摘  要： 通過(guò)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)采集到的車輛定位信息，運(yùn)用數(shù)據(jù)采集和圖像細(xì)化處理的方法，從中提取通向某一位置的比較準(zhǔn)確的道路曲線，為數(shù)字地圖的校準(zhǔn)工作提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞： 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)  地理信息系統(tǒng)(GIS)  數(shù)字地圖

　　地理信息系統(tǒng)(GIS)所使用的數(shù)字地圖一般都是通過(guò)對(duì)原始地圖的數(shù)字化獲得的。通常，原始地圖不可能完全精確，而且在對(duì)原始地圖數(shù)字化的過(guò)程中也會(huì)造成一些誤差。因此獲得的數(shù)字地圖往往是不精確的，甚至?xí)a(chǎn)生很大的偏差。而對(duì)數(shù)字地圖的精度校驗(yàn)需要有一個(gè)比較精確的地圖，本文介紹了通過(guò)對(duì)GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)所記錄的車輛定位數(shù)據(jù)的采集和提取，從而生成比較精確的數(shù)字地圖的方法。車輛的定位數(shù)據(jù)反映了車輛在不同時(shí)刻的精確位置，它是通過(guò)對(duì)車輛定位信息中經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的提取得到的[1]。數(shù)據(jù)記錄了一輛或多輛車子在一段時(shí)間內(nèi)的位置信息，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)換可以得到一幅比較精確的數(shù)字交通地圖，為以后數(shù)字地圖的識(shí)別和校正提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。
1  軌跡的數(shù)據(jù)采集
　　首先簡(jiǎn)單介紹GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)室研制的GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)包括一個(gè)監(jiān)控中心站與多個(gè)車載臺(tái)。監(jiān)控中心站與車載臺(tái)之間通過(guò)無(wú)線信道通信[2]。
　　車載臺(tái)裝配在車輛上，包括GPS接收部分、無(wú)線數(shù)傳控制卡、無(wú)線通信設(shè)備和報(bào)警裝置四部分。GPS接收部分包括一塊接收卡和一個(gè)專用天線。無(wú)線數(shù)傳控制卡通過(guò)GPS接收部分收集GPS定位信息，進(jìn)行壓縮、打包、調(diào)制后由電臺(tái)發(fā)回監(jiān)控中心站。無(wú)線通信設(shè)備包括一個(gè)數(shù)傳電臺(tái)、天線和通信電源等。
　　監(jiān)控中心站面向監(jiān)控操作人員，包括智能監(jiān)控平臺(tái)、無(wú)線數(shù)傳控制卡、無(wú)線通信設(shè)備三大部分。前二者以串口RS232通信，后者通過(guò)電子線路相連。智能監(jiān)控平臺(tái)接收無(wú)線數(shù)傳控制卡傳來(lái)的實(shí)時(shí)定位信息，進(jìn)行信息分析、處理、加工，將跟蹤目標(biāo)的行駛軌跡顯示在矢量地圖上；同時(shí)可以接收操作人員的命令，將控制指令傳給無(wú)線數(shù)傳控制卡發(fā)送出去。無(wú)線數(shù)傳控制卡是一塊集成電路板，集成了一片F(xiàn)X469調(diào)制解調(diào)芯片、一塊80C51CPU、RS232串口及若干外圍芯片、器件。此卡主要用來(lái)接收各車載臺(tái)發(fā)來(lái)的信息，以及分發(fā)中心站的控制指令。
　　車輛行駛軌跡的采集是通過(guò)提取車載臺(tái)發(fā)回的定位信息將車輛在道路上行駛時(shí)的經(jīng)緯度信息保存下來(lái)，生成一個(gè)軌跡文件。它以文本的方式保存了經(jīng)緯度信息，實(shí)際上也就記錄了車輛行駛的軌跡。
2  地理參數(shù)的獲得
　　已知：地圖上某一點(diǎn)p(x，y)的地理坐標(biāo)g(Lon，Lat)；地理坐標(biāo)到地圖坐標(biāo)軸的放大倍數(shù)(L_x，L_y)；地圖顯示的正北方位角θ，即地理坐標(biāo)系相對(duì)地圖坐標(biāo)系之間的夾角（逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?theta;；地圖上的某點(diǎn)p(x₀，y₀)對(duì)應(yīng)的實(shí)際地理經(jīng)緯度g(Lon₀，Lat₀)。如圖1所示。

　　實(shí)際上當(dāng)?shù)貓D的范圍較大(例如省內(nèi)交通公路)時(shí)，常取地圖正北方位角θ=0°。用以上公式將軌跡文件中地理坐標(biāo)g(Lon，Lat)轉(zhuǎn)化成地圖坐標(biāo)p(x，y)，并以矢量的形式顯示在屏幕上，由此可以看到如圖2所示的車輛行駛的軌跡圖。軌跡既反映了車輛所行駛的路線，又對(duì)道路位置進(jìn)行了精確描繪。

3  區(qū)域骨架細(xì)化算法對(duì)道路曲線的提取
　　通過(guò)對(duì)軌跡圖的放大顯示，可以看到在某些道路上存在二條或多條軌跡曲線。這是因?yàn)檐囕v可能不止一次地行駛在這條路上。由于道路本身具有一定的寬度，因此當(dāng)車輛行駛在左行線和右行線上時(shí)會(huì)記錄下二條或多條并行的軌跡。
　　在這樣多條并行的軌跡曲線中，無(wú)疑曲線的中心線才是道路的精確位置。提取這樣的曲線作為軌跡才能保證以后識(shí)別和校正的準(zhǔn)確性。
　　筆者采用了區(qū)域骨架算法提取軌跡曲線取得了良好效果。具體做法是首先將實(shí)際得到的軌跡曲線加粗顯示，直到多條曲線合為一條粗線。圖3(a)表示的是軌跡曲線的一個(gè)局部放大圖，轉(zhuǎn)換成位圖格式并粗化后得到如圖3(b) 的粗線條軌跡。然后采用區(qū)域骨架算法對(duì)軌跡進(jìn)行細(xì)化，細(xì)化后得到的曲線就是所需要的道路曲線。

　　本文采用了保留輪廓上多重象素的輪廓跟蹤法對(duì)道路進(jìn)行細(xì)化，基于對(duì)輪廓上多重象素特性的分析，發(fā)展了利用輪廓跟蹤方法尋找骨架的方法。這里采用下述約定：區(qū)域中的象素用數(shù)值“1”標(biāo)記，尋找到的輪廓上的象素用數(shù)值“2”標(biāo)記，判別出的輪廓上的多重象素用數(shù)值“3”標(biāo)記。迭代輪廓跟蹤算法時(shí)，檢查輪廓上的象素是否是多重的。如果是，則保留它們作為區(qū)域的骨架象素；否則，把標(biāo)記為“2”的象素刪除并標(biāo)記為“0”，直到區(qū)域中再?zèng)]有標(biāo)記為“1”的象素為止。下面介紹這一算法的完整判別條件。
作為一個(gè)區(qū)域的骨架象素，下面條件之一必為真[3]：
　　(1)它是一個(gè)多重象素。
　　(2)在它前面進(jìn)行的輪廓跟蹤時(shí)，它的8-鄰域中已經(jīng)存在有被確定為骨架的象素。
　　(3)它的二個(gè)8-鄰域象素能形成一個(gè)90°的角度（此條件為可選擇性條件）。
　　此處條件(1)是前面敘述過(guò)的；條件(2)是為了滿足骨架的連接性而附加的；條件(3)是用于保留區(qū)域的拐點(diǎn)信息。
　　用S代表骨架；Q表示即將被細(xì)化的區(qū)域的象素集合；B（Q）代表集合Q的輪廓。L（Q）表示B（Q）中的非多重象素； M（Q）代表B（Q）中的多重象素；K（Q）是B（Q）中所有象素的集合，但集合中的每個(gè)象素的8-鄰域中至少有一個(gè)象素存在于S中，或者滿足上述可選擇條件(3)。細(xì)化處理過(guò)程如下：
　　(1)置S=Φ空集合；
　　(2)尋找B（Q），采用輪廓跟蹤算法；
　　(3)尋找L（Q）和M（Q），采用輪廓跟蹤算法；
　　(4)尋找K（Q）；
　　(5)置S=S+M（Q）+K（Q）；
　　(6)置Q=Q-B（Q）；
　　(7)重復(fù)步驟(2)～(6)，直到Q為空集。
　　利用上述思想，對(duì)圖3(a)所示的車輛軌跡進(jìn)行處理，并將提取的道路曲線與原始軌跡重疊顯示在圖3(a)中。圖中以小圓點(diǎn)連接的曲線表示提取前的軌跡，中間的曲線是提取后的道路曲線。從圖3(a)中可以看出：提取的道路曲線基本上位于多條軌跡曲線的中間位置，比較精確地記錄了道路的實(shí)際位置。
4  結(jié)果與分析
　　通過(guò)對(duì)車輛所行駛過(guò)的道路軌跡的提取得到了一組比較精確的道路曲線（粗黑色線條），將它以同樣的比例顯示于數(shù)字地圖之上即可得到圖4。通過(guò)對(duì)比可以看到：所提取的道路和地圖實(shí)際道路之間在某些地方存在一定的偏差。

　　為了在數(shù)字交通地圖上準(zhǔn)確地顯示車輛的實(shí)際位置，有必要對(duì)數(shù)字地圖的精度進(jìn)行校正。校正后的數(shù)字交通地圖見(jiàn)圖5。車輛行駛軌跡曲線為數(shù)字地圖的精度校正工作提供了依據(jù)，利用車輛行駛軌跡對(duì)矢量地圖的線性校正方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。
 

參考文獻(xiàn)
1   謝曉娟.GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).微機(jī)發(fā)展，1997；（2）
2   鮑遠(yuǎn)律，夏冰，鮑遠(yuǎn)慧.GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù).中國(guó)公路交通信息產(chǎn)業(yè)，2001；（3）
3   張遠(yuǎn)鵬，董海，周文靈.計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)基礎(chǔ).北京：北京大學(xué)出版社，1996
4   郭杰華，姚振旺，鮑遠(yuǎn)律等.矢量地圖的一種自動(dòng)校正算法.中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào)，1995；4（5）