基于GPS與GIS集成的車輛導航系統設計與實現
李德仁 郭丙軒 王密 雷霆
摘 要 介紹了基于GPS與GIS集成的車輛導航系統設計與實現，探討了導航系統中電子地圖的空間數據組織，提出了GPS信號與GIS路網數據匹配、快速的郵路選擇、最佳路徑選擇、地圖隨駕駛方向快速實時旋轉技術及語音提示、語音識別技術的使用。
關鍵詞 3S集成;車輛導航;信息融合;匹配;最佳路徑;郵路問題;語音識別;快速顯示
分類號 P228.42；P208 文獻標識碼 A
文章編號：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(ITS)將成為今后交通發展的主要方向。作為智能交通系統重要組成部分的車輛導航成為了研究的熱點。導航系統幫助司機選擇最佳路徑，提高效率，為司機提前提供道路信息，例如道路轉彎、交通事故易發區的提示，降低交通事故發生率。
1 系統設計與組成
在導航系統中，應用GIS組織管理路網空間數據及屬性數據，各種單位進行分類管理，并對?路網建立拓撲關系。GPS接收機實時接收衛星信號并轉換為坐標信息，與地圖數據進行匹配。這是一種典型的GPS與GIS集成形式。
1.1 系統組成
系統包括：主頻266MHz工控機一臺(帶多媒體設備)、GPS接收機、電子羅盤、車輪記速器、操作系統、GPS信號處理軟件、GPS與GIS集成軟件、語音識別軟件、電子地圖等。
1.2 系統功能
.地圖的顯示、縮放、漫游、圖形的任意旋轉；
.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，都可任意設置可經由點、不可經由點；
.最佳路徑導航和隨機導航兩種導航方式；
.實時顯示車的當前位置和軌跡；
.GPS漂移誤差的糾正；
.當GPS信號丟失時，推估車的當前位置；
.GPS坐標與地圖匹配，駕駛方向的確定，根據駕駛方向實時地把前進方向調整到正北方向；
.行車道路、位置、到達目的地等豐富的聲音、文字提示；
.可以擺脫傳統的鼠標、鍵盤輸入，采用聲音輸入，而且不需要口音適應。
2 GIS部分與GPS部分的接口
使用DDE實現了GIS軟件與GPS軟件的接口與通訊，使用DDE可使不同的應用程序之間交換信息與數據。
2.1 對GPS信號的實時接收
使用DDE與GPS信號處理軟件通訊，實時接收GPS信號。DDE是過程之間的通訊機制(IPC)，它使用Windows消息和共享內存，使相互合作的應用程序能夠交換數據。DDE中潛在著一種協議，發送應用程序和接收應用程序在交換數據時必須遵守這種協議。
DDE適用于從一個應用程序到另一個應用程序來傳遞數據，尤其是接收程序必須操縱數據時。用客戶機/服務器的術語來講，數據的提供就是一個服務器，而數據的接收者就是DDE的客戶機。在DDE中，客戶機應用程序和服務器應用程序必須都知道數據格式。系統使用的DDE對話格式為(經
度，緯度，速度，方向，高程，時間)。
2.2 對GPS信號的實時處理
1)?投影變換(經緯度坐標到高斯坐標的變換)
由于GPS接收機接收到的是經緯度坐標，因此，首先必須通過高斯投影將其轉換成高斯坐標，轉換公式如下：
式中，XB0=C0B-cosB(C1sinB+C2sin3B+C3sin5B);t=tanB;l=L-L0;N=;m0=lcosB;η2=e2cosB;L、B為轉換前的經緯度坐標；x、y為轉換后的高斯坐標；L0為投影帶的中央經線坐標；C0、C1、C2、C3為與點位無關而只與橢球參數有關的常數。
2)坐標變換(高斯坐標到電子地圖坐標的變換)
導航中的電子地圖是以獨立坐標系為基準的，因此，必須將其納入到高斯平面直角坐標系中。電子地圖的變形很小，只需考慮平移和縮放參數，變換公式為：
X=xK+X0
Y=yK+Y0
3 GIS數據組織與最佳路徑的搜索
系統采用GeoStar組織底層數據。GeoStar具有圖形屬性一體化先進數據管理模型、面向對象的數據組織等優點。
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、建筑物等基礎信息。(2)?路網。把路網分級管理，例如主干道、次干道等，并動態建立拓撲關系。(3)?企事業單位。分為8大類管理，包括教育、黨政機關、銀行、賓館、商場等。
3.2 路網拓撲關系的建立
在路網的數學模型中，只需要用到結點與結點以及道路的連通性，即結點與結點以及線段之間的拓撲關系。筆者遍歷路網數據建立了這種拓撲關系數據，并按照最佳路徑算法的要求對這種數據按結點的編號進行了排序。
考慮到城市道路網更新的速度相對較快，筆者采用了動態方式建立路網拓撲關系，即系統在每次啟動時檢測路網數據,若發現路網數據已經變動，就重建拓撲關系。這樣，就不要求在系統啟動之前預先建立拓撲關系。
3.3 最佳路徑搜索
計算最佳路徑時，采用經典圖論中的Dijstra算法，也稱標號法。Dijstra算法把結點標記為臨時性的T標號點和最終選定的P標號點，并把起點作為第一個P標號點，然后按照最短路徑的原則逐個選出T標號點中的P標號點，并按P標號點擴展T標號點集，直到目標點(或所有的點)被標為P標
號點。從起點到終點的P標號點序列就代表了所求的最佳路徑。
為了把Dijstra算法用于實際的道路網中，筆者進行了一些補充，加入了對回避點的處理。即能夠在計算最佳路徑時，避開指定的回避點。另外，也對起點和終點是線段內點的情況進行了處理，使路段中間的點也能被選為起點、終點或回避點。
由于城市道路比較復雜，路網數據的數據量很大，因此，為了提高搜索時間，還采用了廣度優先的搜索法，即先在一定限制搜索范圍內搜索路徑，然后逐步擴大這一范圍，直到找到最佳路徑。
在道路網中，通常以路徑總長最短為路徑的最佳標準，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，可以用路段長度除以道路寬度作為判斷標準，在這種標準下選出的最佳路徑就可以避開那些較窄的路段。
4 GPS坐標與數字地圖匹配
本系統以GPS信號和已有的數字地圖為導航依據。
SA技術使GPS定位誤差約為100m，車輛在行駛過程中一般不會脫離道路。根據GPS得到的定位結果，利用數字地圖存儲的道路數據，按照一定算法將車輛位置強制性附合到道路上，其算法如下：
1)?在距由GPS得到的定位點100m范圍內，搜索道路；
2)?道路的方向要與GPS信號的方向一致；
3)?GPS得到的當前定位結果與上一點得到的定位結果間的距離除以時間間隔不可能大于汽車限速(200km/h)，否則認為是粗差；
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字地圖得到消除；
5)?當GPS信號丟失時，根據汽車的最近位置、速度及方向，推估汽車當前的位置、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星信號，使GPS接收機不能跟蹤到足夠多的衛星，造成較長一段時間GPS信號丟失，采用車輪記速器、電子羅盤可以準確地進行車輛位置推估。
5 系統界面?
整個系統界面分成3個窗口，其中包括一個信息提示窗口和兩個圖形窗口。兩個圖形窗口是全局視窗和駕駛員視窗，如圖1所示。
圖1 車載導航系統界面
Fig.1 Interface?of?Mobile?Navigating?System
1)信息提示窗口：提示當前汽車行駛街道名稱、汽車當前位置、汽車已行駛里程數、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據，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：這是一個旋轉窗口，窗口內地圖始終按照駕駛員坐標系顯示圖形，即汽車行駛方向始終向上。
在全局視窗和駕駛員視窗內都可實現圖形的快速、實時縮放、漫游。
系統最佳路徑選擇有兩種方式：①用鼠標在圖形窗口內選擇可經由點與不可經由點，求得最佳路徑。②通過點狀地物名稱選擇可經由點與不可經由點，求得最佳路徑。上述兩種方式也可結合起來選擇最佳路徑。
6 結 論
系統除了可通過常規鼠標鍵盤輸入之外，考慮到駕駛員駕駛汽車時需要集中精力，還可用無鼠標鍵盤的聲音輸入，駕駛員通過聲音完成系統的全部基本操作。具體實現是在使用商用語音識別軟件基礎上進行二次開發。?
6.1 技術路線的可行性
GPS接收機、數字地圖、電子羅盤、車輪記速器、汽車、軟件組成的導航系統在城市地區是可行的。以GPS接收機為主，電子羅盤、車輪記速器起補充作用；數字地圖提供基礎GIS信息，并可以糾正GPS漂移誤差。
另外，成功地引入了語音識別技術。為此，筆者把系統的基本操作歸結為上百條命令，用戶指令在上百條命令中搜索，提高了識別效率。不需訓練就可通過聲音控制系統，實現無鼠標、鍵盤的人機交互。
6.2 有待解決的問題
(1)與路況監測系統的集成。在街道上行駛時，需要知道當前各路段交通的暢通情況，以便給用戶真正的“最佳路徑”。
(2)基礎道路數據的更新。城市在不斷地發展變化，城市路網也在變化，系統所用的數字地圖需要實時更新，如何實時更新GIS數據庫需要進一步探討。
(3)道路網數據模型的改進。城市交通設施中存在許多立交橋、單向車道，如何在基礎路網數據中表達立交橋，需要進一步改進數據模型，完整地表達道路的拓撲關系。
立交橋不能作為點來表示，應作為“子圖”來處理。處理不同寬度、不同交通擁擠狀況的路段，一般加權處理，如何確定權值也需進一步探討。
(4)在實際應用中，模糊查詢非常重要，因此需要進一步增強模糊信息的錄入、管理查詢功能。
國家自然科學基金重點資助項目，編號49631050。
李德仁，男，60歲，教授，博士生導師，中國科學院院士，中國工程院院士，歐亞科學院院士。現主要從事以遙感、全球定位系統和地理信息系統為代表的空間信息科學與技術的科研和教學工作。代表成果：高精度攝影測量定位理論與方法、GPS空中三角測量、SPOT衛星像片解析處理、數
學形態學及其在測量數據庫中的應用、面向對象的GIS理論與技術、影像理解及像片自動解譯以及多媒體通信等。已發表論文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（武漢測繪科技大學校長辦公室，武漢市珞喻路129號，430079）
郭丙軒（武漢測繪科技大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢市珞喻路129號，430079）
王密（武漢測繪科技大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢市珞喻路129號，430079）
雷霆（武漢測繪科技大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢市珞喻路129號，430079）
參 考 文 獻
［1］李德仁，龔健雅，邊馥苓，等.地理信息系統導論.北京：測繪出版社，1993
［2］劉基余，李征航，王躍虎，等.全球定位系統原理及其應用.北京：測繪出版社，1993
［3］陳小明.?高精度GPS動態定位的理論與實踐：［學位論文］.?武漢：武漢測繪科技大學，1997
收稿日期：1999-11-18