本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)與地圖配準(zhǔn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種GPS地圖到三維地圖的映射方法。

背景技術(shù)：

近十年來，隨著全國高校校園規(guī)模的擴(kuò)大，校園公交的普及率顯著提升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年綜合排名前100所高校中，38%的高校開設(shè)了校園公交。以福州大學(xué)為例，在福州大學(xué)城內(nèi)的高校中，開設(shè)校園公交的學(xué)校達(dá)到了80%。它為學(xué)生在校內(nèi)移動提供了極大的便利，但也存在一些亟待解決的問題。從管理者角度來看，校園公交存在嚴(yán)重的調(diào)度問題，導(dǎo)致資源利用率不高。校園公交的管理相當(dāng)困難，管理者無法實(shí)時了解校園公交位置，因而未能根據(jù)學(xué)生人流實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)配，造成資源浪費(fèi)。從學(xué)生角度看來，存在“學(xué)生等車難、上車也難”的問題。一方面，學(xué)生無法了解校園公交的實(shí)時位置信息，只能盲目等待，有時甚至需要等上幾十分鐘。另一方面，校園公交座位有限，長時間苦等到的校園公交常常是滿載而來，嚴(yán)重影響了學(xué)生的出行選擇。

目前，定位系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在平面地圖當(dāng)中，如谷歌地圖、百度地圖、高德地圖和騰訊地圖等，但在校園內(nèi)部，這些地圖無法準(zhǔn)確地提供更加直觀和清晰的校園內(nèi)部格局和建筑信息，對用戶的體驗(yàn)效果不夠理想。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國高校大部分都有自己定制版的三維地圖，校園公交導(dǎo)航項(xiàng)目采用這種范圍適合、色彩鮮亮、畫面制作精美、建筑物突出明顯的校園三維地圖，將大大提高系統(tǒng)視覺效果和提升用戶體驗(yàn)性。但要使用校園三維地圖進(jìn)行導(dǎo)航，需要拋棄傳統(tǒng)的單純調(diào)用地圖供應(yīng)商如百度地圖API導(dǎo)航的思路，通過將GPS數(shù)據(jù)與校園三維地圖位置信息精確銜接，才能夠在校園地圖上準(zhǔn)確顯示校園公交的實(shí)時位置。

然而，校園三維地圖實(shí)質(zhì)上通常是一張經(jīng)過壓縮、投影后具有三維視覺效果的二維圖片，準(zhǔn)確說來，它應(yīng)稱作“2.5維地圖”或“偽三維地圖”，即只是將建筑物等物體投影立體化的平面地圖。以福州大學(xué)校園三維地圖為例，是一張716*4083分辨率的JPG圖片，如圖1所示。經(jīng)過三維繪制，其經(jīng)緯度坐標(biāo)系由原來的平面直角坐標(biāo)系變?yōu)樾弊鴺?biāo)系，即坐標(biāo)系中兩條坐標(biāo)軸不垂直，但仍為直線，同時，由于繪制過程中的壓縮形變，校園三維地圖和經(jīng)緯度信息的配準(zhǔn)存在著一定的誤差。因此，如何實(shí)現(xiàn)真實(shí)GPS經(jīng)緯度與校園三維地圖圖片的準(zhǔn)確映射成為一個急需解決的關(guān)鍵問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)真實(shí)GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)到校園三維地圖的準(zhǔn)確映射，并能夠在校園三維地圖上準(zhǔn)確地顯示校園公交的實(shí)時位置。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種GPS地圖到三維地圖的映射方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟S1：提供一校園三維地圖，將所述校園三維地圖的GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)系視作第一幅圖的坐標(biāo)系，將校園三維地圖的圖片位置坐標(biāo)系視作第二幅圖的坐標(biāo)系，借助仿射變換進(jìn)行兩個坐標(biāo)系的變換，將校園地圖真實(shí)GPS經(jīng)緯度到校園三維地圖圖片坐標(biāo)的映射；步驟S2：采集大量特征點(diǎn)的GPS真實(shí)經(jīng)緯度，通過仿射變換關(guān)系，換算出其對應(yīng)的三維地圖圖片中的位置坐標(biāo)點(diǎn)集A，并在三維地圖圖片中標(biāo)定出這些特征點(diǎn)所對應(yīng)的真實(shí)位置坐標(biāo)點(diǎn)集B，得到訓(xùn)練樣本點(diǎn)集{A，B}，通過基于B-樣條的自由形變模型的非線性點(diǎn)配準(zhǔn)技術(shù)，尋找到GPS真實(shí)經(jīng)緯度的映射坐標(biāo)到校園三維地圖真實(shí)坐標(biāo)的形變關(guān)系；通過非線性配準(zhǔn)，將GPS真實(shí)經(jīng)緯度所對應(yīng)的校園地圖的映射點(diǎn)和校園三維地圖圖片上實(shí)際對應(yīng)點(diǎn)之間的局部糾偏，計(jì)算出兩個點(diǎn)集空間的形變模型；利用該形變模型，每一個輸入的點(diǎn)根據(jù)變形函數(shù)映射到一個新的位置，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)的智能糾偏；步驟S3：通過法向投影使得映射后的點(diǎn)都被投影顯示在標(biāo)定好的道路中心線上

在本發(fā)明一實(shí)施例中，步驟S1包括以下具體步驟：S11：取校園三維地圖圖片的左上角為原點(diǎn)，水平向右為X軸，豎直向下為Y軸，以像素點(diǎn)的數(shù)量為坐標(biāo)單位，建立平面直角坐標(biāo)系，則圖片位置坐標(biāo)可以表示為；S12：取校園地圖的斜坐標(biāo)系的兩條坐標(biāo)軸，緯度均勻增加、經(jīng)度不變的坐標(biāo)軸為Latitude軸，緯度不變、經(jīng)度均勻增加的坐標(biāo)軸為Longitude軸，選取一個特征明顯的點(diǎn)作為校園地圖經(jīng)緯度斜坐標(biāo)系的坐標(biāo)參考點(diǎn)，非原點(diǎn)，記錄經(jīng)緯度為，其中坐標(biāo)單位為度；S13：在圖片中找到同一坐標(biāo)參考點(diǎn)，記錄位置坐標(biāo)，其中坐標(biāo)單位為像素點(diǎn)數(shù)量；S14：根據(jù)仿射變換公式，坐標(biāo)變換公式可以表示為：

公式(1)

S15：按照以上步驟，已經(jīng)從校園地圖中取出了1個特征標(biāo)志點(diǎn)作為坐標(biāo)參考點(diǎn)，坐標(biāo)值為，經(jīng)緯度值為；另從校園地圖中取出2個特征標(biāo)志點(diǎn)，記錄坐標(biāo)值、和經(jīng)緯度值、，將所有數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算出映射參數(shù)A、B、C、D，得到坐標(biāo)變換公式。

進(jìn)一步的，、及彼此間隔要足夠遠(yuǎn)（盡量占滿整張地圖），且及與的連線成一定夾角，夾角在之間。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述步驟S2包括以下具體步驟：S21：在校園三維地圖的園道路網(wǎng)內(nèi)取足夠多的覆蓋校園道路網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)GPS經(jīng)緯度點(diǎn)，一般應(yīng)為100個點(diǎn)以上，使得采集的點(diǎn)盡量覆蓋校園道路網(wǎng)區(qū)域，并將這些點(diǎn)分為訓(xùn)練點(diǎn)和測試點(diǎn)，從真實(shí)經(jīng)緯度點(diǎn)中隨機(jī)抽取部分點(diǎn)為測試點(diǎn)，其余為訓(xùn)練點(diǎn)；S22：使用步驟S1的地圖映射功能，將GPS真實(shí)經(jīng)緯度轉(zhuǎn)為校園三維地圖圖片位置坐標(biāo)，保存在VTK文件中，作為待配準(zhǔn)數(shù)據(jù)；從校園地圖圖片中取得所有點(diǎn)的真實(shí)圖片位置坐標(biāo)，作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)；S23：利用IRTK開源軟件提供的基于B-樣條的自由形變模型的非線性點(diǎn)配準(zhǔn)技術(shù)pnreg，對訓(xùn)練點(diǎn)的待配準(zhǔn)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，通過調(diào)整模型的控制點(diǎn)網(wǎng)格間距，得到最佳的非線性映射關(guān)系；S24：當(dāng)非線性糾偏映射關(guān)系建立之后，當(dāng)一個新的GPS真實(shí)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)傳入后，經(jīng)過步驟S1的地圖仿射變換后，得到其對應(yīng)的校園三維地圖圖片位置坐標(biāo)，再通過已經(jīng)訓(xùn)練好的非線性映射模型，通過IRTK算法中ptransformation來實(shí)現(xiàn)該映射點(diǎn)的局部糾偏，以得到更加準(zhǔn)確的校園三維地圖坐標(biāo)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明運(yùn)用仿射變換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)校園真實(shí)GPS經(jīng)緯度到校園的三維地圖圖片位置坐標(biāo)的映射；同時，運(yùn)用非線性點(diǎn)配準(zhǔn)技術(shù)——基于B-樣條的自由形變模型的非線性點(diǎn)配準(zhǔn)技術(shù)，進(jìn)一步有效改善利用仿射變換實(shí)現(xiàn)的地圖映射精度不足的問題，最后，利用道路的法向投影技術(shù)，可以保證經(jīng)位置映射糾偏后的校園公交，可以實(shí)時準(zhǔn)確地顯示在校園三維地圖上。該技術(shù)為GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)到三維地圖的映射提出了一種有效可靠的映射方法。

附圖說明

圖1 為現(xiàn)有技術(shù)的三維地圖。

圖2 為圖1地圖的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)主界面。

圖3為地圖圖片位置坐標(biāo)系。

圖4為地圖的GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)系（斜坐標(biāo)系）。

圖5 為GPS經(jīng)緯度到三維地圖圖片坐標(biāo)的映射。

圖6為選取的地圖特征點(diǎn)。

圖7為公交的行走路線道路網(wǎng)。

圖8為基于B-樣條的自由形變模型控制點(diǎn)網(wǎng)格配準(zhǔn)前后變化。

圖9為未使用道路法向投影技術(shù)的公交映射后的位置。

圖10為使用道路法向投影技術(shù)的公交映射后的位置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步解釋說明。

本發(fā)明提供了一種基于仿射和非線性點(diǎn)變換的地圖映射方法。首先，通過采集校園三維地圖中標(biāo)志點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的三維地圖圖片中的位置坐標(biāo)，計(jì)算出經(jīng)過投影繪制后，校園地圖的真實(shí)經(jīng)緯到三維地圖圖片位置坐標(biāo)的仿射變換關(guān)系。然后，采集大量特征點(diǎn)的GPS真實(shí)經(jīng)緯度，通過該仿射變換關(guān)系，換算出其對應(yīng)的三維地圖圖片中的位置坐標(biāo)點(diǎn)集A，并在三維地圖圖片中人工標(biāo)定出這些特征點(diǎn)所對應(yīng)的真實(shí)位置坐標(biāo)點(diǎn)集B，得到訓(xùn)練樣本點(diǎn)集{A，B}，通過局部非線性點(diǎn)變換模型—基于B-樣條的自由形變模型的非線性點(diǎn)配準(zhǔn)技術(shù)，尋找到GPS真實(shí)經(jīng)緯度的映射坐標(biāo)到校園三維地圖真實(shí)坐標(biāo)的形變關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)誤差的糾正。同時，為了使校園公交在三維導(dǎo)航地圖上都能夠行駛在道路中心，通過法向投影技術(shù)，使得映射后的點(diǎn)都被投影顯示在標(biāo)定好的道路中心線上。通過上述方法，可以準(zhǔn)確地將校園公交定位的GPS經(jīng)緯度信息映射到校園三維地圖上進(jìn)行顯示，達(dá)到很好的地圖導(dǎo)航的效果。

具體實(shí)施例參見圖2至圖10，以某大學(xué)校園地圖為例。

本方法主要包含三個部分：線性仿射地圖映射，非線性點(diǎn)配準(zhǔn)糾偏技術(shù)和道路法向投影技術(shù)，該方向集成到*大校園地圖配準(zhǔn)系統(tǒng)中，如圖2所示。

步驟1：將校園地圖的GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)系視作第一幅圖的坐標(biāo)系，將校園三維地圖的圖片位置坐標(biāo)系視作第二幅圖的坐標(biāo)系，借助仿射變換的思想進(jìn)行兩個坐標(biāo)系的變換，從而實(shí)現(xiàn)校園地圖真實(shí)GPS經(jīng)緯度到校園三維地圖圖片坐標(biāo)的映射，具體方法如下。

1）如圖3所示，取校園三維地圖圖片的左上角為原點(diǎn)，水平向右為X軸，豎直向下為Y軸，以像素點(diǎn)的數(shù)量為坐標(biāo)單位，建立平面直角坐標(biāo)系，則圖片位置坐標(biāo)可以表示為。

2）如圖4所示，在“*大學(xué)校園地圖服務(wù)系統(tǒng)”上，取校園地圖的斜坐標(biāo)系的兩條坐標(biāo)軸，緯度均勻增加、經(jīng)度不變的坐標(biāo)軸為Latitude軸（緯度軸），緯度不變、經(jīng)度均勻增加的坐標(biāo)軸為Longitude軸（經(jīng)度軸），選取一個特征明顯的點(diǎn)作為校園地圖經(jīng)緯度斜坐標(biāo)系的坐標(biāo)參考點(diǎn)（非原點(diǎn)），記錄經(jīng)緯度為（坐標(biāo)單位為度）。

3）在圖片中找到同一坐標(biāo)參考點(diǎn)，記錄位置坐標(biāo)（坐標(biāo)單位為像素點(diǎn)數(shù)量）。

4）根據(jù)仿射變換公式，坐標(biāo)變換公式可以表示為：

公式(1)

5）按照以上步驟，已經(jīng)從校園地圖中取出了1個特征標(biāo)志點(diǎn)作為坐標(biāo)參考點(diǎn)，坐標(biāo)值為，經(jīng)緯度值為；另從校園地圖中取出2個特征標(biāo)志點(diǎn)，記錄坐標(biāo)值、和經(jīng)緯度值、。將所有數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算出映射參數(shù)A、B、C、D，得到坐標(biāo)變換公式，如圖5所示。

為使坐標(biāo)變換公式的映射足夠精確，要求以上三點(diǎn)特征明顯，具有典型性、代表性，彼此間隔要足夠遠(yuǎn)（盡量占滿整張地圖），且2個特征點(diǎn)與坐標(biāo)參考點(diǎn)的連線成一定夾角（盡量在之間）。

通過上述方法，我們可以獲得校園地圖真實(shí)GPS經(jīng)緯度到校園三維地圖圖片坐標(biāo)的唯一映射關(guān)系。

步驟2：運(yùn)用基于B-樣條的自由形變模型的非線性點(diǎn)配準(zhǔn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)GPS真實(shí)經(jīng)緯度所對應(yīng)的校園地圖的映射點(diǎn)（即待配準(zhǔn)數(shù)據(jù)）和校園三維地圖圖片上實(shí)際對應(yīng)點(diǎn)（即標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)）之間的局部糾偏配準(zhǔn)，找出兩個點(diǎn)集空間的形變模型，如圖9所示，每一個輸入的點(diǎn)都可以根據(jù)變形前后的二維網(wǎng)格空間映射到一個新的位置，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)的智能糾偏，大大提高映射的精度?；贐-樣條的自由形變模型的非線性點(diǎn)配準(zhǔn)算法在IRTK開源軟件中提供。本發(fā)明結(jié)合VTK來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)集的存儲，并調(diào)用IRTK算法中的pnreg和ptransformation兩個開源的函數(shù)接口來實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的非線性點(diǎn)配準(zhǔn)和點(diǎn)變換功能。

該局部糾偏配準(zhǔn)技術(shù)需要大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的支持，因此需要提前通過手機(jī)GPS應(yīng)用采集足夠多的真實(shí)經(jīng)緯度點(diǎn)，并在三維地圖上標(biāo)定所有的對應(yīng)點(diǎn)，如圖6所示，具體實(shí)現(xiàn)方案如下：

1）在*大學(xué)校園道路網(wǎng)內(nèi)取足夠多的覆蓋校園道路網(wǎng)絡(luò)（如圖6所示）的真實(shí)GPS經(jīng)緯度點(diǎn)，一般應(yīng)為100個點(diǎn)以上，使得采集的點(diǎn)盡量覆蓋校園道路網(wǎng)區(qū)域，并將這些點(diǎn)分為訓(xùn)練點(diǎn)和測試點(diǎn)。從真實(shí)經(jīng)緯度點(diǎn)中隨機(jī)抽取測試點(diǎn)，其余為訓(xùn)練點(diǎn)。

2）使用本系統(tǒng)步驟1開發(fā)的地圖映射功能，將GPS真實(shí)經(jīng)緯度（單位為度）轉(zhuǎn)為校園三維地圖圖片位置坐標(biāo)（單位為像素點(diǎn)數(shù)量），保存在VTK文件中，作為待配準(zhǔn)數(shù)據(jù)；在校園地圖圖片中通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊取得所有點(diǎn)的真實(shí)圖片位置坐標(biāo)，作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

3）利用IRTK開源軟件提供的基于B-樣條的自由形變模型的非線性點(diǎn)配準(zhǔn)技術(shù)pnreg, 對訓(xùn)練點(diǎn)的待配準(zhǔn)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，通過調(diào)整模型的控制點(diǎn)網(wǎng)格間距，得到最佳的非線性映射關(guān)系，如圖7所示。

4）當(dāng)非線性糾偏映射關(guān)系建立之后，當(dāng)一個新的GPS真實(shí)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)傳入后，經(jīng)過步驟1開發(fā)的地圖仿射變換后，得到其對應(yīng)的校園三維地圖圖片位置坐標(biāo)，然后通過已經(jīng)訓(xùn)練好的非線性映射模型，通過IRTK算法中ptransformation來實(shí)現(xiàn)該映射點(diǎn)的局部糾偏，以得到更加準(zhǔn)確的校園三維地圖坐標(biāo)。

步驟3：經(jīng)過上述映射和糾偏后的校園公交位置，有可能會偏離道路的中心顯示，如圖9所示，為了到達(dá)更好的用戶體驗(yàn)效果。本發(fā)明提出了一種道路法向投影技術(shù)，得到經(jīng)過映射的校園公交實(shí)時路徑都顯示在我們預(yù)先規(guī)劃的道路上，如圖10所示。

以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神原則之內(nèi)所做的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。