基于车载定位轨迹数据的道路快速更新系统设计与实现

曹庭进+张中源+高孝杰+包海

摘 要：基于地理国情普查数据，运用大数据分析，利用车载北斗定位轨迹数据进行道路交通数据变化发现及一体化更新，设计并实现了基于车载北斗定位轨迹的道路交通数据快速更新系统。在宜宾市岷江新区及周边约200km2范围内开展了基于车载定位轨迹数据的道路更新试生产。研究结果表明，该系统为道路交通数据的快速更新提供了切实可行的技术路线及方案，为北斗车载定位轨迹大数据应用提供了新的思路。

关键词：道路更新；车载定位轨迹；大数据分析；北斗定位轨迹

DOIDOI：10.11907/rjdk.172267

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号文章编号：1672-7800（2017）008-0103-03

0 引言

交通数据采集是交通领域各项研究的基础工作，快速、高效、精确的交通数据采集技术是一个长期的课题[1]。早期的交通数据采集依靠人工计数和调查表格实现，例如按键式人工计数和居民出行调查表等，这些方法至今还有其实用性[2]。自2003年公路交通情况调查纳入国家统计工作以来，我国的道路交通调查工作迈上了一个新台阶[3]。传统的道路网电子地图采集和提取道路网方法主要有：①使用传统的测量工具通过实地勘测、地理测绘的方法采集数据，再通过计算机对数据进行整理、处理和加工；②卫星遥感与航空摄影测量方法。运用传统测量方法构建出来的道路网电子地图一般拥有很高的精确度，但同时具有耗时费力、工作量大、工作周期长的缺点[4]。摄影测量法更适合于大面积区域的数据釆集和编绘工作，但存在成本较高、不能收集到数据细部属性的缺陷[5]。

近年來，一种基于新时相卫星遥感影像，结合原有道路交通数据库进行变化信息提取，通过外业调查核实的方法在大面积道路交通数据库动态更新中应用较多[6-8]。但这种方法有很多弊端，如遥感图像的解译、判读问题，易受人为主观因素影响；在城市街道星罗棋布、道路变更时有发生、新道路不断修建、已有道路不断扩宽[9-10]的情况下效率很低，难以适应城市快速发展需求。

国家1∶5万基础地理信息数据库更新以及地理国情监测项目，每年都需要对全国道路交通数据进行一次更新[11]，工作量巨大，找到一种快速、高效、准确的道路交通数据更新方法很有必要。

1 关键技术

1.1 海量车载北斗定位轨迹数据挖掘技术

海量车载定位轨迹具有数据量大、数据源多样、结构异质等特点，数据挖掘就是对海量数据进行存储、处理、分析，从中找出所需信息。本文进行数据处理主要辨别不同数据源的共同信息，即道路交通情况。采用不同距离的缓冲区分析，有效包容不同数据源精度不一致情况，获取共同包含的道路交通区域，进而为后期数据分析、路网提取、变化发现等提供数据支撑。

1.2 GIS空间分析技术

GIS空间分析主要运用GIS理论和技术，分析空间几何形状的拓扑关系、叠置关系、图形和距离等，将空间数据和空间模型进行联合分析，以此发现有用的空间模式。对多源数据进行叠置分析，利用缓冲区、裁剪、擦除等分析手段，通过空间几何的形状、方位、距离等空间关系，获取道路交通变化信息，利用道路交通变化信息的空间位置、形态等确定数据是否需要更新、更新区域及大小等。

1.3 异常位置数据处理技术

由于受野外网络通讯条件、自然气候条件、某时段电离层活跃程度等多种不确定性因素影响，卫星观测数据质量会受到不同程度的影响。为保证后期高精度轨迹数据质量，可在记录高精度的轨迹位置信息时，同时记录定位精度以便后期进行数据甄别、筛选。

为保证轨迹采集空间连线的真实性，当出现通讯中断或长时间无位置信息更新等异常情况时，系统会自动断开与上一点的连线，重新请求记录新轨迹。

为了减少数据库冗余量，提高车载北斗定位轨迹在“天地图·四川”上的显示效率，系统采用以大于最小间距保存位置信息以及离线天地图数据技术，实现轨迹信息的高效显示。

2 系统设计与实现

2.1 系统总体架构

系统旨在实现道路交通数据变化信息发现，并提取变化区域多边形功能，包括坐标转换、裁剪图层、数据样式渲染、缓冲区分析、差集提取、变化提取以及变化发现等模块。软件输出结果可辅助自动更新道路交通数据库，指导人员调查数据。系统基于地理国情道路交通数据库和多源车辆定位轨迹数据，运用大数据分析，使用GIS的缓冲区分析、叠置分析、差集分析等手段，实现变化的道路交通数据信息提取。系统总体架构如图1所示。

系统包括道路交通数据变化发现与内外业一体化道路交通数据更新两个子系统，后者又分为轨迹采集、外业调绘、内业处理3大模块。

（1）道路交通数据变化发现子系统。对收集的多源轨迹数据进行预处理，提取道路路网信息，研究路网信息变化，发现道路交通变化情况，提取变化区域。

（2）内外业一体化道路交通数据更新子系统，包括轨迹采集、外业调绘、内业处理3大模块。①轨迹采集模块基于四川CORS与天地图·四川实时采集高精度位置数据，系统支持数据实时回传及事后上传，支持作业轨迹记录；②内业处理模块无缝支持野外调绘数据，集数据处理、数据编辑于一体，完成对道路信息的编辑、处理、存储、查询、显示、输出及道路要素数据库更新；③外业调绘模块支持直接加载野外调绘底图，支持各种道路要素信息（路宽、车道数、铺设材料等）空间位置采集与属性录入。

2.2 系统实现

实现道路交通数据变化信息发现，并提取变化区域多边形，包括坐标转换、裁剪图层、数据样式渲染、缓冲区分析、差集提取、变化提取以及变化发现等功能模块。系统输出结果可指导外业人员实地调查，并辅助自动更新道路交通数据库。本系统基于ArcGIS Engine 10.2，采用C#语言进行开发，支持Windows 7及以上操作系统。endprint

系统主界面如图2所示，包括：①工程组菜单；②文件组菜单；③图形组菜单；④道路交通数据变化发现组菜单；⑤地图浏览工具条；⑥图层列表；⑦地图比例尺；⑧要素编辑工具条；⑨地图数据显示窗口。

系统主要完成多源轨迹数据读取及预处理、道路路网信息提取、基于空间分析的变化信息提取等。其中，多源轨迹数据预处理功能包括对多源海量轨迹数据进行坐标转换、数据清洗、数据筛选、数据抽取、粗差剔除、异常数据处理等工作，提取可用的数据信息。

2.3 数据更新系统实现

内外业一体化道路交通数据更新系统包括轨迹采集、外业调绘、内业处理3大模块。

2.3.1 轨迹采集

轨迹采集模块主要实现基于四川CORS差分的高精度位置数据记录，可应用于高精度位置信息获取、轨迹实时记录以及天地图·四川展示等场景。为方面移动平台使用，开发了Android终端应用程序，可支持Android 5.0以上版本。该模块的主界面如图3所示。

2.3.2 外业调绘

外业调绘模块主要基于调绘底图实现道路交通数据外业核查功能，主要包括外业要素调绘、GPS定位、野外拍照、电子切片等功能。为方面外业人员使用，该模块基于Arcgis Runtime SDK for android开发，可支持Android 5.0以上版本。模块主界面如图4所示。

2.3.3 内业处理

内业处理模块主要实现添加数据、编辑数据、地图浏览、工程操作、坐标转换、质量检查、底图制作等功能。该模块基于Arcgis Engine，采用C#语言开发。

3 道路交通数据更新实现

选取宜宾市岷江新区及周边约200km2区域开展基于车载定位轨迹数据的道路更新试生产。经过调研比对，车载北斗定位轨迹数据来源选取四川天地星通卫星导航科技有限公司的北斗高精度车载定位轨迹数据、成都网阔信息技术有限公司“两客一危”车辆定位轨迹数据以及OpenStreetMap（簡称OSM）网站提供的道路交通数据。

道路交通数据更新结果如图5所示，图中红色道路是未发生变化路段，绿色是新增路段，橙色是减少（消失）路段。

4 结语

本文在研究道路交通数据更新关键技术、工艺流程的基础上，完成了宜宾市道路交通数据库的更新工作，突破了传统作业方式，运用大数据思想完成道路交通数据变化发现，为实现道路交通数据的快速更新提供了切实可行的技术路线及方案，可为交通、规划、地理国情普查等部门提供及时的路网数据变化结果。车载轨迹数据来源越广泛则显示效果越佳。

参考文献：

[1] 邵春福，赵熠，吴戈.道路交通数据采集技术研究展望[J].现代交通技术，2006 （6）：66-70.

[2] 董庆.GIS在城市道路数字化中的应用[J].科技情报开发与经济，2003 （7）：180-179.

[3] 翟雅峤，翁剑成，荣建，等.城市道路交通流检测数据精度评价[J].北京航空航天大学学报，2011 （6）：733-742.

[4] 陈军，胡云岗，赵仁亮，等.道路数据缩编更新的自动综合方法研究[J].武汉大学学报：信息科学版，2007 （11）：1022-1027.

[5] 秦岸，李淑庆，聂世刚.基于CDMA网络的城市交通数据采集与处理技术[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2010 （2）：276-279.

[6] 杨伟，艾廷华.基于车辆轨迹大数据的道路网更新方法研究[J].计算机研究与发展，2016 （12）：2681-2693.

[7] 郭森，秦贵和，肖晓，等.基于新道路发现的GIS地图更新算法[J].计算机应用，2016 （9）：2616-2619.

[8] 胡云岗，陈军，李志林，等.地图数据缩编更新的模式分类与选择[J].地理与地理信息科学，2007 （4）：22-24.

[9] 李莉.基于手机采集与车载GPS采集方式的交通状态信息融合技术[J].黑龙江科技信息，2011 （9）：90-91.

[10] 吕梦蛟.基于移动通信基站大数据的高速公路交通状态采集研究与应用[J].公路，2016 （8）：157-164.

[11] 王东华，刘建军.国家基础地理信息数据库动态更新总体技术[J].测绘学报，2015 （7）：822-825.endprint