高精地圖現(xiàn)狀分析與實(shí)現(xiàn)方案研究

陳宗娟 孫二鑫 李丹丹 張聰聰 藏丹丹 程旭

摘要：隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)研究的逐漸深入和智能汽車(chē)精細(xì)化監(jiān)管需求的不斷增長(zhǎng)，高精地圖的重要性逐漸凸顯。高精地圖是近幾年興起的產(chǎn)物，國(guó)內(nèi)外有關(guān)高精地圖數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)、可視化表達(dá)等諸多研究取得了一系列的成果，該文主要就高精地圖目前的研究進(jìn)展進(jìn)行了較為系統(tǒng)地總結(jié)與闡述。在此基礎(chǔ)上提出了一種二維高精地圖實(shí)現(xiàn)方案，利用無(wú)人機(jī)航拍、差分定位技術(shù)、遙感、GIS和互聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)，形成從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與地圖制圖、地圖渲染、地圖服務(wù)發(fā)布到平臺(tái)功能設(shè)計(jì)的完整技術(shù)服務(wù)方案，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)、智能駕駛、智慧交通等的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：高精地圖；現(xiàn)狀；交通；實(shí)現(xiàn)方案

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）22-0270-03

在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)智能化、聯(lián)網(wǎng)化不斷推進(jìn)的大背景下，高精地圖作為未來(lái)智能出行的關(guān)鍵因素之一，受到廣泛關(guān)注。高精地圖是自動(dòng)駕駛核心技術(shù)之一，精準(zhǔn)的地圖對(duì)無(wú)人車(chē)定位、導(dǎo)航、控制以及安全至關(guān)重要，而車(chē)道級(jí)別的高精地圖在一些重要的場(chǎng)景中可以滿足精細(xì)監(jiān)控管理的需求。高德是國(guó)內(nèi)最早進(jìn)行高精度地圖數(shù)據(jù)采集和技術(shù)研發(fā)的企業(yè)之一，在 2014 年 8月之前，高德就已經(jīng)在預(yù)研高精地圖，隨后百度、四維圖新、易圖通等眾多圖商和車(chē)企紛紛投入高精地圖研發(fā)中，他們各自建立起了高精地圖量產(chǎn)的生產(chǎn)線，大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)也逐漸應(yīng)用到高精地圖的生產(chǎn)中。高精地圖經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，為自動(dòng)駕駛、智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)、智慧交通等方面提供了重要的技術(shù)支撐，取得了一系列重要研究成果。因此，本文從多個(gè)方面對(duì)該高精地圖的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)和探討，并對(duì)高精地圖的實(shí)現(xiàn)流程方案進(jìn)行研究，為交通行業(yè)智能化的研究工作開(kāi)展提供科學(xué)的參考資料。

1 高精地圖現(xiàn)狀分析

1.1 高精地圖定義

所謂的高精地圖相較普通導(dǎo)航電子地圖而言，具有高精度、地圖元素更加詳細(xì)、屬性更加豐富的特點(diǎn)。高精度，一方面是說(shuō)地圖的絕對(duì)坐標(biāo)精度更高，達(dá)到亞米級(jí)的絕對(duì)精度；另一方面高精地圖所含的道路交通信息元素及其屬性更加豐富和細(xì)致，與普通導(dǎo)航電子地圖相比，高精地圖不僅有準(zhǔn)確的坐標(biāo)，還能準(zhǔn)確的描繪道路形狀、車(chē)道線、車(chē)道中心線和交通標(biāo)志等，此外，還包括車(chē)道限速、道路材質(zhì)等信息。在道路交通領(lǐng)域，按照面向?qū)ο蟛煌?，高精地圖分為自動(dòng)駕駛用高精地圖和交通監(jiān)管用高精地圖，自動(dòng)駕駛用高精地圖是面向機(jī)器的作為先驗(yàn)信息供無(wú)人駕駛汽車(chē)決策用的地圖數(shù)據(jù)，包含每個(gè)車(chē)道的坡度、曲率、航向、高程、側(cè)傾等數(shù)據(jù)；交通監(jiān)管用高精地圖是面向交通監(jiān)管人員的二三維可視化地圖數(shù)據(jù)，為交通監(jiān)管提供車(chē)道級(jí)的精細(xì)地圖數(shù)據(jù)支撐。

1.2高精地圖數(shù)據(jù)采集方式

數(shù)據(jù)采集是高精地圖的基礎(chǔ)與核心，數(shù)據(jù)采集方式對(duì)高精地圖的精度和地物豐富程度起決定性作用。目前，高精地圖數(shù)據(jù)采集主要有3種實(shí)現(xiàn)方案：移動(dòng)測(cè)繪車(chē)采集、無(wú)人機(jī)航測(cè)和1：500地形圖測(cè)繪。百度、高德、四維圖新等主流圖商均采用移動(dòng)測(cè)繪車(chē)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這種方式具有作業(yè)效率高、道路信息采集全面的優(yōu)勢(shì)，需要搭載激光雷達(dá)、慣導(dǎo)、RTK、全景相機(jī)等，這些設(shè)備集成起來(lái)造價(jià)相當(dāng)高。也有一些圖商采用無(wú)人機(jī)航測(cè)與地面打點(diǎn)補(bǔ)測(cè)相結(jié)合的方式，基于獲取的厘米級(jí)數(shù)字正射影像圖可生產(chǎn)絕對(duì)精度達(dá)到分米級(jí)的高精度地圖，具有作業(yè)靈活、高效、不受路況限制的優(yōu)勢(shì)，但是申請(qǐng)空域周期較長(zhǎng)。在1：500地形圖測(cè)繪中，采用數(shù)字化測(cè)圖的作業(yè)方式更能保證地圖的精度，但它需要控制網(wǎng)布設(shè)、逐條道路測(cè)繪、后期編繪等大量工作，作業(yè)周期很長(zhǎng)。

1.3高精地圖生產(chǎn)

高精地圖需要獲取的地物主要包括車(chē)道線、道路交通設(shè)施（人行橫道、轉(zhuǎn)向標(biāo)志、交通設(shè)施等）、車(chē)道拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以及其他地物等。根據(jù)數(shù)據(jù)采集方式的不同，高精地圖生產(chǎn)方式有所差異?；谝苿?dòng)測(cè)繪車(chē)采集的數(shù)據(jù)，前期需要進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分區(qū)、去噪、拼接等預(yù)處理，進(jìn)而進(jìn)行矢量化、幾何調(diào)整、增加屬性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立等加工處理；無(wú)人機(jī)航測(cè)高精度地圖生產(chǎn)，基于校正、拼接等預(yù)處理得到的高精度正射影像圖，采用自動(dòng)與人工相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)矢量化加工處理；1：500地形圖測(cè)繪基于外業(yè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)地圖編繪，通過(guò)格式轉(zhuǎn)換、地物分類(lèi)等進(jìn)行加工處理。三種高精地圖生產(chǎn)過(guò)程均需要通過(guò)多級(jí)質(zhì)檢保證最終成果數(shù)據(jù)的可靠性。移動(dòng)測(cè)繪車(chē)生產(chǎn)方式目前正在形成一種“專(zhuān)業(yè)采集+眾包維護(hù)”的地圖動(dòng)態(tài)更新方式，無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)更新則需要重新進(jìn)行航測(cè)，1：500地形圖測(cè)繪采用部分補(bǔ)測(cè)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更新，此外，政府行業(yè)數(shù)據(jù)也是地圖更新的重要數(shù)據(jù)來(lái)源。

1.4高精地圖可視化表達(dá)

通過(guò)可視化表達(dá)將車(chē)道線與交通設(shè)施等高精地圖地物信息生動(dòng)直觀的展示出來(lái)，根據(jù)地圖展現(xiàn)方式的不同，高精地圖可視化表達(dá)分為二維和三維兩種表達(dá)方式。二維地圖表達(dá)基于主流的GIS軟件進(jìn)行地圖符號(hào)化，通過(guò)GIS軟件平臺(tái)提供各類(lèi)空間數(shù)據(jù)服務(wù)，或?qū)@取的高精度矢量數(shù)據(jù)通過(guò)空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎導(dǎo)入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，使用js開(kāi)發(fā)包調(diào)取相應(yīng)數(shù)據(jù)并設(shè)置參數(shù)進(jìn)行地圖渲染。三維地圖表達(dá)基于提取的道路矢量圖制作精細(xì)化三維高精度道路模型，利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)或建模技術(shù)搭建三維場(chǎng)景，集成建筑物、設(shè)施小品、其他地物等三維模型，形成三維高精度地圖。

1.5高精地圖在交通領(lǐng)域的應(yīng)用

高精地圖具有強(qiáng)大的空間分析能力和決策支持功能，對(duì)于具有天然空間位置屬性的交通領(lǐng)域，高精地圖具有廣闊的應(yīng)用空間。對(duì)于自動(dòng)駕駛高精地圖的作用非常明確，最重要的是高精定位，能夠?qū)β肪W(wǎng)進(jìn)行精確地三維表征；其次是環(huán)境感知輔助，比如道路上紅綠燈、攝像頭的位置和類(lèi)型，道路標(biāo)示線的類(lèi)型，通過(guò)豐富的語(yǔ)義信息提高無(wú)人車(chē)鑒別周?chē)h(huán)境的能力，輔助自動(dòng)駕駛汽車(chē)行車(chē)路徑規(guī)劃和決策；此外，高精地圖還能幫助無(wú)人車(chē)識(shí)別車(chē)輛、行人及其他障礙物，如果行駛過(guò)程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)前高精地圖中沒(méi)有的地物，便很可能是車(chē)輛、行人或障礙物。在智慧交通領(lǐng)域，高精地圖的應(yīng)用具有重要的意義?；谲?chē)道級(jí)高精度地圖，結(jié)合高精定位、云計(jì)算和視頻監(jiān)控等技術(shù)，搭建智慧交通監(jiān)管平臺(tái)，在特殊車(chē)輛監(jiān)控、精準(zhǔn)導(dǎo)航、公交優(yōu)先、車(chē)道自由流一些重要的場(chǎng)景中，有利于交通管理單位對(duì)車(chē)輛的精細(xì)監(jiān)控管理，又有利于規(guī)范司機(jī)的駕駛行為。

1.6高精地圖的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

隨著自動(dòng)駕駛和智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的發(fā)展，更多的汽車(chē)廠家、風(fēng)投越來(lái)越認(rèn)識(shí)到高精地圖的重要性。BBA投資了Here地圖，福特、上汽投資了Civil Maps ，軟銀投資Mapbox等。同時(shí)，BAT通過(guò)收購(gòu)、控股或入股的方式將幾大數(shù)據(jù)商全部瓜分，在國(guó)內(nèi)要搶占高精度地圖或?qū)Ш诫娮拥貓D資質(zhì)的門(mén)檻，這些都給高精地圖帶來(lái)非常好的發(fā)展機(jī)遇。但是高精地圖的發(fā)展還面臨一些挑戰(zhàn)，高精地圖的精度要求沒(méi)有準(zhǔn)確的答案、如何通過(guò)眾包方式實(shí)現(xiàn)地圖動(dòng)態(tài)更新、地圖生產(chǎn)成本隨著地圖精度要求不斷攀升、減少政策問(wèn)題對(duì)地圖精度產(chǎn)生的影響等，都是高精地圖未來(lái)要面臨的很大的課題。

2高精地圖實(shí)現(xiàn)方案研究

2.1厘米級(jí)高精地圖數(shù)據(jù)采集

采用航拍手段進(jìn)行高精度地圖采集，具有采集效率高、自動(dòng)化程度高、實(shí)時(shí)性得以保證等優(yōu)勢(shì)，因此選取無(wú)人機(jī)高精度航拍配合地面打點(diǎn)的方式進(jìn)行高精地圖的數(shù)據(jù)采集。使用搭載移動(dòng)激光測(cè)量系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)，在距離地面約 80-200m的高空進(jìn)行點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)采集，采用自建靜態(tài)基站與后處理差分形式對(duì)無(wú)人機(jī)定位系統(tǒng)進(jìn)行差分解算，獲取小于10cm的絕對(duì)位置坐標(biāo)。航線設(shè)計(jì)和航高設(shè)定利用無(wú)人機(jī)相機(jī)配套軟件設(shè)計(jì)，像控點(diǎn)選擇道路標(biāo)牌角點(diǎn)、 方體建筑物角點(diǎn)等在特征明顯、易于識(shí)別的點(diǎn)位，布設(shè)密度不小于1個(gè)/100 平方米。采用RTK+全站儀聯(lián)測(cè)的形式進(jìn)行地面補(bǔ)采，主要用于高精度航拍無(wú)法獲取的區(qū)域數(shù)據(jù)，如被行道樹(shù)遮擋的道路邊線和人行道等。

2.2數(shù)據(jù)處理與地圖制圖

通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云處理、三維重建和正射校正等處理，可獲取厘米級(jí)精度的數(shù)字正射影像圖（DOM，Digital Orthophoto Map），基于DOM數(shù)據(jù)可生產(chǎn)絕對(duì)精度優(yōu)于10cm的高精地圖。利用ArcGIS桌面端軟件進(jìn)行數(shù)字線劃圖（DLG，Digital Line Graphic）生產(chǎn)，利用圖像解譯的方法分別創(chuàng)建點(diǎn)、線、面文件進(jìn)行相應(yīng)地物提取。需要提取的地物包括道路、車(chē)道線、轉(zhuǎn)向標(biāo)志、人行道、道路標(biāo)識(shí)、紅綠燈、道閘、攝像頭、建筑物、綠化帶、水域以及停車(chē)場(chǎng)、地名地址信息，涵蓋道路、道路鏈接設(shè)施、其他地物和POI點(diǎn)四個(gè)類(lèi)別。幾何提取完成后進(jìn)行屬性的錄入：如屬性信息分類(lèi)、道路寬度、桿狀物高度、建筑物名稱(chēng)等。在矢量化過(guò)程中需要保證數(shù)據(jù)的絕對(duì)定位精度要求、要素類(lèi)別的完整性以及屬性信息的正確完整。另外對(duì)提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)整，并通過(guò)多級(jí)質(zhì)檢保證最終成果數(shù)據(jù)的可靠性。

2.3地圖渲染

基于提取的高精度矢量格式數(shù)據(jù)，采用ArcGIS桌面端軟件進(jìn)行不同類(lèi)別地物的符號(hào)化渲染。對(duì)道路的道路面、車(chē)道線、人行道、斑馬線、中央分隔帶進(jìn)行分別渲染，紅綠燈、攝像頭、POI點(diǎn)采用定制化圖標(biāo)在地圖上進(jìn)行表示，建筑物通過(guò)矢量繪制技術(shù)渲染出3D效果，其他地物則基于圖元屬性信息和幾何信息，通過(guò)調(diào)整顏色、線寬、大小等地圖上進(jìn)行符號(hào)化表達(dá)。在地圖表達(dá)過(guò)程中，應(yīng)基于易讀性、平衡性、層次性、美觀性等原則，確保圖元高質(zhì)量、高精度顯示。根據(jù)用戶(hù)關(guān)心的字段，進(jìn)行路名和POI點(diǎn)的標(biāo)注。通過(guò)設(shè)定比例尺控制不同級(jí)別圖層的顯示，保證用戶(hù)體驗(yàn)的友好性和地圖顯示的美觀度。

2.4地圖服務(wù)發(fā)布

基于已有的高精度正射影像圖和高精度矢量數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源，利用ArcGIS Server等工具，可發(fā)布靈活高效的各類(lèi)地圖服務(wù)。根據(jù)需要可發(fā)布符合國(guó)際開(kāi)放地理信息聯(lián)盟（OGC，Open Geospatial Consortium）標(biāo)準(zhǔn)的多種地圖服務(wù)，如動(dòng)態(tài)地圖服務(wù)（Dynamic Map Service），網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)（WMS，Web Map Service），網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)（WFS，Web Feature Service），網(wǎng)絡(luò)覆蓋服務(wù)（WCS，Web Coverage Service）和網(wǎng)絡(luò)地圖瓦片服務(wù)（WMTS，Web Map Tile Service）等；支持多樣數(shù)據(jù)格式輸出，如geojson，shpfile等，方便開(kāi)發(fā)人員接入高精度地圖數(shù)據(jù)服務(wù)。

2.5基于高精地圖服務(wù)的車(chē)輛監(jiān)控平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

建立車(chē)道級(jí)別的車(chē)輛實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛更加精細(xì)的監(jiān)控管理?；诟呔貓D主要實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史軌跡回放、車(chē)輛行駛里程統(tǒng)計(jì)、報(bào)警預(yù)警等，具體功能設(shè)計(jì)如下：利用車(chē)載終端回傳數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示車(chē)輛在地圖上的位置信息，并動(dòng)態(tài)顯示車(chē)輛實(shí)時(shí)移動(dòng)；通過(guò)歷史軌跡工具選定時(shí)間可進(jìn)行車(chē)輛運(yùn)行軌跡的回放，支持播放速度的選擇；車(chē)輛在不同行駛路面可進(jìn)行分類(lèi)里程統(tǒng)計(jì)，使車(chē)輛行駛里程統(tǒng)計(jì)精度提高至亞米級(jí)；當(dāng)車(chē)輛處于違規(guī)或者故障報(bào)警狀態(tài)時(shí)，可通過(guò)地圖上出現(xiàn)報(bào)警圖標(biāo)或發(fā)出聲音來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)提醒?？煞謩e設(shè)計(jì)在PC端和手機(jī)端實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的監(jiān)控管理。

3結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的日益發(fā)展，汽車(chē)的社會(huì)擁有量急劇增長(zhǎng)，汽車(chē)的使用和監(jiān)管不斷往智能化方向發(fā)展，自動(dòng)駕駛需要為其提供更精準(zhǔn)的決策支持依據(jù)，車(chē)輛監(jiān)控管理需要為其提供更精細(xì)化的技術(shù)支撐，這些都離不開(kāi)高精地圖的支持。本文對(duì)目前高精地圖的研究進(jìn)展進(jìn)行了較為系統(tǒng)地總結(jié)與闡述，并且在此基礎(chǔ)上提出了一種二維高精地圖實(shí)現(xiàn)方案，以期為智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)、智能駕駛、智慧交通等的研究提供參考。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】