摘 要： 通過全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)采集到的車輛定位信息，運用數據采集和圖像細化處理的方法，從中提取通向某一位置的比較準確的道路曲線，為數字地圖的校準工作提供依據。
關鍵詞： 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS) 地理信息系統(tǒng)(GIS) 數字地圖
地理信息系統(tǒng)(GIS)所使用的數字地圖一般都是通過對原始地圖的數字化獲得的。通常，原始地圖不可能完全精確，而且在對原始地圖數字化的過程中也會造成一些誤差。因此獲得的數字地圖往往是不精確的，甚至會產生很大的偏差。而對數字地圖的精度校驗需要有一個比較精確的地圖，本文介紹了通過對GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)所記錄的車輛定位數據的采集和提取，從而生成比較精確的數字地圖的方法。車輛的定位數據反映了車輛在不同時刻的精確位置，它是通過對車輛定位信息中經緯度數據的提取得到的[1]。數據記錄了一輛或多輛車子在一段時間內的位置信息，通過對數據的處理和轉換可以得到一幅比較精確的數字交通地圖，為以后數字地圖的識別和校正提供了準確的依據。
1 軌跡的數據采集
首先簡單介紹GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)的結構。本實驗室研制的GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)包括一個監(jiān)控中心站與多個車載臺。監(jiān)控中心站與車載臺之間通過無線信道通信[2]。
車載臺裝配在車輛上，包括GPS接收部分、無線數傳控制卡、無線通信設備和報警裝置四部分。GPS接收部分包括一塊接收卡和一個專用天線。無線數傳控制卡通過GPS接收部分收集GPS定位信息，進行壓縮、打包、調制后由電臺發(fā)回監(jiān)控中心站。無線通信設備包括一個數傳電臺、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、無線數傳控制卡、無線通信設備三大部分。前二者以串口RS232通信，后者通過電子線路相連。智能監(jiān)控平臺接收無線數傳控制卡傳來的實時定位信息，進行信息分析、處理、加工，將跟蹤目標的行駛軌跡顯示在矢量地圖上；同時可以接收操作人員的命令，將控制指令傳給無線數傳控制卡發(fā)送出去。無線數傳控制卡是一塊集成電路板，集成了一片FX469調制解調芯片、一塊80C51CPU、RS232串口及若干外圍芯片、器件。此卡主要用來接收各車載臺發(fā)來的信息，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提取車載臺發(fā)回的定位信息將車輛在道路上行駛時的經緯度信息保存下來，生成一個軌跡文件。它以文本的方式保存了經緯度信息，實際上也就記錄了車輛行駛的軌跡。
2 地理參數的獲得
已知：地圖上某一點p(x，y)的地理坐標g(Lon，Lat)；地理坐標到地圖坐標軸的放大倍數(Lx，Ly)；地圖顯示的正北方位角θ，即地理坐標系相對地圖坐標系之間的夾角（逆時針方向為正）θ；地圖上的某點p(x0，y0)對應的實際地理經緯度g(Lon0，Lat0)。如圖1所示。
實際上當地圖的范圍較大(例如省內交通公路)時，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g(Lon，Lat)轉化成地圖坐標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，又對道路位置進行了精確描繪。
3 區(qū)域骨架細化算法對道路曲線的提取
通過對軌跡圖的放大顯示，可以看到在某些道路上存在二條或多條軌跡曲線。這是因為車輛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，因此當車輛行駛在左行線和右行線上時會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別和校正的準確性。
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局部放大圖，轉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)域骨架算法對軌跡進行細化，細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道路進行細化，基于對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)域中的象素用數值“1”標記，尋找到的輪廓上的象素用數值“2”標記，判別出的輪廓上的多重象素用數值“3”標記。迭代輪廓跟蹤算法時，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，把標記為“2”的象素刪除并標記為“0”，直到區(qū)域中再沒有標記為“1”的象素為止。下面介紹這一算法的完整判別條件。
作為一個區(qū)域的骨架象素，下面條件之一必為真[3]：
(1)它是一個多重象素。
(2)在它前面進行的輪廓跟蹤時，它的8-鄰域中已經存在有被確定為骨架的象素。
(3)它的二個8-鄰域象素能形成一個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)域的拐點信息。
用S代表骨架；Q表示即將被細化的區(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，但集合中的每個象素的8-鄰域中至少有一個象素存在于S中，或者滿足上述可選擇條件(3)。細化處理過程如下：
(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)重復步驟(2)～(6)，直到Q為空集。
利用上述思想，對圖3(a)所示的車輛軌跡進行處理，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際位置。
4 結果與分析
通過對車輛所行駛過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字地圖之上即可得到圖4。通過對比可以看到：所提取的道路和地圖實際道路之間在某些地方存在一定的偏差。
為了在數字交通地圖上準確地顯示車輛的實際位置，有必要對數字地圖的精度進行校正。校正后的數字交通地圖見圖5。車輛行駛軌跡曲線為數字地圖的精度校正工作提供了依據，利用車輛行駛軌跡對矢量地圖的線性校正方法參見文獻[4]。
參考文獻
1 謝曉娟.GPS數據采集系統(tǒng).微機發(fā)展，1997；（2）
2 鮑遠律，夏冰，鮑遠慧.GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的關鍵技術.中國公路交通信息產業(yè)，2001；（3）
3 張遠鵬，董海，周文靈.計算機圖像處理技術基礎.北京：北京大學出版社，1996
4 郭杰華，姚振旺，鮑遠律等.矢量地圖的一種自動校正算法.中國圖像圖形學報，1995；4（5）