§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系统因其应用价值极高，所以得到美国政府和军队的重视，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400m，提供民间用户使用。另一种为精密定位服务——PPS，利用精密码（P码）定位，精度达到10m，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15~40m，利用P码定位精度可达3m。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。
§1.1.1 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与一体，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关地结合起来，根据用户地需要将空间信息及其属性信息准确真实、图文并茂地输出给用户，满足城市建设、企业管理、居民生活对空间信息的变化，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。
地理信息系统具有一下三个方面的特征：
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、多要素综合分析和动态预测能力，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，计算机和空间信息系统在许多部门广泛应用。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。与卫星遥感技术想结合，GIS开始用于全球性问题研究，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/Arc CAD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已在很多部门和领域得到应用，并引起了政府部门的高度重视。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。朱鎔基总理在中共十五界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。
GPS全球定位系统自90年代全面运行投入运营以来，以其全天候、精度高、体积小、时实性等特点，广泛应用于各个方面。短短的几年间，GPS技术和相关应用得到了极大的发展，在海陆空天等领域发挥着越来越大的作用。尤其在车辆导航方面，显示出强大的生命力和广阔的应用前景，已成为当今国际社会一个新的技术产业和经济增长点。以2000年为例，车辆导航产品的产值为29亿美元，约占GPS产品总值的35%左右，由此可见，这将是一个极具潜力的市场。
21世纪是数字信息的时代，包括无线通讯、GPS全球定位系统、GIS地理信息系统、遥感等技术的“数字地球”成为研究的热点。其中，GPS和车辆导航技术更得到了广泛的关注。中国科学报（96.9.13）载文引用美《未来学家》预测“今后十年十大产品将改变人们的工作和生活方式”，其中第七项就是利用GPS技术并带有智能地图的导航跟踪设备。
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，可用罗经和记程计来工作，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。
相比许多发达国家在GPS应用领域的研究和发展，我国还处于起步阶段，但近年来发展迅速。我国不少城市引进国外先进设备，装备在公安、军队、金融、消防等部门，发挥了一定的效益。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。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了一个新的阶段。但是，目前我国GPS车辆导航和定位系统的研究和应用还处于初级阶段，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应用系统。
§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。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的决策的效能。
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，我们使用大比例尺的甚至只是市面上可以买到的交通旅游地图，矢量地图的生成过程，就会成为极为简单的事情。不过矢量地图的地理位置定标与校正，则成为矢量地图成功实现的关键环节。目前对矢量地图的地理位置定标与校正除了整体线性校正外，就是人工逐节点校正，前者并不能改进原始矢量地图的非线性误差，后者则成为极为繁琐的手工逐点定标过程，其工作量不亚于重新独立测绘制图。
文[1]中我们曾介绍：“中国GPS应用系统迅速增长的障碍不是硬件而是软件。只有大力发展中国交通矢量地图GIS软件产品，才能使目前的GPS应用系统成为实用高效，从而迅速形成中国GPS应用产品的规模化生产与市场”。中国交通矢量地图GIS自动生成与校正技术及在这一技术基础上的平台软件，及其规模化的中国交通矢量地图GIS产品，将是GPS应用产业唯一的最高风险最高回报的双刃箭。
本论文将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，介绍GPS实验室在交通矢量地图GIS自动生成与校正技术研究工作中所取得的一系列研究成果，并结合个人在交通矢量地图自动校正算法方面的学习、总结和思考，针对交通矢量地图中的非线性误差，提出了一种按GPS位置轨迹对矢量地图予以自动定标与精度校正的新型算法：离散非线性校正算法。
§1.4 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，介绍了矢量地图同栅格地图相比具有的一些优势，矢量地图的生成，矢量地图的编辑等。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最小二乘误差的整体线性校正算法，给出了校正实例，同时分别分析了这种算法的优点和不足。在比较线性校正算法与手动（非自动）非线性校正过程的基础上，产生出本文新算法的动机。
第四节 《矢量地图的离散非线性校正》，本章是全文的重点，全面叙述作者在交通矢量地图自动生成平台的研究中提出的与传统整体线性校正算法有本质上不同的新的自动校正算法：离散非线性校正算法。给出了对合肥市与成都市的多种校正实例，从实际校正效果上验证了算法的可行性与先进性。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 《矢量地图在车辆导航系统中的应用》，本章首先介绍了以准确的交通矢量地图为基础的车辆导航系统，接着介绍了两种导航系统中的智能决策：最短路径寻优算法和车辆轨迹实时修正算法，并在矢量地图上加以实现。
