呂曉成

(沐城測繪(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,并且各類交通場景中要素都能以標準格式存儲[1]?，F(xiàn)階段高精地圖的應(yīng)用主要在高級別汽車輔助駕駛領(lǐng)域,在超視距規(guī)劃、感知補充、地理圍欄、輔助控制(縱橫坡度、曲率)[2]及標牌輔助識別等方面具有重要應(yīng)用,并且對于3級及以上自動駕駛技術(shù),設(shè)備必須配備高精地圖。根據(jù)國家相關(guān)部委的發(fā)展規(guī)劃,2025年前后會落實自動駕駛技術(shù)的配套技術(shù)標準、法規(guī)及安全體系等[3]。

歐美等國在高精地圖矢量模型表達方面起步比較早,比較典型的有導(dǎo)航數(shù)據(jù)標準(navigation data standard，NDS)[4]、OpenDRIVE[5]、lanelet[6]等格式,國內(nèi)張攀等人也提出Whu map model高精地圖模型[7]。其中NDS格式無車道概念，車道范圍是通過道路參考線的偏移量來表達的，對實際路況中車道復(fù)雜變化的表達處理非常困難;lanelet格式雖具備獨立車道模型,但沒有道路關(guān)聯(lián),僅用車道表達,實際應(yīng)用中不利于車道變道使用;Whu map model模型對道路、車道及交通標志物的表達非常成熟,但對路側(cè)各類桿件對車輛的定位功能未有涉及。本文將道路各元素分三類表達,并且大類中的子元素均對車輛行駛具有使用意義。高精地圖應(yīng)用層面,雖然眾多車企及自動駕駛公司都開始生產(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行拓展,只滿足特定需求。基于此種情況,統(tǒng)一高精地圖產(chǎn)品的制作標準,明確相關(guān)概念及道路表達模型,助力高精地圖量化生產(chǎn),促進高精地圖生產(chǎn)的市場化快速發(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)過程主要分為外業(yè)采集、點云預(yù)處理及高精地圖制作三個階段。外業(yè)采集過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)信號失鎖,會影響測量系統(tǒng)精度穩(wěn)定性,對此,要考慮在失鎖時段加測控制點[8]。數(shù)據(jù)預(yù)處理階段進行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置后采用緊耦合[9]方式進行解算。外業(yè)采集及點云數(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)采集合格點云基礎(chǔ)上,基于點云進行模型測繪,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)拓撲關(guān)系建立各要素之間的關(guān)系,生產(chǎn)出可供自動駕駛使用的地圖產(chǎn)品。

2 路網(wǎng)模型建立與表達規(guī)則

高精地圖中道路標線、標牌為其關(guān)鍵要素,能夠?qū)κ褂谜咛峁┟鞔_的引導(dǎo)信息,同時道路信息的矢量化及拓撲建立為車道級導(dǎo)航的核心[11]。對于高精地圖使用來講,對道路信息數(shù)字化是遠不能進行實際應(yīng)用的,道路的矢量化表達是其真正訴求。高精地圖數(shù)據(jù)按描述層次分為道路、車道、附屬物等[12],將不同層次的內(nèi)容進行模型化分析,進而進行表達規(guī)則制定,實現(xiàn)路網(wǎng)模型的矢量化表達。下面就將道路模型及拓撲、車道模型及拓撲、地物模型表達進行探討。

2.1 道路模型及拓撲

道路按服務(wù)對象分為都市間高速、都市內(nèi)封閉路和一般道路。各類道路形式、設(shè)施、屬性等不盡相同。綜合要表達的要素,將現(xiàn)實世界中道路以道路向量、道路特征變化點、路口及車道增加減區(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)實道路面抽象而成的矢量線段,按車輛行進方定義其方向,雙向通行的道路需建立兩條道路向量進行完整表達。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。

道路向量的表達規(guī)則如下：①幾何取道路最左側(cè)車道線的右輪廓線;②道路向量數(shù)字化方向始終與車行方向保持一致;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

道路特征變化點描述道路向量的屬性特征,沿道路向量行駛方向,在道路向量起點處或基本屬性特征(如道路種別、道路類別、道路狀態(tài)、路面材質(zhì)等)發(fā)生變化時,以“點”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,并且允許或強制車輛駕駛者進行路權(quán)選擇(即可從當前道路駛離,并駛?cè)肫渌缆?的區(qū)域稱為“路口”。路口模型的建立能夠提示車輛減速慢行,確保車輛安全通過。根據(jù)交通流的特點,可分為分歧、匯流和交叉路口。路口模型的幾何要求為由進入路口位置點、退出路口位置點構(gòu)成道路交匯區(qū)域面。

路口的表達首先判斷駛?cè)?駛出路口的位置點,根據(jù)地面引導(dǎo)線形變點確定。由駛?cè)肼房诘牡孛嬉龑?dǎo)線的起點位置做車道隔離線的垂線,由駛出道路的車道外側(cè)線起點的位置做車道隔離線的垂線,兩垂線與道路外側(cè)線所構(gòu)成的區(qū)域為路口表達范圍。

2.1.4 車道增加減區(qū)間

道路上車道數(shù)發(fā)生變化的區(qū)間,以發(fā)生變化的開始位置點及結(jié)束位置點定義其幾何范圍。通過該區(qū)間拓撲構(gòu)建,具備車輛行駛提醒功能,在車道增加減位置,提示車道數(shù)發(fā)生變化,注意變道。

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

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

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

車道增加減區(qū)間如圖1所示。

(a)漸變式車道增加

2.1.5 道路拓撲

道路拓撲關(guān)系主要指道路的前后連接關(guān)系,道路拓撲關(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。道路拓撲由進入路口道路向量、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。道路拓撲關(guān)系建立后,根據(jù)設(shè)定道路的起終點,結(jié)合其他信息可規(guī)劃出合理且可通行的路徑。拓撲關(guān)系建立時,按照道路連通情況,通過路口內(nèi)道路向量進行連接。道路模型各要素表達如圖2所示。

圖2 道路模型要素表達示意

2.2 車道模型及拓撲

車道的數(shù)字化范圍是由各類車道隔離線經(jīng)矢量化提取所形成的面狀范圍。數(shù)字化的車道同樣也不能滿足車道級導(dǎo)航的實際應(yīng)用。利用車道隔離線、車道向量及車道特征屬性變化點構(gòu)建的車道模型能夠充分表現(xiàn)車道的使用特點。通過車道拓撲建立,對道路的矢量表達層次更加清晰,能夠達到車道級的表現(xiàn)粒度。

2.2.1 車道隔離線

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

車道隔離線為具有一定寬度的條狀對象,需采集器左、右輪廓線,但左、右輪廓線不能交叉。其表達規(guī)則如下：①車道隔離線矢量化方向與車行方向保持一致;②連續(xù)的車道隔離線上若存在線型(單雙屬性、虛實、邏輯線特征)和顏色變化,幾何表達不中斷,在變化位置建立車道隔離線變化點,表達屬性變化;③路口處車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建立車道隔離線;④路面無印刷線或印刷線不連續(xù)的情況,需建立邏輯車道隔離線。

2.2.2 車道向量

高精度數(shù)據(jù)中使用車道向量作為一條車道的矢量化表達,是車道的精細化表達,以實現(xiàn)自動駕駛過程中的厘米級定位、車道級導(dǎo)航、車道級引導(dǎo)以及車道保持、速度控制等自動決策控制。

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

2.2.3 車道特征屬性變化點

車道特征屬性變化點是指在車道功能類型、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。車道特征屬性變化點的建立規(guī)則如下：①車道向量的起點,若功能為非普通車道或者加減速車道,則需要在起點建立車道特征屬性變化點;②車道向量上非起點的位置,若發(fā)生功能類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道特征屬性變化點。

2.2.4 車道拓撲

車道拓撲是根據(jù)每個車道向量的可通行方向進行拓撲連接生成,主要指路口處/車道增加減處的車道拓撲關(guān)系。車道拓撲由進入車道向量和駛出車道向量構(gòu)成。車道拓撲能夠根據(jù)路徑規(guī)劃結(jié)果,指導(dǎo)車輛選擇正確的車道行駛。

車道拓撲一項重要工作就是對進入車道向量、駛離車道向量進行拓撲連接。連接原則：①有車道邊界線時,參考前后車道邊界線構(gòu)建,且同一道路拓撲關(guān)系關(guān)聯(lián)的車道拓撲幾何不允許相交(即無沖突原則);②無車道邊界線時,遵循均衡、無沖突原則。

均衡原則：駛?cè)氲能嚨老蛄炕蝰偝龅能嚨老蛄颗c路口/車道增加減區(qū)間內(nèi)車道向量連接數(shù)量相等。具體表達規(guī)則為：設(shè)在某區(qū)間上,駛?cè)氲牡缆废蛄堪琻個駛?cè)氲能嚨老蛄?駛出的道路向量內(nèi)包含m個駛出的車道向量,則當n=m時,進出車道一一配對,每條進入車道上有1條連接車道;當nm時,進入每條駛出車道的連接路徑數(shù)量相同。均衡原則車道向量的連接如表3所示。車道模型各要素表達如圖3所示。

表3 均衡原則車道向量的連接表

圖3 車道模型要素表達示意

2.3 地物模型表達

道路地物主要作為交通輔助類設(shè)施存在,能夠在車輛行駛時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輛按相應(yīng)規(guī)則行駛,同時能夠使用矢量Object做地圖匹配高精定位。

2.3.1 桿件

桿件類地物指道路兩旁或中間的立柱,其上一般有交通標志牌、攝像頭、路燈、信號燈等。桿件的幾何表達規(guī)則如下：①存儲底面三個形點(構(gòu)成唯一圓形、矩形或三角形)+頂部圓心點+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,表達從底部開始筆直的部分,上面彎曲部分不表達。

2.3.2 交通信號燈

交通信號燈是指揮交通運行的信號燈,一般由紅燈、綠燈、黃燈組成。紅燈表示禁止通行,綠燈表示準許通行,黃燈表示警示。交通信號燈的規(guī)則圖形中,一般為矩形,通過確定 三個角點的坐標來確定矩形的長、寬、高及中心點坐標進行表達;不規(guī)則圖形的幾何形狀為其外接矩形,按照順時針方向制作采集三個角點，生成矩形。其屬性為地物與路網(wǎng)關(guān)聯(lián)級別,關(guān)聯(lián)至車道。

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信息的標志物。交通看板幾何表達規(guī)則如下：①常見的規(guī)則圖形包括矩形、圓形、三角形(正三角、倒三角)、菱形等,通過制作交通看板的三個相鄰角點,計算出交通看板的中心點坐標和標志牌長度、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)順時針采集每個角點;③對于形狀變形的標志牌,按照變形后的形狀進行采集。

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

(a)實景地物示意

3 結(jié)論

通過對現(xiàn)實世界中道路所包含要素進行分解,分別建立道路模型、車道模型、地物模型,并探討模型表達規(guī)則,使高精地圖的表達層次更加清晰,生產(chǎn)過程中依據(jù)性更強。將道路要素數(shù)字后采用車道向量、道路向量進行矢量化表達,進而完成道路及車道向量的拓撲構(gòu)建,使得各向量關(guān)聯(lián)關(guān)系更為明確,為車輛進行路徑規(guī)劃及車道選擇奠定了基礎(chǔ);地物模型化表達一方面能夠利用其位置進行高精度定位,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。當然,道路情況千差萬別,道路要素中的小類暫不能窮盡,本文只做大類及特殊種類的討論,更多細節(jié)規(guī)則可在本框架之下進行擴充[14-17]。

4 結(jié)束語

高精地圖是自動駕駛背景下的產(chǎn)物,設(shè)計初衷是作為自動駕駛的核心技術(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機,要求精準,信息完整,通過準確的路網(wǎng)幾何形狀及交通屬性的詳細描述服務(wù)于自動駕駛技術(shù)。作為高度信息化并具備智能化輔助決策的基礎(chǔ),高精地圖要符合機器判讀的數(shù)據(jù)要求,標準的道路模型建立及表達規(guī)則的設(shè)立,使得高精地圖的使用范圍更加明確,生產(chǎn)過程更加流暢。實際應(yīng)用中,高精地圖表達規(guī)則及格式的不統(tǒng)一使其應(yīng)用范圍過小,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,高精地圖在使用過程中保障性不強;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行比對,更新并不及時,期望依托專包結(jié)合眾包方式完成數(shù)據(jù)采集,自動化匹配技術(shù)完成高精地圖更新工作,使高精地圖現(xiàn)勢性更強。我們期待通用化的高精地圖表達規(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多用。

未來,隨著高精地圖的數(shù)據(jù)標準的規(guī)范化及政策法規(guī)的完善,高精地圖所表達的內(nèi)容也會更完整,當標準化的高精地圖數(shù)據(jù)涵蓋全國各等級道路時,自動駕駛就真的能夠到來。同時,隨著智慧城市與智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)互聯(lián)互通,高精地圖的應(yīng)用除自動駕駛領(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有更重要的應(yīng)用。