基于地圖匹配的目標(biāo)定位技術(shù)研究

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引言

目前的目標(biāo)定位方法通常采用GPS或航跡估計(jì)法來(lái)進(jìn)行定位，但是這種方法在定位過(guò)程中會(huì)受到傳感器誤差的干擾，導(dǎo)致定位結(jié)果存在一定的誤差，從而造成定位位置與實(shí)際位置不一致，如何快速而準(zhǔn)確地減小這種誤差，是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。

地圖匹配是指同一場(chǎng)景在不同條件下獲得的地圖之間的配準(zhǔn)，同一傳感器在不同時(shí)間，或不同類(lèi)型傳感器在同一時(shí)間，或不同類(lèi)型傳感器在不同時(shí)間所獲取的兩幅地圖中的同一地面點(diǎn)所對(duì)應(yīng)像素之間的配準(zhǔn)，是圖像處理的一個(gè)重要課題。可見(jiàn)，地圖匹配方法在地圖之間配準(zhǔn)過(guò)程中具有較好的應(yīng)用效果，為此，將地圖匹配方法應(yīng)用到目標(biāo)定位中，以提高目標(biāo)定位的速度和精度。

1 基于地圖匹配的目標(biāo)定位技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 車(chē)輛行駛路徑信息采集

在采用地圖匹配方法對(duì)目標(biāo)定位之前，預(yù)先對(duì)車(chē)輛行駛路徑信息采集。在獲取車(chē)輛行駛路徑信息時(shí)，首先從全球定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)讀取行駛路徑數(shù)據(jù)，然后對(duì)獲取的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將獲得的目標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地圖上相應(yīng)的原始位置 ，然后以目標(biāo)位置300(可變)米為半徑的距離獲取車(chē)輛行駛路徑信息。接著，從地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取當(dāng)前定位目標(biāo)的相關(guān)路段信息，把匹配路段的編號(hào)和新匹配點(diǎn)的位置信息寫(xiě)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成目標(biāo)位置周?chē)畔⒌牟杉?/p>

1.2 地圖元素分割

在目標(biāo)周?chē)畔⒉杉幕A(chǔ)上，對(duì)目標(biāo)周?chē)貓D元素進(jìn)行分割，由于交通地圖上有很多特別的圖標(biāo)，如能準(zhǔn)確、迅速地定位和識(shí)別這些圖標(biāo)，對(duì)目標(biāo)定位具有重要意義。若能首先識(shí)別這些特殊符號(hào)，并采用一定的處理方法將其劃分為道路或區(qū)域，則可使后續(xù)目標(biāo)定位更方便、快捷和準(zhǔn)確。因此，在收集了上述車(chē)輛行駛路徑周?chē)畔⒌幕A(chǔ)上，對(duì)地圖元素進(jìn)行了分割，主要根據(jù)彩色像素進(jìn)行了地圖元素分割。在地圖元素的分割過(guò)程中，針對(duì)地圖圖像的道路集和噪聲進(jìn)行分割，所以要根據(jù)地圖的顏色特征，把目標(biāo)周?chē)牡貓D圖像劃分成像素組。從直觀上看，我們把各種顏色的道路分成了道路組，把綠地、河流和城市地區(qū)分成了區(qū)域組，所有特殊含義的詞和符號(hào)都被看作是噪聲集。將上述分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)作為分類(lèi)依據(jù)，相應(yīng)地，定義3類(lèi)顏色集合：

道路顏色集R；

區(qū)域顏色集C；

噪聲顏色集N。

這里，把構(gòu)成道路集所有像素的顏色作為道路顏色集R，同理，把構(gòu)成區(qū)域集所有像素的顏色作為區(qū)域顏色集C，把構(gòu)成噪聲集所有像素的顏色作為噪聲顏色集N，應(yīng)該有：

其中，P代表地圖上任意一點(diǎn)，像素P顏色記作CP。

依據(jù)上述過(guò)程，按照地圖顏色對(duì)目標(biāo)周?chē)鷧^(qū)域的元素分割，為目標(biāo)定位提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1.3 基于地圖匹配的目標(biāo)定位實(shí)現(xiàn)

在目標(biāo)周?chē)牡貓D元素分割后，對(duì)目標(biāo)定位。因?yàn)閳D像分割后，保留下來(lái)的道路條數(shù)也較多，為了節(jié)省定位時(shí)間，需要對(duì)分割后的地圖元素進(jìn)一步分割。因此，選擇分割后的地圖中的候選區(qū)段、判斷區(qū)，其是指可能包含目標(biāo)實(shí)際位置的區(qū)域范圍。通過(guò)候選區(qū)段、判斷區(qū)，能夠減少候選路段數(shù)，縮短地圖匹配計(jì)算時(shí)間，從地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中提取候選路段信息，是確定候選路段的關(guān)鍵。

在候選區(qū)段、判斷區(qū)選擇過(guò)程中，判定域半徑大小的選擇應(yīng)確保車(chē)輛當(dāng)前部件在候選部件內(nèi)，除定位誤差外，還應(yīng)考慮道路寬度等因素。基于上述分析，采用基于曲線擬合的匹配方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，與此同時(shí)，由于城市道路狀況的復(fù)雜性，隧道、立交橋及高層建筑密集，造成全球定位系統(tǒng)信號(hào)盲區(qū)。通信、建筑、樹(shù)木、橋梁等都會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失，影響傳輸?shù)慕?jīng)度、緯度或速度，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤和丟失。因此，為提高地圖匹配精度，需要對(duì)全球定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除經(jīng)緯和速度上的突變，并對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插，具體過(guò)程如下所示：

第一：基于前后位置相關(guān)性確定候選區(qū)的判斷域，即，根據(jù)前后時(shí)刻的行進(jìn)軌跡確定候選區(qū)，其公式如下：

第二，在上述判斷域確定后，將相關(guān)的目標(biāo)道路網(wǎng)數(shù)據(jù)疊加到導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)中，其中，部分或全部落入判斷域的路段即為候選路段，即完成候選路段的選取；

第三，依據(jù)上述過(guò)程確定候選路段后，分析路段上目標(biāo)的起點(diǎn)、終點(diǎn)與相關(guān)的空間數(shù)據(jù)以及候選路段的相關(guān)信息；

第四，為確定初始路段，計(jì)算出最接近目標(biāo)的點(diǎn)的位置，該位置所處的路段即為最佳的車(chē)輛匹配路段；

第五，在匹配路段上，提取與該匹配路段節(jié)點(diǎn)或形狀點(diǎn)相鄰的兩個(gè)點(diǎn)的信息，然后利用上述三個(gè)點(diǎn)的信息在兩個(gè)由三個(gè)點(diǎn)組成的路段上以米的距離進(jìn)行插值，計(jì)算每一個(gè)插值點(diǎn)的坐標(biāo)，并根據(jù)上述四點(diǎn)和插值點(diǎn)的信息計(jì)算離目標(biāo)最近的點(diǎn)，而這點(diǎn)就是匹配點(diǎn)。

最后，為衡量地圖匹配的目標(biāo)定位算法的準(zhǔn)確性與可靠性，采用模糊綜合評(píng)判方法計(jì)算定位結(jié)果匹配的可信度，原因是，對(duì)匹配結(jié)果有一個(gè)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，就可以利用評(píng)價(jià)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)匹配是否錯(cuò)誤，若發(fā)現(xiàn)匹配錯(cuò)誤，則采取措施進(jìn)行解決，以保證定位的準(zhǔn)確性。模糊綜合評(píng)判方法的評(píng)判規(guī)則定義如下所示：

當(dāng)采用地圖匹配算法對(duì)目標(biāo)定位后，對(duì)匹配結(jié)果的可信度采用以下評(píng)判規(guī)則：

一是，方向一致原則，匹配段的方向越接近于被測(cè)目標(biāo)的位置，匹配結(jié)果的可靠性越高；

二是，位置一致性原則，匹配點(diǎn)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)越接近目標(biāo)點(diǎn)，匹配結(jié)果的可信度越高；

三是，形狀一致性是正常的，截面形狀與目標(biāo)軌跡越相似，則代表其匹配程度越高。

基于上述分析，將目標(biāo)與路段位置差值的平均值表示為：

基于上述計(jì)算，計(jì)算出定位位置與匹配位置的平均距離，以衡量定位結(jié)果，確定地圖匹配的可信度，若可信度較高則代表定位越準(zhǔn)確，則可直接完成定位，若可信度較低則重新進(jìn)行定位，以此完成基于地圖匹配的目標(biāo)定位。

2 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于地圖匹配的目標(biāo)定位技術(shù)，在該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，采用了地圖匹配方法盡快匹配定位點(diǎn)，以準(zhǔn)確獲得目標(biāo)位置。通過(guò)此次研究的目標(biāo)定位技術(shù)在一定程度上能夠解決復(fù)雜場(chǎng)景下的目標(biāo)定位問(wèn)題，并能夠提高目標(biāo)定位的精度，能夠?yàn)槠渌繕?biāo)定位提供一定的幫助，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。但是由于研究時(shí)間的限制，此次研究的基于地圖匹配的目標(biāo)定位技術(shù)還存在一定的不足，在進(jìn)行地圖匹配過(guò)程中，若目標(biāo)速度較快，匹配坐標(biāo)的時(shí)間也會(huì)有所增加，因此需要優(yōu)化此次研究方法，進(jìn)而保證匹配速率，進(jìn)一步提高目標(biāo)定位的效果，以適應(yīng)目標(biāo)定位需求。