本發(fā)明屬于地理信息技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種車輛軌跡線數(shù)據(jù)的壓縮方法，尤其涉及一種保持移動(dòng)特征的車輛軌跡線數(shù)據(jù)壓縮方法。

背景技術(shù)：

車輛軌跡線通常由一系列按時(shí)間序列組織的位置坐標(biāo)組成，用以描述車輛在一定地理空間范圍及時(shí)間周期內(nèi)的時(shí)空運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。隨著以全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、我國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)等為代表的定位導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展完善，以及車載/人載位置感知設(shè)備的普及，各種類型的車輛軌跡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成為當(dāng)前眾源大數(shù)據(jù)的重要組成部分。這些軌跡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于城市群體\個(gè)體行為模式分析、交通信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)表達(dá)、以及地理數(shù)據(jù)庫(kù)更新等具有重要意義。然而，具備空間/時(shí)間高分辨率特點(diǎn)的車輛軌跡數(shù)據(jù)通常規(guī)模十分巨大。例如，車載GPS接收設(shè)備每10秒記錄一次車輛當(dāng)前的位置信息，一個(gè)中等規(guī)模城市的出租車單個(gè)工作日產(chǎn)生的軌跡線數(shù)據(jù)量將達(dá)到GB級(jí)別。一方面，這對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備空間、網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬以及后期分析的計(jì)算資源造成巨大壓力；另一方面，軌跡數(shù)據(jù)本身包含大量冗余信息，浪費(fèi)存儲(chǔ)計(jì)算資源的同時(shí)也對(duì)分析處理及可視化表達(dá)造成負(fù)面干擾。解決上述問題的途徑之一是研究高效的車輛軌跡線數(shù)據(jù)壓縮方法，即在滿足一定幾何精度條件下刪除冗余甚至信息量較小的軌跡點(diǎn)，從而壓縮軌跡線數(shù)據(jù)規(guī)模。

目前，實(shí)施軌跡線壓縮主要采用來自傳統(tǒng)面向快照式靜態(tài)地理數(shù)據(jù)的線目標(biāo)壓縮方法。它們的基本思想是從壓縮精度控制出發(fā)，依據(jù)幾何上的距離、角度、面積等指標(biāo)參量評(píng)估線目標(biāo)上每個(gè)點(diǎn)的重要性，保留重要特征點(diǎn)(如端點(diǎn)、局部極值點(diǎn)、拐點(diǎn)等)的同時(shí)刪除其它次要的點(diǎn)。以應(yīng)用中使用頻率最高的Douglas-Peucker算法為例，通過相對(duì)當(dāng)前基準(zhǔn)線(首尾點(diǎn)連線)的最大偏移距離對(duì)原始線目標(biāo)進(jìn)行遞歸分段，當(dāng)某一分段部分對(duì)應(yīng)的最大偏移距離小于設(shè)定的幾何化簡(jiǎn)精度ε，則將該分段部分?jǐn)M合為對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)線。這類方法能夠較好地保持原始線目標(biāo)的空間形態(tài)結(jié)構(gòu)，但是缺乏對(duì)時(shí)間維信息的考慮，應(yīng)用到車輛時(shí)空軌跡線壓縮中容易丟失速度、加速度、方向變化等移動(dòng)特征。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述存在的應(yīng)用問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種新的保持移動(dòng)特征的車輛軌跡線數(shù)據(jù)壓縮方法。本發(fā)明的核心思想是依據(jù)速度、方向等移動(dòng)特征相似性原則對(duì)原始軌跡線進(jìn)行層次化剖分，使得幾何精度控制下的軌跡點(diǎn)取舍決策盡量發(fā)生在移動(dòng)模式均一的軌跡線片段內(nèi)，從而緩解單純考慮幾何特征的壓縮方法對(duì)原始軌跡線蘊(yùn)含的移動(dòng)特征的破壞。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種保持移動(dòng)特征的車輛軌跡線數(shù)據(jù)壓縮方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：按軌跡點(diǎn)產(chǎn)生的時(shí)間次序?qū)⒃架壽E線T組織為T＝{p₁,p₂,…,p_n}，每個(gè)軌跡點(diǎn)p_i表示為三元組信息<x_i,y_i,t_i>，x_i和y_i為軌跡點(diǎn)p_i的空間位置坐標(biāo)，t_i表示p_i產(chǎn)生的時(shí)間信息，n是包含的軌跡點(diǎn)數(shù)量，1≤i≤n；

步驟2：依次提取相鄰兩個(gè)軌跡點(diǎn)構(gòu)成的軌跡直線段，組織為軌跡直線段集合E＝{e₁,e₂,…,e_n-1}，計(jì)算每一條軌跡直線段e_j對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)車輛的移動(dòng)速度v_j和移動(dòng)方向θ_j，1≤j≤n-1；

步驟3：在拓?fù)溥B接關(guān)系約束下，基于速度、方向特征相似性原則對(duì)集合E中的軌跡直線段進(jìn)行層次化聚類，并將聚類結(jié)果組織為層次二叉樹結(jié)構(gòu)；

步驟4：在壓縮的幾何精度閾值ε控制下，通過由上到下遍歷層次二叉樹結(jié)構(gòu)的方式對(duì)原始軌跡線T實(shí)施分區(qū)處理，使得同一區(qū)域內(nèi)軌跡線段的中間點(diǎn)距首尾基準(zhǔn)線最大偏移距離小于ε；

步驟5：提取各分區(qū)內(nèi)軌跡線片段的首尾點(diǎn)，按時(shí)間次序連接組織為壓縮后的軌跡線T’。

本發(fā)明通過針對(duì)軌跡直線段的層次化聚類手段，將軌跡線隱含的速度、方向變化信息納入到對(duì)局部軌跡點(diǎn)取舍決策中，使得移動(dòng)特征變化上具有重要意義的軌跡點(diǎn)由于處在分區(qū)臨界點(diǎn)而得以保留，從而使壓縮結(jié)果達(dá)到更好地保持原始軌跡線移動(dòng)特征這一目的。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的車輛軌跡線初始化組織示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的車輛軌跡線直線段組織示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例的軌跡直線段范圍內(nèi)車輛移動(dòng)方向定義示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例的軌跡線直線段層次化聚類方法示意圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例的利用二叉樹表達(dá)軌跡直線段層次化聚類結(jié)果的示意圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例的軌跡線分區(qū)結(jié)果示意圖；

圖8是本發(fā)明實(shí)施例的軌跡線壓縮結(jié)果生成示意圖；

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請(qǐng)見圖1，本發(fā)明提供的一種保持移動(dòng)特征的車輛軌跡線數(shù)據(jù)壓縮方法，包括以下步驟：

步驟1：按照車輛GPS軌跡線數(shù)據(jù)具體的文件格式讀取數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的初始化組織。

如圖2所示的一條原始軌跡線T，該軌跡線按軌跡點(diǎn)產(chǎn)生的時(shí)間次序組織為T＝{p₁,p₂,…,p₁₁}，一共包含11個(gè)軌跡點(diǎn)，每個(gè)軌跡點(diǎn)p_i表示為三元組信息<x_i,y_i,t_i>,x_i和y_i為軌跡點(diǎn)p_i的空間位置坐標(biāo)，t_i表示p_i產(chǎn)生的時(shí)間信息，1≤i≤11；

步驟2：依次提取相鄰兩個(gè)軌跡點(diǎn)構(gòu)成的軌跡直線段，組織為軌跡直線段集合E＝{e₁,e₂,…,e_n-1}，計(jì)算每一條軌跡直線段e_j對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)車輛的移動(dòng)速度v_j和移動(dòng)方向θ_j，1≤j≤n-1；

圖3是在圖2所示的軌跡線基礎(chǔ)上進(jìn)一步提取軌跡直線段，共得到10條軌跡直線段，組織為集合E＝{e₁,e₂,…,e₁₀}。

車輛運(yùn)動(dòng)是一種連續(xù)的狀態(tài)，而軌跡線是對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)位置狀態(tài)的離散化描述模型，相鄰軌跡點(diǎn)的中間狀態(tài)無法獲得精確的描述。因此，本發(fā)明忽略同一軌跡直線段內(nèi)車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，即認(rèn)為同一軌跡直線段內(nèi)車輛的運(yùn)行速度及方向相同?；谶@一前提條件，分別定義由相鄰軌跡點(diǎn)p_i，p_i+1組成直線段e_i范圍內(nèi)車輛的運(yùn)動(dòng)速度v_i和移動(dòng)方向θ_i如下：

(1)移動(dòng)速度v_i：定義為相鄰軌跡點(diǎn)p_i，p_i+1間的歐式距離與兩個(gè)軌跡點(diǎn)定位時(shí)間差的商。其中，d(p_i,p_i+1)表示軌跡點(diǎn)p_i和p_i+1間的歐式距離，t_i和t_i+1則分別是軌跡點(diǎn)p_i和p_i+1的定位時(shí)間。

(2)移動(dòng)方向θ_i：定義為由正向X軸沿逆時(shí)針方向至有向線段形成的夾角(如圖4所示)，其中0≤θ_i＜2π。

步驟3：提取軌跡直線段并計(jì)算相關(guān)速度、方向信息后，下一步在在拓?fù)溥B接關(guān)系約束下依據(jù)速度、方向相似性原則對(duì)集合E中的軌跡直線段進(jìn)行層次化聚類，并將聚類結(jié)果組織為層次二叉樹結(jié)構(gòu)。

結(jié)合圖5，實(shí)施例具體的實(shí)施過程說明如下：

(1)首先，將每條軌跡直線段映射為一個(gè)聚類單元。如圖5a所示實(shí)例，該軌跡線共包含10條軌跡直線段，每條直線段獨(dú)立構(gòu)成一個(gè)聚類單元，表示為G₁＝{e₁}、G₂＝{e₂}、…、G₁₀＝{e₁₀}。

(2)在相鄰聚類單元間定義連接邊，并計(jì)算所有連接邊的長(zhǎng)度。連接邊長(zhǎng)度表示相鄰兩個(gè)聚類單元間移動(dòng)特征(包括速度、方向)的差異性，如對(duì)于相鄰的兩個(gè)聚類單元G_i和G_j，連接邊長(zhǎng)度L(G_i,G_j)定義為：

其中，和分別表示G_i包含的軌跡直線段的平均速度值和平均方向值，和分別表示G_j包含的軌跡直線段的平均速度值和平均方向值，v_max和v_min則分別表示集合E包含的軌跡直線段的最大速度值和最小速度值，m₁和m₂分別表示速度差異和方向差異在連接邊長(zhǎng)度計(jì)算中的權(quán)值。m₁和m₂的具體取值需要考慮軌跡線自身特點(diǎn)和應(yīng)用需求。例如對(duì)于沿城區(qū)道路行駛的車輛軌跡數(shù)據(jù)，車速特征相對(duì)方向特征變化更為頻繁，m₁取值應(yīng)適當(dāng)高于m₂取值，如m₁和m₂分別取0.6和0.4。對(duì)于圖5a所示實(shí)例，按上述方法首先計(jì)算相鄰聚類單元間的連接邊長(zhǎng)度，包括L(G₁,G₂)、L(G₂,G₃)、L(G₃,G₄)、L(G₄,G₅)、L(G₅,G₆)、L(G₆,G₇)、L(G₇,G₈)、L(G₈,G₉)、L(G₉,G₁₀)。

(3)取當(dāng)前長(zhǎng)度值最小的連接邊，將相連接的兩個(gè)聚類單元合并為一個(gè)新的聚類單元，同時(shí)按式2計(jì)算新的聚類單元兩側(cè)的連接邊長(zhǎng)度。如圖5b中，連接邊長(zhǎng)度L(G₉,G₁₀)最小，因此將聚類單元G₉＝{e₉}和G₁₀＝{e₁₀}組成更大的聚類單元G₁₁＝{e₉,e₁₀}；同時(shí)將原來G₈和G₉之間的連接邊更新為G₈和G₁₁間的連接邊，按照式2重新計(jì)算連接邊長(zhǎng)度L(G₈,G₁₁)，更新后的連接邊長(zhǎng)度依次是L(G₁,G₂)、L(G₂,G₃)、L(G₃,G₄)、L(G₄,G₅)、L(G₅,G₆)、L(G₆,G₇)、L(G₇,G₈)、L(G₈,G₁₁)。

(4)重復(fù)步驟3.3直至集合E中所有的軌跡直線段單元聚合為一個(gè)聚類單元G_f，即G_f＝{e₁,e₂,…,e_n-1}。例如圖5c是在圖5b表示的結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)一步將連接邊長(zhǎng)度最小的兩個(gè)聚類單元G₄＝{e₅₄}和G₅＝{e₅}組成更大的聚類單元G₁₂＝{e₄,e₅}，重新計(jì)算G₁₂兩側(cè)的連接邊長(zhǎng)度，更新后的連接邊長(zhǎng)度依次是L(G₁,G₂)、L(G₂,G₃)、L(G₃,G₁₂)、L(G₁₂,G₆)、L(G₆,G₇)、L(G₇,G₈)、L(G₈,G₁₁)；重復(fù)上述過程，直至得到最高級(jí)別的聚類單元G₁₉＝{e₁,e₂,e₃,e₄,e₅,e₆,e₇,e₈,e₉,e₁₀}。圖5d通過不同灰度的緩沖區(qū)記錄了整個(gè)層次化聚類的過程及中間結(jié)果。

(5)將整個(gè)層次化聚類結(jié)果組織為層次二叉樹結(jié)構(gòu)，樹的根結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)最大的聚類單元(包含所有的軌跡直線段)，葉子節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)單條軌跡直線段構(gòu)成的聚類單元，中間節(jié)點(diǎn)則對(duì)應(yīng)由多條軌跡直線段構(gòu)成的不同層次的聚類單元。圖6表示了圖5中層次化聚類結(jié)果的二叉樹結(jié)構(gòu)，二叉樹的根結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于包含所有軌跡直線段的最高級(jí)別聚類單元G₁₉＝{e₁,e₂,e₃,e₄,e₅,e₆,e₇,e₈,e₉,e₁₀}，二叉樹的葉子節(jié)點(diǎn)則分別是條軌跡直線段構(gòu)成的聚類單元如G₁＝{e₁}、G₂＝{e₂}、…、G₁₀＝{e₁₀}，中間結(jié)點(diǎn)由多條軌跡直線段構(gòu)成的不同層次的聚類單元，不同結(jié)點(diǎn)間的分支關(guān)系則描述了層次化聚類的過程信息。由二叉樹根結(jié)點(diǎn)到葉子結(jié)點(diǎn)，樹節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軌跡直線段間的移動(dòng)特征(速度、方向)差異越來越小，為后面基于移動(dòng)特征差異性的分區(qū)處理提供了結(jié)構(gòu)化信息支撐。

步驟4：在壓縮的幾何精度閾值ε控制下，通過由上到下遍歷層次二叉樹結(jié)構(gòu)的方式對(duì)原始軌跡線T實(shí)施分區(qū)處理，使得同一區(qū)域內(nèi)軌跡線段的中間點(diǎn)距首尾基準(zhǔn)線最大偏移距離小于ε；

實(shí)施例具體的實(shí)施過程說明如下：

以圖6所示的層次化聚類結(jié)果二叉樹結(jié)構(gòu)為例，由根結(jié)點(diǎn)向葉子結(jié)點(diǎn)遍歷構(gòu)建的層次二叉樹，每遍歷一個(gè)樹結(jié)點(diǎn)：

(1)提取該結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)聚類單元包含的所有軌跡線直線段，按相鄰關(guān)系組織為軌跡線片段。如圖6中編號(hào)為2的二叉樹結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的聚類單元為G₁₆＝{e₁,e₂,e₃}，將G₁₆包含的軌跡直線段按相鄰關(guān)系連接后得到由軌跡點(diǎn)p₁,p₂,p₃,p₄構(gòu)成的軌跡片段。

(2)以該軌跡線片段的首尾點(diǎn)構(gòu)成的直線段為基準(zhǔn)線，計(jì)算每一個(gè)中間點(diǎn)到基準(zhǔn)線的偏移距離，記錄其中的最大偏移距離d_max。例如圖6中聚類單元G₁₆對(duì)應(yīng)的由軌跡點(diǎn)p₁,p₂,p₃,p₄構(gòu)成的軌跡片段，分別計(jì)算中間軌跡點(diǎn)p₂和p₃到由首尾點(diǎn)p₁,p₄構(gòu)成的基準(zhǔn)線的偏移距離(即點(diǎn)p₂(或p₃)到直線段的最短距離)，將其中的最大偏移距離記錄為d_max。

(3)如果d_max≤ε，將該部分軌跡線片段劃分為同一個(gè)區(qū)域，同時(shí)跳過該樹結(jié)點(diǎn)的孩子結(jié)點(diǎn)；反之，則按照上述方法進(jìn)一步考察該結(jié)點(diǎn)包含的孩子結(jié)點(diǎn)。以圖6中編號(hào)為2的二叉樹結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的聚類單元G₁₆為例，如果d_max≤ε，則將由G₁₆包含的軌跡直線段e₁,e₂,e₃組成的軌跡線片段劃分為同一個(gè)區(qū)域，，并且跳過對(duì)該樹結(jié)點(diǎn)的孩子結(jié)點(diǎn)的考察；反之，如果d_max＞ε，則進(jìn)一步考察編號(hào)為7和12的孩子結(jié)點(diǎn)。

(4)按上述步驟完成對(duì)對(duì)二叉樹結(jié)構(gòu)的遍歷后，原始軌跡線被分解為若干不同的區(qū)域(或若干不同的軌跡線片段)。圖7是在圖6所示的層次化聚類結(jié)果二叉樹結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在壓縮的幾何精度閾值ε控制下基于上述步驟得到的分區(qū)結(jié)果，各分區(qū)的軌跡線片段分別表示為Seg₁＝{e₁,e₂}，Seg₂＝{e₃}，Seg₃＝{e₄,e₅,e₆}，Seg₄＝{e₇}，Seg₅＝{e₈,e₉,e₁₀}。

步驟5：依次連接各分區(qū)內(nèi)軌跡線段的首尾點(diǎn)并保存為最終的壓縮結(jié)果T’。如圖8所示，依次連接各分區(qū)內(nèi)軌跡線片段的首尾點(diǎn)，然后組織為新的軌跡線T’＝{p₁,p₃,p₄,p₇,p₈,p₁₁}}導(dǎo)出作為壓縮結(jié)果。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本說明書未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對(duì)較佳實(shí)施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明專利保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明的請(qǐng)求保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。