三維高精度地圖的構建研究與應用實踐

摘 ?要：在國家大力推進交通新基建重點領域的建設下，三維高精度地圖必將成為車路協同、自動駕駛、智慧港口、智慧停車等智慧交通領域不可或缺的基礎支撐載體。文章對現有三維高精度地圖的構建方法進行了探究與改進，綜合利用其他相關技術，有效解決了人工建模技術成本高、傾斜攝影技術精細化不足以及移動測量技術覆蓋范圍有限等問題，提升了場景化三維高精度地圖的構建效果和效率，滿足了5G智慧交通各個細分領域的地圖需求與應用，還原了智慧交通的數字孿生世界。

關鍵詞：5G+智慧交通;三維高精度地圖;車路協同;智慧港口;數字孿生

中圖分類號：TN929 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）06-0057-05

Construction Research and Application Practice of 3D High Precision Map

——Take 5G + Intelligent Transportation Field as an Example

LI Xiuzhi

（China Mobile Zhixing Network Technology Co.，Ltd.，Beijing ?100032，China）

Abstract：Under the background of Chinas vigorous efforts to promote the construction of key areas of new transportation infrastructure，3D high precision map will become an indispensable basic support carrier in the field of intelligent transportation，such as vehicle road coordination，automatic driving，smart port and smart parking. This paper explores and improves the existing construction methods of 3D high precision map，comprehensively using other related technologies to effectively solves the problems of high cost of artificial modeling technology，insufficient refinement of oblique photography technology and limited coverage of mobile measurement technology，and improves the construction effect and efficiency of scene based 3D high precision map，meets the map demand and application of 5G intelligent transportation in various subdivision fields，and restores the digital twins world of intelligent transportation.

Keywords：5G + intelligent transportation;3D high precision map;vehicle road coordination;smart port;digital twins

0 ?引 ?言

中國的新型基礎設施建設正在成為建設數字中國、網絡強國、智慧社會等目標的利器。2019年9月19日，中共中央、國務院印發了《交通強國建設綱要》，提出大力發展智慧交通。2020年2月24日，國家11部委聯合印發了《智能汽車創新發展戰略》，重點強調建設覆蓋全國路網的道路交通地理信息系統，重點提出了在部分城市、高速公路逐步應用新一代車用無線通信網絡5G-V2X，實現高精度時空基準服務網絡全覆蓋。2020年3月4日，中共中央政治局常務委員會提出了“新基建”概念，支撐傳統交通基礎設施向融合基礎設施的轉型升級。2019年初，中國移動啟動了高精度定位戰略項目，在業務實施過程中逐漸發現各細分領域對地圖和定位有整體需求。高精度地圖與高精度定位作為基礎設施支撐著智慧交通細分領域場景的上層應用，二者相輔相成。毋庸置疑，這三項國家政策將為三維高精度地圖在智慧交通領域的構建與應用提供強有力的政策背景扶持，并為其創造發展契機。

三維高精度地圖作為新基建的重要組成部分，已成為集成創新技術應用發展的數字基底。三維地圖可視化技術始于20世紀90年代，以其直觀的三維地物、地形、地貌代替抽象的二維地圖符號，早期以人工建模為主，主要應用于數字城市、城市規劃、市政工程、大型工程仿真等領域。隨著移動測量技術以及傾斜攝影測量技術等新型測繪技術的不斷發展，三維地圖正向著真三維、高精度的方向發展。隨著移動互聯網與物聯網智能感知技術的持續創新，三維高精度地圖也在不斷地融合5G通信、高精度定位、物聯網、人工智能等技術，集成車端、場端、路側、氣象、環境、路況等信息，通過多源、多維、多尺度的地圖賦能于智慧交通的各個領域。作為集成所有靜態和動態交通信息的基礎，三維高精度地圖既需要快速高效地對整個場景進行三維建模，又需要對局部要素進行精細模型仿真，同時還需要利用移動測量技術構建高精度導航電子地圖來滿足自動駕駛智能汽車的應用需求。

本文探究如何改進傾斜攝影、移動測量、人工建模等單項構建技術應用的不足，分區域分場景采用不同的建模技術，以智慧交通5G車路協同和智慧港口場景應用為例，介紹三維高精度地圖的綜合建設方案與應用實踐。

1 ?三維高精度地圖構建技術現狀分析

三維高精度地圖的構建技術主要包括人工建模技術、傾斜攝影建模技術與車載移動測量技術。

1.1 ?人工建模技術

人工建模技術基于已有圖紙、CAD圖、GIS數據、影像信息、控制信息等，根據客戶要求對道路及附屬設施、建筑物以及水系、綠地等背景信息進行不同等級的模型制作。通過提取需要建模物體的輪廓線，利用3d Max軟件的拉伸、旋轉、變形等命令進行幾何結構體的構建，并使用數碼相機實地采集紋理照片，然后通過人工紋理映射的方式完成建模工作，形成智慧交通各細分領域場景的高度仿真模型產品。這種建模技術主要是基于多源數據進行手工建模，雖然具有可與地形圖精確匹配、位置精度高、建筑物與地表分界清晰、整體場景圖清爽整潔的優勢，但是若要真實表達側面紋理，則需要人工現場外業采集拍攝紋理照片，后期在建模軟件中手工逐一為模型的各個側面賦予紋理。該技術的生產周期較長，成本很高。

1.2 ?傾斜攝影建模技術

傾斜攝影建模技術主要是采取在同一飛行平臺上搭載多臺相機的方式同時獲取前、后、左、右四個傾斜視角和一個垂直視角的五個不同角度的影像信息，在高精度定位定姿POS系統的輔助下可以得到同一地物頂部、側面的影像信息及每一個點的三維坐標信息。在對傾斜航空影像、POS數據以及像片控制點等多源數據進行預處理后，將其導入Context Capture、Pix4d等建模軟件中進行空中三角測量、自動建模、數據優化等相關工作，生產出符合視覺效果和精度要求的實景三維模型3D Model，同步生產真正射影像（TDOM）、數字高程模型（DEM）或人工矢量化生產數字線劃圖（DLG）。

這項技術最大的特點就是真實地還原城市建筑、道路、植被、地形地貌等，整個建模過程不需要人工干預，具有仿真程度高、生產周期短、費用成本低的優勢，更適用于大范圍的真實三維模型構建。但因其數據量巨大而難以提升加載效率，對機器性能要求極高。同時這一技術還受限于拍攝角度、建筑物的密集程度以及存在自動建模技術問題，可能會導致建筑物側面、底部模型表面信息采集不全、表面不夠平整、輪廓效果不佳以及漏洞、拉花、粘連等問題。

1.3 ?車載移動測量技術

移動測量采集車搭載高分辨率全景相機、高精度激光雷達、GNSS設備以及高精度IMU等專業設備，可采集車輛行駛路線前方和兩側的建筑物、道路、樹木以及交通標識牌等基礎設施信息，進而快速獲取近地面的影像和點云信息，其精度可達到厘米級。但由于拍攝是在車輛快速行駛過程中進行的，且受采集設備探測距離的限制，因此只能獲取道路及其兩側一定范圍內的信息。此外，其高度依賴慣導系統，在隧道、地下停車場、樓宇密集區等空間的定位精度將大大降低。傳統的車載移動測量技術或近幾年興起的原理類似的SLAM技術，都只能是對道路及其兩側地物進行物理世界的測量、建模與仿真，而無法覆蓋其他區域。

2 ?基于多源多維多尺度的三維高精度地圖構建方案

針對單一的人工建模技術、傾斜攝影建模技術、車載移動測量技術均不能很好地表達各種地物這一問題，本文提出了基于多種類型的采集設備和建模技術，對各種建模技術進行適當的改進及綜合應用，分區域分場景采用不同的構建技術，以統一的時空基準對不同的數據源進行處理，以實現適宜不同地物、不同場景的構圖方案。

三維高精度地圖構建方案總體思路如下：

（1）對于道路及其附屬設施采取移動測量技術進行建模，但并非以傳統方式的三維表面模型作為成果輸出，而是通過人工智能深度學習算法及以人工標注的方式獲取基礎道路、車道線、道路標線、交通標識牌等大量的幾何架構和豐富的語義信息，形成高精度導航電子地圖矢量數據，用于輔助自動駕駛車輛的精確定位、車輛控制、決策規劃等。同時對矢量數據采取數據驅動自動建模方式，生成包括路面、車道線、標線、護欄、綠化、標識牌、監控設施等在內的三維高精度地圖數據。

（2）對于道路范圍外的區域（包括周邊的服務區、地形地貌、河流水域、建筑物、村莊等基礎設施），采用精度相對較低的傾斜攝影測量技術，進行大范圍的全場景建模。

（3）對于道路兩側一定范圍內（根據不同的道路功能等級設定不同的范圍）的重要地物（由項目需求而定），采用人工建模技術進行精細模型的替換。對于重要性等級較低的建筑物，亦可采取數據驅動自動建模方式避免傾斜攝影技術的粘連、漏洞等問題。

2.1 ?車載移動測量技術的改進研究

對于車載移動測量技術獲得的點云、影像、POS數據等多源傳感器數據，經過數據解算、分割剔除、過濾等預處理后進行三維模型重建，實現點云和影像的對齊映射。基于AI技術自動提取地圖要素，并經人工標注、拓撲建立、質量檢查等一系列工藝環節制作三維矢量成果數據。這種數據精度更好、維度更多的導航電子地圖，有兩個方面的作用。一是將三維矢量數據轉換編譯為高精度導航電子地圖數據，可以作為自動駕駛車輛的感知、定位、決策的支撐;二是基于三維矢量數據，以數據驅動方式調取紋理庫和模型庫的貼圖和部件，實現自動建模紋理映射，渲染為三維高精度地圖，如圖1所示。

2.2 ?傾斜攝影技術與人工建模技術的改進研究

針對數據量較大和精細化不足的問題，對傾斜攝影技術進行了改進。對于數據量較大的問題，在數據處理轉換層面，通過紋理壓縮且以合并根節點的方式實現數據的輕量化;在地圖加載渲染層面，通過建立LOD機制，在不同的顯示級別加載、渲染的數據不同，實現漸進加載、漸進渲染的過程。對于主次表達不明、精細化不足的問題，采用人工建模技術即以人工模型替代實景三維模型。在道路兩側范圍內，從車輛視角去漫游場景時，原始實景三維模型效果較差，存在粘連、漏洞等問題，通過改用人工模型可以很好地解決這一問題。此外，對于重要性等級較低的地物采用數據驅動自動建模的方式，對不同編碼不同類型的地物進行分類組織，對不同的地物賦予不同紋理或模型定義，研發自動建模工具通過導入不同編碼的數據和紋理映射關系表自動調取紋理庫或模型庫中的相應素材，實現為不同要素賦予不同的紋理或模型，生成高精度三維地圖，如圖2所示。

3 ?基于多源多維多尺度的高精度地圖應用實踐

3.1 ?三維高精度地圖平臺架構

三維高精度地圖可視化平臺是5G智慧交通各細分領域應用場景數字化、信息化、智慧化的基礎支撐平臺。通過集成三維高精度地圖、北斗高精度定位數據、5G通信基站、智能感知設備數據等多源異構數據，實現智慧交通時空數據的靜態與動態地圖展示、搜索、編輯、量測等基礎功能，熱力圖、聚合圖、流地圖等時空分析功能，以及實時位置展示、動態設施仿真、軌跡回放、電子圍欄、路徑規劃等交通相關服務功能，如圖3所示。

中國移動基于三維高精度地圖可視化平臺，結合5G移動通信技術、高精度定位技術、邊緣計算技術、人工智能技術等在5G車路協同、自動駕駛、智慧港口、智慧停車等場景實現智慧交通相關領域的應用。

3.2 ?5G車路協同示范應用

車路協同示范應用作為5G智慧交通領域的典型應用場景，其系統包括車載終端、路測單元、智能感知設備、高精度地圖、高精度定位基站、5G基站、邊緣云、核心云等組成單元，構建“端側-邊緣-云端”分層架構，建立安全可靠的車聯網通信、交通環境的全場景展示、車輛的實時高精度定位、動態交通態勢感知、車輛監管調控等技術體系，實現5G車路協同，全面提升車輛感知決策控制能力，促進交通基礎設施數字化、交通服務網聯化及交通管理精細化，如圖4所示。其中，三維高精度地圖與其他ICT技術相輔相成，在數據和平臺兩個層面為智慧交通細分領域提供必不可少的基礎支撐。

在數據層面，基于改進的高精度地圖構建方案，首先為滿足自動駕駛車輛的需求，以車載移動測量的方式對道路及其兩側地物構建高精度導航電子地圖，包括道路級模型、車道級模型、交通附屬設施模型等，并保證各模型之間的拓撲結構，以用于自動駕駛車輛的路徑規劃，并將路側智能設備、5G通信設備、GNSS定位設備等新型基礎設施以相應的圖標進行標注，以此完成靜態高精度地圖的制作。同時將路側智能設備所感知的車輛、行人等實時動態信息成圖，完成與靜態地圖的融合展示。

在平臺層面，高精度地圖可視化平臺為車路協同各應用子系統提供基礎平臺支撐，為交通參與者與管理者提供安全高效的業務應用。一方面將數據層面的靜動態信息進行融合展示作為基礎數字基底，另一方面將地圖數據編譯為MAP消息，并由路側單元RSU廣播，向車輛OBU傳遞局部區域的地圖信息，并將擁堵、施工、氣象等動態事件信息、預警類信息通過V2X系統與地圖平臺API接口對接，以5G網絡通道向示范區的車輛進行分發和播報。

3.3 ?5G智慧港口示范應用

5G智慧港口業務場景也是國家對新型基礎設施定義中的融合基礎設施的典型應用。結合邊緣計算、高精度GNSS定位、人工智能、計算機視覺等技術使5G智慧港口具體業務場景落地，包括5G+港機遠控、5G+智能理貨、5G+港口無人運輸系統等一系列應用。全面呈現5G智慧港口的總體架構和典型應用，形成全面感知、泛在互聯、港車協同的智能化系統要求，同樣需要構建高精度地圖，如圖5所示。

圖5 ?5G智慧港口可視化平臺

與自動駕駛示范區不同的是，港口除需要滿足L3+以上自動駕駛車輛所需的高精度導航電子地圖外，還需要對整個港區的情況進行監管和調度。由于碼頭范圍相對較大，因此構建地圖的方式首先采用傾斜攝影測量技術對全港口進行實景三維建模以作為基礎底圖使用，可基本滿足AGV集群管理、無人駕駛集卡網聯協作、智能安防、司機行為分析業務和港口人員通信等應用需求。但智能理貨這塊，港口需要對集裝箱貨物的情況進行實時監控和管理，這就需要對傾斜模型進行單體化處理。由于每個集裝箱相互壓蓋導致模型上分界粘連的現象，為此需要采用人工建模的方式對集裝箱進行單體化建模，同時還要對港口的岸橋、龍門吊等港機設備及其上面搭載的高精攝像機進行對象化建模。實際應用中，結合AI視覺分析技術，將毫秒級延時的工業控制信號和攝像頭視頻數據通過5G網絡回傳，實現港區無人化遠程操控。

4 ?結 ?論

三維高精度地圖具備三維空間表達能力，可以更為直觀、真實而精準地實現對現實物理世界的數字化呈現和智慧化應用。傾斜攝影技術、人工建模技術、移動測量技術、數據驅動自動建模技術等多種構圖方案的改進及綜合利用，不僅可以彌補單一技術的瓶頸和缺陷，還可以充分發揮各項技術的優勢，形成新的地圖數據形態，進而滿足覆蓋5G車路協同、智慧港口、智慧停車等領域的需求。三維高精度地圖可視化平臺在實現將現實物理世界向虛擬數字空間映射的同時，融合了位置、時間、環境等動態信息，形成統一時空基準的全場景化、多源多維多視角的數字孿生世界，從而實現了從三維向多維的升級應用，不僅滿足道路交通地理信息系統的基礎需要，而且能夠支撐自動駕駛、車路協同、智能網聯等智慧交通領域的前沿應用。

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作者簡介：李秀知（1984.08—），女，漢族，河北滄州人，高級產品經理，高級工程師，學士，研究方向：導航電子地圖生產、地理信息系統應用、車聯網、自動駕駛、智慧交通等。