基于权重点的GPS轨迹纠偏算法

基于权重点的GPS轨迹纠偏算法

刘磊,柳晓鹏

安徽交欣科技股份有限公司230041

摘要：在公共交通出行中，通常利用GPS轨迹点来绘制公交的出行轨迹，从而更好的对公交的位置和状态进行实时监控和管理，但在实际运用中，由于车载机设备，信号，天气等各方面原因，可能导致轨迹点有所漂移，不能精确反应公交的行驶轨迹。本文利用轨迹点滞后运动过程，获取有效权重点，再通过轨迹点与权重点的最大距离和相隔时间来比对，轨迹的运行过程中，有效权重点只有一个，代表的是一段有效轨迹的稳定点，如果出现疑似偏移点的点，则再生成一个，代表新的这个疑似偏移点为开始的点的权重，如果这个新的疑似偏移点之后的5个点都没有偏移，则说明这段轨迹有效，则加入有效轨迹点中并更新权重点。

关键词：公共交通,轨迹偏移，权重点

中国分类号:TP39   文献标识码:A      文章编号:1003-2797(1997)02-0013-05

0. 引言

信息化是实现智能交通的重要载体和手段，智慧交通是交通信息化发展的方向和目标，而发展城市公共交通又是实现交通运输信息化的重中之重，题中之义。就公交车而言，公交车具有线路固定化、驾驶轨迹高度相似的特点。现代公共交通以GIS电子地图，GPS定位，4G/5G通信技术，通过实时采集公交运营车辆的位置和状态等信息，实现对车辆运行状态的实时监控，从而实现公交运营的自动化，精细化。在实际中，由于受天气，信号，设备等各方面因素影响，车辆的真实位置与车载机设备得到的轨迹点有所偏差，国内民用GPS定位精度不可避免的存在一定的误差和漂移问题，针对车载机的纠偏技术有差分技术，航位推算等，但是这些技术实现复杂，成本较高。而基于权重点的轨迹纠偏算法实现简单，成本较低，纠偏效果明显。

1. 算法理论概述

轨迹匹配的应用具有两个前提：(1)用于匹配的电子地图精度较高；(2)定位物体行驶在道路网中。基于以上前提，完整的地图匹配算法一般包括三个主要步骤：误差区域的确定，匹配路段的选择，和定位结果的修正。误差区域的确定，则是根据 GPS 定位误差确定可能包含定位数据真实位置的置信区域，位于置信区域内的道路则为候选道路。选择匹配路段则是从所有的候选路段中，挑选出最优的匹配路段，该环节是地图匹配算法的关键。确定最优匹配路段后，修正定位数据，即将定位数据修正到最优匹配路段上。

基于权重的地图匹配算法是局部修正算法，一般从距离和方向两个方面来考虑，但在复杂路况下，该种算法准确率较低。由于个人 GPS 轨迹一般是从智能手机获取，考虑到续航能力、通信费用等因素，个人GPS 轨迹数据的信息量少，缺乏方向、速度等信息，仅包含定位时间和位置经纬度。笔者在前人的研究基础上，考虑算法的应用环境、个人 GPS 轨迹数据的特征以及算法的复杂度和计算量，将基于权重的地图匹配算法和道路拓扑结构相结合，充分利用 GPS 轨迹信息和道路拓扑结构，通过点线位置关系对垂直投影法进行改进，利用三角形面积公式(海伦公式)计算距离，用当前定位点与下一定位点的位置关系作为当前定位点的运动方向，当前定位点与前一定位点的位置关系作为历史信息，并在交叉路段通过交叉节点与当前为点的位置关系计算道路相似度，然后根据距离、历史信息、方向、道路相似度四个因素的权重，结合道路网络拓扑结构，选出最优匹配道路。

2. 算法基本思路

在轨迹点的运动过程中，我们加入权重点，权重点的获取是通过前一个权威点与新的轨迹点根据一定权重得到的（一开始权威点选为首个轨迹点），轨迹的运行过程中，有效权重点只有一个，代表的是一段有效轨迹的稳定点，如果出现疑似偏移点的点，则再生成一个，代表新的这个疑似偏移点为开始的点的权重，如果这个新的疑似偏移点之后的5个点都没有偏移，则说明这段轨迹有效，则加入有效轨迹点中并更新权重点，权重点代表着一段轨迹的最终稳定点，当它代表的轨迹点数小于5个则表明那段点可能是偏移点。则要被去掉。我们根据多次数据总结w1=p1*0.2+p2*0.8.

3. 算法实现思路

我们这里做的是公交的轨迹记录，所以我们在判断偏移点的距离的时候按照公交车辆最大速度60km/h(16.7m/s)计算，则10S的定位间隔来算的话权重点167m之外就算作偏移点。在有一段时间没有成功获取定位点的时候先计算两点间隔时间再计算最大偏移点范围。

针对上述算法，我们探讨以下几种偏点的情况

2.1起始点有偏移

P1、P2为不可接受偏移点，但是在起始不知道，当p3出现之后，发现距离有点大，则为p3生成新的权重点w2，连续判断5个点没有偏差，说明这几个点的轨迹是正确的则采用，将w1代表的点舍弃掉，并将w1更新到w2这里。

2.2.起始点无偏移，过程中有有一个点偏移

通过权重点，可以将P4点滤掉，轨迹修复到P5正常点

这里有一个跳点p4，判定为可疑跳点之后，我们给他一个新的权重点w2,在接下来判断中发现p5相对于w2来说也是跳点，则把w2代表的点去掉，然后重新让他代表p5。在接下来的5次定位稳定，则将权重点更新为w1。

2.3.未采集到数据，造成的数据分割

中间一段数据缺失，整个数据分成两段。通过算法，所有的点均为正常点。

2.4.随机产生的偏移（偏移点少于连续5个）

算法舍弃掉P6、P7两个点，从P8重新开始计算。

4. 应用案例

文中选取合肥市公交集团85路(原801路)公交的GPS轨迹数据，文中抽取的主要路段是高架部分，具有典型型，通过统计，该GPS时间段位2020月9月30日12：00至2020月7月1日14：00，GPS个数点总共为81个。可以看到，在未纠偏之前，GPS轨迹点绘制的线路展示有个别明显的轨迹点偏移。

在经过权重点轨迹算法纠偏后，行驶轨迹相对之前去掉之前偏移明显的轨迹点，使整个运行轨迹更加平滑、稳定。

5. 结束语

文章的研究目的在于提供一种基于权重的轨迹纠偏算法，以解决上述背景技术中提出的问题。本文所研究的基于权重的匹配算法的特点是将基于权重的地图匹配算法和基于道路拓扑结构的算法相结合，在个人GPS轨迹数据信息量少的情况下，充分利用GPS定位数据的相关信息，考虑多因素影响，提高算法的适用性和有效性，使其能在较复杂路况下进行有效的匹配。文中针对GPS轨迹点偏移，提出了基于权重点的纠偏算法，由于算法简单，成本较低，易操作，对于轨迹纠偏起到很好的效果，但是，这种算法的局限在于针对有明显的跳跃点有很好的纠偏效果，但是对于大幅度轨迹点偏移起不到很好的纠偏作用。

参考文献

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[4]王小_.自定义算法过滤定位点，实现高德轨迹纠偏[EB/OL].https://blog.csdn.net/hello_json/article/details/79984081?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-title-2&spm=1001.2101.3001.4242, 2018–04–18

作者简介： 刘磊 1984-3 男北京 汉 博士 高级工程师 安徽交欣科技股份有限公司

研究方向:智能交通、卫星通信、民用无线通信

柳晓鹏 1985-2 男 陕西 汉 本科 安徽交欣科技股份有限公司 研究方向:交通运输信息化、人工智能