任意變形地圖在移動(dòng)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(dòng)終端的普及，通過特定的定位技術(shù)來獲取移動(dòng)手機(jī)或終端用戶的位置信息(經(jīng)緯度坐標(biāo))，并在電子地圖上標(biāo)出被定位對(duì)象位置的移動(dòng)定位服務(wù)成為各大地圖應(yīng)用軟件必不可少的配置[1]。移動(dòng)定位技術(shù)可基于GPS或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的基站實(shí)施定位，此外還有利用WiFi在小范圍內(nèi)定位的方式[2]。

目前在移動(dòng)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(tǒng)對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)定位點(diǎn)在電子地圖上的精確表達(dá)。移動(dòng)定位領(lǐng)域暫無對(duì)完全不包含經(jīng)緯度信息的任意變形地圖進(jìn)行實(shí)時(shí)定位的技術(shù)和應(yīng)用。因此，本文對(duì)失去地理參考系的任意變形地圖或手繪地圖如何在移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)空間定位進(jìn)行了研究。

任意變形地圖在移動(dòng)終端的空間定位方法是通過選取特征點(diǎn)，找到移動(dòng)定位坐標(biāo)系中與之對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，并建立特征點(diǎn)數(shù)據(jù)庫。特征點(diǎn)是指反映地物類型或區(qū)域地理分布特征的點(diǎn)，在地圖上具有準(zhǔn)確的地理位置、明確的地理屬性及含義。

特征點(diǎn)數(shù)據(jù)庫建立后，對(duì)獲取的當(dāng)前經(jīng)緯度坐標(biāo)點(diǎn)，在特征點(diǎn)數(shù)據(jù)庫中遍歷搜索離該點(diǎn)最近的N(N≥4)個(gè)點(diǎn)，找到該點(diǎn)與這N個(gè)點(diǎn)在經(jīng)緯度坐標(biāo)系下的擬合比例關(guān)系，并把這種擬合比例關(guān)系映射到像素坐標(biāo)系上，由這N個(gè)點(diǎn)的像素坐標(biāo)推算出該點(diǎn)的像素坐標(biāo)，在移動(dòng)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(shí)施步驟

1. 建立特征點(diǎn)數(shù)據(jù)庫

在任意變形地圖上獲取一批特征點(diǎn)，特征點(diǎn)分布越密，定位結(jié)果的精度越高。在基于移動(dòng)定位坐標(biāo)系的地圖上找到與這些特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，建立特征點(diǎn)數(shù)據(jù)庫。

2. 實(shí)時(shí)獲取經(jīng)緯度

通過移動(dòng)終端的GPS模塊或WiFi，實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前位置的移動(dòng)定位坐標(biāo)，在特征點(diǎn)數(shù)據(jù)庫中遍歷搜索出離該點(diǎn)距離最近的N(N≥4)個(gè)點(diǎn)。算法如下

pt：當(dāng)前定位點(diǎn)

x：pt點(diǎn)在移動(dòng)定位坐標(biāo)系X軸的坐標(biāo)

y：pt點(diǎn)在移動(dòng)定位坐標(biāo)系Y軸的坐標(biāo)

遍歷特征點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)與pt(x,y)的距離

xj：數(shù)據(jù)庫中第j點(diǎn)在移動(dòng)定位坐標(biāo)系X軸的坐標(biāo)

yj：數(shù)據(jù)庫中第j點(diǎn)在移動(dòng)定位坐標(biāo)系Y軸的坐標(biāo)

Sj：數(shù)據(jù)庫中第j點(diǎn)坐標(biāo)與pt(x,y)的距離

找到Sj最小的前N個(gè)特征點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 pt點(diǎn)與最近的N個(gè)點(diǎn)

3. 糾正擬合

找到pt點(diǎn)與這N(N≥4)個(gè)點(diǎn)在移動(dòng)定位坐標(biāo)系的擬合關(guān)系，并把這種擬合關(guān)系映射到像素坐標(biāo)系下，由這N(N≥4)個(gè)點(diǎn)的像素坐標(biāo)推算出在不規(guī)則地圖的像素坐標(biāo)下與點(diǎn)pt對(duì)應(yīng)的點(diǎn)pt2的像素坐標(biāo)。

1) 在特征點(diǎn)數(shù)據(jù)庫中搜索離pt點(diǎn)距離最近的N(N≥4)點(diǎn)的坐標(biāo)，算法如下

xi：距離pt點(diǎn)最近的第i點(diǎn)在移動(dòng)定位坐標(biāo)系X軸坐標(biāo)

yi：距離pt點(diǎn)最近的第i點(diǎn)在移動(dòng)定位坐標(biāo)系Y軸坐標(biāo)

i=1,2,…，N(N≥4)

2) 推算點(diǎn)pt與距離最近的N(N≥4)個(gè)點(diǎn)在移動(dòng)定位坐標(biāo)系下的擬合關(guān)系，算法如下

kx：pt點(diǎn)相對(duì)于距離最近的N(N≥4)個(gè)點(diǎn)在移動(dòng)定位坐標(biāo)系X軸的擬合系數(shù)

ky：pt點(diǎn)相對(duì)于距離最近的N(N≥4)個(gè)點(diǎn)在移動(dòng)定位坐標(biāo)系Y軸的擬合系數(shù)

kx=f1(x,x1,x2,…,xN)N≥4

ky=f2(y,y1,y2,…,yN)N≥4

3) 把擬合關(guān)系映射到像素坐標(biāo)系，推算出像素坐標(biāo)系下與pt點(diǎn)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)pt2(xp,yp)，算法如下

xp：pt2在像素坐標(biāo)系X軸坐標(biāo)

yp：pt2在像素坐標(biāo)系Y軸坐標(biāo)

從特征點(diǎn)數(shù)據(jù)庫搜索距離pt點(diǎn)最近的N(N≥4)個(gè)點(diǎn)的像素坐標(biāo)：

xpi：距離pt點(diǎn)最近的第i點(diǎn)像素坐標(biāo)X

ypi：距離pt點(diǎn)最近的第i點(diǎn)像素坐標(biāo)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(dòng)終端的變形電子地圖上，根據(jù)推算的像素點(diǎn)pt2(xp,yp)，按照精度要求，顯示出該點(diǎn)。

三、空間定位方法的實(shí)施實(shí)例

現(xiàn)有一幅變形后的《上海地圖·大城區(qū)詳圖》，市中心部分作了放大，外環(huán)至郊環(huán)區(qū)域作了縮小。在移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)對(duì)這幅地圖的實(shí)時(shí)定位的操作步驟為：

1) 本例中的變形地圖上保留有一個(gè)和地圖一起變形的索引格，這個(gè)索引格對(duì)應(yīng)的實(shí)地距離是200 m×200 m，現(xiàn)獲取索引格的所有格網(wǎng)點(diǎn)作為特征點(diǎn)，如圖2所示。

2) 在基于移動(dòng)定位坐標(biāo)系的地圖上找到與格網(wǎng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)，本例中采用的移動(dòng)終端是iPad2，iPad2采用的移動(dòng)定位系統(tǒng)是WGS-84坐標(biāo)系。在基于WGS-84坐標(biāo)系的地圖上，建立與變形地圖的特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的200 m×200 m格網(wǎng)，并獲取這批格網(wǎng)點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)，如圖3所示。

圖2 不規(guī)則地圖上的特征點(diǎn)

圖3 WGS-84坐標(biāo)系下的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)

3) 把兩個(gè)坐標(biāo)系下的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)的像素坐標(biāo)和經(jīng)緯度坐標(biāo)關(guān)聯(lián)，并錄入特征點(diǎn)數(shù)據(jù)庫。

4) 通過iPad2的GPS模塊或WiFi信號(hào)，獲取當(dāng)前位置點(diǎn)pt的經(jīng)緯度坐標(biāo)(xg,yg)，在特征點(diǎn)數(shù)據(jù)庫中遍歷搜索離pt點(diǎn)距離最近的N(N≥4)個(gè)點(diǎn)。本例中由于格網(wǎng)分布均勻，只搜索分布在pt點(diǎn)上下左右，并且離pt點(diǎn)距離最近的4個(gè)點(diǎn)。按此原則搜索到的4個(gè)點(diǎn)在圖上的分布就是包圍pt點(diǎn)的格網(wǎng)的4個(gè)頂點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 pt點(diǎn)和4個(gè)格網(wǎng)頂點(diǎn)

為了保證在任意點(diǎn)周圍都可以搜索到其所屬格網(wǎng)的4個(gè)格網(wǎng)頂點(diǎn)，在大量測試后，發(fā)現(xiàn)搜索的緩沖區(qū)半徑在200～250 m之間時(shí)，一定能搜索到4個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)；同時(shí)為了達(dá)到搜索結(jié)果不會(huì)冗余的效果，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)緩沖區(qū)半徑設(shè)為200 m是最優(yōu)值。

5) 糾正擬合，找到當(dāng)前定位點(diǎn)pt與4個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系下的擬合系數(shù)。

6) 把這種擬合關(guān)系映射到像素坐標(biāo)系下，由這N(N≥4)個(gè)點(diǎn)的像素坐標(biāo)推算出在不規(guī)則地圖的像素坐標(biāo)下與點(diǎn)pt對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的像素坐標(biāo)。

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

圖5 iPad2終端效果圖

四、結(jié)束語

筆者所在單位作為傳統(tǒng)地圖服務(wù)的專業(yè)提供方，以堅(jiān)持服務(wù)政府和服務(wù)社會(huì)公眾為宗旨，對(duì)與時(shí)俱進(jìn)提供紙質(zhì)與數(shù)字、在線與離線等多種服務(wù)提出了更高的要求。本文所述的地圖定位的方法，可實(shí)現(xiàn)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(wù)方式、研發(fā)移動(dòng)終端與地圖的更多交互式功能、拓展地圖內(nèi)容、豐富產(chǎn)品表現(xiàn)形式、提升用戶體驗(yàn)奠定了前期的技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王攀.移動(dòng)GIS及其新應(yīng)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(dòng)GIS的發(fā)展及其應(yīng)用[J].地理空間信息,2005(4):41-42.