高精度智能導(dǎo)航數(shù)據(jù)評價系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

姜　浩，黃　鶴，2，趙　焰，楊軍星

（1.北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院，北京100044；2.現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京100044）

高精度智能導(dǎo)航數(shù)據(jù)評價系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

姜浩1，黃鶴1，2，趙焰1，楊軍星1

（1.北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院，北京100044；2.現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京100044）

自動駕駛技術(shù)的興起對高速公路上導(dǎo)航地圖的精度要求越來越高，需要對車載移動測量系統(tǒng)獲取的導(dǎo)航數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度作出合理評價。本文以某段高速公路為例，提出了數(shù)據(jù)驗證分類和詳細(xì)精度性能評價指標(biāo)，探討了導(dǎo)航數(shù)據(jù)管理和三維可視化分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法，對以后建立完善的高精度導(dǎo)航產(chǎn)品評價體系及全國范圍內(nèi)導(dǎo)航數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度驗證的過程具有一定參考價值。

導(dǎo)航數(shù)據(jù)產(chǎn)品；精度評價指標(biāo)；高速公路；自動駕駛；移動測量系統(tǒng)

伴隨汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車智能化、自動駕駛及無人駕駛成為未來汽車領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，而高精度智能導(dǎo)航數(shù)據(jù)作為汽車駕駛環(huán)境的重要組成部分，可以用來提示汽車的行駛方向和路況信息，扮演著汽車智能化發(fā)展的核心角色［1］。

目前利用車載移動測量系統(tǒng)收集導(dǎo)航數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)全自動、高精度、360°全方位地理信息采集，改善傳統(tǒng)城市測繪人工費時費力的現(xiàn)狀，極大提高數(shù)據(jù)采集效率［2］。其導(dǎo)航數(shù)據(jù)需精確采集車輛行駛路線的基本車道及沿邊特征物的空間位置、幾何大小等參數(shù)，如高速路上標(biāo)牌的形狀、立柱的粗細(xì)、車輛通過橋梁的高度和角度、高速彎道及匝道口的曲率大小。生產(chǎn)出的地圖數(shù)據(jù)包含支持ADAS功能的道路形狀、拓?fù)浜推渌呒墝傩?，同時將汽車位置與地圖上即將駛?cè)肼范纹ヅ?，分析前方公路狀況，提供信息預(yù)報，在危險發(fā)生前輔助駕駛員操作，讓駕駛變得更加安全和舒適。

產(chǎn)生的大量導(dǎo)航數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度對于后期制作導(dǎo)航地圖至關(guān)重要，因此如何驗證其精度成為一個難題，僅依靠人工運算難以在短時間內(nèi)完成并保證準(zhǔn)確性。為了驗證大量導(dǎo)航數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度，本文以驗證高速公路上常見特征物作為導(dǎo)航數(shù)據(jù)的精度為例，設(shè)計出一套評價系統(tǒng)，在提出數(shù)據(jù)管理分類和精度性能評價指標(biāo)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)可進(jìn)行三維可視化對比分析并輸出驗證值（導(dǎo)航數(shù)據(jù)產(chǎn)品）的精度評估結(jié)果。

一、導(dǎo)航數(shù)據(jù)組織與管理

1.標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集過程

該項目研究區(qū)域選取某段高速公路沿邊部分特征物來進(jìn)行精度評價。利用車載移動測量系統(tǒng)提前快速獲取研究區(qū)域的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，對于其可靠性如何，以及能否用在未來的導(dǎo)航地圖中，需要后期通過GNSS RTK和免棱鏡全站儀組合的測量方式來獲取高速路上若干特征點的WGS-84坐標(biāo)［3］，將這部分?jǐn)?shù)據(jù)作為驗證過程中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，驗證導(dǎo)航數(shù)據(jù)中特征物的位置、形狀、匝道口的曲率和坡度等要素的精度大小。

2.數(shù)據(jù)分類

在高速公路沿邊狀況的分析中，選取的特征物基本分為兩大部分［4］。把公路周邊的特征物定為對象屬性，公路自身狀況定為道路屬性。具體驗證內(nèi)容分別是標(biāo)牌、立柱、護(hù)欄、橋面、匝道口曲率、匝道口坡度、高速出入口斑馬線等，分類如圖1所示。

圖1　驗證數(shù)據(jù)分類

3.數(shù)據(jù)三維展示

對于上述導(dǎo)航數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度評價需要結(jié)合具體情況來分析。數(shù)據(jù)精度驗證時，需要將待計算導(dǎo)航數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的共同點從特征物中提取出來，保證產(chǎn)品點位坐標(biāo)和全站儀獲得的坐標(biāo)在同一坐標(biāo)系下，如WGS-84或1954北京坐標(biāo)系［5］。在傳統(tǒng)點云數(shù)據(jù)共同點精度驗證方案中，首先選擇某試驗區(qū)域中幾十個特征點，將全站儀獲得的坐標(biāo)當(dāng)作真值，點云數(shù)據(jù)當(dāng)作驗證值，在Excel或其他工具里代入公式計算，大多數(shù)情況下只能以數(shù)值形式得出單點點云空間位置上的點位誤差［6］為

平面位置誤差為

中誤差為

式中，n為個數(shù)；Δ為驗證值與真值的差。

本文在上述精度驗證的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一套三維可視化界面，采用人機交互方式，方便用戶通過不同視角、不同方式來查看數(shù)據(jù)，觀察驗證值和真值在模擬出實物情況下的對比情況，避開大量繁雜的數(shù)據(jù)顯示，形象直觀地顯示出對比結(jié)果，并可以生成Excel格式文件及各種數(shù)據(jù)曲線圖格式的數(shù)據(jù)評估報告。

二、導(dǎo)航數(shù)據(jù)精度評價體系

1.精度性能評價指標(biāo)

系統(tǒng)對這部分高速公路涉及的特征物數(shù)據(jù)精度驗證進(jìn)行分類分級處理，按照項目要求，對這些特征物提出具體的性能指標(biāo)分類與分級?？紤]需要驗證一系列特征物在WGS-84下的相對空間位置和其自身形狀大小等物理屬性，將大類分為空間指標(biāo)和幾何指標(biāo)，每一大類下面依次分為一級指標(biāo)、二級指標(biāo)、三級指標(biāo)。本次項目中三級指標(biāo)分類已經(jīng)可以滿足產(chǎn)品驗證的目的，部分指標(biāo)僅下分到一級，后期可以適當(dāng)增加分析類別，完善精度驗證的指標(biāo)評價種類，具體設(shè)計見表1。

2.數(shù)據(jù)特征物編碼分類

系統(tǒng)所涉及的高速公路上各種特征物要素均需要進(jìn)行組織和管理。然而目前國家在高速公路導(dǎo)航數(shù)據(jù)要素的分類上沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此，本文參考地理信息要素的分類與代碼的國家標(biāo)準(zhǔn)，同時結(jié)合本項目實際情況，設(shè)計出相應(yīng)數(shù)據(jù)的組織形式和特征物分類編碼［7］。

表1　精度性能評價指標(biāo)

綜合考慮本項目待驗證特征物的數(shù)量、分布、類別等因素，為方便軟件數(shù)據(jù)庫載入過程及內(nèi)部算法實現(xiàn)，制定一套編碼規(guī)格，將其依次分為4類:點位命名、特征物類別、特征物ID、特征物編號，按照線性排列共有8位，以字母開頭，其余7位采用十進(jìn)制數(shù)字碼，具體代碼組織形式如圖2所示。

圖2　編碼規(guī)格

1）左起第1位為點位命名，如T代表特征點，以漢字首字母為命名規(guī)則。

2）左起第2、3位為特征物類別，如01代表標(biāo)牌、02代表立柱、03代表護(hù)欄等。

3）左起第4、5位為特征物ID，在特征物類別基礎(chǔ)上細(xì)分形成的類別，如標(biāo)牌中01代表方形、02代表圓形，其余同理。

4）左起第6、7、8位為特征物編號，在特征物相同類別基礎(chǔ)上，依次為每一個特征物命名，編號范圍0—999。

如本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)輸入標(biāo)準(zhǔn)格式分類代碼T0101001，代表本項目高速公路第一個方形標(biāo)牌上的特征點，整理效果如圖3所示，其中數(shù)據(jù)為試驗數(shù)據(jù)。

圖3　方形標(biāo)牌分類編碼

三、系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用C#開發(fā)語言，開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual Studio 2010，借助Developer Express V2010開發(fā)系統(tǒng)的界面控件，以sqlite作為大量導(dǎo)航驗證數(shù)據(jù)的存儲基礎(chǔ)，整體采用C/S架構(gòu)。系統(tǒng)主界面如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)主界面

1.系統(tǒng)框架設(shè)計

本系統(tǒng)的目的是建立一個驗證高速公路上標(biāo)準(zhǔn)特征物作為導(dǎo)航數(shù)據(jù)的精度的平臺。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)管理分類模塊、三維可視化分析模塊、后臺輔助模塊構(gòu)成，其總體框架如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)總體框架

（1）數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

將前期特定高速公路上所采集的一系列特征物測繪數(shù)據(jù)整理分類及編碼入庫，不同特征物的精度評價指標(biāo)與其對應(yīng)?？梢詫崿F(xiàn)隨時查看每類特征物的驗證值數(shù)據(jù)和真值數(shù)據(jù)、特征物數(shù)據(jù)的采集時間和地點。及時進(jìn)行對每個對象的屬性信息修改、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)維護(hù)等操作。

（2）三維可視化系統(tǒng)

將特征物三維數(shù)據(jù)在特定的坐標(biāo)系下生成虛擬圖形并展示，讓用戶對不同數(shù)據(jù)下形成的特征物有一個直觀比較，避免傳統(tǒng)精度驗證中海量數(shù)據(jù)產(chǎn)生的以數(shù)值形式且讓人眼花的精度對比結(jié)果。在三維可視化窗口中，用戶可以實現(xiàn)圖形的添加、刪除、平移、旋轉(zhuǎn)等操作，可采用不同的查看視角（透視圖、平視、頂視），可以自定義信息標(biāo)注、信息查詢方式等。選擇精度計算的誤差范圍和對應(yīng)的性能評價指標(biāo)，以滿足用戶的精度評價成果輸出需求。

（3）后臺輔助系統(tǒng)

實現(xiàn)管理員和用戶的不同權(quán)限分配管理，保證系統(tǒng)可以正常運行，維護(hù)信息的安全性和可靠性，同時進(jìn)行日志監(jiān)控和恢復(fù)等。提供軟件使用幫助說明，提供關(guān)于當(dāng)前高速公路信息的友情鏈接，如百度地圖上相應(yīng)路段的街景狀況。

2.關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

系統(tǒng)的開發(fā)過程需要針對不同特征物設(shè)計特定的算法，涉及空間幾何學(xué)、線性代數(shù)和測量平差等知識，才能實現(xiàn)合理的精度分析。不同于以往數(shù)據(jù)分析只在表格中表達(dá)結(jié)果，軟件通過算法在三維可視化窗口生成圖形輪廓，方便用戶分析數(shù)據(jù)精度。以下分別列舉本次項目中幾種典型特征物的算法實現(xiàn)思路。

（1）非圓形標(biāo)牌模型生成

針對非圓形標(biāo)牌的4個角點數(shù)據(jù)，需要在三維坐標(biāo)系下生成空間平面四邊形，進(jìn)而分析其精度性能指標(biāo)。理論上，4個角點的數(shù)據(jù)應(yīng)該在同一個平面上，而由于測量中偶然誤差的存在，使得展點結(jié)果并不在一個平面上，需要將它們擬合在同一平面里，主要算法［8］敘述如下。

空間平面一般方程表達(dá)式為

其矩陣形式為

求出具體解A、B、C并代入平面方程中，即得擬合平面。分別將4個角點投影到此平面中，依次連接形成空間平面四邊形，效果如圖6所示。圖中利用產(chǎn)品數(shù)據(jù)和真值數(shù)據(jù)分別生成2個方形標(biāo)牌虛擬圖形。

圖6　非圓形標(biāo)牌對比效果

（2）圓形標(biāo)牌模型生成

針對圓形標(biāo)牌的10個邊緣點數(shù)據(jù)，需要在三維坐標(biāo)系下生成空間平面圓形，進(jìn)而分析其精度性能指標(biāo)。先利用數(shù)據(jù)點擬合出相應(yīng)平面，然后將數(shù)據(jù)點投影到擬合面上，將三維問題轉(zhuǎn)化成二維問題，利用常規(guī)的二維平面擬合圓方法［9］，主要公式為

式中，（x0，y0）為圓心坐標(biāo)；R為圓半徑；vi為各點到圓心距離與半徑R的距離差值。

將參數(shù)的近似值（x0，y0，R0）代入上式得誤差方程為

矩陣形式為

圓心坐標(biāo)的近似值根據(jù)各點求平均坐標(biāo)獲得，半徑近似值取1，根據(jù)約束條件，多次迭代直至δX收斂，便得到未知數(shù)的解，最終得到三維空間圓，效果如圖7所示。圖中利用產(chǎn)品數(shù)據(jù)和真值數(shù)據(jù)分別生成2個圓形標(biāo)牌虛擬圖形。

（3）立柱中心點

如圖8所示，針對高速公路上立柱中心點的三維坐標(biāo)不能通過全站儀直接觀測測量，利用軟件后期計算生成，其思路敘述如下。

由外業(yè)數(shù)據(jù)可知A、B兩點坐標(biāo)，A點為測站點，B點為全站儀目鏡中水平十字絲與立柱表面交線的中點坐標(biāo)，立柱半徑R通過人工測量獲得。立柱中心點坐標(biāo)（Xo，Yo，，Zo）的計算公式為

圖7　圓形標(biāo)牌對比效果

圖8　計算立柱中心點坐標(biāo)

（4）曲率模型生成

針對高速公路匝道口曲率模型的生成問題，需要提前在特定道路上每隔一小段距離采集特征點數(shù)據(jù)。欲計算匝道口的緩和曲線上任意一點的曲率P，選取P點前后n個相鄰點，通過高次多項式擬合出曲線方程，再通過曲率公式求出對應(yīng)曲率，曲線模型如圖9所示［10］。

圖9　道路曲線對比效果

四、結(jié)束語

在對高精度導(dǎo)航地圖的需求日益增多的背景下，大量導(dǎo)航數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度需要得到可靠性驗證。本文在數(shù)據(jù)處理方面提出了評價分析方案，制定了評價體系和方法，通過系統(tǒng)實現(xiàn)對高速公路上常見特征物具體精度的分析過程，在空間指標(biāo)和幾何指標(biāo)方面給出了數(shù)據(jù)精度評價結(jié)果，并在三維可視化窗口中向用戶展現(xiàn)；同時實現(xiàn)各種三維操作、屬性修改等功能，在快速、準(zhǔn)確驗證導(dǎo)航數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度上有一定應(yīng)用價值。在以后的開發(fā)工作中，需加強在人機交互方面的功能，對高速公路上其余特征物的模型建立和精度分析方案設(shè)計仍需要進(jìn)一步完善。

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JIANG Hao，HUANG He，ZHAO Yan，YANG Junxing

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B

0494-0911（2016）07-0098-05

2016-05-25

中國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項目（2015-K8-050）

姜 浩（1991—），男，碩士生，研究方向為大地測量與測繪工程、地磁室內(nèi)定位。E-mail:342316059@qq.com

引文格式：姜浩，黃鶴，趙焰，等.高精度智能導(dǎo)航數(shù)據(jù)評價系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.測繪通報，2016（7）:98-102.