任意變形地圖在移動終端的空間定位方法研究

呂艷紅

(上海市測繪院，上海 200063)

一、概 述

隨著智能移動終端的普及，通過特定的定位技術來獲取移動手機或終端用戶的位置信息(經緯度坐標)，并在電子地圖上標出被定位對象位置的移動定位服務成為各大地圖應用軟件必不可少的配置[1]。移動定位技術可基于GPS或移動網絡運營商的基站實施定位，此外還有利用WiFi在小范圍內定位的方式[2]。

目前在移動終端的空間定位所基于的地圖自身都包含一套與終端定位系統對應的經緯度數據，可實現定位點在電子地圖上的精確表達。移動定位領域暫無對完全不包含經緯度信息的任意變形地圖進行實時定位的技術和應用。因此，本文對失去地理參考系的任意變形地圖或手繪地圖如何在移動終端實現空間定位進行了研究。

任意變形地圖在移動終端的空間定位方法是通過選取特征點，找到移動定位坐標系中與之對應的點，并建立特征點數據庫。特征點是指反映地物類型或區域地理分布特征的點，在地圖上具有準確的地理位置、明確的地理屬性及含義。

特征點數據庫建立后，對獲取的當前經緯度坐標點，在特征點數據庫中遍歷搜索離該點最近的N(N≥4)個點，找到該點與這N個點在經緯度坐標系下的擬合比例關系，并把這種擬合比例關系映射到像素坐標系上，由這N個點的像素坐標推算出該點的像素坐標，在移動終端的電子地圖上按照一定的精度要求繪制出來。

二、空間定位方法的實施步驟

1. 建立特征點數據庫

在任意變形地圖上獲取一批特征點，特征點分布越密，定位結果的精度越高。在基于移動定位坐標系的地圖上找到與這些特征點對應的點，建立特征點數據庫。

2. 實時獲取經緯度

通過移動終端的GPS模塊或WiFi，實時獲取當前位置的移動定位坐標，在特征點數據庫中遍歷搜索出離該點距離最近的N(N≥4)個點。算法如下

pt：當前定位點

x：pt點在移動定位坐標系X軸的坐標

y：pt點在移動定位坐標系Y軸的坐標

遍歷特征點數據庫，計算每個點的坐標與pt(x,y)的距離

xj：數據庫中第j點在移動定位坐標系X軸的坐標

yj：數據庫中第j點在移動定位坐標系Y軸的坐標

Sj：數據庫中第j點坐標與pt(x,y)的距離

找到Sj最小的前N個特征點，如圖1所示。

圖1 pt點與最近的N個點

3. 糾正擬合

找到pt點與這N(N≥4)個點在移動定位坐標系的擬合關系，并把這種擬合關系映射到像素坐標系下，由這N(N≥4)個點的像素坐標推算出在不規則地圖的像素坐標下與點pt對應的點pt2的像素坐標。

1) 在特征點數據庫中搜索離pt點距離最近的N(N≥4)點的坐標，算法如下

xi：距離pt點最近的第i點在移動定位坐標系X軸坐標

yi：距離pt點最近的第i點在移動定位坐標系Y軸坐標

i=1,2,…，N(N≥4)

2) 推算點pt與距離最近的N(N≥4)個點在移動定位坐標系下的擬合關系，算法如下

kx：pt點相對于距離最近的N(N≥4)個點在移動定位坐標系X軸的擬合系數

ky：pt點相對于距離最近的N(N≥4)個點在移動定位坐標系Y軸的擬合系數

kx=f1(x,x1,x2,…,xN)N≥4

ky=f2(y,y1,y2,…,yN)N≥4

3) 把擬合關系映射到像素坐標系，推算出像素坐標系下與pt點對應的點pt2(xp,yp)，算法如下

xp：pt2在像素坐標系X軸坐標

yp：pt2在像素坐標系Y軸坐標

從特征點數據庫搜索距離pt點最近的N(N≥4)個點的像素坐標：

xpi：距離pt點最近的第i點像素坐標X

ypi：距離pt點最近的第i點像素坐標Y

i=1,2,…,N(N≥4)

xp=f3(kx,xp1,xp2,xp3,xp4,…,xpN) (N≥4)

yp=f4(ky,yp1,yp2,yp3,yp4,…,ypN) (N≥4)

4. 定位顯示

在移動終端的變形電子地圖上，根據推算的像素點pt2(xp,yp)，按照精度要求，顯示出該點。

三、空間定位方法的實施實例

現有一幅變形后的《上海地圖·大城區詳圖》，市中心部分作了放大，外環至郊環區域作了縮小。在移動終端實現對這幅地圖的實時定位的操作步驟為：

1) 本例中的變形地圖上保留有一個和地圖一起變形的索引格，這個索引格對應的實地距離是200 m×200 m，現獲取索引格的所有格網點作為特征點，如圖2所示。

2) 在基于移動定位坐標系的地圖上找到與格網點對應的特征點，本例中采用的移動終端是iPad2，iPad2采用的移動定位系統是WGS-84坐標系。在基于WGS-84坐標系的地圖上，建立與變形地圖的特征點對應的200 m×200 m格網，并獲取這批格網點的WGS-84坐標，如圖3所示。

圖2 不規則地圖上的特征點

圖3 WGS-84坐標系下的對應特征點

3) 把兩個坐標系下的對應特征點的像素坐標和經緯度坐標關聯，并錄入特征點數據庫。

4) 通過iPad2的GPS模塊或WiFi信號，獲取當前位置點pt的經緯度坐標(xg,yg)，在特征點數據庫中遍歷搜索離pt點距離最近的N(N≥4)個點。本例中由于格網分布均勻，只搜索分布在pt點上下左右，并且離pt點距離最近的4個點。按此原則搜索到的4個點在圖上的分布就是包圍pt點的格網的4個頂點，如圖4所示。

圖4 pt點和4個格網頂點

為了保證在任意點周圍都可以搜索到其所屬格網的4個格網頂點，在大量測試后，發現搜索的緩沖區半徑在200～250 m之間時，一定能搜索到4個格網點；同時為了達到搜索結果不會冗余的效果，經過測試發現緩沖區半徑設為200 m是最優值。

5) 糾正擬合，找到當前定位點pt與4個格網點在WGS-84坐標系下的擬合系數。

6) 把這種擬合關系映射到像素坐標系下，由這N(N≥4)個點的像素坐標推算出在不規則地圖的像素坐標下與點pt對應的點的像素坐標。

7) 效果展示和精度：在本例中，定位精度達到了10 m以下，iPad2移動終端在上海市測繪院辦公樓內時的定位效果如圖5所示。

圖5 iPad2終端效果圖

四、結束語

筆者所在單位作為傳統地圖服務的專業提供方，以堅持服務政府和服務社會公眾為宗旨，對與時俱進提供紙質與數字、在線與離線等多種服務提出了更高的要求。本文所述的地圖定位的方法，可實現在任意地圖(如喪失地理參考系地圖、手繪地圖等)上的定位。

該方法為探索地圖新的服務方式、研發移動終端與地圖的更多交互式功能、拓展地圖內容、豐富產品表現形式、提升用戶體驗奠定了前期的技術基礎。

參考文獻：

[1] 王攀.移動GIS及其新應用[J].測繪與空間地理信息，2006，29(5)：129-131.

[2] 劉海新,劉惠德,何虎軍，等.移動GIS的發展及其應用[J].地理空間信息,2005(4):41-42.