一种利用低频轨迹数据提取道路交叉口的方法_陈伟亮.pdf
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1、年第期 陈 伟 亮,等:一 种 利 用 低 频 轨 迹 数 据 提 取 道 路 交 叉 口 的 方 法引 文 格 式:陈 伟 亮,杜 久 升一 种 利 用 低 频 轨 迹 数 据 提 取 道 路 交 叉 口 的 方 法 测 绘 通 报,():-:-一种利用低频轨迹数据提取道路交叉口的方法陈 伟 亮,杜 久 升(河 南 理 工 大 学 测 绘 与 国 土 信 息 工 程 学 院,河 南 焦 作)摘 要:为 实 现 从 低 频 轨 迹 数 据 中 提 取 城 市 道 路 交 叉 口,本 文 设 计 了 一 种 基 于 数 据 预 处 理 与 聚 类 算 法 的 道 路 交 叉 口 精 准 识 别
2、方 法。首 先 结 合 轨 迹 数 据 的 特 征,采 用 启 发 式 滤 波 算 法 对 原 始 数 据 进 行 清 洗,剔 除 冗 余 点 与 异 常 点;然 后 依 据 车 辆 的 运 行 规 律,提 出 了 一种 分 步 式 道 路 交 叉 口 的 提 取 算 法,由 此 计 算 出 疑 似 道 路 交 叉 口 的 特 征 点;最 后 利 用 层 次 密 度 聚 类 算 法()对 筛 选 过 后 的轨 迹 点 进 行 聚 类 并 提 取 质 心,得 到 道 路 的 交 叉 口,最 终 以 成 都 市 某 日 的 出 租 车 行 驶 轨 迹 为 数 据 源,进 行 试 验 分 析。结 果
3、 表 明,使 用该 算 法 提 取 交 叉 口,精 确 率 达.、召 回 率 达.、值 达.,能 有 效 且 准 确 识 别 城 市 道 路 交 叉 口 信 息,在 城 市 管 理 与交 通 规 划 中 具 有 一 定 的 应 用 价 值。关 键 词:道 路 交 叉 口;转 向 点;收 敛 点;层 次 密 度 聚 类;核 密 度 估 计;启 发 式 滤 波中 图 分 类 号:文 献 标 识 码:文 章 编 号:-()-,(,):-,(),.,.,:;随 着 电 子 信 息 时 代 的 到 来,数 字 地 图 应 用 技 术愈 加 成 熟,数 字 地 图 服 务 在 人 们 的 日 常 生 活
4、中 也 随处 可 见,如 车 辆 的 导 航、兴 趣 点 查 询 等。数 字 地图 构 建 的 重 要 步 骤 之 一 就 是 路 网 的 建 设。传 统 的路 网 构 建 方 法 主 要 有 两 种:一 种 是 使 用 配 备 了 高 精度 全 球 定 位 系 统(,)设备 的 专 用 车 辆 对 道 路 进 行 实 地 勘 测,从 而 获 取 路 网数 据;另 一 种 则 是 从 高 精 度 的 遥 感 卫 星 图 片 或 航 空图 片 中 提 取-。虽 然 这 两 种 方 法 提 取 的 路 网 精 度均 较 高,但 成 本 昂 贵,且 耗 时 费 力 时 效 性 差,并 不 适合 大
5、规 模 路 网 的 获 取 与 更 新。而 出 租 车 轨 迹 数 据因 获 取 成 本 低、实 时 性 强 且 覆 盖 域 广 等 优 点,近些 年 受 到 众 多 学 者 的 关 注,其 在 数 字 道 路 的 提 取 中也 作 出 了 巨 大 贡 献。并 且 这 些 数 据 均 可 通 过 无 线网 络 方 便 快 捷 地 完 成 收 集,因 此 利 用 轨 迹 数 据 构 建和 实 时 更 新 道 路 网 络 成 为 可 能。现 有 的 利 用 轨 迹 数 据 构 建 道 路 网 络 的 方 法 主要 包 括:基 于 聚 类 的 方 法-、基 于 图 像 形 态 学 处 理的 方 法-
6、、基 于 机 器 学 习 的 方 法 等-。但 是 大部 分 算 法 都 将 关 注 点 集 中 在 道 路 的 连 通 性 或 拓 扑性 结 构 上,很 少 关 注 到 道 路 交 叉 口 的 重 要 性,即 便有 所 涉 及,也 只 是 粗 略 提 取,在 遇 到 复 杂 交 叉 口 的收 稿 日 期:-;修 回 日 期:-基 金 项 目:河 南 省 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项();河 南 省 科 技 攻 关 项 目();河 南 省 高 等 学 校 重 点 科 研 项 目()作 者 简 介:陈 伟 亮(),男,硕 士 生,主 要 研 究 方 向 为 地 理 信 息 综 合
7、与 挖 掘。-:通 信 作 者:杜 久 升。-:测绘通报年第期情 形 时 很 容 易 产 生 错 误 的 推 理。文 献 使 用 指定 路 线 的 公 交 车 轨 迹 数 据,由 于 能 源 消 耗、通 信 成本 及 数 据 存 储 等 因 素 的 限 制,其 覆 盖 的 范 围 十 分 有限。文 献 开 发 了 一 种 分 类 器,该 分 类 器 使 用 来自 同 一 辆 车 中 两 个 时 间 点 相 邻 的 轨 迹 点 的 形 状 描述 符 进 行 训 练,以 提 取 道 路 交 叉 口,但 该 算 法 属 于监 督 学 习,训 练 成 本 较 高 且 对 原 始 数 据 的 精 度 有
8、 要求,当 获 取 的 轨 迹 数 据 为 粗 糙 数 据 集 时,该 算 法 将不 可 用。文 献 首 次 提 出 利 用 提 高 车 辆 转 弯 点的 集 中 性 检 测 交 叉 口 位 置,但 未 给 出 更 详 尽 的 过 程信 息。为 弥 补 之 前 研 究 的 不 足,本 文 提 出 一 种 无 监督 训 练 的 道 路 交 叉 口 提 取 方 法,在 识 别 普 通 交 叉 口的 同 时 兼 顾 复 杂 交 叉 口 的 特 性,以 期 达 到 精 准 提 取的 目 的。数 据 预 处 理.冗余数据的处理冗 余 数 据 是 指 车 辆 在 路 边 临 时 停 靠、等 待 及 道路
9、拥 堵 时 留 下 的 数 量 较 多、密 度 较 大 的 轨 迹 点 数据,这 些 点 不 仅 对 交 叉 口 的 提 取 作 用 较 小,还 会 降低 处 理 的 效 率。试 验 数 据 的 采 样 间 隔 在,接 收 机 正 常 工 作 时,设 备 的 采 样 频 率 稳 定 在 范围 以 内,而 车 辆 在 低 速 行 驶 或 处 于 停 滞 状 态 时,间隔 时 段 内 的 平 均 速 度 相 对 较 低。据 此 原 理,设 计 了一 种 基 于 车 辆 平 均 速 度 的 冗 余 数 据 过 滤 算 法,其 核心 思 想 是 将 原 始 出 租 车 轨 迹 数 据 按 照 时 间
10、序 列 进行 排 序,并 计 算 出 排 序 后 的 两 两 轨 迹 点 之 间 的 平 均速 度。若 该 平 均 速 度 小 于 预 先 设 定 的 速 度 阈 值,则 认 为 该 时 间 间 隔 内 车 辆 处 于 低 速 行 驶 或 停车 等 待 状 态,这 样 的 点 被 视 为 冗 余 轨 迹 点,作 删 除处 理;反 之,若 平 均 速 度 大 于 阈 值,则 不 作 处 理。通 过 多 次 试 验 对 比,并 考 虑 数 据 存 在 的 误 差,最 终将 速 度 阈 值设 为 。计 算 所 有 轨 迹 点 之 间的 平 均 速 度 后,将 满 足 条 件 的 轨 迹 点 去 除。
11、由 于 出 租 车 轨 迹 点 的 采 样 间 隔 正 常 稳 定 在,因 此 可 近 似 地 将 两 个 轨 迹 点 之 间 的 位 移 看 作车 辆 的 行 驶 距 离,距 离 使 用 半 正 矢 公 式 计 算,则 平均 速 度 的 计 算 公 式 为()()()()()式 中,(,)、(,)分 别 表 示 两 个 相 邻 轨 迹 点和的 纬 度 和 经 度;(,)表 示 轨 迹 点和之间 对 应 的 时 间 信 息;表 示 地 球 的 半 径,通 常 取 值 为。.基于启发式滤波的噪声点过滤由 于 出 租 车 携 带 的 定 位 设 备 精 度 普 遍 较 低,采集 到 的 轨 迹 数
12、 据 存 在 大 量 的 噪 声 点。此 外,出 租 车在 载 客 行 进 的 过 程 中 经 常 会 驶 入 非 主 干 道 区 域,由此 而 产 生 的 轨 迹 点 也 会 对 交 叉 口 的 准 确 识 别 造 成干 扰。观 察 所 有 的 轨 迹 点 可 以 获 知,这 些 噪 声 点 数 据大 多 是 孤 立 存 在 的,在 非 主 要 道 路 的 区 域,轨 迹 点分 布 较 为 稀 疏。据 此 特 征,在 总 结 均 值 滤 波 原 理 的基 础 上,本 文 提 出 了 一 种 启 发 式 滤 波 方 法,利 用 轨迹 数 据 的 区 域 密 度 差 异 进 行 噪 声 点 的
13、过 滤。其 核心 思 想 为:判 断 一 个 轨 迹 点 是 否 合 理,只 需 要 确 定以 该 点 为 圆 心、为 半 径 的 圆 范 围 内,其 他 轨 迹 点的 个 数,若小 于 阈 值,则 该 点 判 定 为 噪 声 点,舍去;反 之 则 判 定 为 正 常 点,保 留。噪 声 点 如 图中 的和所 示。半 径的 值 可 根 据 不 同 路 宽 动 态 调整,避 免 了 因 失 误 将 一 些 非 噪 声 点 也 排 除 在 外。在遍 历 完 所 有 轨 迹 点 后,将 标 记 的 噪 声 点 数 据 去 除。图启 发 式 滤 波 原 理道 路 交 叉 口 的 提 取交 叉 口 是
14、路 网 组 成 的 关 键 部 分,提 取 道 路 交 叉 口首 先 需 确 定 交 叉 口 的 中 心 位 置。车 辆 在 行 驶 过 程 中,到 交 叉 口 附 近 时,轨 迹 特 征 会 发 生 一 些 变 化,笔 者 根据 该 变 化 特 征,提 出 了 一 种 分 步 式 交 叉 口 轨 迹 数 据 筛选 方 法,并 最 终 聚 类 得 到 交 叉 口 的 位 置 信 息。.轨迹航向角的计算由 于 原 始 的 轨 迹 数 据 集 中 缺 少 车 辆 航 向 字 段,而 计 算 道 路 交 叉 口 位 置 需 要 航 向 信 息,因 此 在 正年第期 陈 伟 亮,等:一 种 利 用 低
15、 频 轨 迹 数 据 提 取 道 路 交 叉 口 的 方 法式 交 叉 口 提 取 前 需 先 计 算 车 辆 的 轨 迹 方 向。考 虑试 验 的 精 度 要 求,采 用 球 面 正 弦 公 式 法 求 解 轨 迹 航向 信 息。如 图所 示,所 处 位 置 为 北 极 点,为 球 心,表 示 两 点 间 的 球 面 距 离。已 知、两 点 的 经 度 和 纬 度 分 别 为(,)、(,),要 求点 相 对 于点 的 航 向 信 息,则 公式 为 ()()()()其 中,而 根 据 球 面 余 弦 公式 计 算 可 得 ()()()()()()图方 位 角 计 算.转向收敛点提取一 般 车
16、辆 行 驶 到 交 叉 口 附 近 时,轨 迹 点 会 有 一 些明 显 特 征(如 车 速 放 缓、转 向 角 变 大 等),据 此 可 粗 略地 估 算 交 叉 口 的 位 置,而 车 辆 的 转 向 点 恰 好 满 足 这 些特 性,因 此 可 通 过 定 位 车 辆 转 向 点 找 到 道 路 交 叉 口。转 向 点 是 指 车 辆 转 弯 前 后 的 连 续 两 个 轨 迹 点。由 于 交 通 灯 及 轨 迹 采 样 频 率 低,这 些 转 向 点 大 部 分只 是 环 绕 在 交 叉 口 边 缘 附 近,集 中 度 较 差,不 利 于后 续 聚 类 算 法 的 处 理。为 更 准
17、确 地 提 取 交 叉 口 信息,需 提 高 这 些 转 向 点 的 集 中 性。考 虑 车 辆 在 转 向状 态 下,其 方 向 向 量 的 交 点 比 单 纯 的 转 向 点 更 加 靠近 交 叉 口 的 中 心 位 置,故 以 转 向 点 的 方 向 向 量 交 点替 代 原 始 转 向 点,以 提 高 数 据 集 中 性。其 理 论 基 础为:在 同 一 平 面 直 角 坐 标 系 中,两 条 非 共 线 的 向 量必 相 交 于 一 点。如 图所 示,和分 别 为 一对 转 向 点 对,和即 为 方 向 向 量 的 交 点(简 称 收敛 点)。为 直 观 显 示 转 向 点 聚 类
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