鄧興升， 黃小鵬

(長沙理工大學 交通學院, 長沙 410114)

在道路交通領(lǐng)域，位置信息不是由單一的坐標確定，而是根據(jù)實際需求配合線性參照系統(tǒng)(Linear Referencing System, LRS)共同確定[1]。由于道路的線性特征，采用線性參照系統(tǒng)更有優(yōu)勢，符合人們對道路要素描述的習慣和理解能力。用大地坐標來描述道路特征點的位置，往往沒有用里程數(shù)更直接、更易理解；線性參照系統(tǒng)也是為了解決交通網(wǎng)絡(luò)中事件定位和表達而設(shè)計的。目前高速公路普遍采用里程樁進行線性定位[2]，以距離替代坐標來定位空間事物或事件。交通運輸?shù)乩硇畔⑾到y(tǒng)GIS-T(Geographic Information System for Transportation)的定位采用線性參照系統(tǒng)[3]，是與常規(guī)GIS的區(qū)別之一；面向?qū)ο蟮墓肪W(wǎng)絡(luò)及立交模型均是基于線性參照系統(tǒng)[4]。單純二維坐標參考系統(tǒng)并不適合大型公路地理信息系統(tǒng)建設(shè)[5]，現(xiàn)有GIS-T模型一般同時采用兩種空間位置參照系，即一維線性參照系和二維空間參照系[6]。線性參照系的顯著特點是可以采用線性分段技術(shù)在GIS中完成空間相對位移定位[7]。

衛(wèi)星定位技術(shù)常用于獲取道路特征點的三維大地坐標，但表達交通信息時常用線性參照方法LRM(Linear Reference Method)和線性參照系，而不采用空間參照方法。線性參照方法是在一個定義好的交通網(wǎng)絡(luò)中由已知位置和路徑，在LRS空間通過與已知參照點間的偏移距離，來確定未知位置的度量方法?；谝痪S線性系建立空間數(shù)據(jù)模型，能夠?qū)⒁痪S線性坐標轉(zhuǎn)換為實際地理空間坐標[8]。根據(jù)需要可將路段進行動態(tài)分段，并將屬性沿程變化存儲為獨立事件屬性表，使一維線性參照系為基礎(chǔ)建立的各類屬性集能與二維參照系為基礎(chǔ)建立的空間位置相關(guān)聯(lián)[9]。實現(xiàn)線性參照系與大地坐標系之間的融合和高效轉(zhuǎn)換是一項重要的基礎(chǔ)工作，本文采用模型直接計算兩坐標系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，給出道路彎曲度近似度量的兩個指標，及兩坐標系之間相互轉(zhuǎn)換的方法，其中大地坐標對球面經(jīng)緯度和空間直角坐標兩種形式均適用，并列舉實例進行分析驗證。

1 線性參照系與大地坐標系相互轉(zhuǎn)換

1.1 線性參照系統(tǒng)的建立

線性參照系統(tǒng)最早由Baker和Blessing在1974年提出，通常由交通網(wǎng)絡(luò)、線性參照方法和參照基準控制3部分組成。實際道路網(wǎng)形狀復(fù)雜，基線網(wǎng)僅是一個抽象的近似映射，提供不同線性參照方法間的定位參照及相互轉(zhuǎn)換基準[10]?；€網(wǎng)中特征點線集合，由錨固點(Anchor Points)及錨固段(Anchor Sections)組成。錨固點即道路特征點，具有明顯地物特征、且位置不易改變，如道路起終點、主要道路交叉口、大中型橋梁中點、特征里程樁點等。錨固段即路段，由兩個有序的錨固點組成。錨固點的定位包括平面坐標及線性參照距離，參照點即某錨固段的里程零點，是線性參照系的原點。參照點可采用具有重要地理位置的錨固點，由于線性參照系統(tǒng)采用動態(tài)分段機制，在一個基線網(wǎng)中，任何一個錨固點根據(jù)需要都可能作為參照點。

1.2 道路彎曲度計算與線性插值

由于線性插值是將錨固段近似視為直線處理的，因此需對道路彎曲度進行度量。道路彎曲度評價可以采用兩個指標：最大彎曲度和曲直比。最大彎曲度是指一條路線內(nèi)各跡點至錨固段的最大偏離度，由最大彎曲矢量與路線長度之比的百分比來度量。曲直比是指錨固段的曲線里程數(shù)與首尾兩點直線距離的比值。這兩個指標越大，道路彎曲度越大，對線性插值計算越不利。曲直比為1時，表示道路線形為直線，這時采用線性插值轉(zhuǎn)換計算可視為無誤差。

線性插值法原理簡單但精度較低，只可滿足基本交通應(yīng)用需求[11]。兩點在參考橢球面的近似直線距離為:

(1)

其中d為兩點間近似距離(單位為m)；c為1秒地心角對應(yīng)的橢球面弧長，其近似值為30 m；(b1,l1)、(b2,l2)分別為點1和點2的緯度與經(jīng)度，坐標單位需由(° ′ ″)轉(zhuǎn)換為(″)。插值點i到錨固段起始點的里程Ki為:

(2)

(3)

其中(b1,l1)為錨固段起始點坐標；(b2,l2)錨固段終點坐標，K為錨固段的里程數(shù)。式(1)—式(3)是基于錨固段近似為直線推導(dǎo)的，僅適用于直線路段。

1.3 空間曲線擬合

實際上，大部分路段是遠距離大半徑的曲線路段，線性近似會帶來很大的轉(zhuǎn)換誤差。基于道路曲線要素的動態(tài)分段模型算法[12]計算精度較高，但道路線型參數(shù)缺失時，在實現(xiàn)過程中會面臨很多困難[13]，且計算復(fù)雜不利于高效快速轉(zhuǎn)換。采用道路設(shè)計的曲線元素如緩和曲線、圓曲線來表示曲線路段較合理，但在現(xiàn)實中特別是舊路改造時，通常會面臨曲線元素與方位參數(shù)缺失等問題。因此需采用其它參數(shù)方程對曲線路段進行擬合，建立線性參照系統(tǒng)里程數(shù)與大地坐標的函數(shù)關(guān)系，空間曲線用以下參數(shù)方程來描述：

(4)

其中(b,l,h)分別為空間點的緯度、經(jīng)度、大地高；(x,y,h)分別為空間點的高斯平面坐標與正常高，t為里程數(shù)變量。分段3次樣條函數(shù)可用來擬合道路平面線形[14-16]，(b,l,h)或(x,y,h)可采用分段3次樣條函數(shù)來擬合：

f(t)=c3(t-t1)3+c2(t-t1)2+c1(t-t1)+c0.

(5)

其中c0,c1,c2,c3為待求的模型系數(shù)；t1為區(qū)間[t1,t2]的起始點。

根據(jù)實測點進行分段，每段都有各自的模型系數(shù)。3次樣條函數(shù)在每個子區(qū)間上建立一個3次多項式，在分隔點處的插值等于觀測值，在分隔點處具有連續(xù)的一、二階導(dǎo)數(shù)，且滿足自然邊界條件；在節(jié)點處具有連續(xù)性，插值曲線為光滑分段多項式[17]。

由于里程數(shù)是單調(diào)遞增的，不會多值重復(fù)，因此區(qū)間分段是可行的，由里程數(shù)轉(zhuǎn)換到大地坐標不存在多值性。反之，由大地坐標轉(zhuǎn)換到線性參照系時，由于道路線形可能出現(xiàn)回旋，如立交橋在立體交叉時具有相同平面坐標的點，是空間上不同的點[4]。路面中心線軌跡的大地坐標不滿足單調(diào)性條件時，需要根據(jù)具有單調(diào)性的另一維坐標，例如高程h，建立與里程數(shù)t的函數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)逆向轉(zhuǎn)換，或進行必要的分段處理。

t=f(j)|j∈ b, l, x, y, h, r.

(6)

其中f(j)與式(5)形式上相同，j是b,l,x,y,h,r(r為坐標點到區(qū)段起始點的向徑)中的任何一個具有單調(diào)性的坐標或向徑，要求該數(shù)值在整個區(qū)段單調(diào)增或單調(diào)減，不得有重復(fù)值，從而建立與里程數(shù)的一一對應(yīng)關(guān)系。

1.4 計算流程

1.4.1 大地坐標系轉(zhuǎn)換到線性參照系

1)建模數(shù)據(jù)點坐標與里程實測，大地經(jīng)緯度坐標由(°)(′)(″)轉(zhuǎn)換為以(″)為單位；

2)取大地坐標中具有單調(diào)增或單調(diào)減特性的某一維坐標或向徑，由分段3次樣條函數(shù)式(5)～式(6)建立與里程數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，求得模型系數(shù)；

3)根據(jù)待轉(zhuǎn)換點的大地坐標和轉(zhuǎn)換模型系數(shù)，將其轉(zhuǎn)換到線性參照系里程數(shù)。

1.4.2 線性參照系轉(zhuǎn)換到大地坐標系

1)建模數(shù)據(jù)點坐標與里程實測，大地經(jīng)緯度坐標由(°)(′)(″)轉(zhuǎn)換為以(″)為單位；

2)里程數(shù)是單調(diào)增的，采用式(4)—式(5)分別建立里程數(shù)與3維大地坐標的分段3次樣條函數(shù)模型，每一維坐標建立一個模型，計算模型系數(shù)；

3)根據(jù)轉(zhuǎn)換·模型系數(shù)將里程數(shù)轉(zhuǎn)換為大地坐標。

2 算例分析

2.1 實驗數(shù)據(jù)

本實例選擇某一實際曲線路段作為實驗對象，其曲直比為1.145，最大彎曲矢量為72.3 m，最大彎曲度為21%。建立轉(zhuǎn)換模型時根據(jù)道路等級和轉(zhuǎn)換精度要求，曲線路段數(shù)據(jù)點間隔應(yīng)盡量小，通常以20 m為宜[15]。從實測數(shù)字地形圖中解析得到大地坐標及里程數(shù)據(jù)如表1所示，其中x,y坐標采用地方獨立坐標系，解析坐標精度為±10 cm，里程數(shù)精度為±30 cm。

表1 大地坐標及里程表 m

2.2 大地坐標系轉(zhuǎn)換到線性參照系

將實驗點A,B,C的大地坐標轉(zhuǎn)換為以里程樁為0的線性參照系里程數(shù)，由于在該區(qū)間中x坐標不單調(diào)而y坐標單調(diào)增加，因此采用空間曲線擬合法由y坐標建立與里程數(shù)的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)計算流程1.4.1由坐標y轉(zhuǎn)換到里程t的模型系數(shù)如表2所示。

表2 分段3次樣條函數(shù)t=f(y)模型系數(shù)

根據(jù)模型系數(shù)得到轉(zhuǎn)換計算結(jié)果如表3所示，其中轉(zhuǎn)換里程與實測里程差值最大為0.543 m。

表3 大地坐標轉(zhuǎn)換到線性參照系計算結(jié)果 m

2.3 線性參照系轉(zhuǎn)換到大地坐標系

將實驗點A,B,C的線性參照系實測里程數(shù)轉(zhuǎn)換為大地坐標，根據(jù)計算流程1.4.2，由里程t轉(zhuǎn)換x坐標的模型系數(shù)如表4所示。

表4 分段3次樣條函數(shù)x=x(t)模型系數(shù)

由里程t轉(zhuǎn)換y坐標的模型系數(shù)如表5所示。

表5 分段3次樣條函數(shù)y=y(t)模型系數(shù)

由表4、表5可知，3次項系數(shù)c3接近為0，表明該曲線段采用二次樣條曲線擬合即可。由模型系數(shù)計算得到大地坐標轉(zhuǎn)換結(jié)果如表6所示，其中坐標轉(zhuǎn)換誤差最大為0.402 m。

表6 線性參照系轉(zhuǎn)換到大地坐標系計算結(jié)果 m

直線路段轉(zhuǎn)換試驗分析結(jié)果表明，在直線路段3次樣條函數(shù)c3,c2的值近似為0，與直線方程等價，因此分段3次樣條函數(shù)同樣適用于直線路段的轉(zhuǎn)換。采用分段3次樣條函數(shù)，針對復(fù)雜道路線形不要求函數(shù)有較強的擬合能力，擬合曲線也不會在數(shù)據(jù)點間產(chǎn)生多余的擺動，轉(zhuǎn)換結(jié)果滿足交通應(yīng)用需求。

3 結(jié) 論

線性參照系與大地坐標系的相互融合與高效轉(zhuǎn)換，是智能交通信息系統(tǒng)的一項基礎(chǔ)工作，適用于解決道路特征點的空間定位問題。本文在兩坐標系之間建立函數(shù)關(guān)系進行直接相互轉(zhuǎn)換，給出度量道路彎曲度的兩個指標，及兩坐標系相互轉(zhuǎn)換的兩類方法，即線性插值法和分段3次樣條曲線函數(shù)模型法。分段3次樣條函數(shù)法對直線和曲線路段都適用，要求建模數(shù)據(jù)點具有一定的密度且能反映道路線形特征，數(shù)據(jù)點密度較高且實測精度高時模型誤差可忽略。本文實驗結(jié)果顯示，線性參照系統(tǒng)與大地坐標系的相互轉(zhuǎn)換誤差可達±0.5 m，主要誤差來源于坐標和里程數(shù)據(jù)的測量誤差。