專利名稱：一種gps軌跡提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于軌跡測量和數(shù)據(jù)處理技術(shù)范圍，具體是從低成本的GPS接收機測量的多條低精度測量數(shù)據(jù)中自動提取高精度GPS軌跡的一種GPS軌跡提取方法。

背景技術(shù)：
GPS即全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)。簡單地說，這是一個由覆蓋全球的24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)。這個系統(tǒng)可以保證在任意時刻，地球上任意一點都可以同時觀測到4顆衛(wèi)星，以保證衛(wèi)星可以采集到該觀測點的經(jīng)緯度和高度，以便實現(xiàn)導航、定位、授時等功能。這項技術(shù)可以用來引導飛機、船舶、車輛以及個人，安全、準確地沿著選定的路線，準時到達目的地。
GPS導航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實距離，而是偽距(PR)當GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼(簡稱偽碼)發(fā)射導航電文。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y)碼。C/A碼頻率1.023MHz，重復周期一毫秒，碼間距1微秒，相當于300m；P碼頻率10.23MHz，重復周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當于30m。而Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。導航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號中解調(diào)制出來，以50b/s調(diào)制在載頻上發(fā)射的。導航電文每個主幀中包含5個子幀每幀長6s。前三幀各10個字碼；每三十秒重復一次，每小時更新一次。后兩幀共15000b。導航電文中的內(nèi)容主要有遙測碼、轉(zhuǎn)換碼、第1、2、3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當用戶接受到導航電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘作對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置，用戶在WGS-84大地坐標系中的位置速度等信息便可得知。
目前，普通低成本的GPS接收機的誤差一般在15m左右，價格在2000元左右；采用高精度GPS差分系統(tǒng)或GPS接收機，GPS精度可以達到0.1-1m，但是成本要增加到幾萬到幾十萬。利用低成本的GPS接收機采用靜態(tài)長時間測量可以提高精度，但是要測量一條軌跡，逐點靜態(tài)測量顯然耗費時間太長。所以，利用低成本GPS設(shè)備，高效率的提取高精度的GPS軌跡數(shù)據(jù)，必須采用新的測量方法和數(shù)據(jù)處理方法。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種GPS軌跡提取方法；該方法是從低成本的GPS接收機測量的多條低精度測量數(shù)據(jù)中自動提取高精度GPS軌跡，不需要進行長時間的靜態(tài)測量，提高了工作效率，滿足了在低成本設(shè)備條件下獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)的市場性價比要求。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下步驟 步驟101，設(shè)定誤差精度e，用標稱數(shù)據(jù)精度為p米的GPS測量儀對待測軌跡進行首次測量，將測量所得的原始數(shù)據(jù)點輸入到計算機上，連接得到一條軌跡，判斷待測軌跡類型是否為簡單軌跡，若不是將待測軌跡分為多條簡單軌跡； 步驟102，用標稱數(shù)據(jù)精度為p米的GPS測量儀測量得到各條簡單軌跡的兩個端點的坐標和軌跡上的原始數(shù)據(jù)點坐標，將兩端點連接得到初始線段； 步驟103，計算初始線段是否小于設(shè)定誤差，滿足則跳到判斷整條軌跡提取過程結(jié)束的步驟108，不滿足則進行下一步驟104； 步驟104，頂點數(shù)量增加1，計算頂點初始位置坐標； 步驟105，計算頂點折線段誤差是否小于設(shè)定誤差的r倍，不滿足則重復上一步驟104直到滿足，滿足則進入下一步驟106； 步驟106，優(yōu)化頂點坐標； 步驟107，計算誤差平均值，看是否小于設(shè)定誤差，不滿足則在誤差最大的區(qū)域增加一個頂點，重復上一步驟106直到滿足，滿足則進入下一步驟108； 步驟108，判斷整條軌跡提取過程是否完畢，察看待測軌跡所拆分成的每條簡單軌跡是否都已經(jīng)提取完畢，如果完畢則將各條簡單軌跡連接得到完整的軌跡，未完畢則回到測量簡單軌跡的兩個端點坐標的步驟102，進行下一條簡單軌跡的測量計算。
本發(fā)明的有益效果 1.與高精度的測量設(shè)備和系統(tǒng)相比較，有效地降低了成本； 2.與采用低精度設(shè)備長時間靜態(tài)測量方法相比，有效地節(jié)省了測量時間，提高了工作效率； 3.與逐點存儲數(shù)據(jù)的方法比較，有效地節(jié)省了數(shù)據(jù)存儲空間。



圖1是本發(fā)明的流程圖。
圖2是測量所得原始數(shù)據(jù)圖。
圖3是區(qū)域劃分原理圖。
圖4是對特定軌跡首次測量結(jié)果示意圖。
圖5是對特定軌跡測量所得原始數(shù)據(jù)圖。
圖6是頂點個數(shù)為1的計算示意圖。
圖7是頂點個數(shù)為2的計算示意圖； 圖8是頂點個數(shù)為3的計算示意圖。
圖9是頂點個數(shù)為4的計算示意圖。
圖10是頂點個數(shù)為5的計算示意圖。
圖11是頂點個數(shù)為6的計算示意圖。
圖12是第一次優(yōu)化前頂點坐標示意圖。
圖13是第一次優(yōu)化后頂點坐標示意圖。
圖14是第二次優(yōu)化前頂點坐標示意圖。
圖15是第二次優(yōu)化后頂點坐標示意圖。
圖16是第三次優(yōu)化前頂點坐標示意圖。
圖17是第三次優(yōu)化后頂點坐標示意圖。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明 圖1為本發(fā)明的流程圖， 步驟101、設(shè)定一個誤差精度e，0.5m≤e≤3m。對待測軌跡進行首次測量，判斷待測軌跡類型是否為簡單軌跡，若不是將待測軌跡分為多條簡單軌跡。
步驟102，用標稱數(shù)據(jù)精度為p米(5≤p≤15)的低精度GPS測量儀對待測軌跡進行首次測量，將測量所得的原始數(shù)據(jù)點輸入到計算機上，連接得到一條軌跡，將軌跡兩端點相連得到一條線段，判斷軌跡是否滿足無環(huán)繞，無交叉，并且軌跡上每個點向此線段及其延長線做垂線，所得垂線與軌跡無此點以外的其他相交點。如果滿足則此軌跡為簡單軌跡不需要拆分，如果不滿足則將軌跡分為多段滿足上述條件的簡單軌跡分別進行測量。測量得到各條簡單軌跡的兩個端點的坐標，軌跡上的原始數(shù)據(jù)點坐標，將兩端點連接得到初始線段，如圖2所示為測量所得原始數(shù)據(jù)圖。
對簡單軌跡的兩個端點E1和E2分別進行k次靜態(tài)測量，得到它們的坐標，端點坐標為k次靜態(tài)測量的平均值，k的取值范圍為1800-3600，每秒測1次，確定端點坐標的公式為 將兩個端點直接連接得到初始線段L。
以任一端點為原點，初始線段及其延長線為x軸，建立二維直角坐標系。
步驟103、計算初始線段是否小于設(shè)定誤差。
計算所有測量的原始數(shù)據(jù)點到初始線段的距離的平均值，看所得結(jié)果是否小于e(預(yù)先設(shè)定的誤差要求)，如果滿足則軌跡提取過程結(jié)束，否則進行步驟104。
步驟104、頂點數(shù)量增加1，計算頂點初始位置坐標。
將初始線段按照橫坐標值平均分為n個平行于y軸的區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)的原始數(shù)據(jù)點的橫坐標和縱坐標分別取算術(shù)平均值得到n個頂點的初始位置坐標，將兩個端點和n個頂點連接起來得到頂點折線段。
步驟105計算頂點折線段誤差是否小于設(shè)定誤差的r倍。
結(jié)合圖3進行說明，Xdi和Ydi是數(shù)據(jù)點di的x，y坐標；XPj+1和YPj+1是頂點Pj+1的x，y坐標；XPj和YPj是頂點Pj的x，y坐標，j是頂點號，頂點數(shù)為n；i是數(shù)據(jù)點號，數(shù)據(jù)點總數(shù)為m個，優(yōu)化目標e為誤差平均值。
計算數(shù)據(jù)點到頂點折線段上頂點和端點的距離；數(shù)據(jù)點向頂點折線段中各線段做垂線，如果垂足在線段上，則計算數(shù)據(jù)點到此線段的距離，比較數(shù)據(jù)點到各個頂點，端點和線段的距離，取最小值，將所有到同一線段，端點或頂點距離最小的數(shù)據(jù)點劃分到同一區(qū)域。如圖3以2個頂點為例，圖中P1和P2為頂點，E1、E2為初始線段的兩個端點；所有的原始數(shù)據(jù)點劃分到P1、P2、S1、S12、S2、PE1、PE2七個區(qū)域，其中S1中的數(shù)據(jù)點到線段s1的距離最小，P1中的數(shù)據(jù)點到頂點p1的距離最小，S1，2中的數(shù)據(jù)點到線段s1，2的距離最小，P2中的數(shù)據(jù)點到頂點p2的距離最小，S2中的數(shù)據(jù)點到線段s2的距離最小，PE1中的數(shù)據(jù)點到端點E1的距離最小，PE2中的數(shù)據(jù)點到端點E2的距離最小。
利用公式計算數(shù)據(jù)點到頂點折線段上頂點和端點的距離；數(shù)據(jù)點向頂點折線段中各線段做垂線，利用公式判斷垂足是否在線段上，如果λ1∈
，則說明垂足在線段上，則利用公式計算數(shù)據(jù)點到此線段的距離，比較數(shù)據(jù)點到各個頂點，端點和線段的距離，取最小值，則原始數(shù)據(jù)點到頂點折線段的平均距離為看所得結(jié)果D1是否滿足D1≤r*e，如果不能滿足則重復步驟104直到滿足，如果滿足則進入步驟106。
步驟106、優(yōu)化頂點坐標。
在原始數(shù)據(jù)點到折線段的平均距離最大的區(qū)域內(nèi)增加一個頂點Pk，Pk的初始坐標為到此線段距離最大的數(shù)據(jù)點的坐標值，然后在對此區(qū)域內(nèi)三個頂點的坐標(如果區(qū)域內(nèi)包含端點，不需要考慮端點)進行局部優(yōu)化，即調(diào)整原有頂點Pj、Pj+1和新加頂點Pk的位置。
在此三頂點所在的區(qū)域及相鄰的區(qū)域內(nèi)，利用公式 計算得到數(shù)據(jù)點di到相應(yīng)線段的距離；利用公式 計算得 到數(shù)據(jù)點di到相應(yīng)頂點和端點的距離； 設(shè)此三頂點所在區(qū)域及相鄰的區(qū)域內(nèi)的原始數(shù)據(jù)點為K個，建立優(yōu)化模型然后調(diào)用MATLAB ToolBox，用最優(yōu)化工具箱進行編程求解和計算，其中調(diào)用的核心求解函數(shù)為 [x，fval，exitflag，output]＝fmincon(fun，x0，lb，ub，options) fmincon是有約束的非線性最小化求解函數(shù)，上式中的輸入?yún)?shù)fun為要求解的模型函數(shù)，x0(矩陣)為函數(shù)的初始解，即頂點的初始位置坐標(最大誤差區(qū)域三頂點的初步坐標)，lb和ub是矩陣形式的約束參數(shù)，約束條件為lb≤x≤ub，lb和ub中元素的坐標通過下列公式計算得出 將Pj、Pj+1和Pk的坐標分別代入Pi得到ub矩陣的三個元素。
將Pj、Pj+1和Pk的坐標分別代入Pi得到lb矩陣的三個元素。
options是函數(shù)內(nèi)部參數(shù)，輸出參數(shù)x(矩陣)為優(yōu)化后的求解結(jié)果(三頂點坐標)，fval為目標函數(shù)的返回值(最小誤差和)，exitflag描述退出條件(程序自動設(shè)定)，output為包含的優(yōu)化信息(優(yōu)化方法)。
步驟107計算誤差平均值，看是否小于設(shè)定誤差。
利用公式計算數(shù)據(jù)點到頂點折線段上頂點和端點的距離；數(shù)據(jù)點向頂點折線段中各線段做垂線，利用公式判斷垂足是否在線段上，如果λ1∈
，則說明垂足在線段上，則利用公式計算數(shù)據(jù)點到此線段的距離，比較數(shù)據(jù)點到各個頂點，端點和線段的距離，取最小值，則原始數(shù)據(jù)點到頂點折線段的平均距離為看所得結(jié)果是否滿足D2≤e，如果不能滿足則重復步驟106直到滿足，如果滿足則本條簡單軌跡提取過程結(jié)束，進入步驟108。
步驟108判斷整條軌跡提取過程是否完畢。
察看待測軌跡所拆分成的每條簡單軌跡是否都已經(jīng)提取完畢，如果完畢則將各條簡單軌跡連接得到完整的軌跡，如果沒有完成則選取下一條未提取的簡單軌跡重復步驟102進行新的簡單軌跡提取過程。
下面通過一個具體實施例來說明本發(fā)明的方法 步驟101、設(shè)定誤差精度，對待測軌跡進行首次測量，判斷待測軌跡類型是否為簡單軌跡，若不是將待測軌跡分為多條簡單軌跡。
設(shè)定一個誤差精度e＝0.5m。
用標稱數(shù)據(jù)精度為p＝5米的低精度GPS測量儀對待測長度約為170米的軌跡進行首次測量，花費228s測量得到約228個數(shù)據(jù)點，將測量所得的原始數(shù)據(jù)點輸入到計算機上，連接得到一條軌跡，將軌跡兩端點相連得到一條線段，如圖4為對特定軌跡首次測量結(jié)果示意圖，此軌跡滿足無環(huán)繞，無交叉，并且軌跡上每個點向此線段及其延長線做垂線，所得垂線與軌跡無此點以外的其他相交點。因此，此軌跡為簡單軌跡不需要拆分。
步驟102、測量得到簡單軌跡的兩個端點的坐標，軌跡上的原始數(shù)據(jù)點坐標，將兩端點連接得到初始線段。
用標稱數(shù)據(jù)精度為p＝5米的低精度GPS測量儀對簡單軌跡進行動態(tài)多次測量，將測得的原始數(shù)據(jù)也輸入到計算機上，如圖5為對特定軌跡測量所得原始數(shù)據(jù)圖。
對簡單軌跡的兩個端點E1和E2分別進行1800次靜態(tài)測量，得到它們的坐標，端點坐標為1800次靜態(tài)測量的平均值，每秒測1次，共耗時1800*2＝3600s。確定端點坐標的公式為 然后動態(tài)對軌跡測量六次，每次約228個點，加上最初的一次動態(tài)測量，共七次，共約1600s。
測量端點和原始數(shù)據(jù)點共需要1800*2+1600＝5200s，約1.44小時。
將兩個端點直接連接得到初始線段L。
以起點為原點，初始線段及其延長線為x軸，建立二維直角坐標系。
步驟103、計算初始線段是否小于設(shè)定誤差。
計算所有測量的原始數(shù)據(jù)點到初始線段的距離的平均值，所得結(jié)果為33.701m＞e＝0.5m，進行步驟104。
步驟104、頂點數(shù)量增加1，計算頂點初始位置坐標。
步驟105計算頂點折線段誤差是否小于設(shè)定誤差的r倍。
r設(shè)為5。
計算所有測量的原始數(shù)據(jù)點到頂點折線段上各頂點、端點和線段的距離的平均值，如圖6，當頂點個數(shù)為1時，誤差為D1＝17.468m＞r*e＝2.5m，未達到要求，頂點坐標為28.3091、40.0339。
計算所有測量的原始數(shù)據(jù)點到頂點折線段上各頂點、端點和線段的距離的平均值，如圖7，當頂點個數(shù)為2時，誤差為D1＝8.6018m＞r*e＝2.5m，未達到要求，頂點坐標為8.9777、34.7341；59.7227、48.6460。
計算所有測量的原始數(shù)據(jù)點到頂點折線段上各頂點、端點和線段的距離的平均值，如圖8，當頂點個數(shù)為3時，誤差為D1＝4.7355m＞r*e＝2.5m，未達到要求，頂點坐標為5.5176、30.3690；36.8317、62.2494；64.6958、44.5779。
計算所有測量的原始數(shù)據(jù)點到頂點折線段上各頂點、端點和線段的距離的平均值，如圖9，當頂點個數(shù)為4時，誤差為D1＝3.3903m＞r*e＝2.5m，未達到要求，頂點坐標為 3.9861、27.6297；27.3959、60.9486；46.3212、61.4811； 67.2496、41.4373。
計算所有測量的原始數(shù)據(jù)點到頂點折線段上各頂點、端點和線段的距離的平均值，如圖10，當頂點個數(shù)為5時，誤差為D1＝2.6608m＞r*e＝2.5m，未達到要求，頂點坐標為 3.1340、25.7073；21.8216、58.7939；36.7884、62.7028； 51.8192、59.8703；68.5142、39.4141。
計算所有測量的原始數(shù)據(jù)點到頂點折線段上各頂點、端點和線段的距離的平均值，如圖11，當頂點個數(shù)為6時，誤差為D1＝2.2296m＜r*e＝2.5m，達到要求，頂點坐標為 2.5550、24.1530；18.0722、56.7105；30.6540、62.0805； 42.8906、62.4150；55.4589、58.1747；69.4735、37.5451。。
圖6----圖11為尋找初始解，圖11為最終確定的初始解 獲得初始解的時間為0.281s。
步驟106、優(yōu)化頂點坐標。
步驟107計算誤差平均值，看是否小于設(shè)定誤差。
在原始數(shù)據(jù)點到折線段的距離最大的區(qū)域內(nèi)增加一個頂點P12，如圖12，P12的初始坐標為到此線段距離最大的數(shù)據(jù)點的坐標值(4.7583 43.7561)，然后在對此區(qū)域內(nèi)三個頂點的坐標(如果區(qū)域內(nèi)包含端點，不需要考慮端點)進行局部優(yōu)化，即調(diào)整原有頂點P1、P2和新加頂點P12的位置，如圖13，優(yōu)化后平均誤差為D2＝1.4359m＞e＝0.5m，未達到要求。
優(yōu)化前頂點的坐標為 2.5550、24.1530；4.7583、43.7561；18.0722、56.7105； 30.6540、62.0805；42.8906、62.4150；55.4589、58.174 69.4735、37.5451。
優(yōu)化后頂點的坐標為 1.4533、33.7704；5.8600、44.9452；17.0723、57.2799； 30.6540、62.0805；42.8906、62.4150；55.4589、58.1747； 69.4735、37.5451。
在原始數(shù)據(jù)點到折線段的距離最大的區(qū)域內(nèi)增加一個頂點P62，如圖14，P62的初始坐標為到此線段距離最大的數(shù)據(jù)點的坐標值(75.2614 32.0848)，然后在對此區(qū)域內(nèi)三個頂點的坐標(如果區(qū)域內(nèi)包含端點，不需要考慮端點)進行局部優(yōu)化，即調(diào)整原有頂點P6和新加頂點P62的位置，如圖15，優(yōu)化后平均誤差為D2＝0.75028m＞e＝0.5m，未達到要求。
優(yōu)化前的頂點坐標為 1.4533、33.7704；5.8600、44.9452；17.0723、57.2799 30.6540、62.0805；42.8906、62.4150；55.4589、58.1747； 69.4735、37.5451；75.2614、32.0848。
優(yōu)化后頂點的坐標為 1.4533、33.7704；5.8600、44.9452；17.0723、57.2799； 30.6540、62.0805；42.8906、62.4150；55.4589、58.1747； 72.3675、40.2753；75.4859、30.3162。
在原始數(shù)據(jù)點到折線段的距離最大的區(qū)域內(nèi)增加一個頂點P56，如圖16，P56的初始坐標為到此線段距離最大的數(shù)據(jù)點的坐標值(62.541054.7695)，然后在對此區(qū)域內(nèi)三個頂點的坐標(如果區(qū)域內(nèi)包含端點，不需要考慮端點)進行局部優(yōu)化，即調(diào)整原有頂點P5、P6和新加頂點P56的位置，如圖17，優(yōu)化后平均誤差為D2＝0.45113m＜e＝0.5m，達到要求。
優(yōu)化前頂點的坐標為 1.4533 33.7704；5.8600 44.9452；17.0723 57.2799； 30.6540 62.0805；42.8906 62.4150；55.4589 58.1747； 62.5410 54.7695；72.3675 40.2753；75.4859 30.3162。
優(yōu)化后頂點的坐標為 1.4533 33.7704；5.8600 44.9452；17.0723 57.2799； 30.6540 62.0805；42.8906 62.4150；53.3059 59.8772； 63.7794 53.0669；72.0904 41.5639；75.4859 30.3162。
圖12--圖17為局部優(yōu)化的過程，圖12--圖13為第一次優(yōu)化，圖14--圖15為第二次優(yōu)化，圖16--圖17為第三次優(yōu)化。圖17為最終優(yōu)化后的結(jié)果 優(yōu)化了三次，總的優(yōu)化時間為2.293s 程序最終運行結(jié)果 最終所有頂點的坐標為 1.4533 33.7704；5.8600 44.9452；17.0723 57.2799； 30.6540 62.0805；42.8906 62.4150；53.3059 59.8772； 63.7794 53.0669 72.0904 41.5639；75.4859 30.3162。
端點E1的坐標為0、0。
端點E2的坐標為73.8090、0。
步驟108判斷整條軌跡提取過程已完畢。
利用本方法獲得的整個軌跡與利用高精度的差分GPS系統(tǒng)獲得的高精度的GPS軌跡相比較進行檢驗，發(fā)現(xiàn)本發(fā)明最終的數(shù)據(jù)精度約為1m.同數(shù)據(jù)精度為5m低精度GPS采集設(shè)備相比，精度大大提高。
利用本方法獲得的整個軌跡所需時間約為5200s+63s+1748.6s＝2小時，同利用逐點精確測量獲取軌跡需要228*0.5小時＝114個小時的方法相比較，大大節(jié)省了時間。
利用本方法獲得的整個軌跡所需存儲空間約為228*7+2*1800＝5196個點，同利用逐點精確測量獲取軌跡需要存儲空間約為228*1800＝41萬個點的方法相比較，大大節(jié)省了存儲空間。
以上所述的實施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實施方式
，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種GPS軌跡提取方法，其特征在于包括下列步驟
步驟101，設(shè)定誤差e，用標稱數(shù)據(jù)精度為p米的GPS測量儀對待測軌跡進行首次測量，將測量所得的原始數(shù)據(jù)點輸入到計算機上，連接得到一條軌跡，判斷待測軌跡類型是否為簡單軌跡，若不是將待測軌跡分為多條簡單軌跡；
步驟102，用標稱數(shù)據(jù)精度為p米的GPS測量儀測量得到各條簡單軌跡的兩個端點的坐標和軌跡上的原始數(shù)據(jù)點坐標，將兩端點連接得到初始線段；
步驟103，計算初始線段是否小于設(shè)定誤差，滿足則跳到判斷整條軌跡提取過程結(jié)束的步驟108，不滿足則進行下一步驟104；
步驟104，頂點數(shù)量增加1，計算頂點初始位置坐標；
步驟105，計算頂點折線段誤差是否小于設(shè)定誤差的r倍，不滿足則重復上一步驟104直到滿足，滿足則進入下一步驟106；
步驟106，優(yōu)化頂點坐標；
步驟107，計算誤差平均值，看是否小于設(shè)定誤差，不滿足則在誤差最大的區(qū)域增加一個頂點，重復上一步驟106直到滿足，滿足則進入下一步驟108；
步驟108，判斷整條軌跡提取過程是否完畢，察看待測軌跡所拆分成的每條簡單軌跡是否都已經(jīng)提取完畢，如果完畢則將各條簡單軌跡連接得到完整的軌跡，未完畢則回到測量簡單軌跡的兩個端點坐標的步驟102，進行下一條簡單軌跡的測量計算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS軌跡提取方法，其特征在于所述目標誤差值E的取值范圍為0.5m≤e≤3m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS軌跡提取方法，其特征在于，所述簡單軌跡的定義為將軌跡兩端點相連得到一條線段，該軌跡滿足無環(huán)繞，無交叉，并且曲線上每個點向此線段及其延長線做垂線，所得垂線與軌跡無此點以外的其他相交點，則此軌跡為簡單軌跡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS軌跡提取方法，其特征在于所述用標稱數(shù)據(jù)精度為p米的GPS測量儀測量得到簡單軌跡的兩個端點的坐標和軌跡上的原始數(shù)據(jù)點坐標的具體步驟包括
(1)用標稱數(shù)據(jù)精度為p米的低精度GPS測量儀對簡單軌跡進行動態(tài)a次測量，將測得的原始數(shù)據(jù)也輸入到計算機上；
(2)對簡單軌跡的兩個端點E1和E2分別進行k次靜態(tài)測量，得到它們的坐標，端點坐標為k次靜態(tài)測量的平均值，每秒測1次，確定端點坐標的公式為
(3)以任一端點為原點，初始線段及其延長線為x軸，建立二維直角坐標系。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的GPS軌跡提取方法，其特征在于所述GPS測量儀的精度p的取值范圍為5≤p≤15。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的GPS軌跡提取方法，其特征在于所述k的取值范圍為1800-3600。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的GPS軌跡提取方法，其特征在于，所述a的取值范圍為5-20，r的取值范圍為3-5。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS軌跡提取方法，其特征在于，所述計算初始線段是否小于設(shè)定誤差的具體方法為計算所有測量的原始數(shù)據(jù)點到初始線段的距離的平均值，看所得結(jié)果是否小于e，若小于e，則滿足誤差要求；若大于e，則不滿足誤差要求。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS軌跡提取方法，其特征在于，所述計算頂點初始位置坐標的具體步驟為將初始線段按照橫坐標值平均分為n個平行于y軸的區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)的原始數(shù)據(jù)點的橫坐標和縱坐標分別取算術(shù)平均值得到n個頂點的初始位置坐標，將兩個端點和n個頂點連接起來得到頂點折線段。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS軌跡提取方法，其特征在于，所述計算頂點折線段誤差是否小于設(shè)定誤差的r倍的具體步驟為
(1)對原始數(shù)據(jù)點進行區(qū)域劃分，數(shù)據(jù)點向頂點折線段中各線段做垂線，如果垂足在線段上，則計算數(shù)據(jù)點到此線段的距離，比較數(shù)據(jù)點到各個頂點，端點和線段的距離，取最小值，將所有到同一線段，端點或頂點距離最小的數(shù)據(jù)點劃分到同一區(qū)域；
(2)利用公式計算數(shù)據(jù)點到頂點折線段上頂點和端點的距離；數(shù)據(jù)點向頂點折線段中各線段做垂線，利用公式判斷垂足是否在線段上，如果λ1∈
，則說明垂足在線段上，則利用公式計算數(shù)據(jù)點到此線段的距離，比較數(shù)據(jù)點到各個頂點，端點和線段的距離，取最小值，則原始數(shù)據(jù)點到頂點折線段的平均距離為看所得結(jié)果D1是否滿足D1≤r*e。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS軌跡提取方法，其特征在于，所述優(yōu)化頂點坐標的具體步驟包括
(1)在原始數(shù)據(jù)點到折線段的平均距離最大的區(qū)域內(nèi)增加一個頂點Pk，Pk的初始坐標為到此線段距離最大的數(shù)據(jù)點的坐標值，然后對此區(qū)域內(nèi)三個頂點的坐標(如果區(qū)域內(nèi)包含端點，不需要考慮端點)進行局部優(yōu)化，即調(diào)整原有頂點Pj、Pj+1和新加頂點Pk的位置；
(2)在此三頂點所在的區(qū)域及相鄰的區(qū)域內(nèi)，利用公式
計算得到數(shù)據(jù)點di到相應(yīng)線段的距離，利用公式計算得
到數(shù)據(jù)點di到相應(yīng)頂點和端點的距離；
(3)設(shè)此三頂點所在區(qū)域及相鄰的區(qū)域內(nèi)的原始數(shù)據(jù)點為K個，建立優(yōu)化模型然后調(diào)用MATLAB ToolBox，用最優(yōu)化工具箱進行編程求解和計算，其中調(diào)用的核心求解函數(shù)為
[x，fval，exitflag，output]＝fmincon(fun，x0，lb，ub，options)
fmincon是有約束的非線性最小化求解函數(shù)，上式中的輸入?yún)?shù)fun為要求解的模型函數(shù)，x0(矩陣)為函數(shù)的初始解，即頂點的初始位置坐標(最大誤差區(qū)域三頂點的初步坐標)，lb和ub是矩陣形式的約束參數(shù)，約束條件為lb≤x≤ub，lb和ub中元素的坐標通過下列公式計算得出
將Pj、Pj+1和Pk的坐標分別代入Pi得到ub矩陣的三個元素，
將Pj、Pj+1和Pk的坐標分別代入Pi得到lb矩陣的三個元素，
options是函數(shù)內(nèi)部參數(shù)，輸出矩陣參數(shù)x為優(yōu)化后的求解結(jié)果，即三頂點坐標，fval為目標函數(shù)的返回值，即最小誤差和，exitflag描述退出條件，由程序自動設(shè)定，output為包含的優(yōu)化信息，即優(yōu)化方法。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS軌跡提取方法，其特征在于，所述計算誤差平均值，看是否小于設(shè)定誤差的具體方法為
利用公式計算數(shù)據(jù)點到頂點折線段上頂點和端點的距離；數(shù)據(jù)點向頂點折線段中各線段做垂線，利用公式判斷垂足是否在線段上，如果λ1∈
，則說明垂足在線段上，則利用公式計算數(shù)據(jù)點到此線段的距離，比較數(shù)據(jù)點到各個頂點，端點和線段的距離，取最小值，則原始數(shù)據(jù)點到頂點折線段的平均距離為看所得結(jié)果D2是否滿足D2≤e。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于軌跡測量和數(shù)據(jù)處理技術(shù)范圍的一種GPS軌跡提取方法。該方法是利用精度為5m-15m的GPS測量儀對一段軌跡進行首次測量，劃分簡單軌跡，對每條簡單軌跡動態(tài)多次測量，而對這段軌跡的兩個端點進行靜態(tài)長時間測量，得到端點坐標。兩個端點連接的線段為初始解，然后逐步增加頂點來實現(xiàn)高精度軌跡的提取。根據(jù)點到線段、頂點和端點的距離將數(shù)據(jù)點劃分到相應(yīng)的最近鄰域，利用非線性優(yōu)化理論使得投影距離的平均值最小，找出小于設(shè)定誤差的最少的頂點數(shù)及頂點的坐標，實現(xiàn)高精度描述這段軌跡。本發(fā)明與高精度的測量設(shè)備和系統(tǒng)相比較，有效地降低了成本；有效地節(jié)省了測量時間，提高了工作效率；有效地節(jié)省了數(shù)據(jù)存儲空間。
文檔編號G01S5/02GK101303406SQ20081011635
公開日2008年11月12日 申請日期2008年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月9日
發(fā)明者陳德旺, 賈曉哲, 蔡伯根, 劍 王 申請人:北京交通大學