基于GPS與GIS集成的車輛導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李德仁　郭丙軒　王密　雷霆

摘　要　介紹了基于GPS與GIS集成的車輛導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，探討了導(dǎo)航系統(tǒng)中電子地圖的空間數(shù)據(jù)組織，提出了GPS信號(hào)與GIS路網(wǎng)數(shù)據(jù)匹配、快速的郵路選擇、最佳路徑選擇、地圖隨駕駛方向快速實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)技術(shù)及語音提示、語音識(shí)別技術(shù)的使用。
關(guān)鍵詞　3S集成;車輛導(dǎo)航;信息融合;匹配;最佳路徑;郵路問題;語音識(shí)別;快速顯示
分類號(hào)　P228.42；P208　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼　A
文章編號(hào)：1000-050X(2000)03-0208-211

Vehicle?Navigation?System?Design?and?Implementation
Based?on?Integration?of?GPS?and?GIS

LI?Deren
(Presidential?Secretarial，WTUSM，129?Luoyu?Road,Wuhan,China,430079)
GUO?Bingxuan　WANG?Mi　LEI?Ting
(National?Laboratory?for?Information?Engineering?in?Surveying,Mapping?and?Remote?Sensing,WTUSM，129?Luoyu?Road,Wuhan,China,430079)

Abstract　This?article?discusses?the?design?and?implementation?of?a?vehicle?navigation?system?(VNS),which?is?based?on?the?joint?technology?of?GPS?and?GIS.After?a?general?systematic?analysis?of?VNS,this?article?discusses?the?following?issues:(1)The?
outline?design?of?VNS?including?its?hardware,software?and?system?architecture.(2)?The?real-time?procedure?of?GPS?signals?and?other?ones,which?involves?signal?receiving,data?communication,coordinate?transformation,as?well?as?the?processing?of?electric?
compass?signals.(3)?The?data?organization?issues.Both?spatial?and?attribute?data?of?roads?network?are?organized?into?an?integer?model.Point?features?are?also?organized?in?the?same?way.In?order?to?make?effective?spatial?index?and?topological?
relationship,some?relevant?technologies?has?been?developed.Optimized?data?organization?and?multithread?programming?technology?has?made?possible?the?fast?rotation?and?movement?of?the?map?in?response?of?GPS?signals.Based?on?road?topology,we?develope?a?
fast?algorithm?to?search?best?route.(4)The?matching?of?GPS?signal?with?map?data.Normally,GPS?coordinate?error?is?around?100?m,which?includes?system?error.We?use?GIS?data?to?correct?the?systematic?error?and?to?fit?the?GPS?coordinate?into?the?map.In?case?
GPS?signal?is?lost,we?employ?some?algorithms?to?estimate?the?position?of?the?vehicle,with?the?aid?of?other?devices?like?electric?compass.(5)?The?design?and?implementation?of?our?VNS?interface.The?VNS?interface?is?mainly?composed?of?three?views:global?
view?that?presents?the?map?in?a?normal?mode?and?highlights?the?planned?and?passed?route,a?driver's?view?that?rotates?to?keep?the?forward?direction?northward;and?a?prompt?window?that?shows?user?guidance?information.(6)The?audio?control?part,which?can?
fulfill?the?need?for?man-machine?interaction?better?than?traditional?ways?of?keyboard?plus?mouse.
Key?words　integration?of?3S;vehicle?navigation;information?fusion;matching;optimal?route;post?road?issue;audio?recognition;quick?display

　　智能交通系統(tǒng)(ITS)將成為今后交通發(fā)展的主要方向。作為智能交通系統(tǒng)重要組成部分的車輛導(dǎo)航成為了研究的熱點(diǎn)。導(dǎo)航系統(tǒng)幫助司機(jī)選擇最佳路徑，提高效率，為司機(jī)提前提供道路信息，例如道路轉(zhuǎn)彎、交通事故易發(fā)區(qū)的提示，降低交通事故發(fā)生率。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)與組成

　　在導(dǎo)航系統(tǒng)中，應(yīng)用GIS組織管理路網(wǎng)空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)，各種單位進(jìn)行分類管理，并對(duì)?路網(wǎng)建立拓?fù)潢P(guān)系。GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)并轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)信息，與地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。這是一種典型的GPS與GIS集成形式。
1.1　系統(tǒng)組成
　　系統(tǒng)包括：主頻266MHz工控機(jī)一臺(tái)(帶多媒體設(shè)備)、GPS接收機(jī)、電子羅盤、車輪記速器、操作系統(tǒng)、GPS信號(hào)處理軟件、GPS與GIS集成軟件、語音識(shí)別軟件、電子地圖等。
1.2　系統(tǒng)功能
　　.地圖的顯示、縮放、漫游、圖形的任意旋轉(zhuǎn)；
　　.查詢功能，屬性與圖形的相互查詢；
　　.最佳路徑的搜索、郵路的選擇，都可任意設(shè)置可經(jīng)由點(diǎn)、不可經(jīng)由點(diǎn)；
　　.最佳路徑導(dǎo)航和隨機(jī)導(dǎo)航兩種導(dǎo)航方式；
　　.實(shí)時(shí)顯示車的當(dāng)前位置和軌跡；
　　.GPS漂移誤差的糾正；
　　.當(dāng)GPS信號(hào)丟失時(shí)，推估車的當(dāng)前位置；
　　.GPS坐標(biāo)與地圖匹配，駕駛方向的確定，根據(jù)駕駛方向?qū)崟r(shí)地把前進(jìn)方向調(diào)整到正北方向；
　　.行車道路、位置、到達(dá)目的地等豐富的聲音、文字提示；
　　.可以擺脫傳統(tǒng)的鼠標(biāo)、鍵盤輸入，采用聲音輸入，而且不需要口音適應(yīng)。

2　GIS部分與GPS部分的接口

　　使用DDE實(shí)現(xiàn)了GIS軟件與GPS軟件的接口與通訊，使用DDE可使不同的應(yīng)用程序之間交換信息與數(shù)據(jù)。
2.1　對(duì)GPS信號(hào)的實(shí)時(shí)接收
　　使用DDE與GPS信號(hào)處理軟件通訊，實(shí)時(shí)接收GPS信號(hào)。DDE是過程之間的通訊機(jī)制(IPC)，它使用Windows消息和共享內(nèi)存，使相互合作的應(yīng)用程序能夠交換數(shù)據(jù)。DDE中潛在著一種協(xié)議，發(fā)送應(yīng)用程序和接收應(yīng)用程序在交換數(shù)據(jù)時(shí)必須遵守這種協(xié)議。
　　DDE適用于從一個(gè)應(yīng)用程序到另一個(gè)應(yīng)用程序來傳遞數(shù)據(jù)，尤其是接收程序必須操縱數(shù)據(jù)時(shí)。用客戶機(jī)/服務(wù)器的術(shù)語來講，數(shù)據(jù)的提供就是一個(gè)服務(wù)器，而數(shù)據(jù)的接收者就是DDE的客戶機(jī)。在DDE中，客戶機(jī)應(yīng)用程序和服務(wù)器應(yīng)用程序必須都知道數(shù)據(jù)格式。系統(tǒng)使用的DDE對(duì)話格式為(經(jīng)
度，緯度，速度，方向，高程，時(shí)間)。
2.2　對(duì)GPS信號(hào)的實(shí)時(shí)處理
　　1)?投影變換(經(jīng)緯度坐標(biāo)到高斯坐標(biāo)的變換)
　　由于GPS接收機(jī)接收到的是經(jīng)緯度坐標(biāo)，因此，首先必須通過高斯投影將其轉(zhuǎn)換成高斯坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換公式如下：



式中，XB0=C0B-cosB(C1sinB+C2sin3B+C3sin5B);t=tanB;l=L-L0;N=;m0=lcosB;η2=e2cosB;L、B為轉(zhuǎn)換前的經(jīng)緯度坐標(biāo)；x、y為轉(zhuǎn)換后的高斯坐標(biāo)；L0為投影帶的中央經(jīng)線坐標(biāo)；C0、C1、C2、C3為與點(diǎn)位無關(guān)而只與橢球參數(shù)有關(guān)的常數(shù)。
　　2)坐標(biāo)變換(高斯坐標(biāo)到電子地圖坐標(biāo)的變換)
　　導(dǎo)航中的電子地圖是以獨(dú)立坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的，因此，必須將其納入到高斯平面直角坐標(biāo)系中。電子地圖的變形很小，只需考慮平移和縮放參數(shù)，變換公式為：

X=xK+X0
Y=yK+Y0

3　GIS數(shù)據(jù)組織與最佳路徑的搜索

　　系統(tǒng)采用GeoStar組織底層數(shù)據(jù)。GeoStar具有圖形屬性一體化先進(jìn)數(shù)據(jù)管理模型、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)組織等優(yōu)點(diǎn)。
3.1　圖形的分層
　　圖形部分分為3層：(1)?底圖部分。包括河流、湖泊、建筑物等基礎(chǔ)信息。(2)?路網(wǎng)。把路網(wǎng)分級(jí)管理，例如主干道、次干道等，并動(dòng)態(tài)建立拓?fù)潢P(guān)系。(3)?企事業(yè)單位。分為8大類管理，包括教育、黨政機(jī)關(guān)、銀行、賓館、商場(chǎng)等。
3.2　路網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系的建立
　　在路網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型中，只需要用到結(jié)點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)以及道路的連通性，即結(jié)點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)以及線段之間的拓?fù)潢P(guān)系。筆者遍歷路網(wǎng)數(shù)據(jù)建立了這種拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)，并按照最佳路徑算法的要求對(duì)這種數(shù)據(jù)按結(jié)點(diǎn)的編號(hào)進(jìn)行了排序。
　　考慮到城市道路網(wǎng)更新的速度相對(duì)較快，筆者采用了動(dòng)態(tài)方式建立路網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系，即系統(tǒng)在每次啟動(dòng)時(shí)檢測(cè)路網(wǎng)數(shù)據(jù),若發(fā)現(xiàn)路網(wǎng)數(shù)據(jù)已經(jīng)變動(dòng)，就重建拓?fù)潢P(guān)系。這樣，就不要求在系統(tǒng)啟動(dòng)之前預(yù)先建立拓?fù)潢P(guān)系。
3.3　最佳路徑搜索
　　計(jì)算最佳路徑時(shí)，采用經(jīng)典圖論中的Dijstra算法，也稱標(biāo)號(hào)法。Dijstra算法把結(jié)點(diǎn)標(biāo)記為臨時(shí)性的T標(biāo)號(hào)點(diǎn)和最終選定的P標(biāo)號(hào)點(diǎn)，并把起點(diǎn)作為第一個(gè)P標(biāo)號(hào)點(diǎn)，然后按照最短路徑的原則逐個(gè)選出T標(biāo)號(hào)點(diǎn)中的P標(biāo)號(hào)點(diǎn)，并按P標(biāo)號(hào)點(diǎn)擴(kuò)展T標(biāo)號(hào)點(diǎn)集，直到目標(biāo)點(diǎn)(或所有的點(diǎn))被標(biāo)為P標(biāo)
號(hào)點(diǎn)。從起點(diǎn)到終點(diǎn)的P標(biāo)號(hào)點(diǎn)序列就代表了所求的最佳路徑。
　　為了把Dijstra算法用于實(shí)際的道路網(wǎng)中，筆者進(jìn)行了一些補(bǔ)充，加入了對(duì)回避點(diǎn)的處理。即能夠在計(jì)算最佳路徑時(shí)，避開指定的回避點(diǎn)。另外，也對(duì)起點(diǎn)和終點(diǎn)是線段內(nèi)點(diǎn)的情況進(jìn)行了處理，使路段中間的點(diǎn)也能被選為起點(diǎn)、終點(diǎn)或回避點(diǎn)。
　　由于城市道路比較復(fù)雜，路網(wǎng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量很大，因此，為了提高搜索時(shí)間，還采用了廣度優(yōu)先的搜索法，即先在一定限制搜索范圍內(nèi)搜索路徑，然后逐步擴(kuò)大這一范圍，直到找到最佳路徑。
　　在道路網(wǎng)中，通常以路徑總長(zhǎng)最短為路徑的最佳標(biāo)準(zhǔn)，但也可以選擇像路寬、車流量、車速限制等因素作為判斷因子。例如，可以用路段長(zhǎng)度除以道路寬度作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，在這種標(biāo)準(zhǔn)下選出的最佳路徑就可以避開那些較窄的路段。

4　GPS坐標(biāo)與數(shù)字地圖匹配

　　本系統(tǒng)以GPS信號(hào)和已有的數(shù)字地圖為導(dǎo)航依據(jù)。
　　SA技術(shù)使GPS定位誤差約為100m，車輛在行駛過程中一般不會(huì)脫離道路。根據(jù)GPS得到的定位結(jié)果，利用數(shù)字地圖存儲(chǔ)的道路數(shù)據(jù)，按照一定算法將車輛位置強(qiáng)制性附合到道路上，其算法如下：
　　1)?在距由GPS得到的定位點(diǎn)100m范圍內(nèi)，搜索道路；
　　2)?道路的方向要與GPS信號(hào)的方向一致；
　　3)?GPS得到的當(dāng)前定位結(jié)果與上一點(diǎn)得到的定位結(jié)果間的距離除以時(shí)間間隔不可能大于汽車限速(200km/h)，否則認(rèn)為是粗差；
　　4)?把GPS誤差分解為平行道路方向和垂直道路方向，垂直道路方向誤差通過數(shù)字地圖得到消除；
　　5)?當(dāng)GPS信號(hào)丟失時(shí)，根據(jù)汽車的最近位置、速度及方向，推估汽車當(dāng)前的位置、方向。
　　在城市有些地段的高層建筑、路邊樹木、立交橋等障礙物可能遮擋衛(wèi)星信號(hào)，使GPS接收機(jī)不能跟蹤到足夠多的衛(wèi)星，造成較長(zhǎng)一段時(shí)間GPS信號(hào)丟失，采用車輪記速器、電子羅盤可以準(zhǔn)確地進(jìn)行車輛位置推估。

5　系統(tǒng)界面?

　　整個(gè)系統(tǒng)界面分成3個(gè)窗口，其中包括一個(gè)信息提示窗口和兩個(gè)圖形窗口。兩個(gè)圖形窗口是全局視窗和駕駛員視窗，如圖1所示。



圖1　車載導(dǎo)航系統(tǒng)界面
Fig.1　Interface?of?Mobile?Navigating?System

　　1)信息提示窗口：提示當(dāng)前汽車行駛街道名稱、汽車當(dāng)前位置、汽車已行駛里程數(shù)、已行駛里程占全程的百分比等信息。
　　2)全局視窗：按照普通方式顯示地圖數(shù)據(jù)，顯示最佳路徑和車輛軌跡，用戶可在其中完成選擇路徑的工作。
　　3)駕駛員視窗：這是一個(gè)旋轉(zhuǎn)窗口，窗口內(nèi)地圖始終按照駕駛員坐標(biāo)系顯示圖形，即汽車行駛方向始終向上。
　　在全局視窗和駕駛員視窗內(nèi)都可實(shí)現(xiàn)圖形的快速、實(shí)時(shí)縮放、漫游。
　　系統(tǒng)最佳路徑選擇有兩種方式：①用鼠標(biāo)在圖形窗口內(nèi)選擇可經(jīng)由點(diǎn)與不可經(jīng)由點(diǎn)，求得最佳路徑。②通過點(diǎn)狀地物名稱選擇可經(jīng)由點(diǎn)與不可經(jīng)由點(diǎn)，求得最佳路徑。上述兩種方式也可結(jié)合起來選擇最佳路徑。

6　結(jié)　論

　　系統(tǒng)除了可通過常規(guī)鼠標(biāo)鍵盤輸入之外，考慮到駕駛員駕駛汽車時(shí)需要集中精力，還可用無鼠標(biāo)鍵盤的聲音輸入，駕駛員通過聲音完成系統(tǒng)的全部基本操作。具體實(shí)現(xiàn)是在使用商用語音識(shí)別軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。?
6.1　技術(shù)路線的可行性
　　GPS接收機(jī)、數(shù)字地圖、電子羅盤、車輪記速器、汽車、軟件組成的導(dǎo)航系統(tǒng)在城市地區(qū)是可行的。以GPS接收機(jī)為主，電子羅盤、車輪記速器起補(bǔ)充作用；數(shù)字地圖提供基礎(chǔ)GIS信息，并可以糾正GPS漂移誤差。
　　另外，成功地引入了語音識(shí)別技術(shù)。為此，筆者把系統(tǒng)的基本操作歸結(jié)為上百條命令，用戶指令在上百條命令中搜索，提高了識(shí)別效率。不需訓(xùn)練就可通過聲音控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無鼠標(biāo)、鍵盤的人機(jī)交互。
6.2　有待解決的問題
　　(1)與路況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成。在街道上行駛時(shí)，需要知道當(dāng)前各路段交通的暢通情況，以便給用戶真正的“最佳路徑”。
　　(2)基礎(chǔ)道路數(shù)據(jù)的更新。城市在不斷地發(fā)展變化，城市路網(wǎng)也在變化，系統(tǒng)所用的數(shù)字地圖需要實(shí)時(shí)更新，如何實(shí)時(shí)更新GIS數(shù)據(jù)庫需要進(jìn)一步探討。
　　(3)道路網(wǎng)數(shù)據(jù)模型的改進(jìn)。城市交通設(shè)施中存在許多立交橋、單向車道，如何在基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)中表達(dá)立交橋，需要進(jìn)一步改進(jìn)數(shù)據(jù)模型，完整地表達(dá)道路的拓?fù)潢P(guān)系。
　　立交橋不能作為點(diǎn)來表示，應(yīng)作為“子圖”來處理。處理不同寬度、不同交通擁擠狀況的路段，一般加權(quán)處理，如何確定權(quán)值也需進(jìn)一步探討。
　　(4)在實(shí)際應(yīng)用中，模糊查詢非常重要，因此需要進(jìn)一步增強(qiáng)模糊信息的錄入、管理查詢功能。

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目，編號(hào)49631050。
李德仁，男，60歲，教授，博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院院士，中國(guó)工程院院士，歐亞科學(xué)院院士。現(xiàn)主要從事以遙感、全球定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)為代表的空間信息科學(xué)與技術(shù)的科研和教學(xué)工作。代表成果：高精度攝影測(cè)量定位理論與方法、GPS空中三角測(cè)量、SPOT衛(wèi)星像片解析處理、數(shù)
學(xué)形態(tài)學(xué)及其在測(cè)量數(shù)據(jù)庫中的應(yīng)用、面向?qū)ο蟮腉IS理論與技術(shù)、影像理解及像片自動(dòng)解譯以及多媒體通信等。已發(fā)表論文220余篇。
LI?Deren,male,60,professor,Ph.D?supervisor,member?of?the?Chinese?Academy?of?Sciences,member?of?the?Chinese?Academy?of?Engineering,member?of?the?Euro-Asia?International?Academy?of?Sciences.He?is?concentrated?on?the?research?and?education?in?spatial?
information?science?and?technology?represented?by?remote?sensing?(RS),global?positioning?system?(GPS)?and?geographic?information?system?(GIS).He?has?made?unique?and?original?contribution?in?the?areas?of?theories?and?methods?for?high?precision?
photogrammetric?positioning,GPS?aerotriangulation,analysis?and?processing?of?SPOT?imagery,mathematical?morphology?and?its?application?in?spatial?databases,theories?of?object-oriented?GIS,image?understanding?and?automatic?photointerpretation,multi-media?
communication?and?mobile?mapping?systems,etc.The?research?findings?have?promoted?the?progress?of?the?technology?directly?and?are?being?turned?into?products.He?published?papers?are?more?than?220.
E-mail:dli@wtusm.edu.cn
作者單位：李德仁（武漢測(cè)繪科技大學(xué)校長(zhǎng)辦公室，武漢市珞喻路129號(hào)，430079）
　　　　　郭丙軒（武漢測(cè)繪科技大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢市珞喻路129號(hào)，430079）
　　　　　王密（武漢測(cè)繪科技大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢市珞喻路129號(hào)，430079）
　　　　　雷霆（武漢測(cè)繪科技大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢市珞喻路129號(hào)，430079）

參　考　文　獻(xiàn)

［1］李德仁，龔健雅，邊馥苓，等.地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論.北京：測(cè)繪出版社，1993
［2］劉基余，李征航，王躍虎，等.全球定位系統(tǒng)原理及其應(yīng)用.北京：測(cè)繪出版社，1993
［3］陳小明.?高精度GPS動(dòng)態(tài)定位的理論與實(shí)踐：［學(xué)位論文］.?武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)，1997

收稿日期：1999-11-18