開源地圖OpenStreetMap在無人駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用

胡淼川

（浙江眾合科技 浙江省杭州市 310051）

1 OpenStreetMap概述

開放街道地圖（OpenStreetMap，簡稱OSM）是一個(gè)受到維基百科概念啟發(fā)的自發(fā)地理信息項(xiàng)目。該項(xiàng)目由英國軟件工程師史蒂夫科斯特于2004年創(chuàng)建，其初衷是創(chuàng)造一個(gè)內(nèi)容自由且所有用戶都能編輯的世界地圖。經(jīng)過多年的積累，OSM 目前已囊括了世界絕大部分地區(qū)的詳細(xì)地理信息。OSM 的地圖數(shù)據(jù)來源包括手持式GPS 設(shè)備，航拍圖，衛(wèi)星影像，或傳統(tǒng)的地區(qū)地圖，注冊(cè)用戶們通過這些數(shù)據(jù)來保證OSM 的精確性及時(shí)效性。在知名GIS 供應(yīng)商GoogleEarth 自2012年開始引入收費(fèi)API 機(jī)制以后，越來越多的大型網(wǎng)站和應(yīng)用開始轉(zhuǎn)向使用OSM 提供GIS 信息支撐，其中包括蘋果的自有地圖服務(wù)AppleMaps 和微軟的Here 地圖業(yè)務(wù)。個(gè)人用戶和大型企業(yè)的貢獻(xiàn)使得OSM 的準(zhǔn)確程度在快速提高。一篇來自愛爾蘭國立大學(xué)的論文[1]指出，在絕大多數(shù)情況下，OSM 能夠提供和GoogleMap 或微軟Here 地圖等商業(yè)地圖同等的信息量和幾乎一致的準(zhǔn)確地理數(shù)據(jù)，這說明OpenStreetMap 項(xiàng)目已足夠在商業(yè)中使用。

2 封閉場景下的無人駕駛需要什么樣的地圖

通過對(duì)無人駕駛系統(tǒng)所面對(duì)的速度，裝載內(nèi)容，以及道路情況的劃分，無人駕駛所面對(duì)的場景可被分為封閉場景和開放道路場景。一般而言，封閉場景包括港口，礦山，物流貨場等不會(huì)有未經(jīng)許可的社會(huì)車輛或人員進(jìn)場的場景。對(duì)于無人駕駛系統(tǒng)而言，封閉場景具有以下兩個(gè)特點(diǎn)。一是在正常情況下，所有車輛，人員，以及路旁設(shè)備均處于系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控下并可以通過相應(yīng)傳感器或地圖確定位置，幾乎不會(huì)出現(xiàn)未經(jīng)注冊(cè)的車輛或行人。二是道路或場內(nèi)設(shè)備位置的一切變動(dòng)都處于計(jì)劃內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)無法預(yù)知的變動(dòng)，如未經(jīng)通知的臨時(shí)維修或臨時(shí)變道。

對(duì)于一套功能完整的無人駕駛系統(tǒng)而言，高精度地圖，低精度地圖，和展示用3D 地圖是不可或缺的。高精度地圖也被稱為高分辨率地圖。它主要為車輛進(jìn)行自主駕駛服務(wù)。通常來說，高精度地圖在提供道路信息的同時(shí)，能夠包括上下坡的斜率，彎道的曲率，路基的橫坡，以及車道的位置等傳統(tǒng)導(dǎo)航用地圖無法提供的信息。雖然在封閉場景環(huán)境之下，無人駕駛系統(tǒng)對(duì)于高精度地圖的需求并沒有如開放場景下的那般迫切；一份合適的高精度地圖仍然能夠降低車載自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，為車載傳感器提示難以第一時(shí)間感知的信息，提高整套系統(tǒng)的信息冗余程度，從而顯著降低在不同氣象條件下的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于研發(fā)和業(yè)務(wù)邏輯而言，通過激光雷達(dá)等高精度傳感器測繪而得，包含大量冗余信息，為車輛自動(dòng)駕駛服務(wù)的高精度地圖是一種沉重的負(fù)擔(dān)。這些高精度地圖內(nèi)所包含的車道，路旁設(shè)備，或地面情況在研發(fā)調(diào)度系統(tǒng)和路徑規(guī)劃系統(tǒng)的過程中并非不可或缺。一輛配備激光掃描系統(tǒng)和攝像系統(tǒng)的測繪車輛一天便可收集超過600GB 的地圖數(shù)據(jù)。然而，研發(fā)人員在開發(fā)過程中并不需要這些數(shù)據(jù)中的絕大部分，有用信息總量可能僅為kb 至mb 級(jí)別。因此，對(duì)于路徑規(guī)劃研發(fā)和車輛調(diào)度研發(fā)而言，一種可僅包含路徑點(diǎn)坐標(biāo)及其相互關(guān)系的地圖顯然非常重要。同時(shí)，基于系統(tǒng)通信層面的考慮而言，在調(diào)度系統(tǒng)向車輛下發(fā)的報(bào)文中，也需要一種能最簡化表達(dá)路徑信息的地圖格式，以減少對(duì)于帶寬的消耗和出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性。

對(duì)于需要對(duì)外展示而無需交互的地圖而言，如監(jiān)控大屏和網(wǎng)頁管理界面，由于開發(fā)過程中一般使用成熟的第三方地圖數(shù)據(jù)可視化框架，必須考慮使用這些可視化框架方便讀取的GeoJSON 格式來表述地理數(shù)據(jù)。因此，無人駕駛系統(tǒng)的開發(fā)過程中需要選用一種能夠方便轉(zhuǎn)化為GeoJSON 的地圖數(shù)據(jù)格式。以目前主流的地理信息和數(shù)據(jù)可視化框架Echart 為例，其地理信息可視化部分除了直接接受經(jīng)過修改的原始格式以外，僅能夠接受GeoJSON格式的GIS信息。

3 在封閉場景下無人駕駛系統(tǒng)中使用OpenStreetMap有什么優(yōu)勢

OpenStreetMap 的一大優(yōu)勢是可基于已有傳感器數(shù)據(jù)構(gòu)建出具有足夠精度的地圖。作為一個(gè)自發(fā)地理信息項(xiàng)目，OSM 的地圖來源包括手持式GPS 設(shè)備，航拍圖像，衛(wèi)星影像，或傳統(tǒng)的地區(qū)地圖。志愿者們?cè)谶@些定位手段的輔助下通過這些不斷上傳帶有時(shí)間戳的數(shù)據(jù)來保證OSM 的精確性及時(shí)效性。在商用的封閉場景的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，無法通過志愿者無償提供數(shù)據(jù)。因此，OSM 地圖可基于車載或手持GPS 設(shè)備導(dǎo)出的連續(xù)路徑文件來構(gòu)建。同時(shí)，也可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，在編輯工具中依靠現(xiàn)有衛(wèi)星地圖手工勾畫。通過單一數(shù)據(jù)來源構(gòu)建的OSM 精度有限，而多數(shù)據(jù)來源交叉驗(yàn)證則能夠使得地圖精度有顯著提高。一篇IEEE 的論文[2]指出，在經(jīng)過依靠建筑物坐標(biāo)的GPS 偏移校正后，OSM 地圖的精度能夠直接作為指引無人機(jī)器人駕駛的高精度地圖。

在來自世界各地開發(fā)者的共同努力下，OpenStreetMap 現(xiàn)已擁有一個(gè)簡單易用且穩(wěn)定的開發(fā)工具JOSM。JOSM 是目前最強(qiáng)大的桌面端OpenStreetMap 離線編輯器。作為基于JAVA 開發(fā)的OSM地圖開發(fā)工具，JOSM 完美展現(xiàn)了OSM 能夠依靠多種數(shù)據(jù)來源來構(gòu)建這一特性。 以沒有現(xiàn)成地圖參考的物流園區(qū)為例，在JOSM的幫助下，開發(fā)人員可通過直接在已有航空攝影圖像上新建一個(gè)圖層并在該圖層上手動(dòng)勾勒道路線來構(gòu)建簡易地圖，也可通過導(dǎo)入物流車輛運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的GPX 格式數(shù)據(jù)，略微修改擬合后，直接生成道路數(shù)據(jù)。JOSM 的另一特點(diǎn)是可將編輯好的地圖上傳至指定服務(wù)器，而非OSM 官方服務(wù)器。這一特性為JOSM 編輯私有化地圖提供了很大的便利。

OpenStreetMap 地圖源文件一般為OSM XML 格式，其具有體積極小，結(jié)構(gòu)簡單易懂，可直接閱讀，和較高的壓縮率等優(yōu)點(diǎn)。由于封閉場景的地圖總體容量較小，一般不需要使用具有二進(jìn)制和高壓縮率特點(diǎn)的OSM PBF 格式地圖。在通過Visual Studio Code 打開OSMXML 格式的地圖文件以后，可以看出文件中表述路徑信息的部分由路徑點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)和坐標(biāo)間關(guān)系聯(lián)系組合而成。以O(shè)SM XML 格式舉例，當(dāng)使用VS Code 打開OSM 源文件后，該地圖表示的路徑中某路徑點(diǎn)如下：

1.

在這行代碼中，nodeid 描述了該坐標(biāo)點(diǎn)在該地圖文件中的唯一識(shí)別號(hào)，action 和visible 則描述了該點(diǎn)的屬性，lat（latitude）和lon（longitude）分別描述了該點(diǎn)的經(jīng)緯度。

同時(shí)，OSM 可以為通過編輯器在路徑點(diǎn)添加相應(yīng)的tag（標(biāo)簽），以描述該點(diǎn)的特殊功能。以一個(gè)描述該點(diǎn)為充電站的tag 為例：

2.

在這一行代碼中，k后的屬性描述了該tag屬于設(shè)施這一大類下，而v 后的屬性描述了該tag 描述了一個(gè)chargingstation（充電站）

這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為將其轉(zhuǎn)換為其他GIS 提供了極大的便利。以將OSM 地圖轉(zhuǎn)換為GeoJSON 格式為例，僅需簡單地提取OSM 地圖中的經(jīng)緯度坐標(biāo)點(diǎn)，并以合適的方式填入到GeoJSON 的模板之中，便可獲得一份完整的GIS 數(shù)據(jù)文件。在整體文件路徑點(diǎn)數(shù)量較少的情況下，這個(gè)過程甚至可以依靠手工復(fù)制粘貼以及調(diào)整來完成。同時(shí)，OpenStreetMap 基金會(huì)也提供了使用第三方API Overpass 來完成這一轉(zhuǎn)換過程的指導(dǎo)。

4 在無人駕駛系統(tǒng)中使用OpenStreetMap可能遇到的問題

在實(shí)際應(yīng)用OpenStreetMap 到商業(yè)項(xiàng)目中之前，一些問題應(yīng)當(dāng)被考慮到。首先便是測繪法的相應(yīng)條款。根據(jù)《測繪法》定義，測繪是指“對(duì)自然地理要素或者地表人工設(shè)施的形狀、大小、空間位置及其屬性等進(jìn)行測定、采集、表述，以及對(duì)獲取的數(shù)據(jù)、信息、成果進(jìn)行處理和提供的活動(dòng)?！盵3]向OSM 公開服務(wù)器上傳地理數(shù)據(jù)屬于測繪行為，目前我國僅有25 家單位具有甲級(jí)地圖測繪資質(zhì)，可以合法進(jìn)行地理測繪行為。根據(jù)我國測繪法的相關(guān)規(guī)定，只有依法取得相應(yīng)等級(jí)的測繪資質(zhì)證書，并具備一系列附加條件，方可從事測繪活動(dòng)。因此，在業(yè)務(wù)中使用OSM 時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意盡量避免上傳自行構(gòu)建的數(shù)據(jù)至OSM 官方服務(wù)器。

私有地圖數(shù)據(jù)的管理也是應(yīng)當(dāng)在開發(fā)過程中被注意到的點(diǎn)。一般而言，當(dāng)調(diào)度系統(tǒng)處于研發(fā)階段時(shí)，可以通過集中式的SVN 版本管理器或分布式的Git 版本管理器來進(jìn)行管理分散的地圖數(shù)據(jù)和路徑文件。當(dāng)業(yè)務(wù)上線后，則應(yīng)當(dāng)通過Ubuntu 或Docker 搭建私有瓦片服務(wù)器對(duì)OSM 數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和管理。同時(shí)，JOSM 的服務(wù)器路徑也應(yīng)當(dāng)被更改至適當(dāng)位置以在保障數(shù)據(jù)安全的前提下編輯地圖數(shù)據(jù)。

在地圖創(chuàng)建的過程中，參考數(shù)據(jù)的差異不應(yīng)被忽視。JOSM 內(nèi)置數(shù)個(gè)航空攝像服務(wù)提供商，如Bing 航拍，Esri，和Mapbox 衛(wèi)星，在要求不高的情況下，可通過疊加航空攝影和OSM 已有地圖數(shù)據(jù)，在沒有GPS 數(shù)據(jù)路徑的情況下依靠圖像構(gòu)建地圖。然而，需要注意的是，根據(jù)航空攝影更新頻率的不同，這些服務(wù)提供商的時(shí)效性可能會(huì)難以滿足業(yè)務(wù)需求。同時(shí)，由于絕大部分國際服務(wù)商采用了WGS-84 經(jīng)緯度投影，如直接使用，會(huì)造成坐標(biāo)點(diǎn)漂移。因此在實(shí)際使用時(shí)，需通過相應(yīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[4]或庫，如Open Layers，將WGS-84 轉(zhuǎn)換為GCJ-02 或BD-09 坐標(biāo)系統(tǒng)。

5 總結(jié)

OpenStreetMap 以其輕量，開放，便捷的特點(diǎn)，未來可在無人駕駛的開發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。作為一個(gè)成功的開源項(xiàng)目，OpenStreetMap 在無人駕駛中的應(yīng)用也能夠啟發(fā)高分辨率地圖的開發(fā)模式，如開源的OpenDrive 地圖。對(duì)于自動(dòng)駕駛而言，傳統(tǒng)高精度地圖的測繪作業(yè)車采集模式更新速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上場景變換的速度。類似OpenStreetMap 這樣融合了多傳感器的地圖更新方式未嘗不是一個(gè)針對(duì)這個(gè)問題的合適解決方案。