一种用超大规模GPS数据生产全国道路数字图像的方法技术

本发明专利技术属于GPS空间大数据挖掘技术。本了明将GPS卫星+车载移动终端设计成一个24小时不间断运行的公路专用光学成像系统，将每一台车载GPS转换成了一个移动的暴光光源。本发明专利技术首先对WGS84坐标平面做严格的序列化格网区划，在任意格网区划级别下，全部网格被区分为道路网格和非道路网格二类，凡有车载GPS记录映入的网格视为道路网格，在超大规模GPS数据支持下，能够生产出优于１:5000比例尺的覆盖全国路网的高精度道路数字图像。

A Method of Producing National Road Digital Images with Ultra Large-scale GPS Data

【技术实现步骤摘要】
一种用超大规模GPS数据生产全国道路数字图像的方法
本专利技术属于超大规模GPS空间大数据挖掘
，与地理信息系统技术、数字图像技术、超级计算技术相关。本专利技术所连续生产全国公网路数字图像是GPS大规模应用的基础性数据支撑，与车辆保险、无人汽车、地图测绘、国防安全等诸多领域关系密切。本专利技术所指GPS，是包括中华人民共和国的北斗导航系统在内的所有全球卫星定位系统，并不是特指美国的GPS系统。
技术介绍
随着GPS移动终端的大规模普及应用，在全社会范围内迅速地累积起了超大规模的GPS数据。截止2017年中，交通部所属全国联网联控平台和全国公共货运平台，累积接收数据量远超过万亿条，范围覆盖全国所有实际可通行道路及部份国外道路。由于车载北斗/GPS的应用，必须要有电子地图，特别是道路电子地图作为基础数据支持，因此道路电子地图的制作与连续更是一项重要的基础性的工作。用GPS轨迹数据制作道路电子地图，由来已久。在小规模GPS数据情况下，任取一台车辆在一定时段内的轨迹数据，按时间先后顺序连接成折线，能大致反映所经道路的形状，这成为早期GPS数据挖掘所基于的基本事实。随着GPS数据量的增加，人们发现，用连续两点连成线段表示道路的方法，除了在直线道路上效果较好之外，在弯道处会严重偏离道路的真实情况，因此将连续两点画线段的方法，改进为端点+中间插值点的离散点方法，效果大为改善。但随着GPS数据量的进一步增加，由于插值点的影响，所得到的道路数字图像同样严重偏离真实的道路数字图像。本专利技术基于车载GPS大数据，连续生产全国公网路数字图像，从而实现源于GPS、服务GPS、优化GPS的良性循环。本专利技术计算规模巨大，常规商用数据处理工具软件，如ORACLE、ARCGIS等对于万亿级数据的全局性处理，彻底无能为力，本专利技术的计算机实现需要从底层开发超大规模高效计算程序，目前本专利技术的计算实现，仅能在专利技术人专门研制的“霞光一号”专用超级计算机上实现。
技术实现思路
道路数字图像本质上是道路小块（可以形象地理解为一块路砖）与像素之间的一种一一对应的函数对应关系。这种函数对应关系最为简单直接的建立方法是：在WGS84坐标系下，将坐标平面区划成由统一形状、大小的网格所组成的等经纬差格网，将整个坐标平面对应到一幅空白的数字图像，每一个地表网格唯一对应到数字图像中的一个像素。每一条GPS数据，依其经纬值，落入且唯一落入一个网格之中。利用汽车通常是行驶于公路的特点，如果某网格有GPS点落入，则相对应的像素做一次暴光，该网格记为道路，否则为非道路。本专利技术首先发现，基于交通部全国联网联控平台所产生的超大规模GPS数据，可以获得亚米级空间分辨率的覆盖全国的道路数字图像，足以反映道路的细部特征，足以达到实用产品的应用需求，而这恰恰是GPS本身使用所必须的基础空间数据。大地坐标系建立：本专利技术首选GPS本身所用的WGS84坐标系，其次。根据具体任务的需要，可以选用与WGS84有明确换算关系的其它坐标系，例如WEB墨卡托投影坐标系。基础格网区划：基础格网的区划直接决定最终数字图像产品的空间分辨率，而数字图像空间分辨率无论在逻辑上还是在数值上都恰好等于将浮点型经纬度转换为整数型经纬时所用乘系数的倒数（这一层逻辑关系极为重要，读者务必通透理解）。本专利技术取长宽均为1/256秒经纬差所对应的地面区域为基础网格。也即将每一经纬度秒等分为256等份，将每一经纬度等分为60′*60〞*256=921,600等份。在我国境内，一个基础网格约相当于地面0.1m*0.1m的一个区域。本专利技术将其规定为G0级数字产品。在选定的坐标系下，严格从坐标原点起开始区划，沿相同的坐标方向，故每个基本单元的空间位置、范围唯一确定，基本单元依上下文语义不同，又可以称为网格，光栅，像素等等。整个地球表面依上下文语义不同，又可以称为格网，数字图像等等。系列格网区划：在G0级数字产品的基础，网格的尺寸依次按2的整数次幂扩大，例如4级数字产品的宽度为2^4/256秒，约相当于地面宽度1.6m，依此类推，最高定义到20级数字产品，参数如表1：表1产品分级参数表数字产品级别边长基本单元数赤道圈上地面长度（米）比例尺（96dpi）左下角经度左下角纬度右上角经度右上角纬度G010.12457000.003906250.00390625G120.24913000.00781250.0078125G240.481826000.0156250.015625G380.973652000.031250.03125G4161.937304000.06250.0625G5323.8714609000.1250.125G6647.7329218000.250.25G712815.4658435000.50.5G825630.921168710011G951261.842337420022G101024123.694674830044G112048247.389349670088G124096494.751869934001616G138192989.513739867003232G14163841979.017479735006464G15327683958.031495947000128128G16655367916.052991893900256256G1713107215832.105983787800512512G1826214431664.201196757560012041204G1952428863328.402393515120020482048G201048576126656.804787030240040964096注：地球半径取6378137m，基本网格边长为1/256秒经纬差,右侧四列为第一象限第一个网格的经纬度坐标，单位为秒。本专利技术首次根据全国联网联控平台所累积的车载GPS数据，生产出了覆盖全国公路的3级产品，部份数据特别丰富的区域，如陕西汉中市区，甚至可以生产出2级产品。本专利技术所得到的道路数字图像，经与国家测绘局国家基础地理数据库，在GIS下直接叠加比对，证明所得道路形状位置正确无误！可以直接作为服务于车载GPS应用的APP的基础道路地图数据。本专利技术彻底摆脱了对第三方道路地图基础数据的依赖。不同于在飞机上随意俯拍的地面照片，遥感技术在严格的参数控制之下，所拍摄的遥感影像具有了严格的对地科学观测意义。借用遥感成像原理，本专利技术利用GPS卫星+车载移动终端，逻辑上组装成一个24小时不间断运行，类似于光学遥感的道路成像系统，其中用GPS卫星替代遥感卫星平台，用车载终端替代遥感卫星成像装置。不同之处在于，光学遥感相当于一次暴光成像，本专利技术相当于多次延时暴光成像，准确地说，每一条GPS数据等效于对一个光栅的一次暴光操作。原始数据越多，所能生产数字图像的空间分辨率越高。正由于有全国性超大规模的GPS数据源，从而保证了第一手观测资料的充足来源。相比于常规遥感，本专利技术的道路专用遥感系统具有高空间分辨率（最高分辨率0.1m）,与阴天、夜间无关的全天候特性，根本上消除中心投影误差，具有严格正射投影特性，只针对特定对象如道路的靶向特性，专业性等独特优点。本专利技术将每一台移动GPS终端转化为一个外业调查组，由于移动GPS终端数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.在WGS84坐标系下，严格从坐标原点起算，严格沿坐标轴方向，将整个坐标平面区划为由等经纬差组成的格网，取经纬差为1/256秒的网格为基础网格，并定义为G0级数字产品，在G0级数字产品的基础上，依次按2的整数次幂放大网格尺寸，形成系列的格网区划，分别定义从0级到20级，共计21个产品等级，每一级数字产品对应于一张覆盖整个WGS84坐标平面、未经暴光的空白道路数字图像。

【技术特征摘要】
1.在WGS84坐标系下，严格从坐标原点起算，严格沿坐标轴方向，将整个坐标平面区划为由等经纬差组成的格网，取经纬差为1/256秒的网格为基础网格，并定义为G0级数字产品，在G0级数字产品的基础上，依次按2的整数次幂放大网格尺寸，形成系列的格网区划，分别定义从0级到20级，共计21个产品等级，每一级数字产品对应于一张覆盖整个WGS84坐标平面、未经暴光的空白道路数字图像。2.分别数字产品等级，依GPS原始数据中的经纬度值逐条唯...

【专利技术属性】
技术研发人员：周科松，
申请(专利权)人：周明儒，
类型：发明
国别省市：湖南,43