基于車載定位軌跡數據的道路快速更新系統設計與實現

曹庭進+張中源+高孝杰+包海

摘 要：基于地理國情普查數據，運用大數據分析，利用車載北斗定位軌跡數據進行道路交通數據變化發現及一體化更新，設計并實現了基于車載北斗定位軌跡的道路交通數據快速更新系統。在宜賓市岷江新區及周邊約200km2范圍內開展了基于車載定位軌跡數據的道路更新試生產。研究結果表明，該系統為道路交通數據的快速更新提供了切實可行的技術路線及方案，為北斗車載定位軌跡大數據應用提供了新的思路。

關鍵詞：道路更新；車載定位軌跡；大數據分析；北斗定位軌跡

DOIDOI：10.11907/rjdk.172267

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：1672-7800（2017）008-0103-03

0 引言

交通數據采集是交通領域各項研究的基礎工作，快速、高效、精確的交通數據采集技術是一個長期的課題[1]。早期的交通數據采集依靠人工計數和調查表格實現，例如按鍵式人工計數和居民出行調查表等，這些方法至今還有其實用性[2]。自2003年公路交通情況調查納入國家統計工作以來，我國的道路交通調查工作邁上了一個新臺階[3]。傳統的道路網電子地圖采集和提取道路網方法主要有：①使用傳統的測量工具通過實地勘測、地理測繪的方法采集數據，再通過計算機對數據進行整理、處理和加工；②衛星遙感與航空攝影測量方法。運用傳統測量方法構建出來的道路網電子地圖一般擁有很高的精確度，但同時具有耗時費力、工作量大、工作周期長的缺點[4]。攝影測量法更適合于大面積區域的數據釆集和編繪工作，但存在成本較高、不能收集到數據細部屬性的缺陷[5]。

近年來，一種基于新時相衛星遙感影像，結合原有道路交通數據庫進行變化信息提取，通過外業調查核實的方法在大面積道路交通數據庫動態更新中應用較多[6-8]。但這種方法有很多弊端，如遙感圖像的解譯、判讀問題，易受人為主觀因素影響；在城市街道星羅棋布、道路變更時有發生、新道路不斷修建、已有道路不斷擴寬[9-10]的情況下效率很低，難以適應城市快速發展需求。

國家1∶5萬基礎地理信息數據庫更新以及地理國情監測項目，每年都需要對全國道路交通數據進行一次更新[11]，工作量巨大，找到一種快速、高效、準確的道路交通數據更新方法很有必要。

1 關鍵技術

1.1 海量車載北斗定位軌跡數據挖掘技術

海量車載定位軌跡具有數據量大、數據源多樣、結構異質等特點，數據挖掘就是對海量數據進行存儲、處理、分析，從中找出所需信息。本文進行數據處理主要辨別不同數據源的共同信息，即道路交通情況。采用不同距離的緩沖區分析，有效包容不同數據源精度不一致情況，獲取共同包含的道路交通區域，進而為后期數據分析、路網提取、變化發現等提供數據支撐。

1.2 GIS空間分析技術

GIS空間分析主要運用GIS理論和技術，分析空間幾何形狀的拓撲關系、疊置關系、圖形和距離等，將空間數據和空間模型進行聯合分析，以此發現有用的空間模式。對多源數據進行疊置分析，利用緩沖區、裁剪、擦除等分析手段，通過空間幾何的形狀、方位、距離等空間關系，獲取道路交通變化信息，利用道路交通變化信息的空間位置、形態等確定數據是否需要更新、更新區域及大小等。

1.3 異常位置數據處理技術

由于受野外網絡通訊條件、自然氣候條件、某時段電離層活躍程度等多種不確定性因素影響，衛星觀測數據質量會受到不同程度的影響。為保證后期高精度軌跡數據質量，可在記錄高精度的軌跡位置信息時，同時記錄定位精度以便后期進行數據甄別、篩選。

為保證軌跡采集空間連線的真實性，當出現通訊中斷或長時間無位置信息更新等異常情況時，系統會自動斷開與上一點的連線，重新請求記錄新軌跡。

為了減少數據庫冗余量，提高車載北斗定位軌跡在“天地圖·四川”上的顯示效率，系統采用以大于最小間距保存位置信息以及離線天地圖數據技術，實現軌跡信息的高效顯示。

2 系統設計與實現

2.1 系統總體架構

系統旨在實現道路交通數據變化信息發現，并提取變化區域多邊形功能，包括坐標轉換、裁剪圖層、數據樣式渲染、緩沖區分析、差集提取、變化提取以及變化發現等模塊。軟件輸出結果可輔助自動更新道路交通數據庫，指導人員調查數據。系統基于地理國情道路交通數據庫和多源車輛定位軌跡數據，運用大數據分析，使用GIS的緩沖區分析、疊置分析、差集分析等手段，實現變化的道路交通數據信息提取。系統總體架構如圖1所示。

系統包括道路交通數據變化發現與內外業一體化道路交通數據更新兩個子系統，后者又分為軌跡采集、外業調繪、內業處理3大模塊。

（1）道路交通數據變化發現子系統。對收集的多源軌跡數據進行預處理，提取道路路網信息，研究路網信息變化，發現道路交通變化情況，提取變化區域。

（2）內外業一體化道路交通數據更新子系統，包括軌跡采集、外業調繪、內業處理3大模塊。①軌跡采集模塊基于四川CORS與天地圖·四川實時采集高精度位置數據，系統支持數據實時回傳及事后上傳，支持作業軌跡記錄；②內業處理模塊無縫支持野外調繪數據，集數據處理、數據編輯于一體，完成對道路信息的編輯、處理、存儲、查詢、顯示、輸出及道路要素數據庫更新；③外業調繪模塊支持直接加載野外調繪底圖，支持各種道路要素信息（路寬、車道數、鋪設材料等）空間位置采集與屬性錄入。

2.2 系統實現

實現道路交通數據變化信息發現，并提取變化區域多邊形，包括坐標轉換、裁剪圖層、數據樣式渲染、緩沖區分析、差集提取、變化提取以及變化發現等功能模塊。系統輸出結果可指導外業人員實地調查，并輔助自動更新道路交通數據庫。本系統基于ArcGIS Engine 10.2，采用C#語言進行開發，支持Windows 7及以上操作系統。endprint

系統主界面如圖2所示，包括：①工程組菜單；②文件組菜單；③圖形組菜單；④道路交通數據變化發現組菜單；⑤地圖瀏覽工具條；⑥圖層列表；⑦地圖比例尺；⑧要素編輯工具條；⑨地圖數據顯示窗口。

系統主要完成多源軌跡數據讀取及預處理、道路路網信息提取、基于空間分析的變化信息提取等。其中，多源軌跡數據預處理功能包括對多源海量軌跡數據進行坐標轉換、數據清洗、數據篩選、數據抽取、粗差剔除、異常數據處理等工作，提取可用的數據信息。

2.3 數據更新系統實現

內外業一體化道路交通數據更新系統包括軌跡采集、外業調繪、內業處理3大模塊。

2.3.1 軌跡采集

軌跡采集模塊主要實現基于四川CORS差分的高精度位置數據記錄，可應用于高精度位置信息獲取、軌跡實時記錄以及天地圖·四川展示等場景。為方面移動平臺使用，開發了Android終端應用程序，可支持Android 5.0以上版本。該模塊的主界面如圖3所示。

2.3.2 外業調繪

外業調繪模塊主要基于調繪底圖實現道路交通數據外業核查功能，主要包括外業要素調繪、GPS定位、野外拍照、電子切片等功能。為方面外業人員使用，該模塊基于Arcgis Runtime SDK for android開發，可支持Android 5.0以上版本。模塊主界面如圖4所示。

2.3.3 內業處理

內業處理模塊主要實現添加數據、編輯數據、地圖瀏覽、工程操作、坐標轉換、質量檢查、底圖制作等功能。該模塊基于Arcgis Engine，采用C#語言開發。

3 道路交通數據更新實現

選取宜賓市岷江新區及周邊約200km2區域開展基于車載定位軌跡數據的道路更新試生產。經過調研比對，車載北斗定位軌跡數據來源選取四川天地星通衛星導航科技有限公司的北斗高精度車載定位軌跡數據、成都網闊信息技術有限公司“兩客一危”車輛定位軌跡數據以及OpenStreetMap（簡稱OSM）網站提供的道路交通數據。

道路交通數據更新結果如圖5所示，圖中紅色道路是未發生變化路段，綠色是新增路段，橙色是減少（消失）路段。

4 結語

本文在研究道路交通數據更新關鍵技術、工藝流程的基礎上，完成了宜賓市道路交通數據庫的更新工作，突破了傳統作業方式，運用大數據思想完成道路交通數據變化發現，為實現道路交通數據的快速更新提供了切實可行的技術路線及方案，可為交通、規劃、地理國情普查等部門提供及時的路網數據變化結果。車載軌跡數據來源越廣泛則顯示效果越佳。

參考文獻：

[1] 邵春福，趙熠，吳戈.道路交通數據采集技術研究展望[J].現代交通技術，2006 （6）：66-70.

[2] 董慶.GIS在城市道路數字化中的應用[J].科技情報開發與經濟，2003 （7）：180-179.

[3] 翟雅嶠，翁劍成，榮建，等.城市道路交通流檢測數據精度評價[J].北京航空航天大學學報，2011 （6）：733-742.

[4] 陳軍，胡云崗，趙仁亮，等.道路數據縮編更新的自動綜合方法研究[J].武漢大學學報：信息科學版，2007 （11）：1022-1027.

[5] 秦岸，李淑慶，聶世剛.基于CDMA網絡的城市交通數據采集與處理技術[J].重慶交通大學學報：自然科學版，2010 （2）：276-279.

[6] 楊偉，艾廷華.基于車輛軌跡大數據的道路網更新方法研究[J].計算機研究與發展，2016 （12）：2681-2693.

[7] 郭森，秦貴和，肖曉，等.基于新道路發現的GIS地圖更新算法[J].計算機應用，2016 （9）：2616-2619.

[8] 胡云崗，陳軍，李志林，等.地圖數據縮編更新的模式分類與選擇[J].地理與地理信息科學，2007 （4）：22-24.

[9] 李莉.基于手機采集與車載GPS采集方式的交通狀態信息融合技術[J].黑龍江科技信息，2011 （9）：90-91.

[10] 呂夢蛟.基于移動通信基站大數據的高速公路交通狀態采集研究與應用[J].公路，2016 （8）：157-164.

[11] 王東華，劉建軍.國家基礎地理信息數據庫動態更新總體技術[J].測繪學報，2015 （7）：822-825.endprint