摘 要：汽車行駛環(huán)境的數(shù)字模擬與仿真測(cè)試是智能駕駛測(cè)試驗(yàn)證的一種新方法和重要手段，針對(duì)汽車試驗(yàn)場(chǎng)地等典型物理道路，從高精地圖掃描建模技術(shù)和GIS數(shù)據(jù)的地形建模技術(shù)研究對(duì)物理道路建模的不同方法，高精度還原道路特征要素與結(jié)構(gòu)關(guān)系，數(shù)字化孿生復(fù)現(xiàn)全要素靜態(tài)場(chǎng)景，確定道路數(shù)字化高精度還原方法，可以為后續(xù)的交通場(chǎng)景數(shù)字孿生測(cè)試研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：場(chǎng)地試驗(yàn) 場(chǎng)景數(shù)字化 高精度還原

1 緒論

隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，確保智能網(wǎng)聯(lián)汽車的安全性能成為一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)與人類駕駛安全性能相媲美的目標(biāo)，智能網(wǎng)聯(lián)汽車需要應(yīng)對(duì)海量場(chǎng)景測(cè)試的挑戰(zhàn)。為了進(jìn)一步提升效率、降低成本確保高安全性和高覆蓋度。模擬仿真測(cè)試成為智能網(wǎng)聯(lián)汽車測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)安全的重要支柱，在智能網(wǎng)聯(lián)汽車綜合安全評(píng)估和性能評(píng)估中發(fā)揮了重要作用。

汽車行駛環(huán)境的數(shù)字模擬與仿真測(cè)試是一種智能駕駛測(cè)試驗(yàn)證的新方法和重要手段，是當(dāng)前汽車智能駕駛技術(shù)研究與產(chǎn)品研發(fā)必不可少的一環(huán)。智能網(wǎng)聯(lián)汽車仿真測(cè)試場(chǎng)景要素主要分為參與測(cè)試車輛對(duì)的自身要素和車身以外的交通環(huán)境要素兩部分，在場(chǎng)景在構(gòu)建過(guò)程中，需要合理準(zhǔn)確地在虛擬環(huán)境中進(jìn)行渲染。外部交通環(huán)境要素又涵蓋：靜態(tài)環(huán)境要素（如交通設(shè)施、道路及障礙物等）、動(dòng)態(tài)環(huán)境要素（動(dòng)態(tài)指示設(shè)施、通信環(huán)境信息）、交通參與者要素（非機(jī)動(dòng)車輛/機(jī)動(dòng)車輛、行人等）以及氣象環(huán)境要素（環(huán)境溫度、光照條件、天氣情況）等信息[1]。

本文從基于高精地圖掃描建模技術(shù)和基于GIS數(shù)據(jù)的地形建模技術(shù)展開(kāi)論述，分析場(chǎng)景數(shù)字化高精度還原方法及應(yīng)用，為后續(xù)數(shù)字化場(chǎng)景建設(shè)研究提供基礎(chǔ)。

2 場(chǎng)景數(shù)字化高精度還原方法

2.1 基于高精地圖掃描建模技術(shù)

高精地圖作為自動(dòng)駕駛的重要基礎(chǔ)設(shè)施，與虛擬仿真技術(shù)的結(jié)合，不僅能推動(dòng)自動(dòng)駕駛虛擬仿真的應(yīng)用普及，也能逐步延伸到更大范圍的城市交通仿真、數(shù)字孿生城市等應(yīng)用場(chǎng)景。以高精地圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的虛擬仿真，結(jié)合大量現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)還原和動(dòng)態(tài)建模，對(duì)虛擬世界進(jìn)行盡可能精確的模擬，搭建數(shù)字孿生平臺(tái)，探索智慧城市規(guī)劃、交通運(yùn)營(yíng)管理等的最佳方案[2]。

基于高精地圖的虛擬仿真場(chǎng)景的構(gòu)建可以分為靜態(tài)場(chǎng)景構(gòu)建和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景構(gòu)建兩個(gè)方面。

2.1.1 靜態(tài)場(chǎng)景還原

構(gòu)建靜態(tài)場(chǎng)景是為了還原出高精地圖中的靜態(tài)元素，包含道路元素（包括路面材質(zhì)、車道線、路緣石、減速帶等），靜態(tài)交通元素（包括交通標(biāo)志標(biāo)牌、路燈、公交車站、隧道、周圍構(gòu)筑物等）。常用的手段是基于點(diǎn)云及三維重建技術(shù)或者基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的方法完成場(chǎng)景構(gòu)建，如圖1所示。

基于高精地圖及三維重建技術(shù)構(gòu)建場(chǎng)景，首先需要采集點(diǎn)云、全景圖像等數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)融合處理和標(biāo)準(zhǔn)編譯，構(gòu)建精度達(dá)到厘米級(jí)的地圖信息，其中包含路面、道路標(biāo)線、標(biāo)識(shí)標(biāo)牌等信息，并基于上述場(chǎng)景信息，使用3D建模軟件構(gòu)建道路交通基礎(chǔ)設(shè)施與道路交通周圍環(huán)境的可視化模型。在各種構(gòu)建方案中，這是一種低成本且節(jié)約時(shí)間的技術(shù)手段，而且高精地圖擁有豐富的道路元素信息，能極大提高場(chǎng)景構(gòu)建的效率。

2.1.2 動(dòng)態(tài)場(chǎng)景還原

構(gòu)建動(dòng)態(tài)場(chǎng)景是為了還原出高精地圖中的動(dòng)態(tài)元素，包括動(dòng)態(tài)指示設(shè)施、通訊信息等環(huán)境要素，以及交通參與者（包括機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車、行人等弱勢(shì)交通參與者）行為、氣象變化（降雨、降雪、起霧等天氣狀況）、時(shí)間變化（主要是不同時(shí)刻光照陰影的變化）等。動(dòng)態(tài)場(chǎng)景構(gòu)建是為了在靜態(tài)場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，復(fù)現(xiàn)出場(chǎng)景中的動(dòng)態(tài)元素，并且使得這些元素的動(dòng)作極其產(chǎn)生的影響嚴(yán)格遵循現(xiàn)實(shí)世界的物理規(guī)律以及行為邏輯，如圖2所示。

交通場(chǎng)景仿真中影響車輛運(yùn)行的動(dòng)態(tài)元素除了天氣、光照等氣象條件，還有測(cè)試車輛之外其他交通參與者的行為。當(dāng)前一種常用的仿真方法是基于路端設(shè)備采集數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)回放后再現(xiàn)交通元素，這種辦法可保證動(dòng)態(tài)元素行為符合現(xiàn)實(shí)邏輯，同時(shí)，利用路采數(shù)據(jù)在滿足交通元素符合邏輯的情況下可自動(dòng)化生成更多用于測(cè)試的場(chǎng)景庫(kù)。

2.2 基于GIS數(shù)據(jù)的地形建模技術(shù)

GIS技術(shù)是一種用于收集、處理、分析、展示和管理地理數(shù)據(jù)的工具。其對(duì)地形數(shù)據(jù)處理和建模是GIS技術(shù)在地形數(shù)據(jù)方面的廣泛應(yīng)用。地形數(shù)據(jù)主要包括地形高程數(shù)據(jù)、地形特征數(shù)據(jù)和地形屬性數(shù)據(jù)?；贕IS數(shù)據(jù)的地形建模技術(shù)對(duì)所選地區(qū)進(jìn)行地圖數(shù)據(jù)和地理信息收集，收集過(guò)程用到的工具包括：OpenStreetMap開(kāi)源地圖網(wǎng)站、GoogleEarth地圖軟件、ArcGIS地圖、ArcMap平臺(tái)等。收集的數(shù)據(jù)范圍包括：地區(qū)整體地圖信息、地區(qū)路網(wǎng)分布信息、地區(qū)高程信息、特征路段信息、交通信號(hào)燈信息、車流量數(shù)據(jù)等。將不同渠道收集到的信息進(jìn)行整合歸納，分析所選地區(qū)真實(shí)交通場(chǎng)景。并針對(duì)不同類別特征路段，挑選布設(shè)典型場(chǎng)景，為交通仿真提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2.1 地形數(shù)據(jù)采集

地形數(shù)據(jù)的采集是地形建模的基礎(chǔ)[3]，主要有以下幾種方法。

遙感技術(shù)：包括航空、衛(wèi)星、遙感水文和遙感地質(zhì)等多種形式。遙感技術(shù)通過(guò)傳感器獲取地表信息，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像或數(shù)據(jù)，是獲取大范圍地形數(shù)據(jù)的重要手段。

測(cè)繪技術(shù)：包括平面地形測(cè)量和高程測(cè)量。通過(guò)測(cè)繪技術(shù)，可以獲得比較精確的地形數(shù)據(jù)，包括地形點(diǎn)的位置、高程等信息。

GPS技術(shù)：通過(guò)衛(wèi)星定位獲取地形的位置和高程信息，具有高精度和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。

2.2.2 地形數(shù)據(jù)處理

地形數(shù)據(jù)處理是將采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和后處理，以生成可用于建模的數(shù)據(jù)集。包括以下兩種。

數(shù)據(jù)預(yù)處理：包括圖像增強(qiáng)、去噪、配準(zhǔn)等處理，以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和清晰度。

數(shù)據(jù)后處理：將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、重構(gòu)、模擬等處理，生成可用于建模的地形數(shù)據(jù)。

2.2.3 地形建模方法

基于GIS數(shù)據(jù)的地形建模方法有多種，包含等高線法、三角網(wǎng)法、體素法等。

等高線法：通過(guò)等高線的密度和高程間隔來(lái)描述地形的高程信息。這種方法可以手動(dòng)制圖，也可以利用GIS軟件進(jìn)行自動(dòng)插值生成地形模型。但等高線法的精度相對(duì)較低，對(duì)于復(fù)雜地形的模擬效果有限。

三角網(wǎng)法：將采集到的地形點(diǎn)云進(jìn)行剖分，生成一系列等邊三角形網(wǎng)格來(lái)描述地形曲面。三角網(wǎng)法通過(guò)對(duì)三角形網(wǎng)格進(jìn)行插值、優(yōu)化、連接等處理，可以生成比較準(zhǔn)確的地形模型，并且能夠有效地應(yīng)用于數(shù)字地球、城市規(guī)劃、水文建模等領(lǐng)域。

體素法：將地形數(shù)據(jù)離散化為三維空間中的立方體網(wǎng)格（體素），通過(guò)利用體素的幾何信息來(lái)描述地形的高程、坡度、方向等特征。體素法生成的地形模型可以支持多種效果和操作，如高低分辨率的切換、縮放、旋轉(zhuǎn)等。

根據(jù)地圖數(shù)據(jù)資源以及目標(biāo)路網(wǎng)周邊設(shè)施環(huán)境形態(tài)信息，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研信息收集，整理開(kāi)發(fā)信息化模型構(gòu)建資料庫(kù)，為三維模型構(gòu)建提供所需數(shù)據(jù)。針對(duì)典型場(chǎng)景，使用城市建模引擎對(duì)道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及房屋建筑物的宏觀整體建模，與地理信息進(jìn)行配對(duì)，提出空間三維場(chǎng)景再現(xiàn)技術(shù)。使用3D建模引擎對(duì)典型場(chǎng)景的道路線形、路面信息、基礎(chǔ)設(shè)施、周邊建筑、綠化系統(tǒng)等細(xì)節(jié)對(duì)象進(jìn)行局部微觀精細(xì)化建模，打造微觀場(chǎng)景模型重構(gòu)技術(shù)。

3 場(chǎng)景數(shù)字化高精度還原應(yīng)用

測(cè)試道路場(chǎng)景數(shù)字化高精度還原應(yīng)用在當(dāng)前智能交通、自動(dòng)駕駛、交通規(guī)劃與管理等領(lǐng)域具有重要地位[4]，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)如下。

高精度：通過(guò)高精度的數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)，能夠還原出道路場(chǎng)景的每一個(gè)細(xì)節(jié)，包括路面紋理、交通標(biāo)志的位置和大小、車輛的行駛軌跡等，為測(cè)試和驗(yàn)證提供真實(shí)可靠的環(huán)境。

安全性：在虛擬環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，可以避免在真實(shí)道路上進(jìn)行測(cè)試可能帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)和事故隱患，降低測(cè)試成本和風(fēng)險(xiǎn)。

可重復(fù)性：虛擬環(huán)境可以無(wú)限次地重現(xiàn)相同的測(cè)試場(chǎng)景，便于進(jìn)行多次測(cè)試以驗(yàn)證算法的穩(wěn)定性和可靠性。

靈活性：虛擬環(huán)境可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以適應(yīng)不同的測(cè)試需求和場(chǎng)景變化。

應(yīng)用場(chǎng)景主要在自動(dòng)駕駛測(cè)試、交通規(guī)劃與管理、智能網(wǎng)聯(lián)汽車研發(fā)。

自動(dòng)駕駛測(cè)試：自動(dòng)駕駛車輛需要在各種復(fù)雜道路場(chǎng)景中進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證其感知、決策和控制等能力。通過(guò)構(gòu)建高精度的測(cè)試道路場(chǎng)景，可以模擬出各種真實(shí)世界的駕駛情況，如交通擁堵、行人橫穿、車輛變道等，為自動(dòng)駕駛車輛的測(cè)試提供有力支持。

交通規(guī)劃與管理：通過(guò)對(duì)測(cè)試道路場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)字化高精度還原，交通規(guī)劃和管理人員可以在虛擬環(huán)境中模擬不同的交通流量和組織方案，以評(píng)估其對(duì)交通擁堵、事故風(fēng)險(xiǎn)等方面的影響，為制定科學(xué)合理的交通規(guī)劃和管理策略提供依據(jù)。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車研發(fā)：智能網(wǎng)聯(lián)汽車需要實(shí)現(xiàn)車與車、車與路之間的信息交互和協(xié)同控制。通過(guò)構(gòu)建高精度的測(cè)試道路場(chǎng)景，可以模擬出智能網(wǎng)聯(lián)汽車在實(shí)際道路上的行駛情況，并驗(yàn)證其信息交互和協(xié)同控制等功能的性能。

4 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)展場(chǎng)地試驗(yàn)是驗(yàn)證汽車性能、安全性和可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法已經(jīng)難以滿足高精度、高效率的測(cè)試需求。因此，汽車行駛環(huán)境的數(shù)字模擬與仿真測(cè)試應(yīng)運(yùn)而生。目前基于高精地圖掃描建模技術(shù)和基于GIS數(shù)據(jù)的地形建模技術(shù)較為普及。

綜上所述。高精地圖掃描建模技術(shù)和基于GIS數(shù)據(jù)的地形建模技術(shù)，都是通過(guò)數(shù)字化手段，對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)景進(jìn)行高精度模擬和還原，兩者各有優(yōu)勢(shì)，都可以提高測(cè)試效率和準(zhǔn)確性，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，這兩種技術(shù)將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

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