姜娜娜 湯詠林 黃鶴 于騰飛 孫鵬

摘要用于自動(dòng)駕駛（Autonomous Driving，AD）的高精地圖（High-Definition Map，HDM）是AD系統(tǒng)的重要組成部分．HDM可為AD系統(tǒng)提供高精度的車道線及道路輔助設(shè)施的先驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)HDM的合理的精度評(píng)估是一項(xiàng)重要的任務(wù)，而目前制圖領(lǐng)域?qū)ζ胀ǖ貓D相對(duì)精度評(píng)估的方法并不完全適用于HDM．本研究采用基于點(diǎn)集配準(zhǔn)和重采樣的方法評(píng)估車道線的相對(duì)精度，并基于相關(guān)的真實(shí)HDM數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．首先對(duì)待驗(yàn)證曲線上的點(diǎn)進(jìn)行擬合采樣，然后配準(zhǔn)對(duì)齊點(diǎn)對(duì)，配準(zhǔn)完成后再進(jìn)行重采樣，在此基礎(chǔ)上完成相對(duì)精度計(jì)算．所驗(yàn)證的第1組車道線的相對(duì)極限誤差為15.9 cm，小于20 cm，滿足相對(duì)精度要求;其他3組車道線的相對(duì)極限誤差也滿足該要求．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于該方法計(jì)算的車道線的相對(duì)精度比傳統(tǒng)方法更準(zhǔn)確、更可靠．

關(guān)鍵詞自動(dòng)駕駛;高精地圖;精度評(píng)估;迭代最近點(diǎn)算法

中圖分類號(hào)

U463.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼

A

收稿日期

2022-04-03

資助項(xiàng)目

中國(guó)博士后科學(xué)基金（2022M710332）

作者簡(jiǎn)介姜娜娜，女，碩士生，研究方向?yàn)樽詣?dòng)駕駛高精度導(dǎo)航地圖.2108160121007@stu.bucea.edu.cn

黃鶴（通信作者），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)楦呔戎悄荞{駛導(dǎo)航地圖、視覺導(dǎo)航與定位.huanghe@bucea.edu.cn

0 引言

自動(dòng)駕駛（Autonomous Driving，AD）技術(shù)是一種依靠人工智能、視覺測(cè)量、雷達(dá)技術(shù)、全球定位系統(tǒng)等協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)駕駛運(yùn)行的技術(shù)．在AD技術(shù)實(shí)現(xiàn)中，高精地圖（High-Definition Map，HDM）是關(guān)鍵基礎(chǔ)之一．AD HDM的主要服務(wù)對(duì)象是AD系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)其自身要求采集數(shù)據(jù)，生成駕駛環(huán)境的特定地圖，并構(gòu)建環(huán)境與道路模型．同時(shí)它還提供大量準(zhǔn)確且語(yǔ)義豐富的數(shù)據(jù)，以幫助AD系統(tǒng)更精細(xì)地理解周邊環(huán)境，從而保證超視距感知能力，這為車輛決策和控制提供了基礎(chǔ)，滿足了智能時(shí)代多級(jí)高層應(yīng)用的需求［1-2］．

按照系統(tǒng)的運(yùn)行條件與分配給系統(tǒng)的角色，AD技術(shù)大致可分為6個(gè)等級(jí)．不同級(jí)別的AD對(duì)HDM有不同需求．AD的6（0～5）個(gè)級(jí)別利用來自傳統(tǒng)、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和智能HDM不同映射的地圖．一般認(rèn)為，3級(jí)以下的AD并不需要HDM，高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)即可滿足其對(duì)地圖和相關(guān)數(shù)據(jù)的需求．從AD的3級(jí)開始，環(huán)境感知的主體從駕駛員轉(zhuǎn)移到AD系統(tǒng)，這種情況下需要HDM［3-4］．由于3級(jí)AD只限于特定環(huán)境且需駕駛員隨時(shí)干預(yù)，因此對(duì)AD HDM的要求相對(duì)較低，地圖數(shù)據(jù)也不需要實(shí)時(shí)更新．AD的4級(jí)和5級(jí)表示特定環(huán)境或任意環(huán)境下的完整AD［5］，不需要駕駛員干預(yù)，故對(duì)AD HDM要求更高，且需要根據(jù)相關(guān)交通事件實(shí)時(shí)更新地圖．因此，它變成了動(dòng)態(tài)、智能的HDM．

與常規(guī)電子導(dǎo)航地圖相比，AD HDM具有數(shù)據(jù)量大、要素信息豐富、精度要求更高的特點(diǎn)．關(guān)于AD HDM數(shù)據(jù)采集的方法已經(jīng)有很多研究，例如通過配置了GNSS-RTK的采集車沿特定線路采集數(shù)據(jù)［6］，高成本方案如使用激光雷達(dá)與視覺傳感器結(jié)合來提取道路信息，再配備高精度GNSS-RTK與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，構(gòu)成移動(dòng)道路測(cè)量系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)［7］，低成本方案如利用高清遙感影像與航攝相片，通過基于深度學(xué)習(xí)的方法提取道路信息等［8］．但是上述方法生成的HDM存在很多誤差，包括GNSS組合慣導(dǎo)定位誤差、多傳感器時(shí)間同步與標(biāo)定誤差、車載激光與相機(jī)傳感器測(cè)量誤差、機(jī)器識(shí)別道路信息提取誤差等．

普通導(dǎo)航地圖的精度在5 m到10 m［1，9］，只能描述道路的位置、形態(tài)及屬性信息，而不能提供更多詳細(xì)的信息，如車道線、各種道路標(biāo)牌，以及路口指示牌的位置、形態(tài)和屬性等信息．用于AD系統(tǒng)的HDM

需要車輛在車道中的準(zhǔn)確位置和不同車道的屬性信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的精確控制，因此，比普通導(dǎo)航地圖需要更多細(xì)節(jié)和更高的精度．此外，目前的HDM數(shù)據(jù)一般都是通過高精度測(cè)量獲取的，且地圖數(shù)據(jù)需要經(jīng)常更新，但由于數(shù)據(jù)量大，頻繁使用高精度測(cè)量設(shè)備并不經(jīng)濟(jì)，因此出現(xiàn)了很多基于眾包數(shù)據(jù)的地圖更新的研究［10］．HDM服務(wù)的AD系統(tǒng)是先進(jìn)的自動(dòng)化系統(tǒng)，且系統(tǒng)的運(yùn)行關(guān)系著自動(dòng)駕駛汽車乘員的安全．目前在AD行業(yè)中，一般認(rèn)為HDM的絕對(duì)精度和相對(duì)精度應(yīng)分別在1 m和20 cm以內(nèi)［11-13］．由于多源誤差及HDM要求精度高，對(duì)地圖精度可靠、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的評(píng)估是必需的．對(duì)AD HDM的精度評(píng)估尚無(wú)系統(tǒng)的理論和方法，通常采用傳統(tǒng)地圖精度評(píng)估的方法進(jìn)行驗(yàn)證．因此，需要合適的方法來驗(yàn)證HDM，以確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，并對(duì)HDM做出更準(zhǔn)確、更可靠、適用性更好的評(píng)估．

本研究針對(duì)傳統(tǒng)地圖精度評(píng)估方法對(duì)HDM的細(xì)節(jié)描述不足的缺點(diǎn)，提出一種基于點(diǎn)重采樣和配準(zhǔn)的方法，以實(shí)際道路環(huán)境HDM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)驗(yàn)證其相對(duì)精度．目的是評(píng)估HDM細(xì)節(jié)描述的相對(duì)精度，并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行比較．

1 高精地圖及精度

1.1 準(zhǔn)確度和精確度

在測(cè)繪領(lǐng)域，精確度是指誤差分布的密集或離散程度，也表示單個(gè)觀測(cè)值與其數(shù)學(xué)期望的接近程度．

當(dāng)觀測(cè)值僅含偶然誤差而不含系統(tǒng)誤差或粗差時(shí)，觀測(cè)值的數(shù)學(xué)期望代表其真值．準(zhǔn)確度一般用中誤差衡量，代表數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)差．對(duì)某些觀測(cè)值，中誤差不能反映測(cè)量精度，如單位長(zhǎng)度的測(cè)量精度用相對(duì)誤差衡量，該誤差表示為中誤差與觀測(cè)值之比，稱為相對(duì)中誤差．與相對(duì)誤差對(duì)應(yīng)的中誤差稱為絕對(duì)誤差［14］．

我國(guó)地形圖精度指標(biāo)分為平面位置精度與高程精度，中誤差和極限誤差主要衡量誤差分布的離散或密集程度，并衡量可能出現(xiàn)在地圖中的最大誤差《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收（GB／T 24356—2009）》;《數(shù)字地形圖產(chǎn)品基本要求（GB／T 17278—2009）》．

對(duì)地圖而言，絕對(duì)精度表示點(diǎn)位精度，即地圖點(diǎn)相對(duì)地面真值點(diǎn)的偏移分布，而相對(duì)精度可視為對(duì)幾何形狀變形與保留的度量．圖1展示了幾何形狀的絕對(duì)精度與相對(duì)精度，其中：實(shí)線代表車道線的實(shí)際位置，該車道線是包含有多個(gè)特征點(diǎn)的曲線;虛線代表包含相應(yīng)數(shù)據(jù)特征點(diǎn)的待驗(yàn)證的數(shù)據(jù)曲線．圖1a中各數(shù)據(jù)特征點(diǎn)點(diǎn)位的絕對(duì)誤差較大，整體精度較低，但整體幾何形狀保持良好，數(shù)據(jù)特征點(diǎn)間的相對(duì)誤差較小;圖1b中各數(shù)據(jù)特征點(diǎn)的絕對(duì)誤差比圖1a小，但曲線的整體幾何形狀仍存在失真．這表明即使?jié)M足特征點(diǎn)點(diǎn)位的絕對(duì)精度要求，整體數(shù)據(jù)的幾何形狀仍然可能與真實(shí)的幾何形狀有較大的失真．此外，HDM的相對(duì)精度還有另一層含義，主要體現(xiàn)在曲線的曲率平滑度上．與圖1b相比，圖1a中的數(shù)據(jù)曲線更加平滑，更有利于自動(dòng)駕駛汽車的運(yùn)行．

1.2 AD HDM精度

雖然AD HDM沒有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，但業(yè)界通常認(rèn)為AD HDM的絕對(duì)精度和相對(duì)精度應(yīng)分別在在1 m和20 cm以內(nèi)．根據(jù)AD HDM的需求導(dǎo)向分析，絕對(duì)精度表示特征點(diǎn)的極限絕對(duì)誤差，相對(duì)精度表示極限相對(duì)誤差．通常，極限誤差取2倍中誤差．驗(yàn)證HDM精度時(shí)，測(cè)量結(jié)果代表相對(duì)于真實(shí)估計(jì)值的特征點(diǎn)值，故在測(cè)繪領(lǐng)域，HDM的絕對(duì)精度是特征點(diǎn)相對(duì)于對(duì)應(yīng)真值點(diǎn)的點(diǎn)位誤差最大值，一般視其為點(diǎn)位極限誤差;相對(duì)精度是2個(gè)特征點(diǎn)間采用真距離與真長(zhǎng)度產(chǎn)生的偏差值之比的最大值，也表示2個(gè)特征點(diǎn)間線段的相對(duì)極限誤差，可通過將其歸算至真長(zhǎng)度為100 m的值來衡量．絕對(duì)精度低表示測(cè)量點(diǎn)與真值點(diǎn)間的絕對(duì)誤差，即極限誤差大，相對(duì)精度低則意味著地圖的幾何形狀發(fā)生變形．

1.3 傳統(tǒng)方法

在傳統(tǒng)的相對(duì)精度驗(yàn)證方法中，需要人工尋找與待驗(yàn)證元素中實(shí)際特征點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的HDM點(diǎn)，并使它們構(gòu)成匹配點(diǎn)對(duì)．

但實(shí)際驗(yàn)證中很多車道線是平滑曲線，如圖1所示，很難人工找到曲線中的特征點(diǎn)對(duì)．這種情況下，通常是與其他要素特征建立聯(lián)系，例如采用某一段車道線的起點(diǎn)和終點(diǎn)作為特征點(diǎn)，起點(diǎn)是在某個(gè)路口車道線出現(xiàn)的位置，終點(diǎn)是在另一路口車道線與車輛停止線相交的位置．上述數(shù)據(jù)中車道線的起點(diǎn)和終點(diǎn)就是用該方法確定的．根據(jù)傳統(tǒng)方法，這條車道線的相對(duì)精度由兩條線的起點(diǎn)和終點(diǎn)共4個(gè)點(diǎn)來確定．

對(duì)于傳統(tǒng)的精度評(píng)估方法（ISO 19157：2013 Geographic Information—Data Quality），第1步是獲取n個(gè)特征點(diǎn)的觀測(cè)值和真值，觀測(cè)值是地圖坐標(biāo)值，真值是用于評(píng)估精度的高精度測(cè)量值．因此，對(duì)于n個(gè)特征點(diǎn)，有m=n·（n-1）／2個(gè)點(diǎn)對(duì)組合，各點(diǎn)在2個(gè)坐標(biāo)軸上的真值分別為x t和y t，測(cè)量值分別為x i和y i．2個(gè)坐標(biāo)軸方向上各點(diǎn)的絕對(duì)誤差分別為ΔX i=X i-X t，ΔY i=Y i-Y t;相對(duì)誤差分別為ΔX relkj=ΔX k-ΔX j，ΔY relkj=ΔY k-ΔY j，其中k=1，…，m-1，j=k+1，…，m．因此2個(gè)坐標(biāo)軸上各點(diǎn)的中誤差分別為

σ X rel=∑ΔX2 relm-1，σ Y rel=∑ΔY rel2m-1．? （1）

由此可計(jì)算點(diǎn)位中誤差為

σ H rel=σ X rel2+σ Y rel22．? （2）

該值是平面坐標(biāo)相對(duì)精度的評(píng)估指標(biāo)．與此對(duì)應(yīng)的高程相對(duì)精度的評(píng)估指標(biāo)為

σ Z rel=∑ΔZ2 relm-1．? （3）

1.4 傳統(tǒng)方法的局限性

雖然現(xiàn)有的評(píng)估相對(duì)精度的方法在理論上定義嚴(yán)謹(jǐn)，也普遍用于地形圖，但對(duì)HDM有一定的局限性，且在實(shí)際精度驗(yàn)證中也會(huì)產(chǎn)生問題．

1.4.1 尋找對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)對(duì)

AD HDM的要素豐富詳細(xì)，但在細(xì)節(jié)部分難以尋找特征點(diǎn)．如圖2，車道線的起止點(diǎn)與其真值偏差小，但由于缺少對(duì)照物，很難在曲線中找到對(duì)應(yīng)的同名特征點(diǎn)．因此若采用前文介紹的評(píng)估相對(duì)精度的方法，僅依靠起點(diǎn)和終點(diǎn)的距離偏差值與真實(shí)距離值之比來評(píng)估，得到的相對(duì)精度將很高，但對(duì)于曲線上誤差較大的點(diǎn)，這種方法是不準(zhǔn)確的．

1.4.2 車道航向和旁向之間的差異

HDM中車道線很具有代表性．從AD HDM的使用需求看，車道航向與旁向的精度意義是不同的，如圖3所示．在車道航向上，自動(dòng)駕駛車輛需要結(jié)合HDM進(jìn)行定位，但該方向的一段車道線通常以100 m為計(jì)量單位，規(guī)模較大，而在車道旁向上，一般車道寬在3.75 m左右，自動(dòng)駕駛車輛只需判斷自身所處車道及與其他車道的關(guān)系，定位規(guī)模范圍較?。?5］．

考慮自動(dòng)駕駛車輛在航向與旁向?qū)DM使用需求的不同，在航向與旁向驗(yàn)證中應(yīng)區(qū)分上文提及的AD HDM相對(duì)精度應(yīng)在20 cm以內(nèi)的假定．

1.5 HDM元素的分類和分解

由于相對(duì)精度與幾何形狀的變形和保持有關(guān)，因此應(yīng)在至少2個(gè)特征之間進(jìn)行相對(duì)精度驗(yàn)證．為使各類幾何要素驗(yàn)證方便，將它們進(jìn)行分解．

AD HDM包含的元素按照幾何形狀和存儲(chǔ)形式，大致可分為點(diǎn)元素、線元素、面元素和體元素．具體來說，點(diǎn)要素包括道路節(jié)點(diǎn)、路網(wǎng)路口、車道節(jié)點(diǎn)、車道網(wǎng)路口、車道線特征點(diǎn)、消防栓、道路傳感設(shè)施等;線元素包括道路參考線、道路虛擬連接線、車道參考線、車道虛擬連接線、停車線、道路投影、道路標(biāo)線、等高線標(biāo)線、分線設(shè)施、線交叉設(shè)施和極點(diǎn);面元素包括人行橫道、地面交通標(biāo)記、道路交通標(biāo)志、交通燈、減速帶、收費(fèi)站、檢查站、地面十字路口設(shè)施、停車場(chǎng)、路邊停車位、安全島、立桿無(wú)棚公交站臺(tái)等;體元素包括一般的公交站臺(tái)等．

在點(diǎn)要素的相對(duì)精度評(píng)估中，將2個(gè)特征點(diǎn)連線形成直線要素進(jìn)行評(píng)估;面要素是將其分解為數(shù)個(gè)線要素進(jìn)行評(píng)估．將涉及HDM的各類幾何元素分解為2個(gè)特征點(diǎn)連線或線要素，再評(píng)估相對(duì)精度．

由于HDM車道航向和旁向的精度含義、要求不同，將相對(duì)精度驗(yàn)證分為航向和旁向驗(yàn)證．驗(yàn)證中，特征點(diǎn)和HDM曲線上的點(diǎn)由高精度測(cè)量方法獲得，高精度測(cè)量結(jié)果作為點(diǎn)的真坐標(biāo)值，而現(xiàn)有地圖的坐標(biāo)點(diǎn)值作為參考值．

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)及準(zhǔn)備工作

由于一些保密政策及協(xié)議，本文所用數(shù)據(jù)的具體坐標(biāo)無(wú)法公開，涉及實(shí)驗(yàn)園區(qū)的展示將省略坐標(biāo)信息及名稱等，所有點(diǎn)測(cè)量也將隱藏其坐標(biāo)信息．

2.1.1 設(shè)備與環(huán)境

用于數(shù)據(jù)采集的高精度測(cè)量設(shè)備是基于千尋Find CM 服務(wù)的 GNSS 接收機(jī)．這是一款基于網(wǎng)絡(luò)雙頻RTK技術(shù)開發(fā)的單測(cè)量精度可達(dá)厘米級(jí)的高精度定位服務(wù)產(chǎn)品，可為我國(guó)大部分地區(qū)提供全天候定位服務(wù)．

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為第三方公司制作的AD HDM的實(shí)際自動(dòng)駕駛實(shí)驗(yàn)示范點(diǎn)，其組織結(jié)構(gòu)和要素分類規(guī)則與前文所述相同．園區(qū)總面積約3.8 km2，其中公路總里程約22.4 km，包含各種一般道路、停車場(chǎng)、路口、道路附屬物等，每條車道的寬度在3.5～3.75 m之間．道路標(biāo)線清晰，有明顯的彎道和直線．但園區(qū)屬于一般城市環(huán)境，整體高程無(wú)明顯變化，沒有過于復(fù)雜的標(biāo)線和道路環(huán)境．此外，園區(qū)附近較開闊，對(duì)GNSS技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量不會(huì)有太大影響．

2.1.2 數(shù)據(jù)采集

車道線實(shí)際上可看作是等寬的幾何面（它有一定的寬度供駕駛員觀察），寬度范圍為10～15 cm．在AD HDM中，是以幾何曲面的中心線作為車道線．因此，評(píng)估精度時(shí)會(huì)測(cè)量車道線的中心線．

對(duì)每個(gè)車道段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，需要確定起點(diǎn)和終點(diǎn)．通常起點(diǎn)是車道線在一個(gè)路口出現(xiàn)的位置，終點(diǎn)在另一個(gè)路口車道線與車輛停止線相交消失的位置（即道路交叉口處）［16］．

在實(shí)際測(cè)量中，需要儀器在該點(diǎn)進(jìn)行3～5 s的簡(jiǎn)單測(cè)量來獲得多次測(cè)量值，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量調(diào)整．這將最終測(cè)量的精度保持在1 cm以內(nèi)，滿足精度評(píng)估所需的高精度測(cè)量．除測(cè)量起點(diǎn)和終點(diǎn)外，還測(cè)量每段車道線中心線上的點(diǎn)．為了更好地反映車道線的具體細(xì)節(jié)，將以大約每米一次測(cè)量的小間隔進(jìn)行諸如彎曲車道線等的測(cè)量（在較大曲率處更加密集）．

以某公園的AD HDM數(shù)據(jù)為例，驗(yàn)證所提出的相對(duì)精度評(píng)估方法．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括一組包含復(fù)雜曲線的車道線．該車道線為地面車道線形狀的中心線，每組車道線包含某一車道的左、右車道線．

2.2 方法

綜合而言，如第1節(jié)所述，在實(shí)際HDM驗(yàn)證中很難找到相應(yīng)的特征點(diǎn)對(duì)，因此本研究采用基于重采樣點(diǎn)的配準(zhǔn)方法．首先擬合待驗(yàn)證曲線，在曲線上采樣多個(gè)待驗(yàn)證點(diǎn)，然后配準(zhǔn)多個(gè)待驗(yàn)證點(diǎn)對(duì)后再次擬合并重采樣，在此基礎(chǔ)上完成相對(duì)精度的計(jì)算．經(jīng)過幾十年發(fā)展，針對(duì)不同需求，出現(xiàn)多種配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)的算法．本研究使用迭代最近點(diǎn)（ICP）算法［17］．該算法計(jì)算精度高，可控制迭代次數(shù)，適用于本研究．

ICP算法的基本流程是：

1）計(jì)算源點(diǎn)集中每個(gè)點(diǎn)在目標(biāo)點(diǎn)集中的對(duì)應(yīng)最近點(diǎn)．

2）計(jì)算最小化上述對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)的平均距離的剛性變換，并計(jì)算旋轉(zhuǎn)和平移參數(shù)．

3）對(duì)于源點(diǎn)集，使用計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)和平移參數(shù)來獲取新點(diǎn)集．

4）確定是否滿足迭代計(jì)算停止的條件．若是，則停止計(jì)算;若否，將所得新點(diǎn)集作為新的源點(diǎn)集，輸入1）中繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算．

常見的迭代停止條件［17］是：旋轉(zhuǎn)和平移參數(shù)的變化小于某個(gè)閾值;變換點(diǎn)集合與目標(biāo)點(diǎn)集合的平均距離小于某個(gè)閾值;迭代次數(shù)達(dá)到一定閾值等．

點(diǎn)集變換的ICP算法的結(jié)果是輸出變換后的點(diǎn)集和轉(zhuǎn)換參數(shù)．轉(zhuǎn)換參數(shù)通常用旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣表示．通過使用旋轉(zhuǎn)和平移矩陣進(jìn)行相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)平移變換，點(diǎn)集可從空間中起始位置位姿變換為任意位置位姿．

2.2.1 車道航向

考慮到實(shí)際車道線情況多變，可能包含各種復(fù)雜曲線與直線要素，故將所有線要素都視為曲線進(jìn)行評(píng)估．使用圖4所示流程評(píng)估線要素的相對(duì)精度．

首先提取待評(píng)估曲線要素的地面真值點(diǎn)與圖上參考點(diǎn)，它們不必一一對(duì)應(yīng)．分別擬合經(jīng)過所有地面真值點(diǎn)與圖上參考點(diǎn)的曲線，記為真實(shí)曲線與數(shù)據(jù)曲線．再使用合適的采樣間隔分別對(duì)真實(shí)曲線和數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行采樣，獲取多個(gè)采樣點(diǎn)．通過ICP算法將真采樣點(diǎn)與參考采樣點(diǎn)配準(zhǔn)對(duì)齊．法線與真實(shí)曲線的交點(diǎn)代表某一參考點(diǎn)對(duì)應(yīng)的真值點(diǎn)，2點(diǎn)間距代表該參考點(diǎn)的偏差，計(jì)算所有偏差相對(duì)于真實(shí)曲線長(zhǎng)度的比值并表示為相對(duì)誤差，然后計(jì)算所有比值的中誤差，該中誤差即為曲線航向的相對(duì)誤差．對(duì)整幅地圖，綜合所有驗(yàn)證要素的相對(duì)誤差中誤差，以2倍中誤差作為極限誤差，代表航向相對(duì)精度．一般而言，可將該相對(duì)精度轉(zhuǎn)換為每100 m車道線長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)值，且數(shù)值在20 cm以內(nèi)．

2.2.2 車道旁向

驗(yàn)證涉及一段車道的左、右車道線，即車道的相鄰車道線．分別提取圖上左、右車道線的數(shù)據(jù)點(diǎn)，擬合成2條數(shù)據(jù)曲線．再提取相應(yīng)的真坐標(biāo)值并將其擬合為2條真實(shí)曲線．使用合適的采樣間隔分別對(duì)真實(shí)曲線和數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行采樣，以獲得多個(gè)采樣點(diǎn)．通過ICP算法將真實(shí)采樣點(diǎn)與數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)配準(zhǔn)對(duì)齊．再以其中一條配準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)曲線，如左側(cè)數(shù)據(jù)曲線作為基準(zhǔn)，計(jì)算該數(shù)據(jù)曲線上所有數(shù)據(jù)點(diǎn)．點(diǎn)a 1沿?cái)?shù)據(jù)曲線法線方向與對(duì)應(yīng)的左側(cè)真實(shí)曲線和對(duì)應(yīng)的右側(cè)數(shù)據(jù)曲線的交點(diǎn)分別稱為對(duì)應(yīng)真坐標(biāo)點(diǎn)b 1、對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)a 2．過b 1點(diǎn)作左側(cè)真實(shí)曲線的法線，與右側(cè)真實(shí)曲線交于b 2點(diǎn)．點(diǎn)a 1與a 2的間距作為數(shù)據(jù)點(diǎn)a 1處的數(shù)據(jù)車道寬m 1，點(diǎn)b 1與b 2的間距作為a 1處對(duì)應(yīng)的實(shí)際車道寬n 1．ICP配準(zhǔn)對(duì)齊的目的是在真實(shí)曲線上找出各數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，計(jì)算對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的數(shù)據(jù)車道寬與實(shí)際車道寬．計(jì)算m 1與n 1間差值的絕對(duì)值并表示為數(shù)據(jù)點(diǎn)a 1處的車道旁向相對(duì)誤差．再計(jì)算所有數(shù)據(jù)點(diǎn)處的相對(duì)誤差，以此得到車道旁向相對(duì)誤差中誤差，以2倍中誤差作為極限誤差，代表車道旁向相對(duì)精度．此相對(duì)精度可設(shè)置為20 cm．

數(shù)據(jù)曲線與真實(shí)曲線擬合后，過各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作數(shù)據(jù)曲線的法線，將法線與真實(shí)曲線的交點(diǎn)作為各數(shù)據(jù)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)．?dāng)?shù)據(jù)點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)點(diǎn)的間距表示數(shù)據(jù)點(diǎn)偏差，計(jì)算該偏差的中誤差，以2倍中誤差作為極限誤差，代表車道旁向相對(duì)精度．

上述方法既避免了曲線要素難以確定特征對(duì)應(yīng)點(diǎn)的問題，又避免了計(jì)算過程中曲線部分的失真，使得評(píng)估更簡(jiǎn)單，結(jié)果更可靠．

3 精度評(píng)估分析

3.1 車道航向結(jié)果

將真實(shí)曲線與數(shù)據(jù)曲線擬合后重采樣，通過ICP算法配準(zhǔn)對(duì)齊重采樣點(diǎn)，對(duì)齊結(jié)果如圖5所示．右圖為左圖的局部放大．

圖5中黑線表示參考值（地圖數(shù)據(jù)值）曲線，藍(lán)線表示觀測(cè)值（驗(yàn)證真值）曲線，紅線表示配準(zhǔn)后的擬合曲線．為了更清楚地顯示上述線條的細(xì)節(jié)，放大視圖的軸被拉伸．該車道線的第1部分經(jīng)ICP配準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T分別表示為

R= 1.000 0.0010.015-0.001 1.0000.008-0.015-0.0081.000，

T=-0.122-0.061 0.150．? （4）

配準(zhǔn)后，計(jì)算曲線上各數(shù)據(jù)點(diǎn)偏差的中誤差為0.136 m，該段曲線真實(shí)長(zhǎng)度為166.8 m，計(jì)算相對(duì)誤差中誤差為0.082％，歸算至100 m車道線長(zhǎng)度結(jié)果為0.082 m．若以2倍中誤差作為極限誤差，則此段車道線極限誤差為0.164 m，小于0.2 m，滿足相對(duì)精度要求．

該車道線的另一部分經(jīng)ICP配準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T分別表示為

R= 1.000 0.0010.012-0.001 1.0000.005-0.012-0.0051.000，

T=-0.118-0.057 0.153. （5）

配準(zhǔn)后，計(jì)算曲線上各數(shù)據(jù)點(diǎn)偏差的中誤差為0.128 m，該段曲線真實(shí)長(zhǎng)度為166.2 m，計(jì)算相對(duì)誤差中誤差為0.077％，歸算至100 m車道線長(zhǎng)度結(jié)果為0.077 m．若以2倍中誤差作為極限誤差，則此段車道線極限誤差為0.154 m，也滿足相對(duì)精度要求．

對(duì)于某一段車道，相對(duì)精度取決于它所包含的兩條車道線的相對(duì)精度的平均值．因此，該車道段的相對(duì)精度為0.080，極限誤差為0.159 m．

除圖5所示路段外，還研究了其他3個(gè)路段，其中包含更典型的直車道和單彎道，結(jié)果如表1所示．

3.2 車道旁向結(jié)果

方法同3.1，對(duì)齊結(jié)果如圖6．圖6中顯示了一段車道中包含的左、右車道線．

圖6中黑線表示參考值曲線，藍(lán)線表示觀測(cè)值曲線．車道線經(jīng)ICP配準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T分別表示為

R= 1.000 0.0010.014-0.001 1.0000.007-0.014-0.0071.000，

T=-0.134-0.069 0.144. （6）

配準(zhǔn)后，計(jì)算真實(shí)曲線車道寬與對(duì)應(yīng)點(diǎn)處數(shù)據(jù)曲線車道寬間差值的中誤差為4.5 cm．若以2倍中誤差作為極限誤差，則此段車道線的車道寬偏差極限誤差為9 cm，滿足相對(duì)精度要求．

其他與航向相同車道的研究結(jié)果如表2所示．

3.3 傳統(tǒng)方法的結(jié)果

綜上所述，三維空間點(diǎn)集的相對(duì)精度指標(biāo)分為平面相對(duì)精度和高程相對(duì)精度．在實(shí)驗(yàn)的每組車道中，只有4個(gè)可用點(diǎn)（唯一包含相應(yīng)觀測(cè)值和測(cè)量值），則n=4．根據(jù)上述公式計(jì)算縱向相對(duì)精度為0.091，橫向相對(duì)精度為0.002 5．使用傳統(tǒng)方法計(jì)算其余車道組的結(jié)果如表3所示．

以第1組車道線計(jì)算結(jié)果為例，可看出傳統(tǒng)方法計(jì)算高程方向的中誤差較小，即高程方向測(cè)量數(shù)據(jù)的相對(duì)精度較高，平面內(nèi)的中誤差也小于本文方法所得值，即傳統(tǒng)方法也認(rèn)為該段車道上平面內(nèi)的相對(duì)精度較高．但傳統(tǒng)方法的計(jì)算數(shù)據(jù)僅包含2條線的起點(diǎn)和終點(diǎn)共4個(gè)點(diǎn)，故傳統(tǒng)方法計(jì)算的相對(duì)精度實(shí)際上只針對(duì)這4個(gè)點(diǎn)，而這4個(gè)點(diǎn)間的相對(duì)偏移變形很小，計(jì)算的相對(duì)精度較高．因此，傳統(tǒng)方法無(wú)法提供整條車道線完整且詳細(xì)的描述．這一點(diǎn)可通過查看整條車道沿線的點(diǎn)來驗(yàn)證．

4 結(jié)論

本研究基于點(diǎn)重采樣和配準(zhǔn)的方法來評(píng)估實(shí)際HDM的精度．結(jié)果表明：在沒有曲率變化的車道線上，本方法獲得的精度與傳統(tǒng)方法相似;在含明顯曲線的車道線上，本方法對(duì)HDM細(xì)節(jié)的評(píng)估比傳統(tǒng)方法更精細(xì)、更具體．因此，本文方法可以更好地控制HDM的質(zhì)量，這對(duì)自動(dòng)駕駛汽車的定位和決策制定至關(guān)重要．

由于所獲數(shù)據(jù)有限，本文暫無(wú)法對(duì)更復(fù)雜的路況做出討論．本研究使用的數(shù)據(jù)量較小，且路況相對(duì)簡(jiǎn)單，只有22.4 km長(zhǎng)的平原地區(qū)城鎮(zhèn)道路;本研究道路類型比較單一，在山路、復(fù)雜立交橋、涵洞等復(fù)雜情況下無(wú)法驗(yàn)證本研究方法的性能．本文最終的相對(duì)精度計(jì)算與傳統(tǒng)方法不一致，只能確定本文的方法能更好地反映巷道的細(xì)節(jié)，但不能確定傳統(tǒng)方法和本文方法計(jì)算的數(shù)值是否具有相同的效力．

今后可從豐富數(shù)據(jù)情況和檢驗(yàn)本文方法與傳統(tǒng)方法的數(shù)據(jù)間的有效性來更全面地判斷本文方法評(píng)估HDM精度的能力．

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Relative accuracy verification of high-definition map for autonomous driving

JIANG Nana1 TANG Yonglin2 HUANG He1 YU Tengfei1 SUN Peng3

1School of Geomatics and Urban Spatial Informatics，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 102616

2EMAPGO Technologies （Beijing） Co.，Ltd.，Beijing 100070

3Beijing Baidu Netcom Science and Technology Co.，Ltd.，Beijing 100085

Abstract As an important component of Autonomous Driving （AD） system，High-Definition Map （HDM） can provide highly accurate prior data of lane lines and road auxiliary facilities for AD system.The reliable evaluation of HDM accuracy is extremely necessary，but has been troubled by the evaluation methods used in mapping.Here，a method based on point set alignment and resampling is proposed to evaluate the relative accuracy of lane lines，and experiments are conducted based on relevant HDM data.First，the points on the verification curve are fitted and sampled，and the aligned point pairs are registered and then resampled，based on which the relative accuracy is calculated.The results showed that the relative limit errors of all the 4 groups of lane lines were verified to be less than 20 cm，meeting the relative accuracy requirements，of which the first group has the relative limit error of 15.9 cm.It can be concluded that the proposed method is more accurate and reliable in accuracy evaluation of HDM than traditional methods.

Key words autonomous driving;high-definition map （HDM）;accuracy evaluation;iterative closest point