專利名稱：基于遙感電子地圖的旅行商路徑規(guī)劃方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于遙感電子地像處理的旅行商路徑規(guī)劃問(wèn)題的解決方法。
背景技術(shù)：
旅行商問(wèn)題(Traveling Salesman Problem)是路徑規(guī)劃的經(jīng)典問(wèn)題,最早的數(shù)學(xué)規(guī)劃是由Dantzig等人在1959年提出，其核心問(wèn)題是尋求遍歷所有路徑規(guī)劃需求點(diǎn)的最小路徑成本。旅行商問(wèn)題屬于NP-Complete的范疇，目前大多數(shù)解法為啟發(fā)式算法。遙感技術(shù)是20世紀(jì)60年代興起的一種探測(cè)技術(shù)，它以航空攝影技術(shù)為基礎(chǔ)，目前廣泛應(yīng)用于水文、氣象、環(huán)境資源、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域，是一門實(shí)用的空間探測(cè)技術(shù)。遙感技術(shù)有以下特點(diǎn) I.可用于獲取大范圍的地理數(shù)據(jù)資料。遙感技術(shù)使用的航拍飛行器的飛行高度可超過(guò)10km，而衛(wèi)星軌道高度可達(dá)910km左右。2.獲取信息速度快且周期短。遙感拍攝衛(wèi)星圍繞著地球運(yùn)轉(zhuǎn)，可以及時(shí)傳送經(jīng)過(guò)地區(qū)的自然地理情況的最新資料，更新原有資料。3.受限制少。作為空間技術(shù)的典型代表，遙感技術(shù)完全不受地表復(fù)雜的地理環(huán)境制約，能快速提供相關(guān)地理位置的全局信息。公開(kāi)號(hào)為101832779A的發(fā)明專利公開(kāi)了一種復(fù)雜環(huán)境下的導(dǎo)航方法，從航空遙感或衛(wèi)星遙感影像圖獲取某區(qū)域復(fù)雜環(huán)境下的道路災(zāi)情信息；初始化處理；信息融合，生成某區(qū)域復(fù)雜環(huán)境下的實(shí)時(shí)導(dǎo)航電子地圖；監(jiān)控中心根據(jù)新生成的實(shí)時(shí)導(dǎo)航電子地圖，對(duì)監(jiān)控目標(biāo)進(jìn)行路徑規(guī)劃，把規(guī)劃后的路徑發(fā)給所有監(jiān)控目標(biāo)；監(jiān)控目標(biāo)利用自身攜帶的導(dǎo)航系統(tǒng)和實(shí)時(shí)導(dǎo)航電子地圖，實(shí)時(shí)獲取自身真實(shí)位置信息；當(dāng)真實(shí)位置信息和估計(jì)位置信息間誤差大于某個(gè)閾值時(shí)，監(jiān)控目標(biāo)通過(guò)復(fù)雜環(huán)境下特殊的通信手段向監(jiān)控中心上報(bào)監(jiān)控目標(biāo)當(dāng)前真實(shí)位置信息及當(dāng)前期望速度；監(jiān)控中心利用監(jiān)控目標(biāo)上報(bào)的目標(biāo)真實(shí)位置信息和目標(biāo)當(dāng)前期望速度在實(shí)時(shí)導(dǎo)航電子地圖上對(duì)監(jiān)控目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控。目前，遙感技術(shù)和路徑規(guī)劃領(lǐng)域都處于快速發(fā)展階段，逐漸成熟的GPS全球定位系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于導(dǎo)航領(lǐng)域，而基于圖像處理的旅行商路徑規(guī)劃問(wèn)題尚屬一個(gè)新的技術(shù)領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于遙感電子地圖的旅行商路徑規(guī)劃方法，將旅行商路徑規(guī)劃問(wèn)題的地理節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和節(jié)點(diǎn)間相對(duì)距離建立地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)遙感電子地圖能反映描述區(qū)域全局特征的特點(diǎn)，采用圖像處理的方法將特定地理特征提取出來(lái)，形成地理特征數(shù)據(jù)庫(kù)，用于修正地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)的節(jié)點(diǎn)相對(duì)距離；采用一種啟發(fā)式算法——模擬退火算法對(duì)經(jīng)過(guò)修正的地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行路徑優(yōu)化，從而獲得能反映實(shí)際地理情況的基于遙感電子地圖的旅行商路徑規(guī)劃問(wèn)題的解法。
一種基于遙感電子地圖的旅行商路徑規(guī)劃方法，包括第一步從衛(wèi)星遙感電子地圖或航空遙感電子地圖中獲取進(jìn)行旅行商問(wèn)題路徑規(guī)劃的某區(qū)域；第二步確定路徑規(guī)劃所要遍歷的地理節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值并計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)距離，作為全理想狀況下的數(shù)據(jù)模型存入地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)為[節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)]+[組合節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的距離]，為后續(xù)的修正及移位做準(zhǔn)備；第三步，對(duì)第一步所述區(qū)域的遙感電子地圖進(jìn)行地理特征提取和圖像分割處理，以獲得反映該區(qū)域關(guān)鍵地理特征的地理特征數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)步驟的路徑規(guī)劃提供可靠數(shù)據(jù)；第四步，對(duì)所有地理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行如下處理從地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取任意一對(duì)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)以及他們之間的距離；判斷第三步中得到的地理特征數(shù)據(jù)庫(kù)中是否有至少一個(gè)點(diǎn)處在該節(jié)點(diǎn)對(duì)的連線上，根據(jù)是否存在這樣的點(diǎn)，對(duì)該節(jié)點(diǎn)對(duì)的距離乘以不同的修正系數(shù)，從 而修正了地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中各節(jié)點(diǎn)對(duì)的距離；第五步采用模擬退火解法，使數(shù)據(jù)模型得到組合優(yōu)化下的最優(yōu)解，輸出優(yōu)化路徑。所述的采用模擬退火解法得到最優(yōu)解，步驟如下(5. I)隨機(jī)生成一條遍歷路徑，作為初始解，計(jì)算全部遍歷路程，統(tǒng)計(jì)步長(zhǎng)計(jì)數(shù)器清零。(5. 2)在第四步所得修正后的地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中隨機(jī)生成一條鄰域內(nèi)解，計(jì)算新路徑的遍歷長(zhǎng)度，根據(jù)新路徑的長(zhǎng)度比較進(jìn)入兩種選擇如果新路徑長(zhǎng)度較短，則接受較新的解，根據(jù)降溫速率將系統(tǒng)能量降低，統(tǒng)計(jì)步長(zhǎng)計(jì)數(shù)器遞增；如果新路徑長(zhǎng)度較之前解沒(méi)有減短，則將一個(gè)大小合適的隨機(jī)數(shù)與降溫速率的指數(shù)做比較，如果前者較小，同樣根據(jù)降溫速率將系統(tǒng)能量降低，統(tǒng)計(jì)步長(zhǎng)計(jì)數(shù)器遞增。(5. 3)如果統(tǒng)計(jì)步長(zhǎng)計(jì)數(shù)器沒(méi)有達(dá)到臨界連鏈長(zhǎng)，循環(huán)進(jìn)行第5. 2步驟。(5. 4)每十次第5. 2步驟中的比較之后，進(jìn)行一次路徑結(jié)果的輸出，以圖形的方式顯示，可視化地呈現(xiàn)路徑改善的過(guò)程。如果遙感地圖沒(méi)有更新的話，不斷進(jìn)行第二步至第五步的操作，系統(tǒng)的穩(wěn)定速率將會(huì)逐漸平緩，模擬退火算法第5. 2步驟對(duì)系統(tǒng)能量降低的貢獻(xiàn)度減弱，在給定鏈長(zhǎng)內(nèi)對(duì)所產(chǎn)生新解的接受度下降，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，認(rèn)為概率意義下能夠接受即可。如果遙感電子地圖被更新，那么輸入較新的地理信息，進(jìn)行第三，第四步驟，獲得更新后的地理特征數(shù)據(jù)庫(kù)，跳回第一步進(jìn)行運(yùn)算。本發(fā)明中的所述的地理特征提取和圖像分割處理方法，能準(zhǔn)確獲取當(dāng)前區(qū)域內(nèi)的關(guān)鍵地理特征，并反饋給路徑組合優(yōu)化過(guò)程，排除不符合實(shí)際路徑規(guī)劃情況的方案，具體地理特征的選擇取決于旅行商路徑規(guī)劃問(wèn)題的實(shí)際情況。本發(fā)明的方法能及時(shí)獲取規(guī)劃區(qū)域的地理信息數(shù)據(jù)，更新圖像即可更新數(shù)據(jù)庫(kù)，而組合優(yōu)化的搜索算法同時(shí)讓其在圖像更新的間隔時(shí)間內(nèi)不停止地進(jìn)行更優(yōu)路線的搜索；組合優(yōu)化的搜索方法為啟發(fā)式的模擬退火算法，通過(guò)強(qiáng)收斂條件進(jìn)行迭代，接受最優(yōu)解。本發(fā)明方法主要針對(duì)基于遙感電子地圖的旅行商路徑規(guī)劃問(wèn)題，通過(guò)建立地理特征數(shù)據(jù)庫(kù)和使用啟發(fā)式算法，在有限時(shí)間內(nèi)給出當(dāng)前遙感電子地圖中符合地理特征情況的旅行商問(wèn)題優(yōu)化解。


圖I為本發(fā)明的基本思路概念圖。圖2為本發(fā)明方法的流程圖。圖3 圖6，為具體實(shí)例實(shí)施本發(fā)明的方法的試驗(yàn)過(guò)程示意圖。圖7為本發(fā)明方法中對(duì)地理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相對(duì)位置修正的示意圖。圖8 圖10，為對(duì)具體實(shí)例進(jìn)行本發(fā)明方法的結(jié)果驗(yàn)證示意圖。
具體實(shí)施例方式
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如圖I所示，在遙感電子地圖中進(jìn)行旅行商路徑規(guī)劃問(wèn)題的求解需要考慮兩方面，首先是尋求一種應(yīng)用于解決該問(wèn)題的啟發(fā)式算法，本發(fā)明中采用模擬退火算法；其次是尋求一種特征提取和圖像處理的方法，將遙感電子地圖中涉及到影響路徑規(guī)劃算法實(shí)際效果和合理性的關(guān)鍵地理特征抽象成數(shù)學(xué)模型，儲(chǔ)存在地理特征數(shù)據(jù)庫(kù)中，進(jìn)而應(yīng)用于改善基于所述的啟發(fā)式算法，是算法結(jié)果符合實(shí)際地理情況。如圖2為本方法的流程示意圖，圖3-圖6所示描述了一個(gè)基于遙感電子地圖的旅行商路徑規(guī)劃問(wèn)題范例——印度洋爪哇海域群島旅行商路徑規(guī)劃問(wèn)題的求解，按照以下步驟實(shí)現(xiàn)第一步，從衛(wèi)星遙感電子地圖或航空遙感電子地圖中獲取進(jìn)行旅行商問(wèn)題路徑規(guī)劃的某區(qū)域；如圖3所示，遙感電子地圖的來(lái)源是美國(guó)谷歌公司的免費(fèi)軟件GoogleEarth。在選擇該區(qū)域的遙感電子地圖時(shí)，盡量將區(qū)域中的目標(biāo)放置在視野中央，使得該區(qū)域的全部地理信息能顯示在圖中，方便進(jìn)行區(qū)域的地理特征提取和圖像處理操作。圖3中的群島構(gòu)成了一個(gè)較為密集且復(fù)雜的地理特征系統(tǒng)，該范例將旅行商問(wèn)題的背景設(shè)為海上航行，此處為了說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方案，在遙感電子地圖中選取了 22個(gè)地理節(jié)點(diǎn)，所選節(jié)點(diǎn)具有隨機(jī)性、偶然性和實(shí)際性，如圖4所示，目的是通過(guò)路徑優(yōu)化獲取遍歷這些地理節(jié)點(diǎn)的最短路徑，同時(shí)考慮到海洋航行中無(wú)法“穿島而過(guò)”的實(shí)際情況，從而優(yōu)化出一條最短、最合理的路徑。第二步確定路徑規(guī)劃所要遍歷的地理節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值并計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)距離，作為全理想狀況下的數(shù)據(jù)模型存入地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中，為后續(xù)的修正及移位做準(zhǔn)備；將圖4中的地理節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值以及節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)距離保存到地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)G中，為后續(xù)進(jìn)行旅行商路徑規(guī)劃問(wèn)題做準(zhǔn)備。第三步，對(duì)第一步所述區(qū)域的遙感電子地圖進(jìn)行地理特征提取和圖像分割處理，以獲得反映該區(qū)域關(guān)鍵地理特征的數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)步驟的路徑規(guī)劃提供可靠數(shù)據(jù)；首先確定圖3需要提取的地理特征，即全部島嶼或陸地。在遙感電子地圖中手動(dòng)選擇符合這一地理特征的一塊子區(qū)域，通過(guò)電腦編程實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)交互選擇，得到了圖5中多邊形區(qū)域選中的子區(qū)域。計(jì)算這塊子區(qū)域內(nèi)所有像孝點(diǎn)的平均RGB值向量m..并乘以矯正系數(shù)α，得到所述子區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)的矯正均值m，》l=m < α，矯正系數(shù)α衡量了該子區(qū)域的遙感電子地圖在考慮過(guò)信號(hào)傳輸影響之后的清晰程度，通常取α約等于1，代表清晰程度最佳。m衡量了我們需要從遙感電子地圖中提取的地理特征。同時(shí)計(jì)算該子區(qū)域?qū)?yīng)的協(xié)方差矩陣C，公式如下
權(quán)利要求
1.一種基于遙感電子地圖的旅行商路徑規(guī)劃方法，包括 第一步從衛(wèi)星遙感電子地圖或航空遙感電子地圖中獲取進(jìn)行旅行商問(wèn)題路徑規(guī)劃的某區(qū)域； 第二步確定路徑規(guī)劃所要遍歷的地理節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值并計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)距離，作為全理想狀況下的數(shù)據(jù)模型存入地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)為[節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)]+[組合節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的距離]; 第三步，對(duì)第一步所述區(qū)域的遙感電子地圖進(jìn)行地理特征提取和圖像分割處理，以獲得反映該區(qū)域關(guān)鍵地理特征的地理特征數(shù)據(jù)庫(kù)； 第四步，對(duì)所有地理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行如下處理從地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取任意一對(duì)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)以及他們之間的距離；判斷第三步中得到的地理特征數(shù)據(jù)庫(kù)中是否有至少一個(gè)點(diǎn)處在該節(jié)點(diǎn)對(duì)的連線上；根據(jù)是否存在這樣的點(diǎn)，對(duì)該節(jié)點(diǎn)對(duì)的距離乘以不同的修正系數(shù)，從而修正了地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中各節(jié)點(diǎn)對(duì)的距離； 第五步采用模擬退火解法，使數(shù)據(jù)模型得到組合優(yōu)化下的最優(yōu)解，輸出優(yōu)化路徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于遙感電子地圖的旅行商路徑規(guī)劃方法，其特征在于所述的采用模擬退火解法處理數(shù)據(jù)模型過(guò)程，包括 (5. I)隨機(jī)生成一條遍歷路徑，作為初始解，計(jì)算全部遍歷路程，統(tǒng)計(jì)步長(zhǎng)計(jì)數(shù)器清零； (5. 2)在第四步所得修正后的地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中隨機(jī)生成一條鄰域內(nèi)解，計(jì)算新路徑的遍歷長(zhǎng)度，根據(jù)新路徑的長(zhǎng)度比較進(jìn)入兩種選擇如果新路徑長(zhǎng)度較短，則接受較新的解，根據(jù)降溫速率將系統(tǒng)能量降低，統(tǒng)計(jì)步長(zhǎng)計(jì)數(shù)器遞增；如果新路徑長(zhǎng)度較之前解沒(méi)有減短，則將一個(gè)大小合適的隨機(jī)數(shù)與降溫速率的指數(shù)做比較，如果前者較小，同樣根據(jù)降溫速率將系統(tǒng)能量降低，統(tǒng)計(jì)步長(zhǎng)計(jì)數(shù)器遞增； (5. 3)如果統(tǒng)計(jì)步長(zhǎng)計(jì)數(shù)器沒(méi)有達(dá)到臨界連鏈長(zhǎng)，循環(huán)進(jìn)行5. 2步驟； (5.4)每十次第5. 2步驟中的比較之后，進(jìn)行一次路徑結(jié)果的輸出，以圖形的方式顯示，呈現(xiàn)路徑改善的過(guò)程。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于遙感電子地圖的旅行商路徑規(guī)劃方法，其特征在于所述的第五步的最優(yōu)解為 如果遙感地圖的數(shù)據(jù)庫(kù)沒(méi)有更新的話，不斷進(jìn)行第二步至第五步的操作，系統(tǒng)的穩(wěn)定速率將會(huì)逐漸平緩，模擬退火算法第5. 2步驟對(duì)系統(tǒng)能量降低的貢獻(xiàn)度減弱，在給定鏈長(zhǎng)內(nèi)對(duì)所產(chǎn)生新解的接受度下降，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，認(rèn)為概率意義下能夠接受即可；如果遙感電子地圖被更新，那么輸入較新的地理信息進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)，跳回第一步進(jìn)行運(yùn)算。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于遙感電子地圖的旅行商路徑規(guī)劃方法，包括第一步從遙感電子地圖中獲取進(jìn)行旅行商問(wèn)題路徑規(guī)劃的某區(qū)域；第二步確定路徑規(guī)劃所要遍歷的地理節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值并計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)距離，作為全理想狀況下的數(shù)據(jù)模型存入地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中；第三步，對(duì)第一步所述區(qū)域的遙感電子地圖進(jìn)行地理特征提取和圖像分割處理，獲得反映該區(qū)域關(guān)鍵地理特征的地理特征數(shù)據(jù)庫(kù)；第四步量化地賦予修正系數(shù)，修正數(shù)據(jù)模型；第五步采用模擬退火解法，使數(shù)據(jù)模型得到組合優(yōu)化下的最優(yōu)解，輸出優(yōu)化路徑。本發(fā)明方法通過(guò)建立地理特征數(shù)據(jù)庫(kù)和使用啟發(fā)式算法，在有限時(shí)間內(nèi)給出當(dāng)前遙感電子地圖中符合地理特征情況的旅行商問(wèn)題優(yōu)化解。
文檔編號(hào)G01C21/20GK102945511SQ20121040921
公開(kāi)日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月23日
發(fā)明者齊歡, 劉亮, 吳維敏 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)