高精地圖道路矢量化模型表達(dá)規(guī)則探討

呂曉成

(沐城測(cè)繪(北京)有限公司, 北京 100102)

0 引言

高精地圖(high definition Map)是為適應(yīng)交通領(lǐng)域智慧化需求而從傳統(tǒng)導(dǎo)航電子地圖衍生出的新的地圖形式,其精度較傳統(tǒng)導(dǎo)航電子地圖更高,并且各類(lèi)交通場(chǎng)景中要素都能以標(biāo)準(zhǔn)格式存儲(chǔ)[1]。現(xiàn)階段高精地圖的應(yīng)用主要在高級(jí)別汽車(chē)輔助駕駛領(lǐng)域,在超視距規(guī)劃、感知補(bǔ)充、地理圍欄、輔助控制(縱橫坡度、曲率)[2]及標(biāo)牌輔助識(shí)別等方面具有重要應(yīng)用,并且對(duì)于3級(jí)及以上自動(dòng)駕駛技術(shù),設(shè)備必須配備高精地圖。根據(jù)國(guó)家相關(guān)部委的發(fā)展規(guī)劃,2025年前后會(huì)落實(shí)自動(dòng)駕駛技術(shù)的配套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)及安全體系等[3]。

歐美等國(guó)在高精地圖矢量模型表達(dá)方面起步比較早,比較典型的有導(dǎo)航數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(navigation data standard，NDS)[4]、OpenDRIVE[5]、lanelet[6]等格式,國(guó)內(nèi)張攀等人也提出Whu map model高精地圖模型[7]。其中NDS格式無(wú)車(chē)道概念，車(chē)道范圍是通過(guò)道路參考線的偏移量來(lái)表達(dá)的，對(duì)實(shí)際路況中車(chē)道復(fù)雜變化的表達(dá)處理非常困難;lanelet格式雖具備獨(dú)立車(chē)道模型,但沒(méi)有道路關(guān)聯(lián),僅用車(chē)道表達(dá),實(shí)際應(yīng)用中不利于車(chē)道變道使用;Whu map model模型對(duì)道路、車(chē)道及交通標(biāo)志物的表達(dá)非常成熟,但對(duì)路側(cè)各類(lèi)桿件對(duì)車(chē)輛的定位功能未有涉及。本文將道路各元素分三類(lèi)表達(dá),并且大類(lèi)中的子元素均對(duì)車(chē)輛行駛具有使用意義。高精地圖應(yīng)用層面,雖然眾多車(chē)企及自動(dòng)駕駛公司都開(kāi)始生產(chǎn)并使用,但尚未有統(tǒng)一規(guī)格,多是自定義格式或?qū)扔懈袷竭M(jìn)行拓展,只滿(mǎn)足特定需求。基于此種情況,統(tǒng)一高精地圖產(chǎn)品的制作標(biāo)準(zhǔn),明確相關(guān)概念及道路表達(dá)模型,助力高精地圖量化生產(chǎn),促進(jìn)高精地圖生產(chǎn)的市場(chǎng)化快速發(fā)展,需求尤為迫切。

1 高精地圖生產(chǎn)流程

高精地圖生產(chǎn)過(guò)程主要分為外業(yè)采集、點(diǎn)云預(yù)處理及高精地圖制作三個(gè)階段。外業(yè)采集過(guò)程中受自然或人工地物影響,造成全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)信號(hào)失鎖,會(huì)影響測(cè)量系統(tǒng)精度穩(wěn)定性,對(duì)此,要考慮在失鎖時(shí)段加測(cè)控制點(diǎn)[8]。數(shù)據(jù)預(yù)處理階段進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置后采用緊耦合[9]方式進(jìn)行解算。外業(yè)采集及點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理等技術(shù)現(xiàn)已成熟應(yīng)用,在此不再贅述。高精地圖內(nèi)業(yè)生產(chǎn)在外業(yè)采集合格點(diǎn)云基礎(chǔ)上,基于點(diǎn)云進(jìn)行模型測(cè)繪,提取線要素[10],然后生產(chǎn)出道路平面要素及地物要素,經(jīng)拓?fù)潢P(guān)系建立各要素之間的關(guān)系,生產(chǎn)出可供自動(dòng)駕駛使用的地圖產(chǎn)品。

2 路網(wǎng)模型建立與表達(dá)規(guī)則

高精地圖中道路標(biāo)線、標(biāo)牌為其關(guān)鍵要素,能夠?qū)κ褂谜咛峁┟鞔_的引導(dǎo)信息,同時(shí)道路信息的矢量化及拓?fù)浣檐?chē)道級(jí)導(dǎo)航的核心[11]。對(duì)于高精地圖使用來(lái)講,對(duì)道路信息數(shù)字化是遠(yuǎn)不能進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的,道路的矢量化表達(dá)是其真正訴求。高精地圖數(shù)據(jù)按描述層次分為道路、車(chē)道、附屬物等[12],將不同層次的內(nèi)容進(jìn)行模型化分析,進(jìn)而進(jìn)行表達(dá)規(guī)則制定,實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)模型的矢量化表達(dá)。下面就將道路模型及拓?fù)洹④?chē)道模型及拓?fù)洹⒌匚锬Ｐ捅磉_(dá)進(jìn)行探討。

2.1 道路模型及拓?fù)?/h3>

道路按服務(wù)對(duì)象分為都市間高速、都市內(nèi)封閉路和一般道路。各類(lèi)道路形式、設(shè)施、屬性等不盡相同。綜合要表達(dá)的要素,將現(xiàn)實(shí)世界中道路以道路向量、道路特征變化點(diǎn)、路口及車(chē)道增加減區(qū)間作為核心要素建立道路矢量化模型。

2.1.1 道路向量

道路向量是現(xiàn)實(shí)道路面抽象而成的矢量線段,按車(chē)輛行進(jìn)方定義其方向,雙向通行的道路需建立兩條道路向量進(jìn)行完整表達(dá)。根據(jù)道路向量矢量化生成的線狀成果,主要用于路徑規(guī)劃。

道路向量的表達(dá)規(guī)則如下：①幾何取道路最左側(cè)車(chē)道線的右輪廓線;②道路向量數(shù)字化方向始終與車(chē)行方向保持一致;③道路向量需在交叉路口、分歧/匯流處打斷;④道路向量不允許出現(xiàn)自相交。

道路向量屬性如表1所示。

表1 道路向量屬性表

2.1.2 道路特征變化點(diǎn)

道路特征變化點(diǎn)描述道路向量的屬性特征,沿道路向量行駛方向,在道路向量起點(diǎn)處或基本屬性特征(如道路種別、道路類(lèi)別、道路狀態(tài)、路面材質(zhì)等)發(fā)生變化時(shí),以“點(diǎn)”形式記錄定區(qū)間范圍內(nèi)道路屬性。

2.1.3 路口

兩條以上(含)道路匯集,并且允許或強(qiáng)制車(chē)輛駕駛者進(jìn)行路權(quán)選擇(即可從當(dāng)前道路駛離,并駛?cè)肫渌缆?的區(qū)域稱(chēng)為“路口”。路口模型的建立能夠提示車(chē)輛減速慢行,確保車(chē)輛安全通過(guò)。根據(jù)交通流的特點(diǎn),可分為分歧、匯流和交叉路口。路口模型的幾何要求為由進(jìn)入路口位置點(diǎn)、退出路口位置點(diǎn)構(gòu)成道路交匯區(qū)域面。

路口的表達(dá)首先判斷駛?cè)?駛出路口的位置點(diǎn),根據(jù)地面引導(dǎo)線形變點(diǎn)確定。由駛?cè)肼房诘牡孛嬉龑?dǎo)線的起點(diǎn)位置做車(chē)道隔離線的垂線,由駛出道路的車(chē)道外側(cè)線起點(diǎn)的位置做車(chē)道隔離線的垂線,兩垂線與道路外側(cè)線所構(gòu)成的區(qū)域?yàn)槁房诒磉_(dá)范圍。

2.1.4 車(chē)道增加減區(qū)間

道路上車(chē)道數(shù)發(fā)生變化的區(qū)間,以發(fā)生變化的開(kāi)始位置點(diǎn)及結(jié)束位置點(diǎn)定義其幾何范圍。通過(guò)該區(qū)間拓?fù)錁?gòu)建,具備車(chē)輛行駛提醒功能,在車(chē)道增加減位置,提示車(chē)道數(shù)發(fā)生變化,注意變道。

根據(jù)車(chē)道數(shù)變化特征可分為漸變式車(chē)道增加減、直接式車(chē)道增加減。

漸變式車(chē)道增加減判定變化的特征為：在車(chē)道數(shù)變化位置,車(chē)道線外側(cè)線發(fā)生彎曲,向道路內(nèi)側(cè)彎曲表示車(chē)道數(shù)減少,反之表示車(chē)道數(shù)增加。車(chē)道數(shù)變化路段的車(chē)道邊界線是連續(xù)的,且在車(chē)道數(shù)變化的一側(cè)的車(chē)道邊界線的延長(zhǎng)線與車(chē)道外側(cè)線重疊。漸變式車(chē)道增加減區(qū)間位置判定規(guī)則為：以變化一側(cè)的車(chē)道邊界線的起、終點(diǎn)做垂線,與車(chē)道隔離線相交的交點(diǎn)構(gòu)成的范圍為漸變式車(chē)道增加減區(qū)間。

直接式車(chē)道增加減判定變化的特征為：在車(chē)道數(shù)變化開(kāi)始處車(chē)道邊界線斷開(kāi),在車(chē)道數(shù)變化結(jié)束處車(chē)道邊界線重新生成。直接式車(chē)道增加減區(qū)間位置判定規(guī)則為：車(chē)道隔離線斷開(kāi)的位置為車(chē)道數(shù)變化實(shí)際開(kāi)始位置,但車(chē)道隔離線斷開(kāi)位置與車(chē)道隔離線重新開(kāi)始位置間距小于10 m時(shí),以新生成的車(chē)道邊界線的起點(diǎn)回退10 m作為車(chē)道數(shù)變化開(kāi)始位置點(diǎn),以起始/終止點(diǎn)做車(chē)道線垂線,所構(gòu)成的范圍為直接式車(chē)道增加減區(qū)間。

車(chē)道增加減區(qū)間如圖1所示。

(a)漸變式車(chē)道增加

2.1.5 道路拓?fù)?/p>

道路拓?fù)潢P(guān)系主要指道路的前后連接關(guān)系,道路拓?fù)潢P(guān)系主要發(fā)生在路口,路網(wǎng)中的每一條道路都不能孤立存在,需要與其他道路連通。道路拓?fù)溆蛇M(jìn)入路口道路向量、駛出路口道路向量及連接兩者的路口內(nèi)道路向量構(gòu)成。道路拓?fù)潢P(guān)系建立后,根據(jù)設(shè)定道路的起終點(diǎn),結(jié)合其他信息可規(guī)劃出合理且可通行的路徑。拓?fù)潢P(guān)系建立時(shí),按照道路連通情況,通過(guò)路口內(nèi)道路向量進(jìn)行連接。道路模型各要素表達(dá)如圖2所示。

圖2 道路模型要素表達(dá)示意

2.2 車(chē)道模型及拓?fù)?/h3>

車(chē)道的數(shù)字化范圍是由各類(lèi)車(chē)道隔離線經(jīng)矢量化提取所形成的面狀范圍。數(shù)字化的車(chē)道同樣也不能滿(mǎn)足車(chē)道級(jí)導(dǎo)航的實(shí)際應(yīng)用。利用車(chē)道隔離線、車(chē)道向量及車(chē)道特征屬性變化點(diǎn)構(gòu)建的車(chē)道模型能夠充分表現(xiàn)車(chē)道的使用特點(diǎn)。通過(guò)車(chē)道拓?fù)浣?對(duì)道路的矢量表達(dá)層次更加清晰,能夠達(dá)到車(chē)道級(jí)的表現(xiàn)粒度。

2.2.1 車(chē)道隔離線

車(chē)道隔離線為車(chē)道印刷線的抽象表達(dá),根據(jù)車(chē)道印刷線的左右輪廓生成。車(chē)道隔離線的類(lèi)型主要有：車(chē)道外側(cè)線、車(chē)道邊界線、中央隔離線、待轉(zhuǎn)區(qū)域線。車(chē)道隔離線能夠在車(chē)輛不進(jìn)行變道操作時(shí),規(guī)定車(chē)輛的行使范圍。

車(chē)道隔離線為具有一定寬度的條狀對(duì)象,需采集器左、右輪廓線,但左、右輪廓線不能交叉。其表達(dá)規(guī)則如下：①車(chē)道隔離線矢量化方向與車(chē)行方向保持一致;②連續(xù)的車(chē)道隔離線上若存在線型(單雙屬性、虛實(shí)、邏輯線特征)和顏色變化,幾何表達(dá)不中斷,在變化位置建立車(chē)道隔離線變化點(diǎn),表達(dá)屬性變化;③路口處車(chē)道隔離線建立需考慮停止線位置,不論二者是否有交叉,均以停止線位置為準(zhǔn)建立車(chē)道隔離線;④路面無(wú)印刷線或印刷線不連續(xù)的情況,需建立邏輯車(chē)道隔離線。

2.2.2 車(chē)道向量

高精度數(shù)據(jù)中使用車(chē)道向量作為一條車(chē)道的矢量化表達(dá),是車(chē)道的精細(xì)化表達(dá),以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛過(guò)程中的厘米級(jí)定位、車(chē)道級(jí)導(dǎo)航、車(chē)道級(jí)引導(dǎo)以及車(chē)道保持、速度控制等自動(dòng)決策控制。

車(chē)道向量表達(dá)規(guī)則如下：①車(chē)道向量不能與左右車(chē)道隔離線相交;②車(chē)道向量在車(chē)道數(shù)變化、分歧、匯流、路口的位置打斷;③車(chē)道向量數(shù)字化方向與行車(chē)方向保持一致;④非路口內(nèi)車(chē)道向量不允許自相交,路口內(nèi)車(chē)道向量無(wú)此限制;⑤路口內(nèi)的車(chē)道向量的形狀無(wú)要求,只需確保拓?fù)潢P(guān)系正確。車(chē)道向量屬性如表2所示。

2.2.3 車(chē)道特征屬性變化點(diǎn)

車(chē)道特征屬性變化點(diǎn)是指在車(chē)道功能類(lèi)型、加減速屬性發(fā)生變化的位置,設(shè)置的承載變化記錄的點(diǎn)。車(chē)道特征屬性變化點(diǎn)的建立規(guī)則如下：①車(chē)道向量的起點(diǎn),若功能為非普通車(chē)道或者加減速車(chē)道,則需要在起點(diǎn)建立車(chē)道特征屬性變化點(diǎn);②車(chē)道向量上非起點(diǎn)的位置,若發(fā)生功能類(lèi)型或者加減速屬性的變化,則需要在發(fā)生變化的位置建立車(chē)道特征屬性變化點(diǎn)。

2.2.4 車(chē)道拓?fù)?/p>

車(chē)道拓?fù)涫歉鶕?jù)每個(gè)車(chē)道向量的可通行方向進(jìn)行拓?fù)溥B接生成,主要指路口處/車(chē)道增加減處的車(chē)道拓?fù)潢P(guān)系。車(chē)道拓?fù)溆蛇M(jìn)入車(chē)道向量和駛出車(chē)道向量構(gòu)成。車(chē)道拓?fù)淠軌蚋鶕?jù)路徑規(guī)劃結(jié)果,指導(dǎo)車(chē)輛選擇正確的車(chē)道行駛。

車(chē)道拓?fù)湟豁?xiàng)重要工作就是對(duì)進(jìn)入車(chē)道向量、駛離車(chē)道向量進(jìn)行拓?fù)溥B接。連接原則：①有車(chē)道邊界線時(shí),參考前后車(chē)道邊界線構(gòu)建,且同一道路拓?fù)潢P(guān)系關(guān)聯(lián)的車(chē)道拓?fù)鋷缀尾辉试S相交(即無(wú)沖突原則);②無(wú)車(chē)道邊界線時(shí),遵循均衡、無(wú)沖突原則。

均衡原則：駛?cè)氲能?chē)道向量或駛出的車(chē)道向量與路口/車(chē)道增加減區(qū)間內(nèi)車(chē)道向量連接數(shù)量相等。具體表達(dá)規(guī)則為：設(shè)在某區(qū)間上,駛?cè)氲牡缆废蛄堪琻個(gè)駛?cè)氲能?chē)道向量,駛出的道路向量?jī)?nèi)包含m個(gè)駛出的車(chē)道向量,則當(dāng)n=m時(shí),進(jìn)出車(chē)道一一配對(duì),每條進(jìn)入車(chē)道上有1條連接車(chē)道;當(dāng)nm時(shí),進(jìn)入每條駛出車(chē)道的連接路徑數(shù)量相同。均衡原則車(chē)道向量的連接如表3所示。車(chē)道模型各要素表達(dá)如圖3所示。

表3 均衡原則車(chē)道向量的連接表

圖3 車(chē)道模型要素表達(dá)示意

2.3 地物模型表達(dá)

道路地物主要作為交通輔助類(lèi)設(shè)施存在,能夠在車(chē)輛行駛時(shí)給駕駛者提供更為詳盡的道路通行信息。道路地物主要有桿件、交通信號(hào)燈、交通看板，等等。在高精地圖使用中,根據(jù)地物屬性信息控制車(chē)輛按相應(yīng)規(guī)則行駛,同時(shí)能夠使用矢量Object做地圖匹配高精定位。

2.3.1 桿件

桿件類(lèi)地物指道路兩旁或中間的立柱,其上一般有交通標(biāo)志牌、攝像頭、路燈、信號(hào)燈等。桿件的幾何表達(dá)規(guī)則如下：①存儲(chǔ)底面三個(gè)形點(diǎn)(構(gòu)成唯一圓形、矩形或三角形)+頂部圓心點(diǎn)+高度屬性;②若桿件的圓柱體橫截面半徑隨高度漸變,一般隨高度增加半徑減少,則在能識(shí)別到的最大半徑處采集桿子的形狀面;③若桿件豎立在底座上或欄桿上,桿子的形狀面選取桿件圓柱主體的橫截面即可;④若桿件彎曲,表達(dá)從底部開(kāi)始筆直的部分,上面彎曲部分不表達(dá)。

2.3.2 交通信號(hào)燈

交通信號(hào)燈是指揮交通運(yùn)行的信號(hào)燈,一般由紅燈、綠燈、黃燈組成。紅燈表示禁止通行,綠燈表示準(zhǔn)許通行,黃燈表示警示。交通信號(hào)燈的規(guī)則圖形中,一般為矩形,通過(guò)確定 三個(gè)角點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)確定矩形的長(zhǎng)、寬、高及中心點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行表達(dá);不規(guī)則圖形的幾何形狀為其外接矩形,按照順時(shí)針?lè)较蛑谱鞑杉齻€(gè)角點(diǎn)，生成矩形。其屬性為地物與路網(wǎng)關(guān)聯(lián)級(jí)別,關(guān)聯(lián)至車(chē)道。

2.3.3 交通看板

交通看板指的是直立在路旁或路上方的給道路使用者提供各類(lèi)信息的標(biāo)志物。交通看板幾何表達(dá)規(guī)則如下：①常見(jiàn)的規(guī)則圖形包括矩形、圓形、三角形(正三角、倒三角)、菱形等,通過(guò)制作交通看板的三個(gè)相鄰角點(diǎn),計(jì)算出交通看板的中心點(diǎn)坐標(biāo)和標(biāo)志牌長(zhǎng)度、寬度;②不規(guī)則圖形的幾何形狀為其輪廓多邊形,按其外輪廓,連續(xù)順時(shí)針采集每個(gè)角點(diǎn);③對(duì)于形狀變形的標(biāo)志牌,按照變形后的形狀進(jìn)行采集。

交通看板屬性中,看板主屬分類(lèi)Kind字段與看板內(nèi)容Content字段至關(guān)重要,對(duì)于車(chē)輛的通行規(guī)制[13]有明確的控制意義。交通看板需根據(jù)標(biāo)志牌內(nèi)容所作用的道路或車(chē)道進(jìn)行屬性關(guān)聯(lián)。高精地圖地物表達(dá)與實(shí)景對(duì)應(yīng)如圖4所示。

(a)實(shí)景地物示意

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中道路所包含要素進(jìn)行分解,分別建立道路模型、車(chē)道模型、地物模型,并探討模型表達(dá)規(guī)則,使高精地圖的表達(dá)層次更加清晰,生產(chǎn)過(guò)程中依據(jù)性更強(qiáng)。將道路要素?cái)?shù)字后采用車(chē)道向量、道路向量進(jìn)行矢量化表達(dá),進(jìn)而完成道路及車(chē)道向量的拓?fù)錁?gòu)建,使得各向量關(guān)聯(lián)關(guān)系更為明確,為車(chē)輛進(jìn)行路徑規(guī)劃及車(chē)道選擇奠定了基礎(chǔ);地物模型化表達(dá)一方面能夠利用其位置進(jìn)行高精度定位,另外依據(jù)地物屬性表內(nèi)容更加完備展示道路通行規(guī)制,使車(chē)輛能夠獲取更全面的通行信息,保證安全的輔助駕駛功能。當(dāng)然,道路情況千差萬(wàn)別,道路要素中的小類(lèi)暫不能窮盡,本文只做大類(lèi)及特殊種類(lèi)的討論,更多細(xì)節(jié)規(guī)則可在本框架之下進(jìn)行擴(kuò)充[14-17]。

4 結(jié)束語(yǔ)

高精地圖是自動(dòng)駕駛背景下的產(chǎn)物,設(shè)計(jì)初衷是作為自動(dòng)駕駛的核心技術(shù)使用。同傳統(tǒng)導(dǎo)航電子地圖相比，在數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)組織方法、定位精度、地圖模型等方面存在差異。傳統(tǒng)導(dǎo)航電子地圖使用主體是人,要求展示直觀,通俗易懂;高精地圖使用主體是車(chē)機(jī),要求精準(zhǔn),信息完整,通過(guò)準(zhǔn)確的路網(wǎng)幾何形狀及交通屬性的詳細(xì)描述服務(wù)于自動(dòng)駕駛技術(shù)。作為高度信息化并具備智能化輔助決策的基礎(chǔ),高精地圖要符合機(jī)器判讀的數(shù)據(jù)要求,標(biāo)準(zhǔn)的道路模型建立及表達(dá)規(guī)則的設(shè)立,使得高精地圖的使用范圍更加明確,生產(chǎn)過(guò)程更加流暢。實(shí)際應(yīng)用中,高精地圖表達(dá)規(guī)則及格式的不統(tǒng)一使其應(yīng)用范圍過(guò)小,圖商所生產(chǎn)的高精地圖彼此互為保密數(shù)據(jù);相應(yīng)法律規(guī)范建設(shè)不全面,高精地圖在使用過(guò)程中保障性不強(qiáng);另外,受現(xiàn)有技術(shù)限制,高精地圖的更新仍需大量人工進(jìn)行比對(duì),更新并不及時(shí),期望依托專(zhuān)包結(jié)合眾包方式完成數(shù)據(jù)采集,自動(dòng)化匹配技術(shù)完成高精地圖更新工作,使高精地圖現(xiàn)勢(shì)性更強(qiáng)。我們期待通用化的高精地圖表達(dá)規(guī)則能夠應(yīng)用于行業(yè)生產(chǎn),業(yè)界去除技術(shù)壁壘,高精地圖也能夠一測(cè)多用。

未來(lái),隨著高精地圖的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范化及政策法規(guī)的完善,高精地圖所表達(dá)的內(nèi)容也會(huì)更完整,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化的高精地圖數(shù)據(jù)涵蓋全國(guó)各等級(jí)道路時(shí),自動(dòng)駕駛就真的能夠到來(lái)。同時(shí),隨著智慧城市與智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)技術(shù)互聯(lián)互通,高精地圖的應(yīng)用除自動(dòng)駕駛領(lǐng)域,在智慧交通、路產(chǎn)管理及數(shù)字孿生城市等方面定會(huì)有更重要的應(yīng)用。