[发明专利]一种充分借助车辆航向的三阶段在线地图匹配算法

权利要求书

1.一种充分借助车辆航向的三阶段在线地图匹配算法，其特征在于包含以下三阶段：

(1)在第一阶段，为一个给定的GPS轨迹点，利用空间位置信息和车辆航向信息确定top-k个路网中最可能的候选边；

(2)在第二阶段，利用车辆航线信息来寻找两个相邻GPS轨迹点之间的潜在行驶路径；

(3)在第三阶段，为一系列连续GPS轨迹点集合，挑选出车辆真实的行驶路径；

所述的第一阶段包含以下四个步骤：

步骤1：对给定的一个GPS轨迹点，先以该GPS轨迹点为圆心，以长度r为半径画圆，在该圆覆盖下的路网中所有的边都是该GPS轨迹点的候选边；

步骤2：利用空间概率，计算步骤1筛选出的候选边是给定GPS轨迹点真正匹配边的可能性高低；假设给定GPS轨迹点p_i与候选边e_j的距离差为距离差通常是正态分布函数，其表达式如下：

公式中距离差的计算方法如下:函数dist是用来计算两点之间距离的，C₁和C₂分别是候选边e_j的两个节点，C₃是GPS轨迹点p_i到候选边e_j上的垂直点；注意如果C₃不在边e_j上，那么dist(p_i,C₃)→+∞；σ₁是标准差，为了计算它，我们先利用现有的经典地图匹配算法计算出每个GPS轨迹点的匹配边，然后求解所有GPS轨迹点与它们对应的匹配边的距离差集合，最后拟合出σ₁的值；

步骤3：利用方向概率，计算步骤1筛选出的候选边是给定GPS轨迹点真正匹配边的可能性高低；假设给定GPS轨迹点p_i与候选边e_j的角度差为角度差同样是正态分布函数，其表达式如下：

路网中的每条边都有两个端点n_h和n_t，因此它们都有两个方向d(n_h,n_t)和d(n_t,n_h)，d(n_h,n_t)指边的方向是从端点n_h到n_t，d(n_t,n_h)指边的方向是从端点n_t到n_h；公式中角度差的计算方法如下：σ₂也是标准差，计算方法与σ₁一致；

步骤4：根据步骤2和3中得到每个GPS轨迹点所有候选边的空间概率G₁和方向概率G₂，先算出每个边的综合概率然后对综合概率G高低进行排序，最后选出top-k个概率最大的候选边；

所述的第二阶段包含以下两个步骤：

步骤1：利用车辆航向和速度信息确定潜在搜索区域，它是一个扇形区域，由以下三个条件唯一确定：第一，扇形的圆心是两个GPS轨迹点中的第一个轨迹点p_i；第二，扇形的半径等于max(v_pi,v_pi+1)×Δt+c，v_pi和v_pi+1分别为两个GPS轨迹点的速度，Δt是两个相邻GPS轨迹点的采样时间间隔，c是常数；第三，扇形由两个半圆组成，每个半圆的直径分别与两个GPS轨迹点上的车辆航向hi和hi+1垂直；

步骤2：在潜在的搜索区域内，寻找两个相邻GPS轨迹点之间的潜在路径；因为每个GPS轨迹点有k个候选边，那么任意两个相邻GPS轨迹点在潜在搜索区域内，可能有k²个潜在路径；先根据车辆航向信息，判断GPS轨迹点对应的两个候选边中的节点哪个是路径的起点n_s和终点n_e；确定路径的起始点后，然后利用如下步骤搜索路径；首先对于在潜在搜索区域内所有的路网节点n_i，找到其子节点n_c；子节点n_c满足以下两个条件：如果n_c是n_i的子节点，那么与n_i相比，n_c应该离n_e更近，并且离ns更远，如公式(3)和(4)所示；并且从n_i到n_c的方向应该与车辆航向h_i和h_i+1一致，如公式(5)所示；

dist(n_c,n_e)dist(n_i,n_e)---(3)

dist(n_c,n_s)dist(n_i,n_s)---(4)

min(|h_i-d(n_i,n_c)|,|h_i+1-d(n_i,n_s)|)90°---(5)

接着我们根据确定的父子节点关系，以n_s为根节点，利用潜在搜索区域内的其他节点建立树结构；如果构建的树不包含n_e，那么我们认为该两个GPS轨迹点之间不存在路径；否则利用深度搜索算法来找到两轨迹点之间的潜在路径，注意一旦路径找到，搜索停止。

2.根据权利要求1所述的一种充分借助车辆航向的三阶段在线地图匹配算法，其特征在于所述的第三阶段包含以下步骤：

对于任意两个相邻的GPS轨迹点之间最多有k²个潜在路径，那么对于一个包含了l个轨迹点GPS的轨迹片段，至多会存在k^2(l-1)条潜在路线；因为路径中每个边是相应GPS轨迹点真正匹配边的概率高低不同，所以每条路线是车辆真正行驶路径的可能性也是不同的；用公式(6)来计算每条路径是车辆真正行驶路径的概率大小，最终输出概率最大的路径作为匹配路径；

这里的指的是候选边e_j是轨迹点p_i真正匹配边的综合概率值；注意，对于一个包含l个GPS轨迹点的轨迹片段＜p₁,p₂,…,p_l＞的可能路径被表示为这里的指的是轨迹点p_i第j个候选边；指的是从候选边到候选边的路径。