本章首先介绍GPS 全球卫星定位系统、GIS 地理信息系统的基本概念，以及当前国内外发展的现状和它们在车辆导航方面的应用，并由此指出对交通矢量地图进行自动校正的重大意义。由此构成本论文选题的时代背景与技术背景。
1.1 GPS、GIS 系统简介
1.1.1 GPS（全球定位系统）简介
GPS 是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Position System 的字头缩写词NAVSTAR/GPS 的简称。它的含义是，利用导航卫星进行测时和测距，构成全球定位系统。人们将这一全球卫星定位系统简称为GPS。GPS 全球卫星定位系统从提出到建成经历了20 年，到1994 年24 颗工作卫星进入预定轨道，系统全面投入运行。GPS 系统因其极高的应用价值，得到了美国政府和军方的重视，不惜投资300 亿美元来建立这一工程，成为继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三大空间计划。
GPS 系统的空间部分由24 颗卫星组成，均匀分布在6 个仰角为55 度的轨道面上。GPS 系统的利用者接收卫星发送的扩频信号，测量电波传播时间求出卫星到接收机天线的距离，利用空间三球相交一点的原理，解算以接收机位置为未知数的方程，从而确切知道接收机的位置；也就是说，只需接收到3 颗卫星的信号，就能确定用户的二维（经度、纬度）位置。GPS 系统从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，它可以为全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、速度和时间信息，可以满足各种不同用户的需要。在海洋上，它可用于舰船海上协同作战，在海洋交通管制、海洋测量、石油探测、海轮进出港管理等领域提供定位服务；在陆地上，可用于各种车辆、坦克和陆军等的定位；它还可以广泛应用于人们的日常生活和科学研究中，如汽车驾驶、旅游、探险、测绘、勘探考古等方面。GPS 定位系统的建立，给导航和定位技术带来了巨大的变革。
美国政府在进行GPS 系统设计时，计划提供两种服务。一种为标准定位服务——SPS，利用粗测/捕获码（C/A 码）定位，预计精度约为400 米，提供给民间用户使用。另一种为精密定位服务——PPS，利用精密码（P 码）定位，精度达到10 米，提供给军方和得到特许的用户使用。但在GPS 实验卫星应用阶段，多次实验表明，实际定位精度远高于此值，利用C/A 码定位精度可达到15~40米，利用P 码定位精度可达3 米。为了维护美国自身利益，美国国防部在GPS系统中加入了SA（Selective Availability）政策——选择可用性政策，人为地将误差引入卫星时钟和卫星数据中，降低GPS 的定位精度，以防止未经许可的用户把GPS 用于军事目的。采用SA 政策后的GPS 系统C/A 码定位，水平定位精度为100 米，垂直测量精度为157 米。美国国防部常年对SA 政策进行测量，并根据形势和要求对部分和全部卫星取消SA 政策。SA 政策的引入，在一定程度上限制了GPS 的应用，为了提高定位精度，人们研究和发展出差分GPS 技术——DGPS（Differential GPS）。但是，DGPS 系统需要建立相应的差分基准站和监测站，造价昂贵。随着GPS 应用的不断发展，GPS 广大用户要求取消SA 政策的呼声越来越高；考虑到庞大的GPS 应用市场，美国政府最终于2000 年5 月1 日取消了SA 政策，这必将促进GPS 定位和导航的应用的进一步发展。
2000 年以后，以波音公司为首，休斯空间和通信公司、计算机科学公司(CSC)、洛克西德马丁管理与数据系统(M&DS)和雷声公司开始研究开发新一代的全球定位系统——GPS III。GPS III 的结构将基于现有的卫星导航系统，并将开发出具有创新结构的新的GPS 系统。
1.1.2 GIS（地理信息系统）简介
GIS 地理信息系统（Geographical Information System）是集计算机科学、地理地质学、测绘科学、环境科学、空间科学、信息科学和管理科学等为一体的多学科结合的新兴边缘科学。它是在计算机硬件、软件系统的支持下，采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层在内）与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。它是融合计算机图形和数据库于一体，用来存储和处理空间信息的高新技术。它把地理位置和相关属性有机地结合起来，根据用户的需要将空间信息及属性信息准确真实、图文并茂地输出给用户，满足城市建设、企业管理、居民生活对空间息变化的需求，并借助其独有的空间分析功能和可视化表达功能，进行各种辅助决策。
地理信息系统具有以下三个方面的特征：
①具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和动态性；
②以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空间分析、多要素综合分析动态预测能力，可以产生高层次的地理信息；
③由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务。
地理信息系统是从20 世纪60 年代开始逐渐发展起来的新技术。由于地球是人们赖以生存和发展的基础，所以GIS 是与人类的生存、发展和进步密切关联的一门信息科学技术，受到人们愈来愈多的重视，其应用已涉及到各行各业。特别是近几年来，由于全球信息化的飞速发展，信息高速公路、“数字地球”、“数字城市”、“虚拟社区”理论的提出，GIS 产业受到了空前的关注，越来越多的人投身到GIS 的学习浪潮中。
20 世纪80 年代是GIS 普及和推广应用的阶段。由于计算机的发展，推出了图形工作站和PC 微机等性价比大为提高的新一代计算机，使计算机和空间信息系统在许多部门得到广泛使用。计算机网络技术的应用，使地理信息数据的长距离传输时效得到极大的提高。GIS 系统软件和应用软件的发展，使得GIS 的应用从解决基础设施的规划（如道路、输电线）转向更复杂的区域开发和规划，例如
土地的农业利用、城市化发展、人口规划与布局等，地理因素成为投资决策中不可缺少的依据。许多国家把GIS 作为有关部门的必备工具投入日常运转。与卫星遥感技术相结合，GIS 开始用于全球性的问题研究，例如全球沙漠化、全球可居住区的评价、厄尔尼诺现象及酸雨、核扩散及核废料以及全球变化与全球监测。美国军方制作了全球1：100 万的空间数据库DCW，原苏联制作了全球数字调和模型和数字正摄影像。20 世纪80 年代，GIS 软件的研制和开发也取得了很大的成绩，仅1989 年市场上有报价的软件就达70 多个，并且涌现出了一些具有代表性的GIS 商用软件，如Arc/Info, MicroStation, MGE Intergraph, Auto CAD/ArcCAD 等。
我国GIS 的发展虽然较晚，但发展势头迅猛，大体上经历了4 个阶段，即起步（1970－1980 年）、准备（1980－1985 年）、发展（1985－1995 年）、产业化（1996 年以后）阶段。GIS 已经在很多部门和领域得到应用，并引起了政部门的高度重视。从应用方面看，地理信息系统已在资源开发、环境保护、城市规划建设、土地管理、农作物调查、交通、能源、地图测量、林业、房地产开发、
自然灾害的监测和评估、金融、保险、石油与天然气、军事、犯罪分析、运输与导航、110 报警系统、公共汽车调度等方面得到了具体应用。国内已有城市测绘地理信息系统或测绘数据库正在运行或建设中。一批地理信息系统软件已研制开发成功（如GeoSTAR, CityStar, MapGis 等），一批高等院校已设立了一些与GIS有关的专业或学科，一批专门从事GIS 产业活动的高新技术企业相继成立。此外，还成立了“中国GIS 协会”和“中国GPS 技术应用协会”等组织。
进入21 世纪，随着地理信息产业的建立和数字化产品的普及，GIS 技术已深入到各行各业，成为政府部门进行科学管理、快速决策及人们生活、生产、学习和工作中不可缺少的工具。朱镕基总理在中共十五届二中全会报告中明确指出地理信息将作为一个产业来加以发展，我国的GIS 正迎来一个阳光明媚的春天。
1.2 GPS、GIS 在车辆导航系统中的应用
交通是国民经济发展的两大支柱之一。交通问题具有明显的地域特征，是地理信息科学的一个主要研究内容。此外，交通技术的发展与电子技术、通讯技术、计算机技术等高新技术的发展息息相关，而这些高新技术同时也是实施“数字地球”战略必须着重发展的技术。可以毫不夸张的说，交通将是“数字地球”战略发展的最大受益者之一，同时也是实施“数字地球”战略的一个重要组成部分。
城市交通网络在城市发展中占有至关重要的地位。它不仅是城市的一个重要组成部分，同时也决定了城市居民的生活方式。长期以来，交通问题严重影响了城市各项建设的发展，如交通拥挤、车辆行驶缓慢、交通事故频繁及其由于交通堵塞造成的大量空气污染等问题。很多发达国家逐渐认识到，为了有效解决这些问题，仅仅依靠道路建设，扩大路网规模是远远不够的，交通问题的解决必须依赖现代信息技术与管理技术的有机结合，寻求新的解决方案。智能交通系统（ITS，Intelligent Transport Systems ）是针对这一问题的一个重要的研究方向。ITS是基于70 年代的交通系统管理（ISM）和80 年代的交通需求管理（TDM）而提出的最新途径。自80 年代末产生以来，以其提高社会交通运输的安全性、便利性和改善环境质量等方面的出色表现，受到国际社会的普遍认同。GIS 和GPS 在智能交通系统中扮演了十分重要的角色。事实上，ITS 技术的发展趋势是把GIS、GPS、GMS（Global System for Mobile communication）三项技术结合，充分利用GIS（地理信息系统）技术在处理和地理空间有关的庞大的信息方面的优势，GPS（全球卫星定位系统）技术全天候实时高精度的定位能力，以及GMS（全球移动通信系统）技术在数据传输和通讯上极高的可靠性和广泛性，提供交通管理、车辆监控、个人导航和包括路径寻优在内的智能决策服务。GIS 应用于交通管理 和运输领域，被视为智能交通系统的一个重要研究方向。目前的交通系统因人口集中及社会高度现代化而存在数项严重的问题，基于GIS 技术的GPS 监控导航技术的发展和实践对缓解交通堵塞、维护社会安全以及提高交通运输的效率方面所起到的作用愈来愈明显。这种技术有着广阔的应用前景，也成为国际社会一个新的技术产业和经济增长点，并将最终影响人类的工作和生活方式，给人类带来极大的便利。
车辆监控和个人导航是智能交通系统的主要应用方式。关于车辆监控和导航的研究工作开始于本世纪70 年代。近年来，许多汽车生产公司为了提高本公司产品在市场的竞争能力，投资研究和开发车辆导航设备，极大地推进了GPS 在车辆导航领域的应用和发展。丰田、东芝、索尼等很多大公司与导航系统供应商协作，使得日本在轿车导航系统方面的研究处于世界领先地位。1991 年，东芝公司轿车导航系统，采用一种可操作的电视GPS 接收机，可显示沿途饭店、旅馆和商店等信息。1994 年，索尼公司推出一种带电子地图的汽车导航系统，将一个8 通道的GPS 接收机与CD-ROM 格式的地图及信息数据库结合在一起，并能接收调频无线电广播发送的交通流量信息。另外，许多大公司，如奔驰日本公司、丰田、本田等，都在积极开发自己的导航信息系统，拓展导航信息服务市场。在美国，有多个公司已研制或正在研制轿车导航系统。克莱斯勒公司研制了一种基于GPS 的车辆导航系统，该系统在失去卫星信号后，可用计程器工作，保持车辆继续导航。威斯汀豪斯公司研制了自动车辆定位系统，安装在城市公共汽车和轻轨火车上。在欧洲，1995 年，法国巴黎的公共汽车率先使用车辆调度和导航系统。
我国不少城市引进国外的先进设备，装备在公安、军队、金融、消防等部门，发挥了一定的作用。另外，考虑到卫星定位导航在军事和国家安全等方面的战略地位，我国也开始研发自己的卫星定位系统——北斗导航系统。2000 年10 月31日，我国自行研制的第一颗“北斗导航试验卫星”在西昌卫星发射中心发射升空；12 月21 日，第二颗“北斗导航试验卫星”发射升空。这标志着我国将拥有自主研制的第一代卫星导航定位系统，也预示着我国导航定位技术将发展到一个新的阶段。
和很多发达国家相比，我国对GPS 应用的研究还处于初级阶段，还没有与GIS 地理信息系统等其他系统有效结合，形成一个强大的系统。为了整个社会高效便利地运行，值得我们投入更多力量研究GPS、GIS 等技术的应用以及ITS 系统的构建。实现“数字地球”的理想还有很长的路要走。
1.3 交通矢量地图自动校正的意义
GPS技术的广泛应用， 既依赖于地理信息系统GIS，又促进了地理信息系统GIS的蓬勃发展。必须看到，所有涉及GPS应用的智能交通系统应用（包括交通管理或监控导航系统）都离不开道路定位，或者说，离不开准确的矢量地图。
交通矢量地图是为道路交通管理、车辆安全监控等目的而使用的建立在准确地理位置坐标数据模型的地理信息系统。交通矢量地图是完善GPS应用技术的基石，这在我国目前更显得重要。矢量地图的准确性直接关系到系统提供的资料的准确度以及由此做出决策的效能。
实际上在目前的数字化时代，提出数字地球、数字城市、数字交通，只要涉及到地理位置，就需要矢量地图。矢量地图的生成过程，目前主要使用数字化仪，如果要求直接获得精确的矢量化地图，不仅需要小比例尺的精确的测绘地图，整个矢量化过程也变成一件极为繁琐的过程。反过来，如果使用大比例尺的甚至只是市面上可以买到的交通地图，矢量地图的生成过程，就会变成极为简单快捷，而且大大降低制作成本。但是制作过程的简便，不可避免地保留了很多处理过程中的误差。为了提高矢量地图的精度，就必须尽可能地消除这些误差。消除误差的过程，就是矢量地图的校正过程，它是矢量地图成功实现所不可缺少的关键环节。
1.4 矢量地图校正方法的研究现状
目前对矢量地图的校正大概有三种方法，即：人工逐节点校正、整体线性校正和离散非线性校正整体线性校正和离散非线性校正都属于自动校正方法的范畴。比较三种校正方法，人工逐节点校正实际上是极为繁琐的手工逐点定标，其工作量不亚于重新独立测绘制图。整体线性校正是均匀地使用校正点信息获得一个线性变换规则并同时对全平面的所有节点进行校正，快速性方面有了显著提 高，却不能消除原始矢量地图的非线性误差。离散非线性校正则把校正分为选取待校正离散块和确定离散块内节点校正方法两大步骤，通过离散的处理，有效消除非线性误差；它对前两种方法扬长避短，兼顾了快速性和校正的精度，实验中也取得了良好的校正效果。
离散非线性校正的思想是在对矢量地图的网络拓扑结构分析的基础上提出的，它显然是矢量地图自动校正算法研究中的一个质的飞跃。离散校正的思想对算法的具体实现过程，包括离散块的选取和块内节点的校正这两部分，都提出了算法得以顺利进行所必须遵循的约束条件。通过理论研究发现，虽然早期的离散非线性校正算法在对若干城市地图的校正中取得了良好的校正效果，但理论上并不完善，甚至无法保证算法总是可行的。
本论文着眼于城市交通管理、车辆导航对交通矢量地图的迫切需要，吸取了国内外在交通矢量地图GIS 自动生成与校正研究工作方面已经取得的研究成果，结合个人在交通矢量地图自动校正算法研究方面的学习总结和思考，对早期的“离散非线性校正算法”中的不足进行了详细的分析，并给出了有针对性的改进方案，继而形成了“改进的离散非线性校正算法”。改进后的算法严格地遵守了离散校正的约束条件，更好地体现了离散校正的思想，使离散非线性校正的方法
1.5 论文安排
第一节 《绪论》，简要介绍了GPS、GIS 的基本概念，当前国内外发展现状，及其在车辆导航系统中的应用；结合当前数字化地球、数字化城市的实际需要，分析了交通矢量地图校正的重大意义。
第二节 矢量地图综述》，从矢量地图的基本概念出发，介绍了矢量地图在理论上得到了完善。和栅格地图相比具有的一些优势，以及矢量地图的生成，矢量地图的编辑和信息添加等。同时，对矢量地图中道路的拓扑结构和矢量地图库的组成给出了清晰的阐述。
第三节 《交通矢量地图的自动校正》，本章从交通矢量地图的误差分析出发，详细阐述了交通矢量地图传统的自动校正算法及最小化多点误差的整体线性校正算法，给出了校正实例，同时分析了这种算法的优点和不足。并且，把线性校正算法（自动）与手动非线性校正（非自动）过程做了比较，引出了本质不同的离散非线性校正思想。
第四节 《矢量地图的离散非线性校正》，本章介绍了离散非线性校正思想的提出，并介绍了受这种思想指导的一种早期的“离散非线性校正算法”。接着给出了这种算法对合肥市与成都市校正的实例，在一定程度上显示了离散校正思想的先进性和有效性。最后比较分析了整体线性校正算法与离散非线性校正算法各自的优点和不足。
第五节 《改进的矢量地图离散非线性校正算法》，本章是作者读研期间的主要贡献。首先分析了离散非线性校正思想对算法具体实施过程的顺利进行所要求的约束条件，并依据这些条件说明了早期的“离散非线性校正算法”的不足，给出了针对性的解决的方案，从理论上完善了离散校正的思想。改进后的算法比之前任何一种方法都更能有效地进行矢量地图的自动校正，是一个重要的进步。
第六节 《总结和展望》
