作者：京东物流 丁杰

最近，京东正式宣布进军外卖业务，迅速引发了广泛关注。当大家满心期待着品尝到更多美食、享受更便捷服务时，不知道是否留意到一个技术细节：未来在京东外卖的订单页面，骑手送餐的实时位置将被精准呈现，从商家取餐，再到穿梭在大街小巷，直至把美味热乎地送到你手中，这一系列行程都会通过一条清晰的轨迹动态展示。这一贴心功能的背后，便是地图轨迹技术在默默发力。





在数字化浪潮的席卷下，地图轨迹的应用早已渗透进生活的方方面面。日常出行时，导航软件精准记录我们的行程路线，为下次出行提供优化参考；物流运输中，实时追踪车辆位置，保障货物准时送达；户外运动爱好者热衷于分享运动轨迹，相互激励与交流。地图轨迹已然成为现代生活中不可或缺的重要部分。今天，就让我们一同深入探索这背后的实现技术，揭开其神秘面纱。

一、基础地理信息系统（GIS）知识

（一）地理坐标系统

地理坐标系统堪称地图轨迹的根基所在。其中，WGS84作为国际通用的地理坐标标准，广泛应用于全球定位系统（GPS）。它以赤道为基准确定纬度，以本初子午线为基准确定经度，通过这两个维度，精准锁定地球上的每一个位置。因其无可比拟的全球通用性，在国际航班飞行导航中，飞行员依靠WGS84坐标，能在浩瀚天空中准确驶向目的地。

而UTM（通用横轴墨卡托投影）则别具一格，它将地球表面巧妙划分为60个投影带，每个投影带内均采用横轴墨卡托投影。在城市土地规划项目里，工程师利用UTM投影，可轻松计算地块面积、规划道路长度等。不过，UTM分带的特性也带来挑战，跨带计算时，需进行复杂的坐标转换，以保证数据的准确性。



（二）投影和坐标变换

地球近似球体的形状决定了，要将其表面的地理信息准确绘制到平面地图上，投影是必不可少的环节。不同的投影方式因自身特点，适用于不同的区域与用途。

（1）高斯 - 克吕格投影在我国地图绘制领域应用广泛，尤其在中低纬度地区，能出色地保持地图的形状和角度不变性。在绘制省级地图时，使用该投影能精准呈现城市间的相对位置与形状。

（2）墨卡托投影则凭借其独特优势，成为航海图绘制的不二之选，它能始终保持方向不变，让航海者在茫茫大海中依据罗盘方向和地图指引，准确驶向目标港口。

坐标变换则是在不同坐标系统之间搭建的桥梁，比如将WGS84坐标转换为当地的平面直角坐标。在实际应用中，投影方式的选择取决于地图的使用目的、覆盖区域等多种因素。例如，绘制小范围高精度地图时，可能优先选择高斯 - 克吕格投影；而绘制全球航海图时，墨卡托投影则更为合适。



（三）基本的GIS软件操作

ArcGIS和QGIS作为两款主流的GIS软件，各自拥有独特的优势。ArcGIS功能强大且全面，拥有一整套丰富的空间分析工具和高效的数据处理能力。在大型城市规划项目中，它能对海量地理数据进行深度分析与处理。但它较高的软件价格和较大的学习成本，对一些小型企业或个人开发者来说，可能是不小的门槛。QGIS则以开源软件的身份脱颖而出，它不仅完全免费，还具备良好的扩展性。对于初学者和预算有限的项目而言，无疑是绝佳选择。通过简单加载矢量地图、卫星影像等各类地理数据图层，即可轻松实现地图浏览与基本分析操作。利用其自带的空间分析工具，能快速完成地理要素的距离测量与面积计算。其简洁的操作界面，也让新手能够迅速上手。在QGIS中，可以通过Python插件进行一些高级操作。比如，使用PyQGIS库获取图层信息

python
 代码解读
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from qgis.core import QgsApplication, QgsProject

# 初始化 QGIS 应用程序
qgs = QgsApplication([], False)
qgs.initQgis()

# 加载项目，如果有特定项目文件可以替换为项目文件路径
project = QgsProject.instance()
# 这里假设项目文件名为 example.qgs，可根据实际情况修改
project.read('example.qgs')  

# 获取所有图层
layers = project.mapLayers().values()

# 遍历每个图层并输出相关信息
for layer in layers:
    print(f"图层名称: {layer.name()}")
    print(f"图层类型: {'矢量图层' if layer.type() == 0 else '栅格图层'}")
    if layer.type() == 0:  # 矢量图层
        print(f"要素数量: {layer.featureCount()}")
        print(f"几何类型: {layer.geometryType()}")
        fields = layer.fields()
        field_names = [field.name() for field in fields]
        print(f"字段名称: {', '.join(field_names)}")
    print("-" * 50)

# 释放 QGIS 资源
qgs.exitQgis()

二、地图数据格式和处理

（一）常见地图数据格式

（二）数据导入、导出和转换

地图数据导入

地图数据导入指将不同来源、不同格式的数据加载到 GIS 软件或系统中，以进行后续的分析和处理。以下是几种常见格式数据的导入方式：

地图数据导出

地图数据导出是将 GIS 软件或系统中的数据以特定格式保存到外部存储设备的过程，以便在其他软件或平台中使用。

地图数据转换

地图数据转换是将一种数据格式转换为另一种数据格式的过程，以满足不同软件或应用的需求。

•使用 GDAL 进行转换

◦安装 GDAL：GDAL（Geospatial Data Abstraction Library）是一个开源的地理空间数据处理库，支持多种数据格式的转换。可以通过官方网站或包管理工具（如 pip）进行安装。

◦示例代码（Python） ：将 Shapefile 转换为 GeoJSON 的示例代码如下：

ini
 代码解读
复制代码
from osgeo import ogr

# 打开Shapefile数据源
in_ds = ogr.Open('input.shp')
in_layer = in_ds.GetLayer()

# 创建GeoJSON输出数据源
driver = ogr.GetDriverByName('GeoJSON')
out_ds = driver.CreateDataSource('output.geojson')
out_layer = out_ds.CopyLayer(in_layer, 'output_layer')

# 释放资源
del in_ds, out_ds

•使用 GIS 软件进行转换

◦ArcGIS：可以通过 “数据管理工具” - “转换工具” 中的相关工具进行数据格式转换，如 “要素转 JSON” 可将 Shapefile 转换为 GeoJSON。

◦QGIS：在 “处理” - “工具箱” 中，找到 “转换” 相关工具，选择合适

三、GPS和轨迹数据

（一）GPS技术和工作原理

GPS的工作原理基于卫星信号的精确传递。地面接收设备在接收到至少4颗卫星发送的信号后，运用三角测量原理，便能准确计算出自身的三维位置，即经度、纬度和海拔。卫星持续不断地发送包含时间信息和轨道参数的信号，接收设备通过精准测量信号传播时间，进而计算出与卫星之间的距离，最终确定自身位置。

除了广为人知的GPS，全球还有俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo以及我国的北斗卫星导航系统等。这些不同的卫星导航系统在卫星数量、轨道分布、信号频率等方面各有差异，这也导致它们在定位精度、覆盖范围和可靠性上存在一定不同。例如，北斗卫星导航系统在亚太地区展现出了卓越的定位精度和服务稳定性，并且还具备独特的短报文通信功能，在一些通信受限的地区，用户可通过该功能发送简短信息，为应急救援等场景提供了极大便利。

（二）获取和处理GPS轨迹数据

我们可以通过手机、GPS接收机等设备轻松获取GPS轨迹数据。但这些原始数据往往不可避免地存在噪声和误差，因此需要进行后续处理。常见的处理方法包括去除异常点、平滑轨迹等操作。利用Python的pandas库和numpy库，能够高效地对轨迹数据进行清洗和预处理，为后续分析奠定坚实基础。在分析跑步轨迹数据时，通过去除因信号丢失产生的异常点，再对轨迹进行平滑处理，能得到更准确的运动路线。

在数据处理领域，不同的编程语言和库各有千秋。Python凭借其丰富的数据处理库，代码简洁、易于理解，特别适合快速开发和数据探索工作。而R语言则在统计分析方面展现出强大实力，对于复杂的轨迹数据分析，如轨迹模式挖掘等任务，R语言可能更具优势。使用pandas库读取和简单处理GPS轨迹数据的示例：

ini
 代码解读
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import pandas as pd
import numpy as np
from scipy.signal import savgol_filter


# 读取GPS轨迹数据，假设数据存储在CSV文件中，包含'latitude', 'longitude', 'time'等列
data = pd.read_csv('gps_trajectory.csv')

# 去除重复的轨迹点
data = data.drop_duplicates(subset=['latitude', 'longitude', 'time'])

# 去除异常点：通过计算经纬度的z - score来识别异常值
z_score_lat = np.abs((data['latitude'] - data['latitude'].mean()) / data['latitude'].std())
z_score_lon = np.abs((data['longitude'] - data['longitude'].mean()) / data['longitude'].std())
# 设定阈值，这里以3为例，即z - score大于3的认为是异常点
threshold = 3
data = data[(z_score_lat < threshold) & (z_score_lon < threshold)]

# 平滑轨迹：使用Savitzky - Golay滤波器对经纬度进行平滑处理
window_length = 5  # 窗口长度，必须是奇数
polyorder = 2  # 多项式阶数
data['latitude_smoothed'] = savgol_filter(data['latitude'], window_length, polyorder)
data['longitude_smoothed'] = savgol_filter(data['longitude'], window_length, polyorder)

# 查看处理后的数据前几行
print(data.head())

（三）常用的GPS轨迹文件格式

常用的 GPS 轨迹文件格式有以下几种：

四、地图轨迹可视化

（一）使用GIS软件或编程语言

在地图轨迹可视化中，GIS 软件和编程语言各有优势，为用户提供了不同选择。

•GIS 软件 - ArcGIS：ArcGIS 功能强大，可创建地图文档，加载轨迹数据图层，设置符号系统和标注，生成高质量地图。在城市交通流量分析中，通过可视化不同时段车辆轨迹，能清晰呈现拥堵热点区域。不过，它操作复杂，对硬件要求高。

•编程语言 - Python：结合matplotlib、folium等库，Python 也能实现出色的可视化效果。以folium为例，它能创建交互式地图，直观展示轨迹数据。在旅游行程规划中，可将景点串联成轨迹并添加介绍，方便游客规划行程。Python 操作灵活，定制性强，能与数据处理无缝衔接，满足个性化需求。

ini
 代码解读
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# 使用 folium 库绘制简单地图轨迹示例

import folium
import pandas as pd

# 假设我们的轨迹数据存储在一个CSV文件中，文件包含'latitude'（纬度）、'longitude'（经度）和'time'（时间）等列
data = pd.read_csv('gps_trajectory.csv')

# 创建一个地图对象，初始中心位置设置为轨迹数据的起始点
# 这里假设轨迹数据不为空，否则需要添加一些错误处理逻辑
m = folium.Map(location=[data.iloc[0]['latitude'], data.iloc[0]['longitude']], zoom_start=10)

# 遍历轨迹数据，为每个轨迹点添加标记
for index, row in data.iterrows():
    folium.Marker(
        location=[row['latitude'], row['longitude']],
        popup=f"时间: {row['time']}"
    ).add_to(m)

# 如果轨迹数据包含连续的点，我们可以添加一条线来连接这些点
# 这里假设轨迹数据是按时间顺序排列的
if 'latitude' in data.columns and 'longitude' in data.columns:
    coordinates = list(zip(data['latitude'], data['longitude']))
    folium.PolyLine(
        locations=coordinates,
        color='blue',
        weight=2.5,
        opacity=1
    ).add_to(m)

# 保存地图为HTML文件
m.save('trajectory_map.html')

（二）创建交互式地图和动态地图轨迹演示

借助 JavaScript 库，可实现地图轨迹的交互与动态展示，Leaflet 和 OpenLayers 是其中佼佼者。

Leaflet 是轻量级 JS 库，能轻松打造高度交互式地图。用户可自由缩放、平移地图，全方位查看轨迹详情。像共享单车定位系统，用 Leaflet 构建的地图，用户能实时掌握附近车辆位置与行驶轨迹。通过结合动画库与 JS 时间控制函数，还能实现动态地图轨迹演示。在物流运输车辆追踪系统里，轨迹按时间顺序逐步呈现，管理人员能清晰了解车辆行驶过程，便于物流调度与管理。

Leaflet 与 OpenLayers 各有特色。Leaflet API 简洁，性能出色，适合快速搭建简单的交互式地图应用。小型本地地图项目或功能要求简单的地图展示，用 Leaflet 能高效完成开发。而 OpenLayers 功能更全面，支持更多地图数据源，能处理复杂地图操作，如地理信息分析、地图样式深度定制等。大型、功能丰富的 Web 地图应用，像大型城市交通管理系统、专业地理信息分析平台等，使用 OpenLayers 可满足更高层次需求。

总之，开发者可依据项目规模与具体需求，从 Leaflet 和 OpenLayers 中选合适的库，实现地图轨迹的可视化与交互功能。

五、空间分析和路径规划

（一）基本的空间分析技术

在地理信息分析中，缓冲区分析和叠置分析是重要的空间分析技术。

缓冲区分析围绕地理要素生成特定距离的缓冲区域，用以分析其影响范围。比如分析工厂对周边环境的影响，以工厂为中心设置 5 公里缓冲区，评估该范围内居民区受污染及居民健康风险，为环保措施提供依据。

叠置分析将多个图层叠加，剖析不同要素间空间关系。城市规划时，叠加土地利用、交通和人口分布图层，综合土地性质、交通便利性和人口密度，合理规划功能区位置，提升城市布局合理性。

缓冲区分析聚焦单一要素影响范围，叠置分析侧重多要素关系与空间组合。实际应用中，需依需求灵活选择，或结合使用，获取更全面准确的信息。

ini
 代码解读
复制代码
# 使用 Python 的 geopandas 库进行缓冲区分析示例

import geopandas as gpd

# 读取包含工厂位置的矢量数据
factory_data = gpd.read_file('factory.shp')
# 设置缓冲区距离为5000米（假设数据单位为米）
buffer_distance = 5000
buffered_factory = factory_data.buffer(buffer_distance)
# 将缓冲区结果保存为新的文件
buffered_factory.to_file('factory_buffer.shp')

（二）路径规划算法

Dijkstra 算法和 A * 算法是常用的路径规划算法。

Dijkstra 算法逐步计算起点到各节点的最短路径以确定最优路线，简单易懂、易实现，能确保全局最优解。在小型地图路径规划中，可快速算出 A 到 B 的最短路线。但处理大规模图数据时，计算量大、效率低。

A * 算法在 Dijkstra 基础上优化，引入启发式函数，能利用启发式信息引导搜索方向，大幅提高搜索效率，适用于复杂环境的路径规划，如在城市复杂交通网络中可快速避开拥堵找最佳路径。不过，启发式函数设计需经验和对问题的理解，否则影响性能。

以下是简单的 Dijkstra 算法 Python 实现示例：

css
 代码解读
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import heapq

def dijkstra(graph, start):
    distances = {node: float('inf') for node in graph}
    distances[start] = 0
    queue = [(0, start)]
    while queue:
        cur_dist, cur_node = heapq.heappop(queue)
        if cur_dist > distances[cur_node]: continue
        for neighbor, weight in graph[cur_node].items():
            dist = cur_dist + weight
            if dist < distances[neighbor]:
                distances[neighbor] = dist
                heapq.heappush(queue, (dist, neighbor))
    return distances
graph = {
    'A': {'B': 1, 'C': 4},
    'B': {'A': 1, 'C': 2, 'D': 5},
    'C': {'A': 4, 'B': 2, 'D': 1},
    'D': {'B': 5, 'C': 1}
}
start_node = 'A'
print(dijkstra(graph, start_node))

（三）使用GIS软件或编程语言实现路径规划

路径规划可借助 GIS 软件或编程语言，二者各有优势。

1. ArcGIS 路径规划

ArcGIS 的网络分析工具集成度高、操作便捷，对非编程用户友好。在物流配送路径规划中，输入起点、终点和限制条件，就能快速得出最优配送路线。

2. Python 结合相关库路径规划

Python 里，可调用 networkx 库构建图结构并应用路径规划算法。在智能交通系统中，结合实时路况数据，能实时规划车辆最优行驶路线。相比 GIS 软件，Python 更易与其他数据分析流程融合，可按需定制和优化算法，灵活性与适应性更强。



使用 networkx 库进行简单路径规划示例

ini
 代码解读
复制代码
import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt

G = nx.DiGraph()
nodes = ['A', 'B', 'C', 'D', 'E']
G.add_nodes_from(nodes)
edges = [('A', 'B', 2), ('A', 'C', 4), ('B', 'C', 1), ('B', 'D', 7), ('C', 'D', 3), ('D', 'E', 2)]
G.add_weighted_edges_from(edges)

start_node = 'A'
end_node = 'E'
try:
    shortest_path = nx.dijkstra_path(G, source=start_node, target=end_node)
    shortest_path_length = nx.dijkstra_path_length(G, source=start_node, target=end_node)
    print(f"从 {start_node} 到 {end_node} 的最短路径: {' -> '.join(shortest_path)}")
    print(f"最短路径长度: {shortest_path_length}")
except nx.NetworkXNoPath:
    print(f"从 {start_node} 到 {end_node} 无路径。")

pos = nx.spring_layout(G)
nx.draw(G, pos, with_labels=True, node_color='lightblue', node_size=500, font_size=12)
edge_labels = nx.get_edge_attributes(G, 'weight')
nx.draw_networkx_edge_labels(G, pos, edge_labels=edge_labels)
plt.title("简单路径规划图")
plt.show()





六、实时轨迹与历史轨迹

（一）实时轨迹

实时轨迹指当下正在发生的移动轨迹，通过持续获取最新位置数据在地图上实时更新，打车软件中乘客实时查看出租车位置就是典型应用。

其实现依赖设备与服务器高频数据传输，像物流车辆的 GPS 设备按秒级间隔向服务器发送位置信息，再由服务器传递给用户终端，呈现实时轨迹。

轨迹准确率评估至关重要，可从信号稳定性、定位误差范围评估，对比上报与实际位置判断准确性。城市高楼区 GPS 信号易受遮挡，可借助基站、Wi-Fi 定位等辅助技术。融合定位后，定位偏差次数明显减少，有效提升准确率。例如，在某物流车队的测试中，单纯使用 GPS 定位时，在城市复杂环境下，每小时出现 5 - 8 次定位偏差超过 50 米的情况；而融合基站和 Wi-Fi 定位后，定位偏差超过 50 米的情况每小时减少至 1 - 2 次，有效提升了实时轨迹的准确率。

这种实时性为用户提供了即时的位置信息，在交通监控、应急救援、共享出行等场景中发挥着关键作用。在应急救援中，指挥中心能够实时掌握救援车辆的位置，及时调整救援路线，提高救援效率。实时轨迹在多场景发挥关键作用：

1.交通出行：乘客能合理候车，司机能规划路线，公交地铁可调整发车频率，自驾导航能提供动态路线。

2.物流运输：便于追踪货物，优化车辆调度，保障运输安全。

3.应急救援：方便指挥中心调度，争取救援时间。

4.共享出行：用户找车方便，运营方可调度车辆。

5.户外运动：爱好者可记录、分享路线，探险者能保障安全。

6.安防监控：能监控人员和资产位置，提高管理效率，防止资产丢失。





（二）历史轨迹

历史轨迹是对过去移动轨迹的记录存储。设备完成移动后，整理保存一系列位置数据，像运动 APP 保存跑步轨迹。数据可存本地或上传云端。

其价值在于为后续分析提供数据支撑，借此能了解过去的移动行为模式。在城市交通规划中，分析市民出行轨迹可优化公交、信号灯设置；商业领域，分析顾客商场轨迹能辅助商家布局。

评估历史轨迹准确率，可与高精度设备记录的已知准确轨迹对比，计算轨迹点重合度、长度偏差等指标，也可分析轨迹是否符合常理，比如是否违背交通规则、有无异常瞬移。历史轨迹应用广泛：

1.城市规划与交通：优化交通流量、规划线路、布局设施。

2.商业与营销：辅助店铺选址、陈列优化、精准营销。

3.运动与健康：助力运动员训练、医生评估患者健康。

4.旅游与景区管理：优化景区规划，提升旅游服务。

5.安防与监控：排查异常行为，回溯安全事件。

（三）两者区别

七、地图轨迹技术的最新发展动态

（一）智能轨迹计算服务平台的出现

某地图推出了云迹平台 ——AI 时代的智能轨迹数据计算服务平台。该平台融入到某云图的货运数字化解决方案中，通过应用先进的 AI 模型实时计算时空信息，并结合精确的定位技术，能够快速处理各种信息，全面评估货车行车和环境风险。它突破了传统单车提醒的限制，能同时触及并交互干预多个相关方，综合降低交通事故的风险。

（二）与多领域技术的跨界融合

1.与自动驾驶技术融合：在无人汽车的发展中，地理信息在导航定位、实时环境感知、超视距感知等方面发挥重要支撑作用。北斗卫星导航系统及其连续运行参考站（CORS）为无人汽车实时提供厘米级的高精度位置信息，传感器对车辆及周边的信息数据进行近距离实时环境感知、信息采集、处理判断，自动驾驶地图标注所有道路特征和驾驶经验轨迹，增强车辆超视距感知能力，更好地满足智能驾控决策需求。

2.与数字孪生技术融合：深度融合数字孪生技术与地理信息数据，将构建高度仿真的虚拟交通治理场景，能够实时映射并精准调控现实世界的道路网络、交通流量及对各类基础设施的全方位监控和优化调控。

（三）交通感知大模型的兴起

依托多态数据深度融合技术，交通感知大模型将成为交通管理优化的核心，可增强全天候、全场景的稳定感知能力，从而制定有效的交通管理策略，显著提升出行效率。

（四）车道级实时同步技术发展

某地图提出 “双汇聚、双循环” 信息服务体系，通过车道级实时同步技术，加强交通事故、故障、施工等突发事件的信息共享与快速响应。该系统不仅能及时实施封路、收费站和应急车道的开闭等管制措施，还能对恶劣天气和地质灾害发出预警，并确保信息能够在分钟级别内通过多渠道发布，实现路况的实时更新计算。

（五）高精度地图与轨迹数据结合

高精度地图能够提供更加详细和准确的地理信息，与轨迹数据相结合，可以为用户提供更精准的导航、定位和路径规划服务。例如在智能交通领域，高精度地图与车辆轨迹数据融合，有助于实现更精确的交通流量监测和拥堵预测，为交通管理部门提供更科学的决策依据。

八、总结与展望

地图轨迹技术的应用领域不断拓展，从基础的出行导航到复杂的城市规划、智能交通系统等，其重要性日益凸显。随着技术的不断进步，我们见证了从传统的地图绘制到如今的实时动态轨迹追踪、智能分析等一系列变革。

展望未来，地图轨迹技术将在人工智能、大数据、物联网等新兴技术的推动下，实现更精准、更智能、更高效的发展。实时轨迹与历史轨迹的分析将更加深入，为城市管理、交通优化、商业决策等提供更具价值的信息。同时，跨领域的技术融合将创造出更多创新应用，为人们的生活带来更多便利和惊喜。而轨迹准确率评估作为衡量技术应用效果的关键环节，也将随着技术发展不断优化和完善评估方法，以适应新的应用场景和需求。

我们需要持续关注技术发展动态，不断学习和探索，才能更好地利用地图轨迹技术，推动各领域的创新发展，构建更加智能、便捷的未来生活。