基行GPS轨迹提取路网信息高效算法
引言
时代数字图说变日益重普通户载诸Google图百度图等类似软件寻找目周围景点住宿餐旅等等商家宣传品牌(Fathi and Krumm 2010)国数字图言目前部分特定图供应商通专门部署GPS装置汽车路行驶采集数数获取更新成高昂意味着购买类图数需花费量资金国百度高德搜狗外鲜图服务商然着城市化进程加快道路网建设完善户面样问题：某方新修条道路路网数更新时法图找条路缩短路网更新时间满足户需求体验需探索新路网采集更新方式带GPS装置移动设备越越普遍背景通合理路网挖掘算法效利普通户定位数时更新现路网信息仅极降低路网更新高昂成力提升图服务质量效率
项技术难点二：数量天成千万通搭载GPS装置设备定位假周次更新设想获取GPS轨迹数数量轻松突破TB级数获取处理需强力硬件支撑文重点二合适路网挖掘算法GPS数转换数字化路网原路网匹配删已废弃道路添加新增道路世界开源图提供商OpenStreetMap(Haklay and Weber 2008)采种志愿者携带GPS装置记录GPS轨迹手动更新图方式获取数称志愿者理信息(Haklay 2008)志愿者理信息秉承传感器理念(Schroedl Wagstaff et al 2004)仅作理信息者更生产者参考述理念次实验通寻找志愿者确定需实验区采步行方式边走边采集GPS点形成约10万条GPS轨迹数建立GPS轨迹数库设计新型路网挖掘算法中提取路网信息挖掘路网
国外研究现状
国外道路提取算法研究较成熟算法基算术节点核心特征追踪核心较规车辆轨迹处理高效准确(Fathi A and J Krumm 2010)算法高效算法设计恰方面高采样率低机性GPS数种通专门车载导航系统获取量数数特征规明显(图1)算法难度高然VGI数实践中低采样率约25分钟点点点间相隔太远导致正常匹配算法面VGI数时低效甚产生逻辑错误外专门采集数处理信息驾驶道路网行需步行网例天桥通道等减少交通负担设施生成更新方面研究
图1 文献[1][3][4]原始数明显出路网干扰
国通GPS轨迹挖掘新道路网研究相较少部分算法矢量轨迹数转换栅格数然利图识算法提取路网方法简单高效适特征明显轨迹数类算法完全抛弃矢量数优点面VGI时显束手措值注意国学者(陈琦2011廖华2007)方面开展研究研究针传统路网采集方式GPS轨迹专门GPS装置采集数量更新专门路段陈漪立交桥识实性相较解决述存问题文设计挖掘步行GPS轨迹行算法首先需先研究VGI数
研究区数
实验研究区安徽省合肥市市区部分周长约2012公里面积约2368方公里市区道路网较密集流量巨路网更新区说显尤重时百度公司获前旧路网数
图2 研究区路网数(未更新)
整体部分道路网数正确局部存偏差(图4)
图3 路网现实路网中匹配
次实验VGI数采集部分模仿OpenStreetMap路网数采集方式更加突出行步行轨迹规律性志愿者研究区域携带GPS走动总采集10万条数(图4)
图4 10万条轨迹数
整实验区域整体路网肉眼够清晰辨认专门采集理数路网存错误路径轨迹均匀分布通观察图具体细节出步行轨迹车辆轨迹特点：
(1)统计意义出路网形状专门采集数轨迹方说毫规律(图6)
(2)步行轨迹终点容易集聚点点景点入口者商城
(3) 步行意性道路两旁容易出现路网稀疏路线
(4) 轨迹分布均匀尤明显
(5) 更重步行者轨迹仅仅会出现交通路网出现步行场合操场
图5 局部数放图
算法流程
1道格拉斯普克线简化算法
试验中算法预处理步骤续步骤否效运行关键步骤面海量步行轨迹数首先中稳定错误素掉常数中出现轨迹错误面：
(1) 估性定位准确轨迹会偏离原道路
(2) 冗余性步行轨迹意性决定轨迹会身重复
(3) 跳跃性志愿者GPS轨迹稳定性导致轨迹出现奇 怪转弯者跳跃类似横穿街区非道路方轨迹走动
(4) 稀疏性道路穿社区者采样间隔原
轨迹点较稀疏条步行道路
述问题首先采种道格拉斯普克线简化算法数进行处理道格拉斯普克算法(Douglas–Peucker algorithm)称拉默道格拉斯普克算法迭代适应点算法分裂合算法该算法曲线似表示系列点减少点数量
道格拉斯普克算法处理效果关键阈值选择次实验综合考虑素选取般道路正常宽度50作阈值线简化行轨迹数线简化方面纠正行轨迹数轨迹错误方面降低数量
2细碎线段删
实验数中够细碎线段线段没意义数量前提数删基会影响结果减少带误差降低数量
文取道路般宽度两倍阈值阈值线段图中剔算法行遍历条轨迹计算轨迹长度果长度阈值条线段数中删
3 R树索引
需匹配量轨迹数首先需做道路数建立空间索引GIS系统中空间索引技术通更加效组织方式抽取空间定位相关信息组成原空间数索引较数量理量数查询提高空间查询效率空间定位准确性空间索引方式[17]致网格索引R树KD树四叉树等实验采R树索引R树数库等领域功绩非常显著解决高维空间搜索等问题R树B树高维空间扩展棵衡树R树叶子结点包含指数指针数存放硬盘中存存中
4 删已废弃存路段
次道路数轨迹数建立R树索引首先做更新现路网找中存路网删删目方面减少数计算量方面匹配减少弯路简化匹配难度轨迹点会匹配存路思路简单分遍历路网查询周围轨迹数果轨迹数定阈值段删阈值定需定统计知识实验采总数2万分20条界值出效道路路网
5 轨迹匹配
精简计算数量减少时进行轨迹匹配轨迹匹配致程遍历条轨迹条轨迹点定范围进行搜索类似点做定半径长缓区搜索缓区道路果搜索该点做变化果搜索条道路匹配该点该道路垂足
伪算法：
For each Trace t in VGIData Do
For each Point p in t Do
ResultSearch Roads within SomeDistance
If ResultCount0
Do NoThing
Else pp perpendicular(Result)
End If
End For
End For
Return new VGIData
该算法思想正确耗时较短次试验机器约时半分钟便完成100000条数(处理约50000条)处理处理结果然起源数已令满意(图7)
图7 蓝色匹配生成结果方局部效果
图致明显道路轮廓已显现旦放局部会出现轨迹道路间意穿梭现象原显易见果点两条道路时候误差导致点离原条路线更远导致匹配外条道路种现象会出现行两条道路会出现两条路合路口错误影响匹配结果关键素图匹配完成核心务种错误解决办法距离容差找道路超两条时进行图匹配时参考先前匹配点方根方调整匹配道路匹配时次实验采取利面条件进行匹配：
果点容差D两匹配道路点匹配Max(08*方子+02*距离子)道路中方子05三点形成夹角余弦2距离子1距离D果前点空方子0
外匹配时候注意细节行轨迹意性行轨迹点路果错误点匹配两旁道路容易出现匹配错误
匹配结果(图8)：
图8 匹配结果图
6道路提取
找出新轨迹匹配轨迹删减路网做减法运算匹配轨迹线段进行判断判断否前路网果保留判断条件两：
·没路网交点种较少见
·线段端原路网交点端没交点表明原路网拓建路新路网种情况占数
找出新轨迹中行道路显然指条道路需道路合条道路合道路算法思路简单找行相邻线段线段合条线段该条线段位线段中间斜率线段角度均值基伪代码：
List VisitedLineFeatureSet NewWaysFeatureSet outPut
For Each Line in NewWays
If (lineFid Exsit in VisitedLine)
Continue
End If
List FindIntersectRoadNewWaysIntersect(lineBuffer(0001))
If (FindIntersectRoadLength>2)
List SimilarRoadsFindIntersectRoadFindAll(Where Element in it Whose Angle≈lineAngle)
LineString newLineSimilarRoadsMiddleLine
outPutAdd(newLine)
Else
outPutAdd(line)
End If
End For
通面思路终生成新路网(图9)
图9 终生成新路网
结果分析讨
图10 终生成新路网细节
图(图10)列出匹配正确结果新提取道路已匹配现实中道路达预期目标整流程助索引行技术耗时非常短处理10万条数包括预处理概时35s非常高效
文针数量步行轨迹数提出志愿者GPS轨迹中提取路网初步解决方案该方案首先运算法轨迹数进行简化提高运算效率数建立空间索引时助图匹配原理优化轨迹正确匹配构建新路网整流程通行技术加速整流程处理效率非常高然结果精度进步提高更精确轨迹路网匹配基础提供验非常意义尝试更满足数处理需求研究中进步加强图匹配方法效性道路提取更新核心课题研究意义毋庸置疑果够幅度提高提取精度图公司省笔资金非常价值
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引言
时代数字图说变日益重普通户载诸Google图百度图等类似软件寻找目周围景点住宿餐旅等等商家宣传品牌(Fathi and Krumm 2010)国数字图言目前部分特定图供应商通专门部署GPS装置汽车路行驶采集数数获取更新成高昂意味着购买类图数需花费量资金国百度高德搜狗外鲜图服务商然着城市化进程加快道路网建设完善户面样问题：某方新修条道路路网数更新时法图找条路缩短路网更新时间满足户需求体验需探索新路网采集更新方式带GPS装置移动设备越越普遍背景通合理路网挖掘算法效利普通户定位数时更新现路网信息仅极降低路网更新高昂成力提升图服务质量效率
项技术难点二：数量天成千万通搭载GPS装置设备定位假周次更新设想获取GPS轨迹数数量轻松突破TB级数获取处理需强力硬件支撑文重点二合适路网挖掘算法GPS数转换数字化路网原路网匹配删已废弃道路添加新增道路世界开源图提供商OpenStreetMap(Haklay and Weber 2008)采种志愿者携带GPS装置记录GPS轨迹手动更新图方式获取数称志愿者理信息(Haklay 2008)志愿者理信息秉承传感器理念(Schroedl Wagstaff et al 2004)仅作理信息者更生产者参考述理念次实验通寻找志愿者确定需实验区采步行方式边走边采集GPS点形成约10万条GPS轨迹数建立GPS轨迹数库设计新型路网挖掘算法中提取路网信息挖掘路网
国外研究现状
国外道路提取算法研究较成熟算法基算术节点核心特征追踪核心较规车辆轨迹处理高效准确(Fathi A and J Krumm 2010)算法高效算法设计恰方面高采样率低机性GPS数种通专门车载导航系统获取量数数特征规明显(图1)算法难度高然VGI数实践中低采样率约25分钟点点点间相隔太远导致正常匹配算法面VGI数时低效甚产生逻辑错误外专门采集数处理信息驾驶道路网行需步行网例天桥通道等减少交通负担设施生成更新方面研究
图1 文献[1][3][4]原始数明显出路网干扰
国通GPS轨迹挖掘新道路网研究相较少部分算法矢量轨迹数转换栅格数然利图识算法提取路网方法简单高效适特征明显轨迹数类算法完全抛弃矢量数优点面VGI时显束手措值注意国学者(陈琦2011廖华2007)方面开展研究研究针传统路网采集方式GPS轨迹专门GPS装置采集数量更新专门路段陈漪立交桥识实性相较解决述存问题文设计挖掘步行GPS轨迹行算法首先需先研究VGI数
研究区数
实验研究区安徽省合肥市市区部分周长约2012公里面积约2368方公里市区道路网较密集流量巨路网更新区说显尤重时百度公司获前旧路网数
图2 研究区路网数(未更新)
整体部分道路网数正确局部存偏差(图4)
图3 路网现实路网中匹配
次实验VGI数采集部分模仿OpenStreetMap路网数采集方式更加突出行步行轨迹规律性志愿者研究区域携带GPS走动总采集10万条数(图4)
图4 10万条轨迹数
整实验区域整体路网肉眼够清晰辨认专门采集理数路网存错误路径轨迹均匀分布通观察图具体细节出步行轨迹车辆轨迹特点：
(1)统计意义出路网形状专门采集数轨迹方说毫规律(图6)
(2)步行轨迹终点容易集聚点点景点入口者商城
(3) 步行意性道路两旁容易出现路网稀疏路线
(4) 轨迹分布均匀尤明显
(5) 更重步行者轨迹仅仅会出现交通路网出现步行场合操场
图5 局部数放图
算法流程
1道格拉斯普克线简化算法
试验中算法预处理步骤续步骤否效运行关键步骤面海量步行轨迹数首先中稳定错误素掉常数中出现轨迹错误面：
(1) 估性定位准确轨迹会偏离原道路
(2) 冗余性步行轨迹意性决定轨迹会身重复
(3) 跳跃性志愿者GPS轨迹稳定性导致轨迹出现奇 怪转弯者跳跃类似横穿街区非道路方轨迹走动
(4) 稀疏性道路穿社区者采样间隔原
轨迹点较稀疏条步行道路
述问题首先采种道格拉斯普克线简化算法数进行处理道格拉斯普克算法(Douglas–Peucker algorithm)称拉默道格拉斯普克算法迭代适应点算法分裂合算法该算法曲线似表示系列点减少点数量
道格拉斯普克算法处理效果关键阈值选择次实验综合考虑素选取般道路正常宽度50作阈值线简化行轨迹数线简化方面纠正行轨迹数轨迹错误方面降低数量
2细碎线段删
实验数中够细碎线段线段没意义数量前提数删基会影响结果减少带误差降低数量
文取道路般宽度两倍阈值阈值线段图中剔算法行遍历条轨迹计算轨迹长度果长度阈值条线段数中删
3 R树索引
需匹配量轨迹数首先需做道路数建立空间索引GIS系统中空间索引技术通更加效组织方式抽取空间定位相关信息组成原空间数索引较数量理量数查询提高空间查询效率空间定位准确性空间索引方式[17]致网格索引R树KD树四叉树等实验采R树索引R树数库等领域功绩非常显著解决高维空间搜索等问题R树B树高维空间扩展棵衡树R树叶子结点包含指数指针数存放硬盘中存存中
4 删已废弃存路段
次道路数轨迹数建立R树索引首先做更新现路网找中存路网删删目方面减少数计算量方面匹配减少弯路简化匹配难度轨迹点会匹配存路思路简单分遍历路网查询周围轨迹数果轨迹数定阈值段删阈值定需定统计知识实验采总数2万分20条界值出效道路路网
5 轨迹匹配
精简计算数量减少时进行轨迹匹配轨迹匹配致程遍历条轨迹条轨迹点定范围进行搜索类似点做定半径长缓区搜索缓区道路果搜索该点做变化果搜索条道路匹配该点该道路垂足
伪算法：
For each Trace t in VGIData Do
For each Point p in t Do
ResultSearch Roads within SomeDistance
If ResultCount0
Do NoThing
Else pp perpendicular(Result)
End If
End For
End For
Return new VGIData
该算法思想正确耗时较短次试验机器约时半分钟便完成100000条数(处理约50000条)处理处理结果然起源数已令满意(图7)
图7 蓝色匹配生成结果方局部效果
图致明显道路轮廓已显现旦放局部会出现轨迹道路间意穿梭现象原显易见果点两条道路时候误差导致点离原条路线更远导致匹配外条道路种现象会出现行两条道路会出现两条路合路口错误影响匹配结果关键素图匹配完成核心务种错误解决办法距离容差找道路超两条时进行图匹配时参考先前匹配点方根方调整匹配道路匹配时次实验采取利面条件进行匹配：
果点容差D两匹配道路点匹配Max(08*方子+02*距离子)道路中方子05三点形成夹角余弦2距离子1距离D果前点空方子0
外匹配时候注意细节行轨迹意性行轨迹点路果错误点匹配两旁道路容易出现匹配错误
匹配结果(图8)：
图8 匹配结果图
6道路提取
找出新轨迹匹配轨迹删减路网做减法运算匹配轨迹线段进行判断判断否前路网果保留判断条件两：
·没路网交点种较少见
·线段端原路网交点端没交点表明原路网拓建路新路网种情况占数
找出新轨迹中行道路显然指条道路需道路合条道路合道路算法思路简单找行相邻线段线段合条线段该条线段位线段中间斜率线段角度均值基伪代码：
List VisitedLineFeatureSet NewWaysFeatureSet outPut
For Each Line in NewWays
If (lineFid Exsit in VisitedLine)
Continue
End If
List FindIntersectRoadNewWaysIntersect(lineBuffer(0001))
If (FindIntersectRoadLength>2)
List SimilarRoadsFindIntersectRoadFindAll(Where Element in it Whose Angle≈lineAngle)
LineString newLineSimilarRoadsMiddleLine
outPutAdd(newLine)
Else
outPutAdd(line)
End If
End For
通面思路终生成新路网(图9)
图9 终生成新路网
结果分析讨
图10 终生成新路网细节
图(图10)列出匹配正确结果新提取道路已匹配现实中道路达预期目标整流程助索引行技术耗时非常短处理10万条数包括预处理概时35s非常高效
文针数量步行轨迹数提出志愿者GPS轨迹中提取路网初步解决方案该方案首先运算法轨迹数进行简化提高运算效率数建立空间索引时助图匹配原理优化轨迹正确匹配构建新路网整流程通行技术加速整流程处理效率非常高然结果精度进步提高更精确轨迹路网匹配基础提供验非常意义尝试更满足数处理需求研究中进步加强图匹配方法效性道路提取更新核心课题研究意义毋庸置疑果够幅度提高提取精度图公司省笔资金非常价值
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