本发明设计一种基于路网拓扑和考虑权重的超标排放车辆最短路径跟踪匹配方法，属于对超标排放车辆在电子地图上的跟踪匹配技术领域，以超标排放车辆能够被正确地跟踪匹配在电子地图上为目标，根据路网拓扑、权重和最短路径的相关理论，进行建模与求解，进而研究超标排放车辆跟踪匹配问题。
背景技术：
近些年来，道路上行驶的机动车越来越多，由于机动车尾气的大量排放，尾气逐渐成为我国空气污染的主要因素之一。机动车的尾气中包含着大量的co，hc，nox，pm2.5等有毒有害物质，造成了雾霾等大气环境污染事件频发，人类健康受到影响。因此，对机动车等移动污染源所排放的尾气进行实时监控刻不容缓。现有的移动污染源排放监测技术主要有车载式、遥感式两种。车载式大多采用电化学传感器，实时性较差、监测结果易受人为因素干扰。遥感式大多采用开放光程的可调谐半导体激光检测技术(tunablediodelaserabsorptionspectroscopy，tdlas)测量机动车排放物中co，hc，nox等污染气体浓度，且设备部署在道路两边或龙门架上，可同时监测多个车道的机动车排放情况。两种监测设备都有全球定位系统(globalpositioningsystem，gps)，实时记录被监测到的超标排放车辆所处的实际地理位置信息，本发明中监测设备为遥感式。
超标排放车辆行驶轨迹跟踪匹配，其基本思想是将监测到的车辆gps定位数据关联到监测区域电子地图的道路网络上，从而确定车辆的路网参考位置，或正确识别出车辆在特定时刻所处的路段。但是由于各类误差的存在，超标排放车辆的gps定位必然存在问题，最终导致超标排放车辆轨迹跟踪匹配的不正确。通常gps定位系统中的gps传感器是存在定位误差和采样误差的，误差主要来源为星历误差、卫星钟误差、信号传播误差及测量误差等，并且遥测设备是部署在道边的与道路之间本身就存在一定距离误差。如果不进行跟踪匹配，那么超标排放车辆的轨迹无法正确地显示到道路网络上，匹配的车辆行驶轨迹就会从河流、房屋、草地等上面穿过，这显然是不合理的。因此，必须对超标排放车辆gps定位数据进行跟踪匹配，即地图匹配通过利用电子地图中高精度的道路位置数据来修正gps定位系统所产生的误差，以此来提高对移动目标的定位精度。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于路网拓扑和考虑权重的超标排放车辆最短路径跟踪匹配方法，首先基于广度优先遍历构建路网的拓扑结构，然后利用空间和拓扑约束构建出轨迹跟踪匹配的邻近候选路段集合，最后把每个候选路段的距离、方向、相对位置关系权重值之和作为求解最短路径的条件，通过dijkstra算法得到最优的路段序列。
本发明技术解决方案：
一种基于路网拓扑和考虑权重的超标排放车辆最短路径跟踪匹配方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：数据清洗；进行删除无效数据和重复数据，其中在每个gps定位数据输入之前对无效数据的进行处理，先将跟踪匹配区域的经度和纬度范围作为条件添加到输入的判断条件，如果输入的gps定位数据不符合该条件，那么删除该无效数据进行下一个数据的输入判断。重复数据对应着超标排放车辆的状态为驻车，遥测设备一直监测到同一辆超标排放车辆的本体数据以及定位数据超过一段时间不发生变化，本体数据指车牌、车型、车身颜色；注意不发生变化并不是指超标排放车辆的数据所有属性均为一个固定值，gps定位数据和定位时间还是会发生变化。
步骤二：一般提取和构建道路网络的拓扑结构是指：从电子地图中提取道路网络中各个路段的属性数据以及各交叉路口的坐标信息，并利用提取的网络拓扑信息，构建道路网络拓扑结构。
道路网络的拓扑构建其实就是根据拓扑关系把地理空间数据进行组织，表现在道路网络中就是记录和表示每条道路与对应节点之间的相互连通和关联的情况。本发明采用基于广度优先遍历的源点扩散法实现拓扑构建，得到各路段节点间拓扑结构信息，并且路网数据直接提供节点间的拓扑结构信息还可以大大降低算法计算的复杂度。
步骤三：在步骤二的拓扑约束条件下，再结合空间约束构建出超标排放车辆轨迹跟踪的邻近候选路段集合，把候选路段的距离、方向和相对位置关系三个权重值之和作为求解最短路径的条件，以邻近候选路段集合中轨迹起点至终点的最短路径作为匹配结果。
基于空间和拓扑约束准则构建邻近候选路段集合，区别于基于全局路网的起点/终点最短路径匹配，提高了计算效率，同时也保证了匹配结果的准确率。在选取邻近候选路段时，需要确定gps定位点的缓冲半径，通过对gps定位数据不同缓冲半径内的候选道路数量统计分析得到一般当缓冲半径为40m时，缓冲区域内的道路数量趋于稳定。
本发明通过dijkstra算法确定跟踪匹配路径的连接关系，候选路段本身包含路径长度信息，运用上发明叙述的候选路段总权重，将路段长度除以该路段的总权重得到新权值，创建出新的加权图(权为非负数)，利用dijkstra算法求解。
本发明与现有技术相比存在的优点：
(1)本发明采用广度优先遍历的方法访问道路网络拓扑结构中的所有节点，并且在访问的过程中记录与目标gps定位数据有连接的路段集合，从而生成路段集合中每条路段的节点之间相互连接的邻接表。
(2)本发明综合了空间道路拓扑关系、车辆的行驶方向等参数对跟踪匹配精确度的影响，dijkstra算法求解最短路径的权值中考虑距离、方向、相对位置关系三种不同参数的总权重。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为某城市部分路网拓扑结构图；
图3为本发明距离参数权重说明图。
图4为本发明方向参数权重说明图。
图5为本发明相对位置关系参数权重说明图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术创新点易于理解，下面结合图1，对本发明的实现方式进一步详细叙述，具体步骤如下：
步骤一：在超标排放车辆的轨迹跟踪匹配过程中，因为需要考虑道路网络信息，所以需要建立起结点和路段的拓扑关系。通过使用路段的数据，就可以建立起完整的道路网络的拓扑结构，如图2所示。
建立道路网络的拓扑结构步骤：
1)首先，建立路网路段表，根据图2建立，如表1所示。
表1路网路段表
2)其次，建立结点和路段拓扑关系表2，在图2的路网中，依据表1路网路段表，按照顺序分别读取结点和路网数据信息，通过把相同编号的结点合并。最终，获得结点和路段的拓扑关系表。
表2结点和路段拓扑关系表
路网的拓扑构建其实就是根据拓扑关系把地理空间数据进行组织，表现在道路网络中主要就是记录和表示每条道路与对应结点之间的相互连通和关联的情况。
步骤二：拓扑构建算法的具体处理过程，如表3所示，表中包含多个临时变量，其中old_topo与new_topo为上次遍历与本次遍历的拓扑信息，tem_topo为访问某个结点时的临时拓扑信息，这些数据都包括路段id、目的结点和长度信息。
表3基于广度优先遍历的拓扑构建算法
步骤三：根据图3、图4、图5说明计算wd，wθ，wδα，分别表示距离、方向、相对位置关系权重。
候选路段跟踪匹配的总权重为w，若总权重越大，则匹配度越高。
w＝wd+wθ+wδα
另外，wd，wθ，wδα这三个权重都分别有三个权重因子cd，cθ，cδα，选择合适的权重因子，计算总权重w。车辆仍行驶在当前道路上，若连续的gps定位点在同一条道路上，则认为车辆还行驶在当前路段上，距离权重比较重要，定位点与候选匹配路段的相对位置关系权重可以忽略，三个权重系数取值为cθ＝1/2，cd＝1/2，cδα＝0。车辆行驶在交叉路口附近，若连续的gps定位点分布在两条相连的道路上，则认为车辆行驶在交叉路口附近，定位点与候选路段的相对位置关系权重比较重要，三个权重系数取值为cθ＝1/3，cd＝1/3，cδα＝1/3。
由于候选路段本身包含路径长度信息，外加候选路段总权重，通过dijkstra算法确定跟踪匹配路径的连接关系。
总之，本发明针对遥测设备获取到的超标排放车辆的gps定位数据的轨迹跟踪匹配问题，一般的路网拓扑构建方式只考虑各路段之间的拓扑关系，本发明采用基于广度优先遍历的拓扑构建算法考虑了各路段节点之间的拓扑关系，利用空间和拓扑约束构建出轨迹跟踪匹配的邻近候选路段集合，把每个候选路段的距离、方向、相对位置关系权重值之和作为求解最短路径的条件，以该集合中轨迹起点至终点的最短路径作为匹配结果，提高了计算效率，同时也保证了超标排放车辆跟踪匹配的准确率。
提供以上实施例仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。