李鑫慧，郭 蓬，戎 輝，唐風敏，華一丁，何 佳

（1.中汽研 （天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300；2.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300)

1 概述

高精度地圖 （High Precision Map）作為除復雜傳感器之外的無人駕駛車輛最核心的技術之一，已成為智能網聯汽車技術產業(yè)的重要基礎技術。特別是在面對L3以上級別的自動駕駛系統(tǒng)中，高精度地圖已成為必不可少的組成部分。與提供給駕駛員看的導航電子地圖不同，高精度地圖是提供給計算機使用的，為輔助駕駛和自動駕駛提供重要的道路信息保障。因此，相較于普通的導航電子地圖，高精度地圖具有精度更高、信息更全的特點，一方面是指地圖的絕對精度更高，普通導航電子地圖的精度一般在10 m左右，而高精度地圖的精度則一般需要達到20 cm左右；另一方面是指包含的道路信息更加豐富、細致和全面，能夠更加精準地反映道路的真實情況［1］。

目前市場上的高精度地圖產業(yè)已經過多年的發(fā)展和探索，制作地圖的傳統(tǒng)巨頭和初創(chuàng)公司紛紛加入高精度地圖的領域，希望在這一領域的市場上搶占先機。因此中國的高精度地圖企業(yè)也形成了一定的生產規(guī)模和初步的產品，為無人駕駛的實現奠定了基礎，對智能網聯汽車產業(yè)的發(fā)展起到了推動作用。

2 高精度地圖研究現狀及趨勢

2.1 導航電子地圖的發(fā)展

自1985年，導航電子地圖就開始逐步發(fā)展起來，以美國的Navteq公司和荷蘭的TeleAtlas公司為代表，隨后，日本的Zenrin公司也進入導航電子地圖的研究隊列當中。隨著社會各種科學技術的進步，導航電子地圖經過十幾年的發(fā)展，導航電子地圖的技術水平在不斷提升，同時市場的需求也在不斷變化。

首先是地圖的數據采集方式從專業(yè)人員采集方式向專業(yè)與眾包結合的采集方式轉變。生產方式也從專業(yè)人員利用地圖編輯工具繪制的方式過渡為自動化處理結合少量專業(yè)人員編輯的方式，最終發(fā)展為完全自動編輯的趨勢，即實現采集、編輯一體的完全自動化成圖。其次是地圖的表現形式經歷從二維平面電子地圖、偽三維電子地圖、真三維電子地圖到高精度電子地圖的發(fā)展，最終發(fā)展為應用在自動駕駛領域中的高精度動態(tài)電子地圖。最后是地圖的發(fā)布形式，從最初的離線拷貝到線上發(fā)布，從全量發(fā)布到增量發(fā)布，電子導航地圖的更新方式將更加便捷，發(fā)布方式也將更加靈活。

2.2 國內外高精度地圖的研究現狀

隨著無人駕駛技術的發(fā)展，考慮到高精度地圖廣闊的發(fā)展前景，國內外越來越多的企業(yè)開始進行高精度地圖領域的規(guī)劃與布局。傳統(tǒng)的地圖廠商，如Here、TomTom、Waymo、高德等，都早已拓展自身的業(yè)務，投入對高精度地圖的研發(fā)和生產當中。對于主機廠和零部件等企業(yè)，大都以選擇收購地圖廠商的方式進入高精度地圖領域，像奧迪、寶馬、戴姆勒三大車企聯合起來斥資31億美元聯合收購Here，為研發(fā)高精度道路導航地圖做準備［2］。

除此之外，很多互聯網行業(yè)的企業(yè)也在通過收購或者合作的形式入局，例如百度不僅自己研發(fā)高精度地圖，還與TomTom聯合開發(fā)；騰訊收購四維圖新的股份；阿里巴巴收購高德地圖等。在近幾年內，國內還涌現出了許多初創(chuàng)公司，如寬凳科技、Momenta、極奧科技等。由此可見，發(fā)展高精度地圖產業(yè)已經是大趨勢。電子地圖的服務對象也不再僅僅是駕駛員，而是慢慢向機器過渡，所以對地圖的精度、內容框架和計算形式等都提出了更高的要求。

3 高精度地圖技術

3.1 高精度地圖的采集

目前高精度地圖的采集工作主要分為3個環(huán)節(jié)：采集環(huán)節(jié)，自動融合和識別環(huán)節(jié)，人工驗證發(fā)布環(huán)節(jié)。

1）高精度地圖的數據采集主要有兩種形式：其一是激光雷達和攝像頭配合GPS，其二是攝像頭和GPS配合計算距離算法。在數據采集過程中，裝有攝像頭等采集設備的采集車會以60～80 km／h的速度在道路上行駛，同時采集員需要實時監(jiān)控采集系統(tǒng)和設備的工作狀態(tài)，并且根據周圍的環(huán)境情況適當調整攝像頭的參數。

2）在自動融合和識別環(huán)節(jié)，采集到的多種傳感器的數據會被融合，即點云數據、圖像數據、GPS數據等會被疊加到一起。在這個過程中，道路的標線、人行橫道、交通標識牌等特征物體會被標識出來，而對于采集到的重復數據也會在這個環(huán)節(jié)進行整合和刪除［3］。在實際的操作過程中，專業(yè)人員會在電腦上輸入大量的數據并進行AI訓練，目前這些工作已經實現高度自動化，同時精度會控制在20 cm之內。

3）最后的人工驗證發(fā)布環(huán)節(jié)還需要專業(yè)人員通過對比采集的視頻，來核對和確定電腦自動化處理的數據是否準確。修正的數據量基本為每人每天30～50 km，并上傳到云端，最終獲得具有詳細道路信息的高精度地圖。

3.2 高精度地圖的模型

高精度地圖的模型是在道路網絡的拓撲結構上附著不同對象的信息，例如車道信息、道路周邊的交通引導、提示以及通行區(qū)域邊界等。此外，地圖模型的屬性主要包括空間位置屬性、靜態(tài)屬性、動態(tài)屬性、實時屬性以及與動態(tài)相關的屬性等。一般來說，高精度地圖模型由道路模型、車道模型和對象模型3個部分組成［4］，如圖1所示。

圖1 模型示意圖

1）道路模型

第1個部分是道路模型，即參考線，它代表傳統(tǒng)導航地圖的模型。在道路模型中需要將現實世界的道路進行抽象，并通過一系列的點描述道路的走勢和連通關系，示意圖如圖2所示。

圖2 道路模型示意圖

此外，道路相關數據的表達是道路模型的核心，主要包含參考線的定義、幾何信息、聯通關系和對應道路的坡度、曲率等信息。

2）車道模型

第2個部分是車道模型，即車道標線，它代表車道信息。它不僅記錄車道行駛的參考線、邊線和停止線等，還記錄了車道與道路之間的拓撲關系，示意圖如圖3所示。

圖3 車道模型示意圖

此外，車道的相關數據的表達也是車道模型的核心，主要包含車道中心線、車道類型、車道標線、車道方向、車道聯通關系等信息。

3）對象模型

第3個部分是對象模型，即對象的位置、形狀及屬性等，它代表與路網車道相關的對象。這些要素主要包括交通標牌、交通燈、防護欄、立交橋、隧道、收費站、警示區(qū)等，示意圖如圖4所示。

3.3 高精度地圖的生產

圖4 對象模型示意圖

高精度地圖的生產遵循著嚴格規(guī)范的流程，一般是先根據自動駕駛的級別和用戶的需求，制定明確的生產計劃，然后進行地圖數據的采集、處理、編輯和繪制過程，最后對數據進行轉換編譯和檢查，以確保高精度地圖的準確性。在數據信息收集的過程中，采用專業(yè)的采集車采集和眾包設備采集，與此同時，用戶的反饋信息、互聯網信息、衛(wèi)星影像等信息也要采集上來。為了數據生產的準確性和節(jié)省數據生產的成本，數據采集一般采用專業(yè)隊伍進行規(guī)?；杉c眾包采集相結合，這樣的形式不僅可以提高數據生產的速度，還可以節(jié)省人力成本。

1）專業(yè)隊伍規(guī)?；杉Ｊ?/p>

一個專業(yè)數據采集小隊會配備一臺采集車和數個差分基站，一般專業(yè)采集車都配有慣性導航系統(tǒng)、攝像頭和激光雷達設備等，這些設備會經過專業(yè)的參數標定，以確保數據的準確性。采集的數據包括高精度軌跡、圖像、激光點云數據。其中軌跡包括經度、緯度、海拔、傾角、俯仰角及速度等信息。數據采集完成后利用人工智能技術對數據進行解算、時空配準、要素提取、矢量化。

2）眾包采集模式

對于高達數百萬的采集設備，以及高要求的采集速度，無限的擴張數據采集隊伍是不切實際的。因此，考慮到金錢成本和時間成本，目前市場上大部分企業(yè)采用的都是眾包采集制圖模式。眾包采集技術即在眾包采集的大量可靠數據中，發(fā)現數據變化的范圍，然后根據數據變化的可信信息，派專業(yè)采集車進行核實和專業(yè)測量。

3）高精度地圖生產運營一體化閉環(huán)模式

伴隨著智能網聯汽車的發(fā)展，車輛本身不僅可以作為高精度地圖的消費者，更是可以成為高精度地圖數據的提供者。在車輛運行的過程中，車輛的實時位置、各類傳感器數據、實時交通數據可以上傳至地圖云端，云端可以對這些實時大數據進行深度挖掘分析，從而達到更新高精度地圖的目的。由此可見，智能網聯車輛已經成為高精度地圖采集、生產、應用、更新閉環(huán)中的一個重要環(huán)節(jié)，最終形成一套智能網聯汽車體系下的高精度地圖生產運營一體化閉環(huán)運營模式。

4 高精度地圖的應用

4.1 在自動駕駛中的應用

自動駕駛領域對于導航電子地圖提出了更高的要求，需要每條車道線的詳細信息以及可行駛區(qū)域內各類對象的信息，因此高精度地圖可以很好地滿足自動駕駛技術的要求［5］。高精度地圖數據可以提供給自動駕駛車輛多種道路交通信息，例如車道的曲率值、道路的坡度、路邊交通標識牌、道路的限速信息、危險區(qū)域的提醒等。高精度地圖的充分應用可以為自動駕駛提供眾多數值化的決策依據。

4.2 在交通監(jiān)管中的應用

隨著城市道路環(huán)境越來越復雜，智慧交通的發(fā)展已經被社會所重視。智慧交通監(jiān)管平臺的搭建需要結合視頻監(jiān)控、云平臺計算、高精度定位及高精度地圖等多種技術，同時應用在特殊車輛監(jiān)控、公交優(yōu)先、車道自由流、道路交通事故等重要的場景中。因此，搭建高精度地圖將更有利于交通監(jiān)控部門對道路情況的全面掌控和監(jiān)管。

4.3 在V2X中的應用

在智能網聯汽車系統(tǒng)中，V2X是網聯化方面的基礎。車輛通過路側基礎設施能夠直接獲取到道路的基礎環(huán)境信息，并利用基礎設施進行高精度定位。但對于不能發(fā)射信號的基礎設施來說，高精度地圖就可以用于感知環(huán)境和車道規(guī)劃。此外，高精度地圖云端可以通過與基礎設施中的道路邊緣計算網格進行通信，來實現信息的收集與分發(fā)，并將可能引起道路交通問題的預測信息發(fā)送給邊緣計算網格，并進一步通知車輛提前做出決策。

5 結語

隨著自動駕駛和智能網聯汽車行業(yè)的發(fā)展，越來越多的地圖企業(yè)、互聯網企業(yè)與汽車制造商意識到高精度地圖的重要性。大企業(yè)通過投資收購數據公司和大量資金的涌入，給高精度地圖的發(fā)展帶來了非常好的機遇。但與此同時，高精度地圖產業(yè)也正面臨著挑戰(zhàn)，首先繪制高精度地圖的成本相對較高，其次我國目前正處于高速發(fā)展階段，道路日新月異，因此如何在高昂的成本下保證地圖的不斷更新是各大企業(yè)需要考慮的。最后，高精度地圖的檢驗標準和評價指標尚未出臺，以及相關標準是否會對地圖精度造成影響，這些都是高精度地圖未來所要面臨的挑戰(zhàn)。