使用GPS数据确定道路线性几何结构的过程
摘要
交通安全和道路几何结构是严格相互关联的，因为道路的几何结构深深的影响着司机的行为。所以知道道路几何结构的平面图很重要。用于定义几何结构的道路中心线数据一般可以从现有地图或静态测量(传统调查)或动态测量(GPS接收器安装在一辆车)中收集。独立于测量技术和数据类型，定义道路几何结构的过程必须被应用到考虑道路应用程序所必须的精度水平中。为了定义根据道路几何识别的最终应用而确定的道路线性几何结构的的可靠性，本研究试图定义这个集成的数据的测量和处理过程的内在限制。
关键词：GPS，道路识别，移动地图系统;
1.简介
道路几何知识是保证更高的行车安全标准的必要的要求之一。司机实际上受道路几何形状的影响，因为他们根据自己在该领域已经得到的看法、驾驶能力和积累的经验选择适应的驾驶方式[1]。
现有路线的知识和车 - 路相互作用的研究（主要是基于车辆动态的平衡）给予我们判断和附带的关键点定位，让我们有选择更好的维修工程以减轻批评的可能。
为了达到这些目标和提高交通安全，对水平道路的中心线的几何结构的定义必须包含所有构成道路的几何元素。
事实上，许多国家对更好地了解交通危险、更安全和可持续发展的交通都十分重视。欧洲道路安全计划[2]的目的是通过使用户自觉和在道路设计人员和管理者中传授经验和知识这一政策手段从而极大地减少道路交通事故的数量。这也可以通过对道路的深刻的认识达成。
本文提出了一种方法自动的、重复的识别组成布局的几何元素：水平（切线，周长和螺旋曲线）和纵向（垂直切线和曲线）。
该方法接受的定义曲率所指的曲线横坐标，由动态定位测量收集的数据通过最小二乘[3]回归方法进行数据的精确拟定。分析结果是基本几何元素的连续序列组成检查道路的平面路线。
因为验证结果的困难，调查方法必须预先设定：车辆速度和接收机采样的时间频率决定了测量点间的距离。这些物理量通常必须根据道路类别和几何元素中测量的曲率值改变。
另外，无关测量技术，定义道路几何结构的步骤必须考虑对特定的公路应用程序必不可少的精度水平。
2.数据
道路线形的地理参考数据可以从现有的地图或直接通过GPS（全球定位系统）接收机获得。在这项研究中，因为数据在应用方面的高通用性和低运营成本，使得数据已经被测量系统利用移动地图系统收集完毕，[4],[5]。通常，一个M.M.S.使用一辆车和不同的集成设备：一个GPS接收器，INS（惯性导航系统）和里程表是车辆的路径组件，[6]，[7]，[8]；其他传感器（数码相机，激光扫描仪，陀螺仪等）获取关于道路路径的附加信息。设备的开发和集成水平随着测量的目标和适用的标准而变化：换句话说，根据获得数据的类型和地理参考数据的质量而变化。在WGS84参考系统和在时间频率条件下，路径组件取得空间坐标x，y，Z。与此同时，一个高精度的同步装置将空间位置和从各种传感器获得的数据结合在一起：这样一个地理参考数据系统就实现了。
使用的GPS的空间分辨率和维持车辆行驶路径平行于道路中心线的难度直接决定了数据的质量。全球定位系统的固有误差总是出现在使用相位测量的差分系统中[7]，并且偶然误差和系统误差是由于卫星的不精确的绝对时间、折射现象或轨道计算造成的。这些误差的值可能有十米。由于电磁干扰和多路径造成的误差可能是不重要的。移动地图系统的其它组件可能受到固有误差的影响，比如导航系统组件的集成误差或者同步误差。在最好的情况下，如果使用一个惯性系统的精度，平面测量的精度可以控制在10厘米以下：位置数据的精度取决于设备质量和测量阐述系统的复杂性[7]。
某些使测量不准确的情况可能会发生（例如，可用的卫星的数目）。
另一个已经考虑的重要的方面是数据采集的频率：它是根据相对于道路的重要性和沿着道路线形等候的最小半径被选择作为时间频率。
除了设备的不精确，因为一定量的横向偏心始终存在导致车辆路径记录点和道路中心线不重合。此外，道路中心线并不是真的可见，但它通常和中间线的标记重合。
3.道路中心线的定位
根据定位数据定义道路中心线是不切实际的。这个问题对于合理的科学应用是不寻常的，因为除了测量仪器的固有误差，这涉及到了一个三维曲线的无法实现。该曲线通常被称为一个物理上确定的线，例如铺装路面平台、标记、或其他的中心线;但这些元素随着在时间流逝中的磨损和维修工作是变化的。
这项研究根据实际的意大利对于道路设计的标准已经开发了一些程序对道路中心线个体化。这个标准规定根据道路横截面组织对道路中心线进行不同的定义：
*单车道有两种交通方式：中心线是分离相反交通的线的标记（它可以不同于道路平台的几何中心线）;
*单车道有一种交通方式：中心线是行车道的几何中心线（它可以不同于道路平台的几何中心线）;
*两个独立的行车道;如果设计的中心线是唯一的，该道路中心线是中间的几何中心线，否则它是每个平台的中心线。
对于单车道或者双车道，有两种不同的算法被用来定义点集，这些点的集合在空间上绘制了道路中心线。
对于单车道有两种交通方式，有两个点集被记录，一个被用于记录每种交通方式，被定义为：通过覆盖的任意方向的道路被记录成正向集和反向集。这种算法在Visual Basic应用程序中得以实现的，它定义对于每个正向集中的j点和最近的反向集中的k点，用坐标为( , )的点作为j点和k点的估算的中间点。
其中：
, 中间点坐标
正向集中点的坐标
反向集中点的坐标
接着，对属于反向集的点进行同样的处理并且排除了在前一阶段确定的中心线的其他点。
在这种方式中，用一种不和谐的方式确定了中心线点(它和其他研究中用一种独立于序列数据分析的方法非常类似）。此过程假定两个车道的中心线具有相同的距离。此阶段之后，可以绘制对齐。此阶段之后可以绘制准线。
在两个单独的行车道的情况下，两个中心线使用车道分开并进行单独分析。
4.道路线形几何的认识
为了通过描述和道路中心线点的排列顺序从而认识道路的水平和垂直元素，计算的另一种特定的算法已经被编译在VBA中。
地上物识别的目的是为了辨别在意大利道路设计中可被同化到任何初级的水平要素的部分道路 [1]:切线，圆曲线和回旋线。这些参数明确的描述了任何在这个计划中已经被个性化、测定的要素：圆形曲线的半径R和中心坐标 (x c ,y c )，切线的明确的直线方程y=mx+q和线段的起点和终点的坐标。此外，对过渡曲线的认识受到切线和圆周弧的开始位置的影响[13]。
该切线与圆周弧的初步判定受到使用最小二乘法迭代应用程序的移动基站n的影响，n由足够的道路线形代表点构成。
移动基站的数量由要测定的点的数量确定，通过回归的方式，基本元素的特性能够更好地接近所考虑的要点。它设想注意的重要性因为这影响到了该方法的有效性：被选择在随后的相对于敏感性分析的结果进行描述。
相对于回归曲线的合适与否，一些回归质量指标已经从最小二乘法的应用程序中确定。这些指标通常依赖于给定点和通过拟合曲线假定的点之间的距离di。
因此，最好的近似是通过获得最小指标值来改变某些参数的合适的拟合曲线。
最小二乘优化的这一原则已用于认识围线，这些围线更能展示部分道路看重的各自的移动基站。它需要记住从测量中得到的输入数据，因此，坐标x和y之间不存在任何关系：这导致不允许考虑其中任何一个作为自变量，如图2。
图2.使用X和Y独立变量的最小二乘法
致谢
作者感谢Eng. Luciano Cera (Cera Ingegneria)提供的位置数据，这些数据轨迹图子系统在一些路段进行的MMS测量中获得，感谢Eng. Carlo Santoponte在分析模型的初始版本的发展中的贡献。
参考
[1] Ministero delle Infrastrutture e Trasporti. Decreto ministeriale n.6792 /2001 (2001). Norme funzionali e geometriche per la costruzione delle strade. S.O. n. 5 G.U. 4/1/2002, n. 3. (in Italian).
[2] European Commission. (2007). Road safety: European action plan continues to deliver results - target of saving 25000 lives on Europe's roads by 2010 is attainable.
[3] Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti .Decreto Ministeriale n.3484/2001 (2001). Modalità di istituzione ed aggiornamento del Catasto delle Strade. S.O. n. 6 G.U. 7/1/ 2002, n. 5.(in Italian).
[4] Palermo,C., Cera, L., Bidetta, F.(2007). L'evoluzione dei veicoli ad alto rendimento per il rilievo stradale. Strade&Autostrade, 3, 1-4 (in Italian)
[5] Mussumeci, G.,& Sigillato, G. Mobile Mapping System per il rilevamento delle strade. Strade&Autostrade,online,http://www.stradeeautostrade.it/materiali/articolo.asp?arid=874.Accessed April 2009. (in Italian).
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[10] Cantisani, G., Loprencipe, G., Dondi, D., Ranzo, A. (2004). Spline Curves for Geometric Modelling of Highway Design. Florence:IIS.I.I.V. International Congress: New Technologies and Modeling Tools for Road applications to design and management. ISBN 8884532698.
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[13] Crisman, B., Robba, A. (2004). Safety Evaluation: Practical Use Of Collected-Data Vehicle To Obtain Geometric Information Of Existing Roadways.Florence: II S.I.I.V. International Congress: New Technologies and Modeling Tools for Road applications to design and management. ISBN 8884532698.
[14] Santoponte, C. (2004). Ricostruzione della geometria dei tracciati stradali dai rilievo GPS. Master degree thesis. Sapienza, Università di Roma, Civil Engineering AA 2003-2004 (in Italian).
