用于计算任何位置的坡度。

在本实施例中，通过对每条分路段上不同轨迹数据点进行校正，然后进行拟合得到该测试道路所有分路段的坡度及其标准偏差，结果如图4所示，获得该测试道路的坡度范围从-8％-6％，精度在±0.5％以内。

在另一个实施例中，如图3a、图3b所示，经过高程数据对齐所获取的坡度精度由±4.6％提高到±0.75％。

另外选择用一台高分辨率厘米级差分GPS的商业坡度仪获取道路坡度数据与本实施施所获得的结果进行对比。对比结果显示通过本发明所提供方法获取的坡度结果与高分辨率厘米级GPS获取坡度结果相近，证实了本发明方法的可靠性。

本发明的坡度测量方法可以方便精确地通过GPS数据解析获取，不受所测试道路类型及车辆行驶状态的影响，通过对累积距离和高程的校正能获得更加精确的坡度结果。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种基于便携式GPS的道路坡度估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用一个或多个便携式GPS接收器收集数据，每个GPS接收器采集的数据包括道路的经纬度和高程数据；

对收集得到的数据进行预处理，根据每个GPS收集到的经纬度数据，计算每条路线轨迹的累积距离并参考实际道路长度进行校正；

计算路线轨迹的累积距离具体为：

假设GPS接收器数量为m，车辆重复n次行驶经过测试道路，则根据GPS接收器的经纬度数据，得到m*n条路线轨迹，基于每条GPS轨迹逐秒速度计算路线轨迹的累积行驶距离，对m*n条路线轨迹累积距离求平均即为路线轨迹累积距离，公式如下：

其中，d为路线轨迹累积距离，i表示第i个GPS，1≤i≤m，j表示第j次测试，1≤j≤n，l_i,j为第i个GPS第j次测试的累积距离；

参考实际道路长度进行校正具体为通过对每条路线轨迹累积距离***一致的起点和终点，将其校正为真实距离，每条路线轨迹累积距离的校正因子如下表示：

θ_i,j＝d/l_i,j

其中，θ_i,j为第i个GPS第j次测试的累积距离校正因子；

对测试道路进行路段划分，考虑路段中数据点的数量，确定路段分割长度并依据确定的长度将测试道路划分为多个分路段，所述数据点为测试中GPS接收器记录的数据；

确定路段分割长度具体为：

数据点数量影响测试道路坡度的精度，所以路段分割长度需保证分割后每个分路段数据点的数量，而数据点的数量取决于数据记录频率、车速以及分路段长度；

分路段的长度越长其数据点数越多获得的坡度精度越高，但是分路段过长会导致路段内的实际变化被平均，从而导致对真实坡度变化的低估；如果分路段长度太短，则分路段内的数据点过少会导致估算坡度不精确；

分路段高程数据对齐，将每个分路段涉及的多组GPS数据合并为数据集，对各组高程数据进行对齐处理，解决平均高程数据误差问题；具体为：

对每个分路段获取的多组GPS数据进行融合，合并为数据集，对测试道路上所有的高程数据计算平均高程作为参考绝对高程，然后使用每个数据点的高程减去参考绝对高程，每个数据点之间的相对高程差不变；

计算测试道路的道路坡度并定量精度，对每个分路段进行分路段的坡度计算，使用每个分路段对齐后的高程数据进行线性回归来估算道路坡度并根据线性回归的斜率估计的标准误差来推断测量道路坡度的精度；具体为：

对分路段进行路段坡度计算，使用每个分路段对齐后的高程数据点进行一元线性回归拟合来估算道路坡度，拟合直线的斜率乘以100即为测试道路坡度百分比，将全部分路段的坡度进行连接即为测试道路的坡度信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于便携式GPS的道路坡度估算方法，其特征在于，所述数据点数量的计算公式如下：

其中，number为分路段中数据点数量，Δl_i,j为第i个GPS第j次测试的路段长度；Δv_i,j为第i个GPS第j次测试的路段平均速度，H为GPS数据记录频率。

3.根据权利要求1所述的一种基于便携式GPS的道路坡度估算方法，其特征在于，每个分割后分路段数据点的数量大于20。

4.根据权利要求1所述的一种基于便携式GPS的道路坡度估算方法，其特征在于，所述道路坡度的精度为 拟合直线斜率的标准误差。

Images