[发明专利]一种基于GPS轨迹数据的出租车行驶路径信息提取方法

权利要求书

1.一种基于GPS轨迹数据的出租车行驶路径信息提取方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)数据预处理；

对原始GPS轨迹数据进行预处理，剔除重复、格式错误、属性缺失和属性异常的不规范数据；并将轨迹点坐标从WGS-84坐标系转换为UTM投影坐标系；

(2)出租车行驶路径OD点的提取；

出租车行驶路径OD点是指出租车运行中的上车点和下车点，出租车一天的完整行驶路径包括多个OD点对，是出租车空载客状态变换点；综合原始GPS轨迹数据中的载客状态字段值和DBSCAN算法，精确提取出租车行驶路径OD点；

GPS轨迹数据中的载客状态字段值包括0和1两个值；如果满足GPS轨迹数据载客状态字段值由0变为1，且位于DBSCAN算法提取出的高密度点簇内，则识别出乘客上车点，并根据公式(Ⅰ)和公式(Ⅱ)计算出乘客上车点坐标；如果满足GPS轨迹数据载客状态字段值由1变为0，且位于DBSCAN算法提取出的高密度点簇内，则识别出乘客下车点，同样根据公式(Ⅰ)和公式(Ⅱ)计算出乘客上车点坐标；

其中，C_i为高密度点簇，P_r为轨迹点，是属于高密度点簇C_i的轨迹点P_r的坐标，||C_i||是在C_i内的轨迹点的数量，为点簇中心的坐标；

DBSCAN算法步骤如下；

假定数据集D＝{X₁,X₂,…X_i,…,X_n}，其中X_i是一个轨迹点；

参数Minpts：给定点在E领域内成为核心对象的最小领域点数；

参数E_ps：对象半径；

参数E_ps领域：给定对象半径E_ps内的邻域称为该对象的Eps邻域；

用N_Eps(X_i)表示点X_i的E_ps半径内的点的集合；

DBSCAN算法具体步骤：

(DBSCAN-1)搜索数据集D中未被处理轨迹点X_i，如果X_i既没有归入某个簇，也没有标记为噪声，检查轨迹点X_i的E_ps领域N_Eps(X_i)，如果N_Eps(X_i)包含轨迹点数大于或等于Minpts，建立新点簇C，并将在X_i领域内的所有点加入点簇C，并把X_i标记为已处理状态；

(DBSCAN-2)新建的点簇C中，X_i邻域内的点为q；逐个遍历点簇C中所有未被处理的点q，检查未被处理的点q邻域的点，如果未被处理的点q的邻域内包含轨迹点数大于或等于Minpts，把未被处理的点q领域内的所有点加入点簇C中；

(DBSCAN-3)重复(DBSCAN-2)继续搜索点簇C中未被处理的点q，直到点簇C中所有的候选点都被处理；

(DBSCAN-4)重复步骤(DBSCAN-1)、步骤(DBSCAN-2)和步骤(DBSCAN-3)，直到数据集D中的所有点被分类到一个簇，或者被标记为噪音；

(3)出租车行驶轨迹识别；

出租车行驶轨迹包括空载行驶轨迹和载客行驶轨迹；根据步骤(2)中提取的出租车空载和载客行驶路径OD点，按照GPS轨迹点数据的时间属性，识别出租车空载和载客各OD段轨迹点；

(4)基于距离、方向、可达性准则的地图匹配，步骤(3)中提取出的出租车行驶轨迹中各轨迹点为进行地图匹配的待匹配点；

在步骤(4)中的距离判断方法如下：

通过计算待匹配点到道路的距离寻找匹配点所属道路，其中距离阈值由GPS的定位精度确定；以待匹配点的位置为中心，R为半径创建一个圆形缓冲区，R的取值设置为车载GPS定位误差精度的二倍，如果落在缓冲区内的道路数量Count_road＝1，完成地图匹配；如果落在缓冲的道路数量Count_road1，则继续进行方向判断；

在步骤(4)中的方向判断方法如下：

计算待匹配点的方向属性值与道路方向的角度差值，与设定角度阈值15°比较，考虑到道路通行方向存在单向通行道记为r＝0和双向通行道记为r＝1，所以夹角的计算公式(Ⅲ)如下：

θ_l：候选路段的通行方向；

θ_p：出租车行驶方向；

Δθ：候选路段的通行方向与出租车行驶方向的夹角；

对于距离匹配后得到的待匹配路段集合L＝{l_i|i＝1,...,n}，分别计算其中每条道路的通行方向记为集合Φ＝{θ_l|l＝1,...,n}，所有道路通行方向与出租车原始轨迹点的瞬时方向的差记为集合Θ＝{Δθ_l|l＝1,...,n}，按照夹角的阈值筛选出符合条件的道路段如果小于设定角度阈值的道路数量Count_road＝1，说明这一条道路就是待匹配所属道路，完成地图匹配；如果小于角度阈值的道路数量Count_road1,则继续进行可达性判断；

在步骤(4)中的可达性判断方法如下：

首先通过Dijkstra最短路径算法计算上一匹配好的点与当前待匹配点可能所在道路的对应点之间行驶可达距离，进而计算两点间平均速度，其计算公式(Ⅳ)为：

v：出租车在两点之间行驶的平均速度；

d：两点之间的可达性距离；

Δt：出租车相邻两定位点之间的时间间隔；

通过计算出的两点间的平均速度与城市道路的限速值a做比较，来判断前后两定位点之间可达性，从而将待匹配点匹配到正确的道路上，完成地图匹配；若没有符合条件的道路则地图匹配失败，接着对下一待匹配点进行地图匹配

(5)出租车行驶路径重构：

行驶轨迹点完成地图匹配之后，即可进行出租车行驶路径重构；对相邻轨迹点的匹配路段为同一路段的情况，把两轨迹点连接起来；对相邻轨迹点匹配路段不同的情况，采用Dijkstra最短路径算法求解两相邻轨迹点中间的最短路径，从而重构出出租车行驶路径。