一种基于GPS轨迹的地图匹配方法

技术领域

本发明涉及地图匹配领域，尤其涉及一种基于GPS轨迹的地图匹配方法。

背景技术

基于位置服务(LBS)是一种基于位置信息的应用服务，它可以帮助用户得到周围环境的信息、查找附近的商店和服务设施、获取导航和地图信息等。目前，随着智能手机、物联网和移动互联网技术的发展，LBS已经成为普及的一种服务，应用领域不断拓展，LBS最初应用于导航、地图等领域，现在已经扩展到社交、商务、旅游等各个领域，涉及的应用场景越来越广泛。

定位精度对于LBS应用服务质量有重要影响，然而实际GPS定位技术由于多路效应、环境噪声、低功耗设计等对移动接收模块的影响，大部分轨迹采样率较低，定位误差较大，不能直接使用。LBS服务和地图匹配密切相关，LBS依赖于位置数据来提供服务，而地图匹配是将位置数据与地图数据相匹配以确定其准确位置的过程，地图匹配是轨迹数据必需的预处理步骤，对于LBS具有很强的实际应用价值。

地图匹配算法依据其所使用的关键技术有：简单的地图匹配算法可以返回在几何或拓扑上和轨迹距离相近的顶点或边，生成匹配结果，此类方法易受轨迹噪声影响，计算量较大，匹配精度不高；先进的地图匹配算法具有代表性的有基于隐马尔可夫模型(HMM)的地图匹配方法，存在的缺点有(1)候选点选取阶段没有考虑路段内部方向变化，导致候选点所计算的观测概率并不准确，影响后续匹配计算结果；(2)解码阶段使用动态维特比算法，需要进行大量最短路径查询过程，存在路由计算瓶颈，时间代价过大；最新的基于分段的匹配算法虽提高了匹配效率，但是易在轨迹分段处出现匹配错误，分段过程受地图影响较大，匹配精度下降。

发明内容

本发明提供一种基于GPS轨迹的地图匹配方法，以克服上述技术问题。

一种基于GPS轨迹的地图匹配方法，包括，

步骤一、获取GPS轨迹数据集和道路网络数据集，对GPS轨迹数据集中的轨迹数据进行预处理，所述预处理包括对轨迹数据进行离群点过滤以及停留点检测，获取预处理后的GPS轨迹数据集，获取GPS轨迹数据集中轨迹的数量并表示为N，令i＝1，

步骤二、从GPS轨迹数据集中获取第i条轨迹，将第i条轨迹表示为待匹配轨迹，根据待匹配轨迹获取候选轨迹点集合，分别获取每一个候选轨迹点的候选点集合，获取所有候选轨迹点的候选点集合并表示为总候选集合，所述获取每一个候选轨迹点的候选点集合包括获取候选轨迹点，根据道路网络数据集获取候选轨迹点的候选路段集合，对候选路段集合中的每一条候选路段进行划分，分别获取每一条候选路段划分后的子路段集合，根据子路段集合与候选轨迹点之间的投影关系获取投影点集合，对于投影点集合中的每一个投影点，根据距离相似度函数计算候选轨迹点与投影点之间的距离相似度值，根据方向相似度函数计算候选轨迹点与投影点之间的方向相似度值，根据距离相似度值与方向相似度值计算候选轨迹点与投影点之间的总体相似度值，将投影点集合中选择总体相似度值最大的投影点作为候选点，获取每一条候选路段的候选点以及候选轨迹点的候选点集合，

步骤三、根据总候选集合中的候选点以及候选点之间的路径构建候选图，

步骤四、根据候选图对待匹配轨迹进行匹配并获取匹配后的最优候选点序列和最优匹配路径，令i＝i+1，若i≦N，返回步骤二，若i>N，获取GPS轨迹数据集中所有轨迹的最优候选点序列和最优匹配路径。

优选地，所述步骤二包括，

获取待匹配轨迹，对于每一个候选轨迹点p

对候选路段集合中的每一条候选路段进行划分，分别获取每一条候选路段划分后的子路段集合，根据子路段集合与候选轨迹点之间的投影关系获取投影点集合，对于投影点集合中的每一个投影点，

根据公式(1)计算p

Sim(p

其中，O(c

从投影点集合中选择总体相似度值最大的投影点作为候选点，获取每一条候选路段的候选点以及候选轨迹点的候选点集合。

优选地，所述步骤三包括获取总候选集合，根据最短路径寻路算法获取任意两个候选点之间的最短路径，根据候选点之间的最短路径构建候选图。

优选地，所述步骤四包括，

获取候选图，对于除第一个候选点p

将其他候选点

判断

当最后一个候选点p

优选地，所述计算

其中，

本发明提供一种基于GPS轨迹的地图匹配方法，解决了目前已有基于GPS轨迹的地图匹配方法在复杂道路匹配精度不高以及路由计算瓶颈问题，实现了一种高效准确的基于GPS轨迹的地图匹配方法。通过在候选点提取阶段考虑了距离、方向因素，基于道路内部的多方向特征对候选路段进行划分，并加入预选点提取过程，通过二次计算确定候选点，从而提高匹配的精度；在全局路径匹配阶段引入了转移概率限定值和候选路径距离限定值，通过对候选路径进行剪枝，减少了一部分候选路径，从而减少了不必要的路由计算过程，提高了匹配的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明在数据预处理步骤中离群点与停留点处理示例图；

图3是本发明在候选集提取步骤中GPS点p

图4是本发明在构建候选图步骤中轨迹p

图5是本发明全局路径匹配步骤中轨迹p

图6是本发明构建子路网示例图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明方法流程图，如图1所示，本实施例的方法可以包括：

步骤一、获取GPS轨迹数据集和道路网络数据集，对GPS轨迹数据集中的轨迹数据进行预处理，所述预处理包括对轨迹数据进行离群点过滤以及停留点检测，获取预处理后的GPS轨迹数据集，获取GPS轨迹数据集中轨迹的数量并表示为N，令i＝1，

步骤二、从GPS轨迹数据集中获取第i条轨迹，将第i条轨迹表示为待匹配轨迹，根据待匹配轨迹获取候选轨迹点集合，分别获取每一个候选轨迹点的候选点集合，获取所有候选轨迹点的候选点集合并表示为总候选集合，所述获取每一个候选轨迹点的候选点集合包括获取候选轨迹点，根据道路网络数据集获取候选轨迹点的候选路段集合，对候选路段集合中的每一条候选路段进行划分，分别获取每一条候选路段划分后的子路段集合，根据子路段集合与候选轨迹点之间的投影关系获取投影点集合，对于投影点集合中的每一个投影点，根据距离相似度函数计算候选轨迹点与投影点之间的距离相似度值，根据方向相似度函数计算候选轨迹点与投影点之间的方向相似度值，根据距离相似度值与方向相似度值计算候选轨迹点与投影点之间的总体相似度值，将投影点集合中选择总体相似度值最大的投影点作为候选点，获取每一条候选路段的候选点以及候选轨迹点的候选点集合，

步骤三、根据总候选集合中的候选点以及候选点之间的路径构建候选图，

步骤四、根据候选图对待匹配轨迹进行匹配并获取匹配后的最优候选点序列和最优匹配路径，令i＝i+1，若i≦N，返回步骤二，若i>N，获取GPS轨迹数据集中所有轨迹的最优候选点序列和最优匹配路径。

基于上述方案，解决了目前已有基于GPS轨迹的地图匹配方法在复杂道路匹配精度不高以及路由计算瓶颈问题，实现了一种高效准确的基于GPS轨迹的地图匹配方法。通过在候选点提取阶段考虑了距离、方向因素，基于道路内部的多方向特征对候选路段进行划分，并加入预选点提取过程，通过二次计算确定候选点，从而提高匹配的精度；在全局路径匹配阶段引入了转移概率限定值和候选路径距离限定值，通过对候选路径进行剪枝，减少了一部分候选路径，从而减少了不必要的路由计算过程，提高了匹配的效率。

步骤一、获取GPS轨迹数据集和道路网络数据集，对GPS轨迹数据集中的轨迹数据进行预处理，所述预处理包括对轨迹数据进行离群点过滤以及停留点检测，预处理的目的是为了将原始数据中没有价值以及可能干扰结果的数据进行分析过滤，并基于路网数据建立网格索引，减少搜索时间，获取预处理后对GPS轨迹数据集，获取GPS轨迹数据集中轨迹的数量并表示为N，令i＝1，

具体地，离群点过滤：离群点是指少数异常于正常数据的GPS点，记为当前GPS点为p

停留点检测：停留点表示一系列极相近的轨迹点，在一定时间范围内，距离当前GPS点的距离不超过距离阈值的一系列轨迹点视为停留点，对停留点集进行聚类，即计算一个平均点替代停留点集中所有点；对于当前轨迹点p

如图2所示，已知采样时间间隔30s，规定Dc＝200m，Tc＝30s，需要注意的是时间阈值Tc取值一般由GPS轨迹采样时间间隔决定。当p

建立网格索引：针对目标区域的道路网络根据最大经纬度建立长方形区域作为基准，将该区域划分为多个大小相同的网格并编号，索引号记录落在每个网格上的道路段。

步骤二、从GPS轨迹数据集中获取第i条轨迹，将第i条轨迹表示为待匹配轨迹，根据待匹配轨迹获取候选轨迹点集合，分别获取每一个候选轨迹点的候选点集合，获取所有候选轨迹点的候选点集合并表示为总候选集合，所述获取每一个候选轨迹点的候选点集合包括获取候选轨迹点，根据道路网络数据集获取候选轨迹点的候选路段集合，对候选路段集合中的每一条候选路段进行划分，分别获取每一条候选路段划分后的子路段集合，根据子路段集合与候选轨迹点之间的投影关系获取投影点集合，对于投影点集合中的每一个投影点，根据距离相似度函数计算候选轨迹点与投影点之间的距离相似度值，根据方向相似度函数计算候选轨迹点与投影点之间的方向相似度值，根据距离相似度值与方向相似度值计算候选轨迹点与投影点之间的总体相似度值，从投影点集合中选择总体相似度值最大的投影点作为候选点，获取每一条候选路段的候选点以及候选轨迹点的候选点集合，

具体，所述步骤二包括，

获取待匹配轨迹，对于每一个候选轨迹点p

对候选路段集合中的每一条候选路段进行划分，分别获取每一条候选路段划分后的子路段集合，具体地，通过道路中间点将每条候选路段划分为多个子路段，所述道路中间点即为路网数据中位于道路端点之间的路段上的其他一系列的节点，对于每条到路段均有一组道路中间点集，所述子路段为道路段的端点以及中间点将道路划分的多个小路段。

根据子路段集合与候选轨迹点之间的投影关系获取投影点集合，对于一条候选路段上的多个子路段，GPS点p

对于投影点集合中的每一个投影点，定义距离相似度函数其值由预选点到GPS点p

根据公式(1)计算p

Sim(p

其中，O(c

子路段

其中，

为了减少方向计算的误差，采取范围最优的规则给预选点的方向赋值：(1)若预选点非路段的中间点或端点，则将该点相邻的三个子路段纳入范围，选取其中方向最接近p

轨迹点和预选点方向差的计算方式为：

式中

从投影点集合中选择总体相似度值最大的投影点作为候选点，获取每一条候选路段的候选点以及候选轨迹点的候选点集合，具体地，给定GPS点p

步骤三、获取总候选集合，根据总候选集合中的候选点以及候选点之间的路径构建候选图，具体地，所述步骤三包括获取总候选集合，根据最短路径寻路算法获取任意两个候选点之间的最短路径，根据候选点之间的最短路径构建候选图，

步骤四、根据候选图对待匹配轨迹进行匹配并获取匹配后的最优候选点序列和最优匹配路径，令i＝i+1，若i≦N，返回步骤二，若i>N，获取GPS轨迹数据集中所有轨迹的最优候选点序列和最优匹配路径。

具体地，所述步骤四包括，

获取候选图，确定当前最优候选路径，对于除第一个候选点p

其中，

根据公式(8)计算，

其中

根据公式(9)计算，定义转移概率表示前驱候选点/>

式中转移概率

所述前驱候选点

选取最优累计概率值最大的前驱候选点

对候选路径剪枝优化，对于候选点

并且有如果候选路径

判断

具体地，基于转移概率限定值使用剪枝策略1和剪枝策略2计算当前候选路径是否被剪枝；

剪枝策略1：给定当前要计算的候选路径

给定当前要计算的候选路径

其中dis(p

剪枝策略2：对于转移概率限定值小于1的候选路径，使用最短路径查询得到

计算候选路径累计概率：对于不被剪枝的候选路径，计算其转移概率值以及累计概率值，若其累计概率值大于当前最优候选路径的累计概率值，则该候选路径取代成为最优候选路径；

当最后一个候选点p

图2为本发明在数据预处理步骤中离群点与停留点处理示例图。离群点举例说明，所示部分轨迹p

图3为本发明在候选集提取步骤中GPS点p

图4为本发明在构建候选图步骤中轨迹p

图5为全局路径匹配步骤中轨迹p

图6为构建子路网示例图。对于一个路网节点v

整体的有益效果：

本发明提供一种基于GPS轨迹的地图匹配方法，解决了目前已有基于GPS轨迹的地图匹配方法在复杂道路匹配精度不高以及路由计算瓶颈问题，实现了一种高效准确的基于GPS轨迹的地图匹配方法。通过在候选点提取阶段考虑了距离、方向因素，基于道路内部的多方向特征对候选路段进行划分，并加入预选点提取过程，通过二次计算确定候选点，从而提高匹配的精度；在全局路径匹配阶段引入了转移概率限定值和候选路径距离限定值，通过对候选路径进行剪枝，减少了一部分候选路径，从而减少了不必要的路由计算过程，提高了匹配的效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。