一种公交gps轨迹数据的路网匹配方法
【专利摘要】本发明公开了一种公交GPS轨迹数据的路网匹配方法，包括：步骤一、采集一个时间段内一辆公交车的所有GPS轨迹数据；步骤二、在公交路网数据结构中，为一个轨迹点确定至少一个候选匹配路段并构成一个候选匹配路段集合；步骤三、逐个对除第一个轨迹点之外的剩余轨迹点的候选匹配路段集合进行判断，为每个轨迹点确定至少一个匹配点；步骤四、将所有的轨迹点的匹配点连接成多条候选行车轨迹，将匹配点个数最多的候选行车轨迹判定为行车轨迹；步骤五、所述行车轨迹经过若干的路段，从而确定每个路段上匹配有k个轨迹点。本发明将GPS轨迹点尽可能真实地归属到公交路网数据结构中，从而准确判断出车辆某时刻在道路上的实际行驶位置，以获得准确的路况信息。
【专利说明】-种公交GPS轨迹数据的路网匹配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及交通领域，尤其涉及一种公交GPS轨迹数据的路网匹配方法。
【背景技术】
[0002] 目前路况信息的判断需要借助公交车GPS轨迹数据，判断过程中，需要先将GPS轨 迹数据匹配至路网中。浮动车数据反映在地图上是一个个具有空间坐标的离散点要素，但 受到在GPS定位和信息传输过程、地图矢量化过程、不同空间坐标参考系的选取和相互转 换过程中多种因素的共同作用，使其绝大多数游离于路网线要素之外，无法与道路直接进 行空间关系的分析和处理。因此，将浮动车GPS定位点尽可能真实地归属到城市路网中的 某路段，确定并得到车辆某时刻的道路实际行驶位置的处理过程，是路网匹配算法的主要 内容。
[0003] 经典的路网匹配算法不具有普适性。候选匹配路段是指分布于浮动车GPS定位点 周围的可能与之匹配的路段集合。从全路网线要素中快速检索出每个GPS定位点的候选匹 配路段是一个高效路网匹配算法的前提。通过划分网格来打断道路，并采用某种数据结构 和建立相应编码规则的方法，具有索引方法灵活、提取目标要素快速等突出特点，在地理空 间数据的处理上应用广泛，但在实际使用中也存在着一些不足，进而使路况信息的计算准 确度不够，不能真实反映地实际的路况信息。
[0004] (1)网格划分法带来大量零碎路段
[0005] 由于地图格网的网格大小相同，而城市路网疏密程度不同，因而不好控制道路打 断后的路段长度，在实现过程中往往会出现大量被截断且长度较小的零碎路段，给匹配处 理额外增加了一定程度的性能负担。例如，采用200米X200米的网格对全路网进行网格 划分，产生的线路总长小于10米的路段数达到了一定比例。
[0006] (2)候选匹配路段所在格网的查找过程较为复杂
[0007] 在匹配过程中，首先需要查找待匹配点周围的候选匹配路段。基于网格划分的检 索方法是利用GPS定位点距离网格四条边的距离，并对比GPS定位点精度的阈值范围来判 断是否获取当前网格或某几个周边邻域网格中的路段。但由于邻域网格数量随位置有3 个、5个、8个，随方向有上、下、左、右、左上、左下、右上、右下多种情况，因而查找过程较为 复杂，且容易将本身不符合条件的路段也作为候选考虑对象，需要进一步判断才能排除。
[0008] 因此，需要设计一种不额外增加网格打断的路段、匹配结果准确的路网匹配方法。
【发明内容】
[0009] 针对上述技术问题，本发明提供了一种将公交GPS轨迹数据准确匹配至路网中的 方法。
[0010] 本发明提供的技术方案为：
[0011] 一种公交GPS轨迹数据的路网匹配方法，包括：
[0012] 步骤一、采集一个时间段内一辆公交车的所有GPS轨迹数据，每组GPS轨迹数据包 括时间值和经纬度坐标，利用经纬度坐标确定一个轨迹点，将所有的轨迹点根据时间先后 顺序排序；
[0013] 步骤二、对所有的轨迹点依次执行以下计算：在公交路网数据结构中，为一个轨迹 点确定至少一个候选匹配路段并构成一个候选匹配路段集合，计算该轨迹点在每个候选匹 配路段上的投影点并以投影点作为候选匹配点；
[0014] 步骤三、为第一个轨迹点确定唯一的一个匹配路段和一个匹配点，逐个对除第一 个轨迹点之外的剩余轨迹点的候选匹配路段集合进行判断：对于第N个轨迹点，
[0015] (1)当其仅有一个该候选匹配路段属于第N-I个轨迹点的任一个候选匹配点所在 路段的第M级后继路段时，则将第N个轨迹点在该候选匹配路段上的候选匹配点判定为匹 配点，
[0016] (2)当有多个候选匹配路段属于第N-I个轨迹点的其中一个候选匹配点所在路段 的第M级后继路段时，则再对每一个候选匹配路段进行以下判断：如果在一个候选匹配路 段的第Z级后继路段是第N+1个轨迹点的候选匹配路段，则将第N个轨迹点在该候选匹配 路段上的候选匹配点判定为匹配点，并依次计算第1个轨迹点的匹配点到第N+1个轨迹点 的所有候选匹配点的第一行驶距离，如果一个候选匹配路段的第Z级至第Z+a级后继路段 都不是第N+1个轨迹点的候选匹配路段，则计算第1个轨迹点的匹配点到该候选匹配路段 的第Z+a级后继路段的终点的第二行驶距离，将多个候选匹配路段进行比较，当一个候选 匹配路段的第二行驶距离均大于剩余的候选匹配路段的第一行驶距离，则将该候选匹配路 段从候选匹配路段集合中剔除，其中，M为取值大于等于1的正整数，Z、a为取值大于等于1 的正整数，
[0017] 其中，N为取值大于1的正整数，每进行完一个轨迹点的候选匹配路段集合的判 断，N取值加1，重复执行上述过程；
[0018] 步骤四、将所有的轨迹点的匹配点连接成多条候选行车轨迹，其中，同一个轨迹点 的不同匹配点属于不同的候选行车轨迹，将匹配点个数最多的候选行车轨迹判定为行车轨 迹；
[0019] 步骤五、所述行车轨迹经过若干的路段，从而确定每个路段上匹配有k个轨迹点。
[0020] 优选的是，所述的公交GPS轨迹数据的路网匹配方法中，Z取值为1，a取值为2。
[0021] 优选的是，所述的公交GPS轨迹数据的路网匹配方法中，所述步骤三中，逐个对除 第一个轨迹点之外的剩余轨迹点的候选匹配路段集合进行判断的具体过程为：
[0022] 步骤①
[0023] 从第i_l个轨迹点在相应的第1个候选匹配路段上的候选匹配点' 开始，逐个对第i_l个轨迹点的所有候选匹配点进行以下计算：
[0024] 计算当前候选匹配点/所在路段d的第一级后继路段集合/与 第i个轨迹点的候选匹配路段集合Qi的交集，其中，d表示候选匹配点的编号，
[0025] 如交集中存在1个元素q，则将该元素保留在候选匹配路段集合Qq，对第i_l个 轨迹点的下一个候选匹配点进行计算；
[0026] 如交集中存在s个元素q，则从第1个元素开始逐个对该s个元素进行以下判断： 计算当前元素qt的第一级后继路段集合Rn/与第i+ 1个轨迹点的候选匹配路段集合 Qi+1的交集，如交集不为空，则将当前元素qt保留在第i个轨迹点的候选匹配路段集合中， 逐个计算第一个轨迹点的候选匹配点P/与第i+1个轨迹点Pi+1的所有候选匹配点P(i+1)' 之间的第一行驶距离，并记为其中，e代表第i+1个轨迹点的候选匹配点的编号，第i+1 个轨迹点对应有E个候选匹配点，e为1到E的整数，如交集为空，则继续计算当前元素qt 的第二级后继路段集合Rmt"与第i+1个轨迹点的候选匹配路段集合Qi+1的交集，如交集 为空，则逐个计算第一个轨迹点的候选匹配点P/与第二级后继路段集合Rnt"中所有元 素r&mt"的终点之间的第二行驶距离，并记为Sf，其中，f?代表第二级后继路段集合 t"中元素t"的编号，第二级后继路段集合t"中元素t"的个数为F，当当当 前元素qt的所有的Sf值大于所有候选匹配路段的所有的则当前元素qt从第i个轨迹 点的候选匹配路段集合Qi中剔除，当对s个元素都计算完成，对第i个轨迹点的下一个候 选匹配点进行计算；
[0027] 如交集为空，则逐个选择第一级后继路段集合中的所有元素r&D,/，进行 以下计算：计算当前元素的第二级后继路段集合Rn/'与第i个轨迹点的侯选匹 配路段集合Qi的交集，如交集为空，则放弃当前元素，并对第i个轨迹点的下一个候选匹配 点进行计算；
[0028] 步骤②当对第i_l个轨迹点的所有候选匹配点进行上述计算过程，则对第i个轨 迹点的所有候选匹配点执行步骤①，重复步骤①，直至为每个轨迹点都选定至少一个候选 匹配路段，相应的候选匹配点被判定为匹配点。
[0029] 优选的是，所述的公交GPS轨迹数据的路网匹配方法中，所述的所述步骤四中，如 存在至少两条匹配点个数最多的候选行车轨迹，则分别对至少两条匹配点个数最多的候选 行车轨迹进行以下计算：
[0030]对于任一条候选行车轨迹，其匹配有L个轨迹点，为方位角差值绝对值ai, p投影 距离du以及该候选行车轨迹的行驶距离S分别分配权重ApA2和A3，其中，该候选行车 轨迹的行驶距离S为该候选行车轨迹所匹配的第1个轨迹点和最后一个轨迹点之间的行驶 距离，则计算累计误差9，
[0031]
【权利要求】
1. 一种公交GPS轨迹数据的路网匹配方法，其特征在于，包括： 步骤一、采集一个时间段内一辆公交车的所有GPS轨迹数据，每组GPS轨迹数据包括时 间值和经纬度坐标，利用经纬度坐标确定一个轨迹点，将所有的轨迹点根据时间先后顺序 排序； 步骤二、对所有的轨迹点依次执行以下计算：在公交路网数据结构中，为一个轨迹点确 定至少一个候选匹配路段并构成一个候选匹配路段集合，计算该轨迹点在每个候选匹配路 段上的投影点并以投影点作为候选匹配点； 步骤三、为第一个轨迹点确定唯一的一个匹配路段和一个匹配点，逐个对除第一个轨 迹点之外的剩余轨迹点的候选匹配路段集合进行判断：对于第N个轨迹点， (1) 当其仅有一个该候选匹配路段属于第N-I个轨迹点的任一个候选匹配点所在路段 的第M级后继路段时，则将第N个轨迹点在该候选匹配路段上的候选匹配点判定为匹配点， (2) 当有多个候选匹配路段属于第N-I个轨迹点的其中一个候选匹配点所在路段的第 M级后继路段时，则再对每一个候选匹配路段进行以下判断：如果在一个候选匹配路段的 第Z级后继路段是第N+1个轨迹点的候选匹配路段，则将第N个轨迹点在该候选匹配路段 上的候选匹配点判定为匹配点，并依次计算第1个轨迹点的匹配点到第N+1个轨迹点的所 有候选匹配点的第一行驶距离，如果一个候选匹配路段的第Z级至第Z+a级后继路段都不 是第N+1个轨迹点的候选匹配路段，则计算第1个轨迹点的匹配点到该候选匹配路段的第 Z+a级后继路段的终点的第二行驶距离，将多个候选匹配路段进行比较，当一个候选匹配路 段的第二行驶距离均大于剩余的候选匹配路段的第一行驶距离，则将该候选匹配路段从候 选匹配路段集合中剔除，其中，M为取值大于等于1的正整数，Z、a为取值大于等于1的正 整数， 其中，N为取值大于1的正整数，每进行完一个轨迹点的候选匹配路段集合的判断，N取 值加1，重复执行上述过程； 步骤四、将所有的轨迹点的匹配点连接成多条候选行车轨迹，其中，同一个轨迹点的不 同匹配点属于不同的候选行车轨迹，将匹配点个数最多的候选行车轨迹判定为行车轨迹； 步骤五、所述行车轨迹经过若干的路段，从而确定每个路段上匹配有k个轨迹点。
2. 如权利要求1所述的公交GPS轨迹数据的路网匹配方法，其特征在于，Z取值为1，a 取值为2。
3. 如权利要求2所述的公交GPS轨迹数据的路网匹配方法，其特征在于，所述步骤三 中，逐个对除第一个轨迹点之外的剩余轨迹点的候选匹配路段集合进行判断的具体过程 为： 步骤① 从第i-Ι个轨迹点在相应的第1个候选匹配路段Q^1上的候选匹配点 Pm'开始，逐个对第i-Ι个轨迹点的所有候选匹配点进行以下计算： 计算当前候选匹配点P(^,d'所在路段R(^,d的第一级后继路段集合Rud,/与第i个 轨迹点的候选匹配路段集合Qi的交集，其中，d表示候选匹配点的编号， 如交集中存在1个元素 q，则将该元素保留在候选匹配路段集合Qq，对第i-Ι个轨迹 点的下一个候选匹配点进行计算； 如交集中存在s个元素 q，则从第1个元素开始逐个对该s个元素进行以下判断：计算 当前元素 qt的第一级后继路段集合Rut'与第i+1个轨迹点的候选匹配路段集合Qi+1的 交集，如交集不为空，则将当前元素 qt保留在第i个轨迹点的候选匹配路段集合中，逐个计 算第一个轨迹点的候选匹配点P/与第i+Ι个轨迹点P i+1的所有候选匹配点P(i+1)'之间的 第一行驶距离，并记为其中，e代表第i+Ι个轨迹点的候选匹配点的编号，第i+Ι个轨迹 点对应有E个候选匹配点，e为1到E的整数，如交集为空，则继续计算当前元素 qt的第二 级后继路段集合R^t"与第i+Ι个轨迹点的候选匹配路段集合Q i+1的交集，如交集为空，则 逐个计算第一个轨迹点的候选匹配点P/与第二级后继路段集合R(i4, t"中所有元素 t"的终点之间的第二行驶距离，并记为Sf,其中，f代表第二级后继路段集合t"中元素 t"的编号，第二级后继路段集合t"中元素1"的个数为F，当当当前元素 qt 的所有的Sf值大于所有候选匹配路段的所有的则当前元素 qt从第i个轨迹点的候选匹 配路段集合Qi中剔除，当对s个元素都计算完成，对第i个轨迹点的下一个候选匹配点进 行计算； 如交集为空，则逐个选择第一级后继路段集合R(i4,/中的所有元素,/，进行以下 计算：计算当前元素 Am,/的第二级后继路段集合R(i_n,d"与第i个轨迹点的侯选匹配路 段集合Qi的交集，如交集为空，则放弃当前元素，并对第i个轨迹点的下一个候选匹配点进 行计算； 步骤②当对第i-i个轨迹点的所有候选匹配点进行上述计算过程，则对第i个轨迹点 的所有候选匹配点执行步骤①，重复步骤①，直至为每个轨迹点都选定至少一个候选匹配 路段，相应的候选匹配点被判定为匹配点。
4. 如权利要求1或2所述的公交GPS轨迹数据的路网匹配方法，其特征在于，所述的所 述步骤四中，如存在至少两条匹配点个数最多的候选行车轨迹，则分别对至少两条匹配点 个数最多的候选行车轨迹进行以下计算： 对于任一条候选行车轨迹，其匹配有L个轨迹点，为方位角差值绝对值α μ、投影距离 屯,」以及该候选行车轨迹的行驶距离S分别分配权重\1、\2和λ3，其中，该候选行车轨迹 的行驶距离S为该候选行车轨迹所匹配的第1个轨迹点和最后一个轨迹点之间的行驶距 离，则计算累计误差Θ， L L Θ = ·'·- o，ij + -L ? CljiJ + -'·> i ? 其中，将Θ最小的一条候选行车轨迹判定为行车轨迹，一个轨迹点的方位角差值ay 为该轨迹点与其匹配路段的方位角差值的绝对值，一个轨迹点的投影距离Cli,」为该轨迹点 到其匹配路段的垂直距离。
5. 如权利要求1或2所述的公交GPS轨迹数据的路网匹配方法，其特征在于，所述步骤 二中，任一个轨迹点Pi的候选匹配路段集合的判断过程包括以下步骤： 所述公交路网数据结构中，以该轨迹点为圆心以GPS数据精度为半径设计一圆形的缓 冲区，与该缓冲区相交或相切的若干路段构成候选匹配路段集合。
6. 如权利要求5所述的公交GPS轨迹数据的路网匹配方法，其特征在于，所述步骤二 中，任一个轨迹点Pi的候选匹配路段集合的判断过程还包括以下步骤：当所述轨迹点的瞬 时速度大于一个候选匹配路段的限速时，则将该候选匹配路段从候选匹配路段集合剔除， 如小于等于该候选匹配路段的限速时，则保留。
7. 如权利要求6所述的公交GPS轨迹数据的路网匹配方法，其特征在于，所述步骤二 中，任一个轨迹点Pi的候选匹配路段集合的判断过程还包括以下步骤：如所述轨迹点与一 个候选匹配路段的方位角差值的绝对值>90°，则将该候选匹配路段从候选匹配路 段集合剔除，如〇彡彡90°，则保留。
8. 如权利要求7所述的公交GPS轨迹数据的路网匹配方法，其特征在于，所述步骤二 中，所述公交路网数据结构的构建过程具体为： 实际的公交路网包含形成在道路网上的若干条公交线路，将实际的具有相同站位号的 多个公交站点合并并称为站位点，将不同的公交线路彼此相交的点称为线路交点，将道路 路口或道路等级发生变化的点称为路口节点；用节点和线段构建公交路网数据结构，在公 交路网数据结构中，将实际的公交站点、站位点、线路交点和路口节点均采用节点表示，位 于一个道路上的同向且相邻的两个节点之间由一线段连接，将该线段定义为路段，用于表 示一个单方向的实际的道路段，并且将该道路段的方位角和方向作为该路段的关联属性。
9. 如权利要求8所述的公交GPS轨迹数据的路网匹配方法，其特征在于，所述步骤二 中，将位于一个道路上的同向且具有相同站名的公交站点中相隔距离小于5m的公交站点 合并，并在所述公交路网数据结构中由一个节点表示，所述线路交点为线路分叉点或线路 汇合点，其中，线路分叉点为不同的公交线路之间由重叠段进入非重叠段的点，线路汇合点 为不同的公交线路之间由非重叠段进入重叠段的点。
10. 如权利要求1或2所述的公交GPS轨迹数据的路网匹配方法，其特征在于，在两个 候选匹配点中，以第一个候选匹配点为起点沿其所在路段行进，依次经过X个中间路段，一 直行进至第二个候选匹配点，并以第二候选匹配点为终点，所行进的距离定义为两个候选 匹配点之间的行驶距离，其中，X彡0。
【文档编号】G08G1/01GK104318766SQ201410567664
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月22日 优先权日:2014年10月22日
【发明者】张健钦, 李明轩, 杜明义, 徐志洁 申请人:北京建筑大学