4.5 基于位置的地理信息服务

4.5.1位置服务的概念

    位置服务（location based service，LBS），又称基于位置的服务。广义的位置服务泛指所有与位置相关的地理信息服务；狭义的位置服务特指移动通信技术与定位导航技术相结合，在GIS平台支持下提供与位置相关服务的增值业务，也称移动位置服务。

    美国学者Schilit在1994年首次提到位置服务，并指出提供在哪里（位置信息）、和谁在一起（社会信息）、周围有什么资源（信息查询）是位置服务的三大目标，构成位置服务的基本内容。位置服务的基本内容包括五个方面：定位．导航，定点查询，识别，事件响应。21世纪初，基于GPSOne技术的商业化位置服务业务开始在美国、日本、韩国、加拿大和欧洲一些国家兴起，向用户提供基于位置的娱乐、信息、求助等服务。2002年，中国移动在国内首次开通位置服务业务，提供“我在哪里”‘．你在哪里”“找朋友”和导航地图下载等服务。近年来，我国私家车数量迅猛增长，车辆导航市场随之爆发性扩张，基于位置服务的道路导航、车辆监控服务等业务迅速得到普及。

    位置服务集成了定位导航、无线通信、物联网、GIS和大数据分析等技术。其中，定位导航技术是位置服务的基础，快速、准确地提供移动终端位置是移动位置服务的前提。

    商业化移动位置服务业务可提供的基本功能有：定位，通过移动终端定位设备获得当前位晋及相关信息；导航，利用移动终端显示导航地图和到达目的地的路线，实现自助导航；查询，根据输人信息查询位置、线路、兴趣点（POI）等信息；路线规划，根据输人的起讫点位置，在道路数据库支持下牛成帚佳路线；地图功能，记录行走轨迹，支持地图缩放等操作。

位置服务前景十分广阔。按照目前位置服务的应用，可划分为管理类、生活类和社交类三种类型。管理类位置服务主要是面向企业的车辆管理、车辆租赁、地址查询等服务，如集车源货源智能匹配、短信通信平台、车辆与货物跟踪平台、网络支们平台于一体的“寻车配货”服务。生活类位置服务主要是面向个人的地图、导航服务，如道路导航、加油站查询、餐饮购物引导等服务。社交型位置服务主要借助微信、QQ.微博等社交平台，为虚拟网络社交环境提供真实位置背景，增强网络社交的功能。

4.5.2基于位置的地理信息服务案例：共享单车

共享单车是一种建立在物联网基础上、以自行车为载体的新型交通工具租赁业务。共享单车不仅能较好地解决城市交通最后一公里问题，而且通过鼓励绿色出行，在减轻城市拥堵、减少环境污染方面也有积极意义，尤其在校园、地铁公交站点、居民区、商业区、公共服务区等环境中使用非常便捷，是一种典型的基于位置的大众化地理信息服务。

    我国共享单车服务最早出现在2007年，2015年进入高速发展阶段，在市场竞争选择下，至2017年形成了永安行、ofo和摩拜三足鼎立之势（图4.34）。

1.服务模式

    从业务流程上看，各类共享单车具有共同的模式：通过手机APP实名注册，手机绑定、缴纳押金和充值后注册成功；通过手机定位寻找附近单车，开锁取车，骑行到目的地后锁车，系统自动计费，租赁过程完成。

    共享单车服务过程涉及租车人、单车和租赁企业，并通过互联网连接在一起。租赁企业的管理系统利用租车人和单车在一次租赁过程中的起讫位置，计算租赁费用，同时监控单车的位置、行迹和状态。从其管理模式可以看到，实时获得单车位置是共享单车服务运营的关键技术。

    由于发展历史和企业策略不同，不同品牌的共享单车采用了不同的定位和追踪技术。在整个技术环节中，租车人通过“手机一单车互联，，实现租车，其核心部件是车锁，不同的车锁技术采用不同的定位和追踪方式，以及不同的运营模式。

2.固定桩技术

固定桩单车是早期共享单车应用的技术，以承包市政单车租赁业务的永安行为代表。在城市不同位置安置固定车桩，固定桩与控制中心之间由网络互连，系统通过固定桩定位和追踪单车，获得租车人的信息（图4.35）。

    采用固定桩技术的共享单车，要求取车、还车必须到有固定桩的地方，显然不够灵活；同时，单车本身没有定位装置，容易丢失。因此，后来发展的共享单车大都采用了基于无线网络的无固定桩技术。

3.非智能锁技术

以校园单车共享起家的ofo为代表，第一代非智能锁是机械密码锁，无通信功能，且密码固定，隐患很多；第二代采用了动态密码技术，可单向发送信息，也被称为伪智能锁（图4.36）。

    采用非智能锁的共享单车，系统借助租车人手机对单车进行定位和追踪。使用机械锁的单车，租车人用手机输人单车编号或扫码发送租车请求，系统将车锁密码返回；骑行结束后，

租车人发送锁车成功信息，这时系统就将手机位置记录为单车的最后位置。使用伪智能锁的单车，一是采用了动态密码，密码每60s变更一次，增加了安全性，二是租车人解锁、锁车成功时，车锁向云端控制系统发送开、锁车信息，系统记录手机所在位置（图4.37）。

    非智能锁单车定位和追踪方式的优点是成本低，定位精度满足计费要求；不足是单车实际位置可能不准确，被人占为己有时难以发现，维护成本高。

4.智能锁技术

    以摩拜单车为代表，采用集成有GPS定位芯片、GSM无线移动通信模块和物联网SIM卡的智能车锁（图4.38）。

    智能锁具有与云端控制中心双向通信的功能。租车人用手机发送解锁请求，控制中心记录用户信息并向单车发送指令，单车收到控制指令后执行GPS定位和开锁；骑行结束后，租车人锁车，智能锁将锁车成功和GPS定位信息发送到控制中心，控制中心记录单车位置，向手机发送结算缴费指令（图4.39）。手机一云端控制中心一单车构成数据流闭环。

    智能锁单车定位和追踪方式的优点是定位实时、可靠、准确，能有效避免随意乱放、甚至将单车占为己有的现象；不足是车锁成本高，耗电量大，需要通过骑行给车锁充电，影响骑行体验。

5.延伸服务

    共享单车系统每天都能产生大量数据，尤其采用智能锁时，系统可以实时获取单车位置、骑行路径、用车热点区域、用户使用习惯等信息资源。如果结合城市天气、环境、时间、交通、商业、教育等基础数据，在地理大数据和空间分析方法支持下进行数据挖掘和数据融合，就可以为城市管理、商业广告、居家出行等规划决策提供地理信息延伸服务。

4.5.3基于位置的地理信息服务案例：自动驾驶

    自动驾驶是汽车产业与人工智能、物联网、高性能计算机机等新一代信息技术深度融合的产物，具有广阔的应用前景。

1.自动驾驶的关键技术

    所有驾驶者在启动车辆时都会清楚地知道“我在哪里”、“我要去哪里”和“我怎么去”这几个问题，自动驾驶也不例外。很显然，这些基本问题都是与位置有关的问题。

    按照国际上普遍使用的美国汽车工程师协会（SAE）标准，汽车的自动驾驶水平可划分为六个等级：

    Level 0，无自动驾驶功能，车辆完全由驾驶人控制。

    Level I，有辅助驾驶功能，一般安装有防抱死刹车、定速巡航等装置．可以接管驾驶中一些非关键性的操作。

    Level 2,部分自动驾驶，在特定情形下自动驾驶系统可接管驾驶控制，如在高速公路上自动驾驶，但需要驾驶人随时监控。

    Level 3,有条件自动驾驶，驾驶人不需要随时监控，但要处于随时能接管操作的状态，系统识别到紧急情况时报警，驾驶人需要立刻接管驾驶。

    Level 4,高度自动驾驶，在特定情形下自动驾驶系统接管驾驶控制，且完全不需要人操作，这种情况需要路段环境设施符合自动驾驶规范要求。

    Level 5，完全自动驾驶，自动驾驶系统能在整个行驶过程中自动处理所有情况，完全不需要人的介人。

    各种等级的自动驾驶必须解决三个关键技术。首先是厘米级高精度实时定位技术，这是自动驾驶的数据基础；其次是行驶路径规划技术，第三是控制车辆执行路径规划的线控系统技术。

    行驶路径规划涉及两个层次的任务。全局路径规划，主要是确定起讫点位置和到达目的地路线选择，利用导航地图就可以实现，是比较成熟的技术。局部路径规划，又称避障规划或实时导航规划，在高精度激光雷达点云图和厘米级导航地图支持下，通过比对、识别雷达获取的信息，得到安全的避让行驶路径规划。局部路径规划分解为加速度和角速度规划，再由控制模块执行，实现对车辆的实时导航操作。

    基于位置共享的车联网是智能汽车发展的方向。准确的车辆位置，不仅是自动驾驶车辆规划行驶路径的基本信息，而且是智能汽车实现车与车（V2V）、车与路边基础设施V2I）、车与城市网络互联的基础。可以说，高精度实时定位技术是实现自动驾驶和汽车智能化的最大技术挑战之一。

2.自动驾驶的定位设备

自动驾驶汽车装备有多种传感器（图4.40），可以迅速、准确地获取位置和环境信息，为路径规划提供可靠的数据，以保证行驶安全。用于定位的设备主要包括各种雷达、GNSS接收机、高精度地图等。

激光雷达（LiDAR）一般安装在车顶上，是重要的定位和障碍物检测设备。利用安装有激光雷达的数据采集车在某段道路上多次行驶收集点云数据，经人工标注，过滤掉错误信息，可拼接得到高精度点云图。自动驾驶车辆在该路段行驶时，车载激光雷达实时扫描生成点云图，并与预先制作的高精度点云图进行比对，可以识别环境、发现障碍和确定位置。这是目前最成熟、准确度最高的自动驾驶车辆实时定位方法。图4.41是利用车载激光雷达扫描生成点云图的示意图。

    GNSS接收机提供全球卫星定位数据。目前GNSS定位精度离自动驾驶的要求还有较大差距，提高GNSS定位精度是未来技术发展的重要方向之一。以GPS为例，高精度军用差分GPS在大气环境理想、接收信号较强的情况下，可得到静态厘米级精度的位置信息。但是，在车辆实际行驶过程中，定位误差就可能达到分米级甚至米级，这种误差对高速行驶的车辆而言是极其危险的。

    高精度地图包括两种类型。一种是具有高精度地理坐标的矢量地图，主要用于全局路径规划和车辆启动前的初始定位；另一种是高精度点云地图，主要用于实时定位、环境感知和局部避障规划。高度自动和完全自动驾驶车辆（Level 4和Level 5级），应配备厘米级精度的矢量地图，内容包含车道、车距、路障等道路详细信息。

    自动驾驶车辆上还装备有视频传感器，现阶段主要用于检测交通信号灯、行人和车辆等移动障碍，利用图像处理和人工智能方法进行识别，用于局部避障规划。机器自动识别和环境感知能力距离人类的平均水平还很远，这也是有待解决的重要课题。利用视频信息和机器视觉理沦的视觉定位方法尚不成熟，还处于试验阶段。

3.自动驾驶的混合定位导航

    自动驾驶采用混合定位导航模式。可能用于自动驾驶汽车定位导航的技术方法有我们已经很熟悉的全球卫星定位系统、惯性导航技术，也有在高速列车定位部分介绍过的航位推算、地图匹配方法，还有激光雷达、磁传感器、视觉定位等一些新的定位技术。

    激光雷达是激光测距传感器的简称，是一种非接触式光学测量系统，原理是利用主动发射的红外激光，根据接收到反射激光所耗用时间训算到达目标物的距离，经处理后可获得反射光束角度、反射强度等信息，通过日算得到有关目标物的二维或三维坐标。利用激光雷达技术，通过检测人工路标或自然地物特征，获得相对定位信息；通过连续对比前后两次成像中的车辆位置和姿态变化，估算相对于初始位置的定位；通过与预先制作的全局高精度点云图匹配，得到车辆在全局坐标系中的绝对位置和姿态。激光雷达技术测距、测角精度高，实时测距精度达厘米级，测角精度达6秒级；感知距离远、覆盖角度大；扫描时间短，可达30ms以内；具有雾校正功能，对环境变化不敏感，可在黑夜、雨天工作。因此，激光雷达成为自动驾驶车辆目前标准配备的定位设备。

    磁传感器（magnetic sensor）定位是在道路路面或路边预先铺设磁条、磁钉或射频识别设备，使经过的车辆能够感应这些设施的电磁信号，获取车辆相对于预定路径轨迹的偏差，实现定位导航的一种技术。磁传感器定位导航对车辆本身感知系统的技术要求不高，主要依托道路智能化设施提供可靠的导航信息，对交通基础设施建设要求较高。磁传感器定位设施一旦铺设完成就十分稳定，不受天气变化影响，维护也比较容易；不足主要表现在设备固定、变化困难，当线路变更时就要重新铺设设备。

    激光雷达、航位推算、地图匹配和全球卫星定位系统组合的混合定位导航方洲LiDAR+DR+ MM+ GNSS）是目前自动驾驶汽车最常用的模式。

自动驾驶汽车定位导航具体实现的场景是这样的：自动驾驶汽车在启动前首先利用GNSS+厘米级导航地图精确定位，启动激光雷达，同时根据乘车人确定的目的地自动完成全局路径规划；汽车启动后激光雷达在预装高精度点云图、航位推算和GNSS配合下，不断进行实时定位和障碍物识别，连续完成局部路径规划并引导控制系统工作，实现完全自主导航。