智能城市測繪中地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用分析

楊艷 謝永夫

摘要：近年來，我國的智能化建設(shè)的發(fā)展越來越迅速，在人類駕駛活動中，地圖常被用于路徑規(guī)劃和計算、地理位置定位查詢以及動態(tài)交通信息提醒等，具有較強的導(dǎo)航功能，能極大地提升出行效率。隨著汽車產(chǎn)業(yè)智能化、網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)的不斷發(fā)展，自動駕駛需要更高精度的定位、更豐富的道路環(huán)境信息、以及更及時的地圖更新頻次，傳統(tǒng)的導(dǎo)航地圖已無法滿足技術(shù)需求。為滿足自動駕駛的需求，因此發(fā)展出新的形式——高精度地圖，即高分辨率地圖（HighDefini-tionMap），一方面指地圖的絕對精度更高，另一方面指地圖能夠格式化存儲交通場景中各種交通要素。

關(guān)鍵詞： 智能城市測繪;地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)技術(shù);應(yīng)用分析

引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國的地圖建設(shè)的發(fā)展也有了改善。地圖制圖自動化與智能化是當(dāng)前制圖領(lǐng)域研究的熱點問題，模板制圖是實現(xiàn)制圖自動化，提高制圖效率的一種手段。近年來，隨著城市化進程的加快，原有的制圖成果數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性無法滿足要求，為滿足地圖制圖的需求，建立地圖制圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫勢在必行，預(yù)期成果主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫以及相關(guān)技術(shù)文檔等。它是利用數(shù)據(jù)庫、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)完成地圖制圖矢量數(shù)據(jù)的對象化建模與集成建庫，建成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)我省國情監(jiān)測、地名普查、境界普查等現(xiàn)勢性強的成果數(shù)據(jù)的集成管理，為地圖制圖提供相關(guān)矢量數(shù)據(jù)源。

1高精度地圖的制作流程

高精度地圖將大量的行車輔助信息存儲為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，這些信息可以分為兩類。第一類是道路數(shù)據(jù)，比如車道線的位置、類型、寬度、坡度和曲率等車道信息。道路網(wǎng)主要由道路基準(zhǔn)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，以描述道路幾何、表達與交通設(shè)施間的關(guān)系，包括道路基準(zhǔn)線、道路基準(zhǔn)線連接點、路口等。第二類是車道周邊的固定對象信息，比如交通標(biāo)志、交通信號燈、路邊地標(biāo)等基礎(chǔ)設(shè)施信息。根據(jù)高精度地圖的數(shù)據(jù)格式以及所包含的信息，業(yè)內(nèi)對于高精度地圖的生產(chǎn)流程主要分為四大部分：（1）數(shù)據(jù)采集，范圍包括車道線、道路屬性等道路數(shù)據(jù)及停車場數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)包括圖片、點云、GPS、IMU（慣導(dǎo)數(shù)據(jù)）。（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要是通過深度學(xué)習(xí)識別全景圖像中的車道線及標(biāo)志牌，將點云數(shù)據(jù)進行分類。深度學(xué)習(xí)技術(shù)能依靠GPU（graphicsprocessingunit）強大的并行處理能力自動地從大量人工標(biāo)注訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)特征，訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠?qū)D像數(shù)據(jù)等進行實時高效的自動化處理，將非結(jié)構(gòu)化的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，包括目標(biāo)位置、姿態(tài)、種類、語義信息等，為地圖要素矢量化提供數(shù)據(jù)支撐。（3）人工確認(rèn)，通過人工對環(huán)境、道路、車道、物體和停車場數(shù)據(jù)進行確認(rèn)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。（4）數(shù)據(jù)發(fā)布，即將包含道路、標(biāo)志牌等屬性的完整高精數(shù)據(jù)發(fā)布。

2優(yōu)化措施分析

2.1數(shù)據(jù)入庫前檢查

2.1.1數(shù)據(jù)入庫前檢查內(nèi)容

（1）文件和結(jié)構(gòu)一致性：數(shù)據(jù)文件和目錄組織、數(shù)據(jù)集和圖層、屬性項。（2）拓撲一致性：層內(nèi)、層間拓撲、網(wǎng)絡(luò)拓撲、要素與覆蓋一致性。（3）其它邏輯一致性：屬性項值域、數(shù)據(jù)來源一致性、矢量數(shù)據(jù)共線共面一致性、元數(shù)據(jù)內(nèi)容與實際數(shù)據(jù)一致性。（4）空間參考正確性：坐標(biāo)系基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)、投影。（5）矢量數(shù)據(jù)接邊：包括省內(nèi)及省際接邊。

2.1.2數(shù)據(jù)入庫前檢查要求

（1）成果數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、技術(shù)文檔等文件齊全。（2）各矢量要素層的坐標(biāo)系基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)、地圖投影等空間參考設(shè)置須符合數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)定要求。（3）線狀要素不能有重疊線、獨立線、微短線、冗余節(jié)點、斷點、假結(jié)點、懸掛線以及自相交等。（4）行政區(qū)劃界線層中界線要素是否與相應(yīng)級別行政區(qū)界線重疊。省級行政區(qū)、地、市、州級行政區(qū)、縣級行政區(qū)、鄉(xiāng)、鎮(zhèn)行政區(qū)下一級行政區(qū)面是上一級行政區(qū)面的嚴(yán)格剖分。（5）點狀要素、線狀要素與面狀要素三者之間存在的邏輯關(guān)系是否合理。

2.2高精度地圖更新

在基于環(huán)境匹配的定位中，如果道路環(huán)境變化，就可能會影響到匹配算法的準(zhǔn)確度，進而出現(xiàn)定位偏移，影響自動駕駛汽車對于周圍環(huán)境的判斷，最終影響到駕駛的安全性。高精度地圖發(fā)布后如果無法保證持續(xù)更新，信息滯后帶來的安全風(fēng)險將持續(xù)增加，為更好地匹配車輛行駛環(huán)境，需要提供高精地圖的更新功能。對于高精度地圖的更新策略，可根據(jù)中國市級行政區(qū)（地級市）來設(shè)置更新區(qū)域。一版新的高精地圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程中包含采圖、制作、有關(guān)部門審核、加密申請、發(fā)布等過程。其中國家相關(guān)部門的審核批示是無法跳過的環(huán)節(jié)。因此一般按照一年發(fā)布4版高精地圖，按季度進行更新的頻率進行。更新的具體規(guī)則如下：①部分更新：如果車端地圖版本小于云端最新版本，并且地圖版本相差大于或等于1年，則用云端的全量包來進行更新;②增量更新：如果車端地圖版本小于云端最新版本，并且地圖版本相差小于1年，則用云端的增量包來進行更新。地圖更新需要確保數(shù)據(jù)的安全性和可靠性，考慮更新過程中存在各種異常情況的可能，在需更新的高精度地圖制作完成后需要開展一系列場景的路測，如：測試基礎(chǔ)功能可用性的常規(guī)場景，測試網(wǎng)絡(luò)無法連接和無GPS信號時的網(wǎng)絡(luò)/定位信號異常場景，行政區(qū)新增、刪除、合并等變化的場景，更新過程中系統(tǒng)斷電、斷點場景等。通過一系列場景的測試，以覆蓋用戶更新高精度地圖過程中可能存在的場景，實現(xiàn)更新的安全性和可靠性。

2.3高精度地圖導(dǎo)航與規(guī)劃方法

高精度地圖導(dǎo)航與規(guī)劃是指在傳統(tǒng)任務(wù)路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，考慮車道模型并設(shè)計代價函數(shù)，得到制定目標(biāo)下的最優(yōu)車道導(dǎo)航路徑和行駛策略。對于自動駕駛，不僅要依據(jù)高精度地圖生成行駛路線或軌跡，還要不斷結(jié)合感知控制和修正智能車實際行駛路線，這要求導(dǎo)航路徑的生成或刷新必須在一定時間閾值內(nèi)。結(jié)合傳統(tǒng)道路導(dǎo)航分層路徑規(guī)劃的思想，實現(xiàn)車道級路徑規(guī)劃有兩種策略：①采用分層尋路的方式，借鑒成熟的道路級搜索方法，先實現(xiàn)宏觀最優(yōu)的尋路，再通過道路和車道之間的對應(yīng)關(guān)系，完成車道級的路徑規(guī)劃。這種方法適合大范圍的路徑規(guī)劃，能有效提高計算效率，但需要對道路、車道及中間關(guān)聯(lián)層進行建模?；谲嚨礼{駛態(tài)勢的拓撲構(gòu)建和路徑規(guī)劃方法，以lanezone作為核心要素實現(xiàn)二次規(guī)劃。②直接生成車道級有向圖并在此基礎(chǔ)上進行最優(yōu)路徑搜索，適合用于小范圍或局部路徑規(guī)劃。采用A*算法進行車道級的靜態(tài)路徑規(guī)劃，根據(jù)起點與終點在園區(qū)范圍內(nèi)規(guī)劃出一條符合交通行駛法規(guī)的最優(yōu)行駛參考路徑。

結(jié)語

本文圍繞高精度地圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)生產(chǎn)及功能應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)和研究現(xiàn)狀進行了詳細闡述。然而，高精度地圖相關(guān)研究跨越傳統(tǒng)測繪、計算機和自動駕駛等眾多領(lǐng)域，其研究方向和內(nèi)容遠不止于此。如高精度地圖數(shù)據(jù)安全、標(biāo)準(zhǔn)和政策等問題，還將在一定時間內(nèi)制約該領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。此外，高精度地圖目前相關(guān)研究仍體現(xiàn)出明顯的商業(yè)技術(shù)驅(qū)動特征，應(yīng)進一步聯(lián)合企業(yè)和院校的力量，推動加強其基礎(chǔ)理論的研究。2020年2月24日，國家發(fā)展改革委及工信部等11部委聯(lián)合發(fā)布的《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》中，圍繞高精度地圖提出了多項重要任務(wù)包括：重點突破智能汽車基礎(chǔ)地圖技術(shù)，驗證智能汽車基礎(chǔ)地圖服務(wù)能力，培育智能汽車基礎(chǔ)地圖新業(yè)態(tài)，建設(shè)覆蓋全國路網(wǎng)的道路交通地理信息系統(tǒng)?？梢灶A(yù)見，伴隨5G技術(shù)對車聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的巨大推動作用，無人駕駛的研究重點將從單車智能逐步轉(zhuǎn)向車路協(xié)同，高精度地圖的服務(wù)功能將進一步落實。

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