本發(fā)明涉及一種數(shù)字地圖的制作方法，具體的是一種面向高速公路的車道級增強型矢量數(shù)字地圖制作方法。

背景技術：

地圖是地表的模擬圖像，自出現(xiàn)以來便為人們的出行帶來了極大的便利。近年來隨著數(shù)字技術的飛速發(fā)展，數(shù)字地圖慢慢走進了人們的視野。數(shù)字地圖是一種數(shù)字化的地圖新品種，相對傳統(tǒng)的紙質(zhì)地圖有查找方便、易于修改和更新等優(yōu)點，因此逐漸取代了傳統(tǒng)的紙質(zhì)地圖成為人們?nèi)粘Ｉ钪懈Ｓ玫牡貓D工具。然而目前的數(shù)字地圖存在以下問題：數(shù)字地圖精度較低，往往無法滿足高精度定位的要求；地圖屬性匱乏，一般僅僅包含基本的位置信息，而對于人們關注的一些重要屬性信息，例如道路的車道線、坡度、曲率等并沒有包含；

為了解決現(xiàn)有數(shù)字地圖的上述缺陷，增強型數(shù)字地圖成了近些年的一個熱門研究方向。增強型數(shù)字地圖是指在普通數(shù)字地圖的基礎上增加一些特有屬性(例如道路的車道線、坡度、曲率等)的數(shù)字地圖，相對于普通數(shù)字地圖具有更加廣泛的應用。本發(fā)明提出了一種面向高速公路的車道級增強型矢量數(shù)字地圖的制作方法，與大多已有的車道級矢量數(shù)字地圖用一系列等間距的點的連線表示車道不同，本發(fā)明采用最小二乘直線對車道的平面線形進行分段擬合，并根據(jù)擬合結(jié)果對這些點進行篩選，最終得到的車道級增強型矢量數(shù)字地圖可以達到在道路彎曲程度較大的地方點較密集，在道路彎曲程度較小的地方點較稀疏的效果，既保證了數(shù)字地圖的高精度又大大地減小了數(shù)據(jù)量，制作出的車道級增強型矢量數(shù)字地圖可以在很多面向高速公路的系統(tǒng)中發(fā)揮作用，例如車道偏離預警系統(tǒng)、自主駕駛系統(tǒng)等。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的上述缺陷和不足，提出了一種面向高速公路的車道級增強型矢量數(shù)字地圖制作方法。本發(fā)明相對于現(xiàn)有制作方法更加簡單，制作出的車道級數(shù)字地圖具有更高的精度和更小的數(shù)據(jù)量，可用于車道偏離預警系統(tǒng)、自主駕駛系統(tǒng)等。

本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)：首先在需要測繪的道路上選擇一條車道，確定車道的起點和終點；利用信息采集車輛采集車道的位置信息，根據(jù)所采信息選取車道的節(jié)點；通過高斯-克呂格投影對節(jié)點進行大地坐標系到高斯平面直角坐標系的轉(zhuǎn)換；利用最小二乘法對節(jié)點進行篩選得到車道的最終矢量數(shù)據(jù)；最后利用上述方法得到需要測繪的道路上其它車道的最終矢量數(shù)據(jù)，并借助相關數(shù)字地圖制作軟件將最終矢量數(shù)據(jù)制作生成面向高速公路的車道級增強型矢量數(shù)字地圖。

結(jié)合圖1所示的流程圖，對本發(fā)明的思想做進一步說明：

步驟一：選擇需要測繪的路段并將其定義為目標道路，確定目標道路的起點和終點；

目標道路的選取范圍為我國的高速公路，并且目標道路應光滑連續(xù)、不包含交叉路口；鑒于步驟二中所采用的高斯-克呂格投影在小范圍內(nèi)精度較高，且誤差會隨著投影范圍的增大而不斷變大，故本發(fā)明中所選目標道路的長度不超過5km。

步驟二：在目標道路上選擇一條車道并將其定義為目標車道，確定目標車道的起點和終點，利用信息采集車輛采集目標車道的位置信息；

所述信息采集車輛搭載了組合導航系統(tǒng)，水平定位精度的圓概率誤差小于0.02m，輸出頻率為20Hz，可以實時輸出車輛所在位置的經(jīng)緯度信息P_i(L_i,B_i)，其中L_i表示信息采集車輛在目標車道上采集到的第i組車道位置信息中的經(jīng)度信息，B_i表示信息采集車輛在目標車道上采集到的第i組車道位置信息中的緯度信息，i＝1,2,3…。車道位置信息采集過程中為了使信息采集點盡可能的分布均勻，將車速控制在60-70km/h(16.67-19.44m/s)，并保持在目標車道的中心勻速行駛。

步驟三：將目標車道上的車道位置信息采集點P_i(L_i,B_i)定義為車道的節(jié)點，假設從目標車道起點到目標車道終點之間有m個節(jié)點。通過3度帶高斯-克呂格投影對上述m個節(jié)點的經(jīng)緯度坐標進行大地坐標系到高斯平面直角坐標系的轉(zhuǎn)換；

本發(fā)明根據(jù)起始節(jié)點P₁(L₁,B₁)選定P₀(L₀,B₀)作為高斯-克呂格投影的原點，其中L₀＝3A，A為(L₁/3)四舍五入取整的值，B₀＝0°；坐標轉(zhuǎn)換公式如下：

其中，x_i為第i個節(jié)點在高斯平面直角坐標系下的縱坐標(北向位置)，y_i為第i個節(jié)點在高斯平面直角坐標系下的橫坐標(東向位置)，l為所求點的經(jīng)度L_i與L₀之差，t＝tanB_i，η＝e'cosB_i，e'為橢球第二偏心率，N為通過所求點的卯酉圈曲率半徑，X_Bi為赤道至緯度B_i的子午線弧長，且X_Bi＝C₀B_i-cosB_i(C₁sinB_i+C₂sin³B_i+C₃sin⁵B_i+C₄sin⁷B_i)，其中C₀，C₁，C₂，C₃，C₄為與點位無關的系數(shù)，僅有橢球體長半軸、短半軸、第一偏心率等參數(shù)確定；

步驟四：利用最小二乘直線分段擬合目標車道的平面線形，并根據(jù)擬合結(jié)果對上述目標車道的節(jié)點進行篩選；

具體篩選流程如下：

①、定義經(jīng)篩選后剩余的節(jié)點個數(shù)為R，R的初始值為m，即R＝m；設定閾值D_THR；

本發(fā)明中閾值D_THR取0.00256；目標車道的節(jié)點在未經(jīng)篩選的情況下相鄰的節(jié)點處車道行進方向的角度差遠小于0.1°，然而經(jīng)過本篩選流程后將達到相鄰的節(jié)點處車道行進方向的角度相差約0.1°的效果，能較好的實現(xiàn)在道路彎曲程度較大的地方節(jié)點較密集、在道路彎曲程度較小的地方節(jié)點較稀疏的要求。

②、從目標車道的第1個節(jié)點開始將每10個相鄰的節(jié)點(不考慮已經(jīng)被刪除的節(jié)點)分為一個節(jié)點集Q，定義節(jié)點集序列指針j，假設經(jīng)篩選后剩余的R個節(jié)點{P₁,P₂,P₃,…,P_i,…,P_R},(1≤i≤R)以每10個為一組的方式共被分成了n個節(jié)點集{Q₁,Q₂,Q₃,…,Q_j,…,Q_n},(1≤j≤n)，則n為(R/10)向下取整的值，其中Q_j＝{P_10j-9,P_10j-8,P_10j-7,…,P_10j}；

③、將j賦值為1，即j＝1；

④、用最小二乘法求取第j個節(jié)點集中10個節(jié)點的擬合直線，并計算擬合誤差；

設第j個節(jié)點集的最小二乘擬合直線的函數(shù)表達式為：

y＝a_j+b_jx (2)

其中，a_j和b_j為待定常數(shù)；

則擬合誤差D_j可由下式獲得：

其中，Y_j為第j個節(jié)點集內(nèi)節(jié)點縱坐標的均值，X_j為第j個節(jié)點集內(nèi)節(jié)點橫坐標的均值，S_j為第j個節(jié)點集內(nèi)節(jié)點橫坐標和縱坐標積的均值，T_j為第j個節(jié)點集內(nèi)節(jié)點橫坐標平方的均值，為X_j的平方，即：

⑤、將D_j與閾值D_THR進行比較：當D_j小于閾值D_THR時刪除第j個節(jié)點集內(nèi)下標為偶數(shù)的節(jié)點，并將R的值減5，即R＝R-5；當D_j大于或等于閾值D_THR時不刪除節(jié)點且R的值不變；

⑥、將j的值加一，即j＝j+1，若此時j＞n則進行⑦，反之則跳轉(zhuǎn)至④；

⑦、若n個節(jié)點集{Q₁,Q₂,Q₃,…,Q_j,…,Q_n},(1≤j≤n)中沒有任何一個節(jié)點被刪除則跳出該篩選流程至步驟五。

若n個節(jié)點集{Q₁,Q₂,Q₃,…,Q_j,…,Q_n},(1≤j≤n)中有節(jié)點被刪除則跳轉(zhuǎn)至②繼續(xù)進行檢測和篩選。

步驟五：按照步驟一至步驟四所述方法得到目標道路上其它車道經(jīng)篩選后的最終矢量數(shù)據(jù)，并通過相關數(shù)字地圖制作軟件完成整條道路的車道級增強型矢量數(shù)字地圖的制作。

有益效果

1.本發(fā)明提出的面向高速公路的車道級增強型矢量數(shù)字地圖制作方法采用分段最小二乘法對節(jié)點進行篩選，既保證了數(shù)字地圖的高精度又大大地減小了不必要的數(shù)據(jù)量。

2.本發(fā)明提出的面向高速公路的車道級增強型矢量數(shù)字地圖制作方法制作出的數(shù)字地圖能夠為使用者提供車道級的道路信息，這一信息可作為很多面向高速公路的系統(tǒng)的輸入信號，例如車道偏離預警系統(tǒng)、自主駕駛系統(tǒng)等。

附圖說明

圖1是本發(fā)明流程圖；

具體實施步驟

地圖是地表的模擬圖像，自出現(xiàn)以來便為人們的出行帶來了極大的便利。近年來隨著數(shù)字技術的飛速發(fā)展，數(shù)字地圖慢慢走進了人們的視野。數(shù)字地圖是一種數(shù)字化的地圖新品種，相對傳統(tǒng)的紙質(zhì)地圖有查找方便、易于修改和更新等優(yōu)點，因此逐漸取代了傳統(tǒng)的紙質(zhì)地圖成為人們?nèi)粘Ｉ钪懈Ｓ玫牡貓D工具。然而目前的數(shù)字地圖存在以下問題：數(shù)字地圖精度較低，往往無法滿足高精度定位的要求；地圖屬性匱乏，一般僅僅包含基本的位置信息，而對于人們關注的一些重要屬性信息，例如道路的車道線、坡度、曲率等并沒有包含；

為了解決現(xiàn)有數(shù)字地圖的上述缺陷，增強型數(shù)字地圖成了近些年的一個熱門研究方向。增強型數(shù)字地圖是指在普通數(shù)字地圖的基礎上增加一些特有屬性(例如道路的車道線、坡度、曲率等)的數(shù)字地圖，相對于普通數(shù)字地圖具有更加廣泛的應用。本發(fā)明提出了一種面向高速公路的車道級增強型矢量數(shù)字地圖的制作方法，與大多已有的車道級矢量數(shù)字地圖用一系列等間距的點的連線表示車道不同，本發(fā)明采用最小二乘直線對車道的平面線形進行分段擬合，并根據(jù)擬合結(jié)果對這些點進行篩選，最終得到的車道級增強型矢量數(shù)字地圖可以達到在道路彎曲程度較大的地方點較密集，在道路彎曲程度較小的地方點較稀疏的效果，既保證了數(shù)字地圖的高精度又大大地減小了數(shù)據(jù)量，制作出的車道級增強型矢量數(shù)字地圖可以在很多面向高速公路的系統(tǒng)中發(fā)揮作用，例如車道偏離預警系統(tǒng)、自主駕駛系統(tǒng)等。

本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)：首先在需要測繪的道路上選擇一條車道，確定車道的起點和終點；利用信息采集車輛采集車道的位置信息，根據(jù)所采信息選取車道的節(jié)點；通過高斯-克呂格投影對節(jié)點進行大地坐標系到高斯平面直角坐標系的轉(zhuǎn)換；利用最小二乘法對節(jié)點進行篩選得到車道的最終矢量數(shù)據(jù)；最后利用上述方法得到需要測繪的道路上其它車道的最終矢量數(shù)據(jù)，并借助相關數(shù)字地圖制作軟件將最終矢量數(shù)據(jù)制作生成面向高速公路的車道級增強型矢量數(shù)字地圖。

本發(fā)明采用搭載了組合導航系統(tǒng)的信息采集車輛進行車道位置信息的采集。本實施方式具體采用的是高精度(水平定位精度的圓概率誤差[CEP]小于0.02m)、高頻率(輸出頻率大于等于20Hz)組合導航系統(tǒng)，具體型號例如美國KVH公司生產(chǎn)的SPAN-KVH1750組合導航系統(tǒng)。組合導航系統(tǒng)的天線安裝在車頂中心位置，其慣性測量單元安裝在車輛質(zhì)心位置。

結(jié)合圖1所示的流程圖，對本發(fā)明的思想做進一步說明：

步驟一：選擇需要測繪的路段并將其定義為目標道路，確定目標道路的起點和終點；

目標道路的選取范圍為我國的高速公路，并且目標道路應光滑連續(xù)、不包含交叉路口；鑒于步驟二中所采用的高斯-克呂格投影在小范圍內(nèi)精度較高，且誤差會隨著投影范圍的增大而不斷變大，故本發(fā)明中所選目標道路的長度不超過5km。

步驟二：在目標道路上選擇一條車道并將其定義為目標車道，確定目標車道的起點和終點，利用信息采集車輛采集目標車道的位置信息；

所述信息采集車輛搭載了組合導航系統(tǒng)，水平定位精度的圓概率誤差小于0.02m，輸出頻率為20Hz，可以實時輸出車輛所在位置的經(jīng)緯度信息P_i(L_i,B_i)，其中L_i表示信息采集車輛在目標車道上采集到的第i組車道位置信息中的經(jīng)度信息，B_i表示信息采集車輛在目標車道上采集到的第i組車道位置信息中的緯度信息，i＝1,2,3…。車道位置信息采集過程中為了使信息采集點盡可能的分布均勻，將車速控制在60-70km/h(16.67-19.44m/s)，并保持在目標車道的中心勻速行駛，這樣相鄰的信息采集點之間的間距在0.83-0.97m之間，能很好地滿足本發(fā)明的要求；

步驟三：將目標車道上的車道位置信息采集點P_i(L_i,B_i)定義為車道的節(jié)點，假設從目標車道起點到目標車道終點之間有m個節(jié)點。通過3度帶高斯-克呂格投影對上述m個節(jié)點的經(jīng)緯度坐標進行大地坐標系到高斯平面直角坐標系的轉(zhuǎn)換；

本發(fā)明根據(jù)起始節(jié)點P₁(L₁,B₁)選定P₀(L₀,B₀)作為高斯-克呂格投影的原點，其中L₀＝3A，A為(L₁/3)四舍五入取整的值，B₀＝0°；坐標轉(zhuǎn)換公式如下：

其中，x_i為第i個節(jié)點在高斯平面直角坐標系下的縱坐標(北向位置)，y_i為第i個節(jié)點在高斯平面直角坐標系下的橫坐標(東向位置)，l為所求點的經(jīng)度L_i與L₀之差，t＝tanB_i，η＝e'cosB_i，e'為橢球第二偏心率，N為通過所求點的卯酉圈曲率半徑，X_Bi為赤道至緯度B_i的子午線弧長，且X_Bi＝C₀B_i-cosB_i(C₁sinB_i+C₂sin³B_i+C₃sin⁵B_i+C₄sin⁷B_i)，其中C₀，C₁，C₂，C₃，C₄為與點位無關的系數(shù)，僅有橢球體長半軸、短半軸、第一偏心率等參數(shù)確定；具體的坐標轉(zhuǎn)化的步驟以及參數(shù)詳見以下參考文獻(劉基余.GPS衛(wèi)星導航定位原理與方法.北京:科學出版社,2003.229-379)、(胡伍生,高成發(fā).GPS測量原理及其應用.北京:人民交通出版社，2004.1-101.)。

步驟四：利用最小二乘直線分段擬合目標車道的平面線形，并根據(jù)擬合結(jié)果對上述目標車道的節(jié)點進行篩選；

最小二乘法是一種數(shù)學優(yōu)化方法，它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最優(yōu)函數(shù)匹配，具有算法簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)點。因為我國高速公路平面線形主要由直線、回旋線和半徑較大的圓曲線三種要素組成，所以在較短的道路長度范圍內(nèi)用直線對道路的平面線形進行擬合可以達到較好的效果，另外，相對于非線性曲線，用直線擬合的計算方法較為簡單，計算量也較小。所以本發(fā)明利用最小二乘直線分段擬合車道的平面線形，并根據(jù)擬合結(jié)果對目標車道的節(jié)點進行篩選。

具體篩選流程如下：

①、定義經(jīng)篩選后剩余的節(jié)點個數(shù)為R，R的初始值為m，即R＝m；設定閾值D_THR；

本發(fā)明中閾值D_THR取0.00256；由步驟二中信息采集車輛對目標車道的位置信息采集方法可知本發(fā)明中目標車道的相鄰節(jié)點之間相距約0.83-0.97m，根據(jù)《中華人民共和國行業(yè)標準公路路線設計規(guī)范(JTG D20-2006)》相關規(guī)定，設計速度為120KM/h的高速公路的最小圓曲線半徑為650m，所以在未經(jīng)篩選的情況下相鄰的節(jié)點處車道行進方向的角度差遠小于0.1°，然而經(jīng)過本篩選流程后將達到相鄰的節(jié)點處車道行進方向的角度相差約0.1°的效果，能較好的實現(xiàn)在道路彎曲程度較大的地方節(jié)點較密集、在道路彎曲程度較小的地方節(jié)點較稀疏的要求。

②、從目標車道的第1個節(jié)點開始將每10個相鄰的節(jié)點(不考慮已經(jīng)被刪除的節(jié)點)分為一個節(jié)點集Q，定義節(jié)點集序列指針j，假設經(jīng)篩選后剩余的R個節(jié)點{P₁,P₂,P₃,…,P_i,…,P_R},(1≤i≤R)以每10個為一組的方式共被分成了n個節(jié)點集{Q₁,Q₂,Q₃,…,Q_j,…,Q_n},(1≤j≤n)，則n為(R/10)向下取整的值，其中Q_j＝{P_10j-9,P_10j-8,P_10j-7,…,P_10j}；

③、將j賦值為1，即j＝1；

④、用最小二乘法求取第j個節(jié)點集中10個節(jié)點的擬合直線，并計算擬合誤差；

設第j個節(jié)點集的最小二乘擬合直線的函數(shù)表達式為：

y＝a_j+b_jx (2)

其中，a_j和b_j為待定常數(shù)；

則擬合誤差D_j可由下式獲得：

分別求D_j對a_j和b_j的一階偏導數(shù)得：

令且得：

其中，Y_j為第j個節(jié)點集內(nèi)節(jié)點縱坐標的均值，X_j為第j個節(jié)點集內(nèi)節(jié)點橫坐標的均值，S_j為第j個節(jié)點集內(nèi)節(jié)點橫坐標和縱坐標積的均值，T_j為第j個節(jié)點集內(nèi)節(jié)點橫坐標平方的均值。即：

由高斯消元法對式(6)進行求解，得：

其中，為X_j的平方。

將式(8)帶入式(3)可得：

⑤、將D_j與閾值D_THR進行比較：當D_j小于閾值D_THR時刪除第j個節(jié)點集內(nèi)下標為偶數(shù)的節(jié)點，并將R的值減5，即R＝R-5；當D_j大于或等于閾值D_THR時不刪除節(jié)點且R的值不變。

⑥、將j的值加一，即j＝j+1，若此時j＞n則進行⑦，反之則跳轉(zhuǎn)至④；

⑦、若n個節(jié)點集{Q₁,Q₂,Q₃,…,Q_j,…,Q_n},(1≤j≤n)中沒有任何一個節(jié)點被刪除則說明對于所有的節(jié)點集序列指針j,(1≤j≤n)都滿足D_j≥D_THR，此時相鄰的節(jié)點處車道行進方向的角度相差約0.1°，既能夠保證數(shù)字地圖的高精度又不會有很多不必要的數(shù)據(jù)量，能夠很好的達到該篩選流程的目的。在這種情況下跳出該篩選流程至步驟五。

若n個節(jié)點集{Q₁,Q₂,Q₃,…,Q_j,…,Q_n},(1≤j≤n)中有節(jié)點被刪除則說明在這些節(jié)點被刪除之前存在一個或多個節(jié)點集沒有滿足D_j≥D_THR,(1≤j≤n)，而且節(jié)點被刪除之后也未必滿足D_j≥D_THR,(1≤j≤n)。在這種情況下則跳轉(zhuǎn)至②繼續(xù)進行檢測和篩選。

步驟五：按照步驟一至步驟四所述方法得到目標道路上其它車道經(jīng)篩選后的最終矢量數(shù)據(jù)，并通過相關數(shù)字地圖制作軟件完成整條道路的車道級增強型矢量數(shù)字地圖的制作。

目前已有的數(shù)字地圖制作軟件種類很多，制作方法也不盡相同。例如，MapInfo以表的形式組織所有圖形信息和屬性數(shù)據(jù)，每一個表在地圖中都可以被理解成一個地圖圖層。通過MapInfo制作面向高速公路的車道級增強型矢量數(shù)字地圖的步驟如下：首先將得到的所有節(jié)點的位置信息制作成表，并轉(zhuǎn)換成MapInfo可以打開的word，txt，mdb，xls等文件格式；然后用MapInfo打開節(jié)點的位置信息表文件，并根據(jù)位置信息創(chuàng)建點，生成MIF格式的車道級增強型矢量數(shù)字地圖。具體的數(shù)字地圖的制作可以參考文獻(王家耀,李志林,武芳.數(shù)字地圖綜合進展.北京:科學出版社,2011)、(王家耀,孫群,王光霞,江南,呂曉華.地圖學原理與方法.北京:科學出版社,2006)、(吳秀琳,劉永革,王利軍.Mapinfo 9.5中文版標準教程.北京:清華大學出版,2009)。