Matthias Wiertz1 Gis IV Seminar Thema des Vortrags ist Positionsverbesserung mit Geodaten-Mapmatching

Matthias Wiertz2 Inhaltsübersicht Was ist Mapmatching? Strategien zur Karteneinpassung Die reine Translation Ähnlichkeitstransformation Affintransformation Zuordnungsverfahren im Winkel und Krümmungsbild. GPS Messungen DGPS Messungen Allgemeine Zusammenfassung

Matthias Wiertz3 Was ist Mapmatching? Navigationssystem benötigt gewisse Dinge für optimale Routenfindung gesamte Ortungssensorig und Information über das Verkehrsnetz (digitale Karte) im Fahrzeug Ermittlung optimaler Route zu Beginn der Fahrt ständigerVergleich die Fahrzeugposition mit der digitalen Karte für Fahrempfehlungen Nutzung der Karteninformationen durch logischen Bezug zwischen der aktuell gemessenen Fahrzeugposition und dem gespeicherten Straßennetz Alle Ortungsverfahren liefern gemessene Koordinate durch Karteneinpassung Relation zum Straßennetz

Matthias Wiertz4 Was ist Mapmatching?

Matthias Wiertz5 Strategien zur Karteneinpassung Logischer Bezug zwischen gemessener Fahrzeugposition und gespeicherten Straßenelementen zur Bestimmung des Straßenelement und wo das Fahrzeug auf dem Straßenelement ist Karteneinpassung identifiziert vom Fahrzeug zurückgelegten Weg in der digitalen Karte und stellt Zuordnung zwischen Messung und Karte her Kombination von Karte mit Zuordnungsprozeß Map-Matching-Algorithmen

Matthias Wiertz6 Strategien zur Karteneinpassung Suchgebietfestlegung durch Suche von allen möglichen Trassenverläufen in der digitalen Karte Auf jede dieser Trassen wird der gemessene Fahrweg zugeordnet und die Zuordnungsgenauigkeit bestimmt Mit Hypothesentests wird die wahrscheinlichste Trasse festgelegt bzw. bestimmt Außschluss der Trassen die nicht mehr berücksichtigt werden müssen

Matthias Wiertz7 Strategien zur Karteneinpassung der Karte zugeordneten Positionen dienen: zur Verbesserung der Fahrzeugpositionen Positionsfehler einzugrenzen digitale Karte soll relativ genau sein sonst generiert das System eine falsche Positionsausgabe dadurch gravierende Reduzierung der Systemleistung digitale Karte akzeptiert bei Genauigkeit unter 15m guter Map-Matching-Algorithmus verbessert Ortungsgenauigkeit und die Zuverlässigkeit der Fahrzeugposition Map-Matching-Modul hat wichtige Rolle in Fahrzeugnavigationssystemen Zuverlässigkeit und Genauigkeitsteigerung des Ortungssystems Map-Matching-Algorithmus soll die systematischen Fehler des Ortungssystems reduzieren

Matthias Wiertz8 Reine Translation Bei Zuordnungsverfahren mit Koordinatenbeobachtungen Einteilung der Meßstrecke durch Interpolation in Linienelemente konstanter Länge Gleiche Einteilung der Vergleichstrasse Den Meßpunkten werden die ersten Punkte der Vergleichstrasse als identische Punkte bei der Transformation zugeordnet, und Transformationsparameter und deren Genauigkeiten in einer Ausgleichung bestimmt Im nächsten Schritt korrespondieren die Meßpunkte mit den um ein Linienelement verschobenen Punkten der Vergleichstrasse In einer erneuten Ausgleichung werden wiederum die Transformationsparameter mit Genauigkeit bestimmt Verschieben wird wiederholt, bis der letzte Meßpunkt mit dem letzten Punkt der Vergleichstrasse übereinstimmt beste Kurveneinpassung zwischen Meßstrecke und der verwendeten Trasse anhand kleinster Varianz

Matthias Wiertz9 Reine Translation Darstellung zwischen der gemessenen Route und eine Vergleichstrasse aus der digitalen Karte durch Verschiebungsvektor Vektoren zwischen den Meßpunkten und Punkten aus der Karte werden berechnet und über alle Meßpunkte gemittelt Durch Verschieben der korrespondierenden Punkte erhält man Translationsvektoren mit ihrer Standardabweichung Der mit kleinster Standardabweichung wird als beste Zuordnung der gemessenen Route auf die Vergleichstrasse betrachtet Das Verfahren mit Translationsvektoren läßt keine systematischen Fehler des Ortungssystems zu Einsatz nur für hochgenaue Navigationsverfahren (z.B. DGPS)

Matthias Wiertz10 Ähnlichkeitstransformation 4 Freiheitsgrade (Maßstab, Drehwinkel, und beide Verschiebungen) werden durch Ausgleichung bestimmt Methode genauer als mit Translationsvektoren durch Freiheitsgrade Funktioniert so: Punkte in beiden Systemen auf ein Schwerpunkt- koordinatensystem umrechnen diagonale Normalgleichungsmatrix aus 4 einzelnen Gleichungen je ein Transformationsparameter direkt berechnet Durchführung Ähnlichkeitstransformation bei Mapmatching- Anwendungen für jede Alternativtrasse (ni-m+1) mal

Matthias Wiertz11 Affintransformation Zwischen Koordinatensystemen werden 6 Parameter in Ausgleichung geschätzt Normalgleichungsmatrix enthält Summen aus Koordinaten der Meßpunkte Muß nur einmal bestimmt werden (weniger Rechenaufwand) h-Vektor muß jedesmal neu berechnet werden Probleme bei langgestreckten Trassen Viele Freiheitsgrade Genauigkeit der Transformation hängt vom Abstand zwischen den digitalisierten Meßpunkten und den Kartenpunkten ab falsche Zuordnung

Matthias Wiertz12 Genauigkeitsvergleich

Matthias Wiertz13 Allgemein Alle bisher vorgestellten Zuordnungsverfahren berechnen Transformationsparameter zur Einpassung einer gemessenen Funktion auf eine einzelne Sollfunktion. Bevor diese Verfahren angewendet werden können, müssen aus der digitalen Karte geeignete Sollfunktionen abgeleitet werden Anhand der Straßennamen werden aus dem Austauschformat des GDF 3.0 alle digitalisierten Punkte herausgesucht, die zu diesen Straßennamen gehören Indem diese Punkte in der richtigen Reihenfolge zusammengesetzt werden, ergibt sich die Trasse zu einem Polygonzug, der für die Karteneinpassung auf Koordinatenebene direkt verwendet wird

Matthias Wiertz14 Zuordnungsverfahren im Winkel- und Krümmungsbild Beide Zuordnungsverfahren genauer mit wachsender Meßstrecke können sehr gut die systematischen Sensorfehler kompensieren In einer Ausgleichung werden für die Bogenlängen und auch für die Funktionswerte jeweils ein Maßstab und eine Verschiebung zwischen den gemessenen und den aus der Karte abgeleiteten Werten geschätzt Die Verschiebung zwischen der gemessenen Bogenlänge und der aus der Karte bestimmten Bogenlänge, die aus der Summe der Polygonseiten ermittelt wird, ist die für die Fahrzeugnavigation wichtigste Größe Bezug zwischen den Fahrzeugpositionen und dem Straßennetz

Matthias Wiertz15 Winkelbild Bei der Karteneinpassung im Winkelbild muß die Anfangsausrichtung nicht einmal näherungsweise bekannt sein, da diese Unbekannte der Ausgleichung in den Fehlergleichungen nur linear auftritt Lediglich für die Auswahl der Alternativtrassen Diese erfolgt in der Koordinatenebene und benötigt deshalb die gemessenen Fahrzeugpositionen Sie ist erforderlich, wenn die Positionen nur über Koppelortung bestimmt werden können

Matthias Wiertz16 Krümmungsbild Die Karteneinpassung im Krümmungsbild benötigt weder Anfangskoordinaten noch eine Anfangsausrichtung Auswertung im Krümmungsbild benötigt mehrere Kurven in den Meßdaten digitale Straßendatenbank wurde nicht zur Krümmungsbestimmung digitalisiert daraus bestimmten Vergleichskrümmungen können in ihrem Betrag unzuverlässig sein gemessene Krümmung kann durch Überholmanöver oder durch Kurvenschneiden von der tatsächlichen Krümmung der Straßenmitte abweichen Abweichungen können durch mehrere Kurven besser kompensiert werden

Matthias Wiertz17 Beurteilung der Zuordnungsverfahren >3 Kurven 3 Kurven 2 Kurven schwach gekrümmt geradlinig sehr gut gut noch geeignet unbrauchbar

Matthias Wiertz18 Prozedur für jede Straßenstartposition 1. Berechnung des Verschiebungsvektors zwischen der ersten Fahrzeugposition und der so bestimmten Straßenstartposition 2. Berechnung des zurückgelegten Weges bis zur nächsten Fahrzeugposition 3. Ausgehend von der aktuellen Straßenstartposition werden die Staßenelemente entsprechend der Topologie zu Routen zusammengesetzt. Nur die Routen, die länger als der vom Fahrzeug zurückgelegte Weg sind, werden im weiteren berücksichtigt. 4. Der Verschiebungsvektor zwischen aufeinanderfolgenden Fahrzeugposition wird addiert und der Abstand zur aktuellen Route bestimmt. 5. Der Richtungswinkel zwischen den Fahrzeugpositionen wird mit dem der aktuellen Route verglichen 6. Liegen Abstand und Richtungswinkeldifferenz unterhalb vorgegebener Grenzen, wird die Prozedur mit der nächsten Fahrzeugposition in Punkt 4 fortgeführt. Wird keine Übereinstimmung gefunden, werden die nächsten der in Punkt 3 bestimmten Routen bearbeitet

Matthias Wiertz19 Prozedur für jede Straßenstartposition Ergebnis: alle Routen, mit denen alle gemessenen Fahrzeugpositionen abgearbeitet werden konnten, werden als mögliche Fahrwege für die Karteneinpassung bereitgestellt Die vorgegebenen Grenzen für den Abstand vom Straßenelement und die Richtungswinkeldifferenz wird groß genug gewählt, damit der richtige Fahrweg mit Sicherheit nicht ausgeschlossen wird Suchalgorithmus wird bewußt nicht so stark verfeinert zur Findung einer eindeutigen Lösung Er soll verschiedene (plausible) Vergleichsrouten für die Karteneinpassungen zur Verfügung stellen

Matthias Wiertz20 Prozedur für jede Straßenstartposition Bei der autonomen Fahrzeugnavigation Karteneinpassung in Echtzeit Wenn Anfangsposition unbekannt muß so lange gemessen werden, bis der Suchalgorithmus für die Off-line-Auswertung und anschließende Karteneinpassung das aktuelle Straßenelement, auf dem sich das Fahrzeug befindet, zuverlässig bestimmt werden kann. Mit diesem Straßenelement wird innerhalb eines Fangkreises die Topologie des Straßennetzes aufgebaut Alle vom Straßenelement abzweigenden Verbindungen im weiteren Streckenverlauf können als mögliche Alternativrouten betrachtet werden

Matthias Wiertz21 GPS-Messungen GPS-Messungen allein eignen sich in urbaner Umgebung nicht zur Karteneinpassung. Zu große Sprünge von bis zu 100m in den gemessenen Positionen Verursacht durch: Abschattungen ständig wechselnde Satelittenkonstellationen Mehrwegeeffekte Man kann dies nur in Verbindung mit einem Differentialodometer einsetzen

Matthias Wiertz22 DGPS DGPS erreicht im Gegensatz zu GPS häufig die in der Fachliteratur geforderte Genauigkeit von 3-5m. Für kurze Strecken sollten die DGPS-Messungen auf Koordinatenebene mit der Ähnlichkeitstransformation eingepasst werden, bei der kein Umklappen der Orientierung zu befürchten ist. Am genauesten kann im Winkelbild auf die Karte eingepasst werden. Bei totaler Abschattung braucht DGPS ein Ersatzsystem. Hierfür reicht ein Differentialodometer aus.

Matthias Wiertz23 Allgemein Brauchbarkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Zuordnungsverfahren hängen stärker von der Länge und der Form der befahrenen Trasse als von der Ortungssensorik ab Aus Kostengründen kann man deshalb statt teuren Sensoren einfache verwenden und dessen Fehler durch ein geeignetes Verfahren mit einbeziehen Dies muss dann nicht zu schlechteren Ergebnissen führen Da ein Navigationssystem für die Allgemeinheit nutzbar sein soll, ist der Punkt der Kosteneinsparung ein sehr entscheidender

Matthias Wiertz24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit