高精地图现状分析与实现方案研究

陈宗娟 孙二鑫 李丹丹 张聪聪 藏丹丹 程旭

摘要：随着自动驾驶技术研究的逐渐深入和智能汽车精细化监管需求的不断增长，高精地图的重要性逐渐凸显。高精地图是近几年兴起的产物，国内外有关高精地图数据采集、生产、可视化表达等诸多研究取得了一系列的成果，该文主要就高精地图目前的研究进展进行了较为系统地总结与阐述。在此基础上提出了一种二维高精地图实现方案，利用无人机航拍、差分定位技术、遥感、GIS和互联网等相关技术，形成从数据采集、数据处理与地图制图、地图渲染、地图服务发布到平台功能设计的完整技术服务方案，为智能网联汽车、智能驾驶、智慧交通等的研究提供参考。

关键词：高精地图；现状；交通；实现方案

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）22-0270-03

在汽车产业智能化、联网化不断推进的大背景下，高精地图作为未来智能出行的关键因素之一，受到广泛关注。高精地图是自动驾驶核心技术之一，精准的地图对无人车定位、导航、控制以及安全至关重要，而车道级别的高精地图在一些重要的场景中可以满足精细监控管理的需求。高德是国内最早进行高精度地图数据采集和技术研发的企业之一，在 2014 年 8月之前，高德就已经在预研高精地图，随后百度、四维图新、易图通等众多图商和车企纷纷投入高精地图研发中，他们各自建立起了高精地图量产的生产线，大数据、深度学习、人工智能等技术也逐渐应用到高精地图的生产中。高精地图经过近几年的发展，为自动驾驶、智能网联汽车、智慧交通等方面提供了重要的技术支撑，取得了一系列重要研究成果。因此，本文从多个方面对该高精地图的研究现状进行总结和探讨，并对高精地图的实现流程方案进行研究，为交通行业智能化的研究工作开展提供科学的参考资料。

1 高精地图现状分析

1.1 高精地图定义

所谓的高精地图相较普通导航电子地图而言，具有高精度、地图元素更加详细、属性更加丰富的特点。高精度，一方面是说地图的绝对坐标精度更高，达到亚米级的绝对精度；另一方面高精地图所含的道路交通信息元素及其属性更加丰富和细致，与普通导航电子地图相比，高精地图不仅有准确的坐标，还能准确的描绘道路形状、车道线、车道中心线和交通标志等，此外，还包括车道限速、道路材质等信息。在道路交通领域，按照面向对象不同，高精地图分为自动驾驶用高精地图和交通监管用高精地图，自动驾驶用高精地图是面向机器的作为先验信息供无人驾驶汽车决策用的地图数据，包含每个车道的坡度、曲率、航向、高程、侧倾等数据；交通监管用高精地图是面向交通监管人员的二三维可视化地图数据，为交通监管提供车道级的精细地图数据支撑。

1.2高精地图数据采集方式

数据采集是高精地图的基础与核心，数据采集方式对高精地图的精度和地物丰富程度起决定性作用。目前，高精地图数据采集主要有3种实现方案：移动测绘车采集、无人机航测和1：500地形图测绘。百度、高德、四维图新等主流图商均采用移动测绘车的方式进行数据采集，这种方式具有作业效率高、道路信息采集全面的优势，需要搭载激光雷达、惯导、RTK、全景相机等，这些设备集成起来造价相当高。也有一些图商采用无人机航测与地面打点补测相结合的方式，基于获取的厘米级数字正射影像图可生产绝对精度达到分米级的高精度地图，具有作业灵活、高效、不受路况限制的优势，但是申请空域周期较长。在1：500地形图测绘中，采用数字化测图的作业方式更能保证地图的精度，但它需要控制网布设、逐条道路测绘、后期编绘等大量工作，作业周期很长。

1.3高精地图生产

高精地图需要获取的地物主要包括车道线、道路交通设施（人行横道、转向标志、交通设施等）、车道拓扑网络数据以及其他地物等。根据数据采集方式的不同，高精地图生产方式有所差异。基于移动测绘车采集的数据，前期需要进行点云数据的分区、去噪、拼接等预处理，进而进行矢量化、几何调整、增加属性和拓扑结构建立等加工处理；无人机航测高精度地图生产，基于校正、拼接等预处理得到的高精度正射影像图，采用自动与人工相结合的方式进行数据矢量化加工处理；1：500地形图测绘基于外业采集的数据进行内业地图编绘，通过格式转换、地物分类等进行加工处理。三种高精地图生产过程均需要通过多级质检保证最终成果数据的可靠性。移动测绘车生产方式目前正在形成一种“专业采集+众包维护”的地图动态更新方式，无人机航测数据更新则需要重新进行航测，1：500地形图测绘采用部分补测的方式实现数据更新，此外，政府行业数据也是地图更新的重要数据来源。

1.4高精地图可视化表达

通过可视化表达将车道线与交通设施等高精地图地物信息生动直观的展示出来，根据地图展现方式的不同，高精地图可视化表达分为二维和三维两种表达方式。二维地图表达基于主流的GIS软件进行地图符号化，通过GIS软件平台提供各类空间数据服务，或将获取的高精度矢量数据通过空间数据库引擎导入关系型数据库，使用js开发包调取相应数据并设置参数进行地图渲染。三维地图表达基于提取的道路矢量图制作精细化三维高精度道路模型，利用倾斜摄影测量技术或建模技术搭建三维场景，集成建筑物、设施小品、其他地物等三维模型，形成三维高精度地图。

1.5高精地图在交通领域的应用

高精地图具有强大的空间分析能力和决策支持功能，对于具有天然空间位置属性的交通领域，高精地图具有广阔的应用空间。对于自动驾驶高精地图的作用非常明确，最重要的是高精定位，能够对路网进行精确地三维表征；其次是环境感知辅助，比如道路上红绿灯、摄像头的位置和类型，道路标示线的类型，通过丰富的语义信息提高无人车鉴别周围环境的能力，辅助自动驾驶汽车行车路径规划和决策；此外，高精地图还能帮助无人车识别车辆、行人及其他障碍物，如果行驶过程中发现当前高精地图中没有的地物，便很可能是车辆、行人或障碍物。在智慧交通领域，高精地图的应用具有重要的意义。基于车道级高精度地图，结合高精定位、云计算和视频监控等技術，搭建智慧交通监管平台，在特殊车辆监控、精准导航、公交优先、车道自由流一些重要的场景中，有利于交通管理单位对车辆的精细监控管理，又有利于规范司机的驾驶行为。

1.6高精地图的机遇与挑战

随着自动驾驶和智能网联汽车的发展，更多的汽车厂家、风投越来越认识到高精地图的重要性。BBA投资了Here地图，福特、上汽投资了Civil Maps ，软银投资Mapbox等。同时，BAT通过收购、控股或入股的方式将几大数据商全部瓜分，在国内要抢占高精度地图或导航电子地图资质的门槛，这些都给高精地图带来非常好的发展机遇。但是高精地图的发展还面临一些挑战，高精地图的精度要求没有准确的答案、如何通过众包方式实现地图动态更新、地图生产成本随着地图精度要求不断攀升、减少政策问题对地图精度产生的影响等，都是高精地图未来要面临的很大的课题。

2高精地图实现方案研究

2.1厘米级高精地图数据采集

采用航拍手段进行高精度地图采集，具有采集效率高、自动化程度高、实时性得以保证等优势，因此选取无人机高精度航拍配合地面打点的方式进行高精地圖的数据采集。使用搭载移动激光测量系统的无人机，在距离地面约 80-200m的高空进行点云和影像数据采集，采用自建静态基站与后处理差分形式对无人机定位系统进行差分解算，获取小于10cm的绝对位置坐标。航线设计和航高设定利用无人机相机配套软件设计，像控点选择道路标牌角点、 方体建筑物角点等在特征明显、易于识别的点位，布设密度不小于1个/100 平方米。采用RTK+全站仪联测的形式进行地面补采，主要用于高精度航拍无法获取的区域数据，如被行道树遮挡的道路边线和人行道等。

2.2数据处理与地图制图

通过对采集的数据进行点云处理、三维重建和正射校正等处理，可获取厘米级精度的数字正射影像图（DOM，Digital Orthophoto Map），基于DOM数据可生产绝对精度优于10cm的高精地图。利用ArcGIS桌面端软件进行数字线划图（DLG，Digital Line Graphic）生产，利用图像解译的方法分别创建点、线、面文件进行相应地物提取。需要提取的地物包括道路、车道线、转向标志、人行道、道路标识、红绿灯、道闸、摄像头、建筑物、绿化带、水域以及停车场、地名地址信息，涵盖道路、道路链接设施、其他地物和POI点四个类别。几何提取完成后进行属性的录入：如属性信息分类、道路宽度、杆状物高度、建筑物名称等。在矢量化过程中需要保证数据的绝对定位精度要求、要素类别的完整性以及属性信息的正确完整。另外对提取的数据进行拓扑结构调整，并通过多级质检保证最终成果数据的可靠性。

2.3地图渲染

基于提取的高精度矢量格式数据，采用ArcGIS桌面端软件进行不同类别地物的符号化渲染。对道路的道路面、车道线、人行道、斑马线、中央分隔带进行分别渲染，红绿灯、摄像头、POI点采用定制化图标在地图上进行表示，建筑物通过矢量绘制技术渲染出3D效果，其他地物则基于图元属性信息和几何信息，通过调整颜色、线宽、大小等地图上进行符号化表达。在地图表达过程中，应基于易读性、平衡性、层次性、美观性等原则，确保图元高质量、高精度显示。根据用户关心的字段，进行路名和POI点的标注。通过设定比例尺控制不同级别图层的显示，保证用户体验的友好性和地图显示的美观度。

2.4地图服务发布

基于已有的高精度正射影像图和高精度矢量数据等基础数据资源，利用ArcGIS Server等工具，可发布灵活高效的各类地图服务。根据需要可发布符合国际开放地理信息联盟（OGC，Open Geospatial Consortium）标准的多种地图服务，如动态地图服务（Dynamic Map Service），网络地图服务（WMS，Web Map Service），网络要素服务（WFS，Web Feature Service），网络覆盖服务（WCS，Web Coverage Service）和网络地图瓦片服务（WMTS，Web Map Tile Service）等；支持多样数据格式输出，如geojson，shpfile等，方便开发人员接入高精度地图数据服务。

2.5基于高精地图服务的车辆监控平台功能设计

建立车道级别的车辆实时监控系统，有利于实现对车辆更加精细的监控管理。基于高精地图主要实现对车辆的实时监控、历史轨迹回放、车辆行驶里程统计、报警预警等，具体功能设计如下：利用车载终端回传数据实时展示车辆在地图上的位置信息，并动态显示车辆实时移动；通过历史轨迹工具选定时间可进行车辆运行轨迹的回放，支持播放速度的选择；车辆在不同行驶路面可进行分类里程统计，使车辆行驶里程统计精度提高至亚米级；当车辆处于违规或者故障报警状态时，可通过地图上出现报警图标或发出声音来进行实时提醒。可分别设计在PC端和手机端实现对车辆的监控管理。

3结语

随着我国经济与社会的日益发展，汽车的社会拥有量急剧增长，汽车的使用和监管不断往智能化方向发展，自动驾驶需要为其提供更精准的决策支持依据，车辆监控管理需要为其提供更精细化的技术支撑，这些都离不开高精地图的支持。本文对目前高精地图的研究进展进行了较为系统地总结与阐述，并且在此基础上提出了一种二维高精地图实现方案，以期为智能网联汽车、智能驾驶、智慧交通等的研究提供参考。

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【通联编辑：朱宝贵】