高精細(xì)地圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、采集和處理系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及地理信息數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域、地圖測(cè)繪領(lǐng)域，具體地，涉及一種高精細(xì)地圖 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、基于全景圖像的高精細(xì)地圖數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 全球定位系統(tǒng)（GPS)為地理信息采集提供了較為成熟的定位技術(shù)，也是高精細(xì)地 圖制作過(guò)程中必需的地理信息數(shù)據(jù)的提供者。普通單點(diǎn)GPS的精度遠(yuǎn)達(dá)不到建立車道級(jí)地 圖的要求，一般采用差分系統(tǒng)（RTK-GPS)來(lái)提高GPS定位精度。但實(shí)際中RTK-GPS對(duì)GPS 信號(hào)質(zhì)量要求很高，而且基站電臺(tái)的覆蓋范圍有限，極易因?yàn)榻ㄖ?、樹木遮擋信?hào)失效，所 以需要使用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS)輔助定位。
[0003] 現(xiàn)有導(dǎo)航地圖精度一般不高，并且以整條道路作為對(duì)象提供道路信息數(shù)據(jù)或進(jìn)行 導(dǎo)航指令發(fā)布，這種導(dǎo)航地圖稱之為道路級(jí)別地圖，是對(duì)實(shí)際交通環(huán)境的大幅度簡(jiǎn)化，能提 供的信息量數(shù)量少，精確度低，對(duì)駕駛員的輔助能力較低。
[0004] 隨著車輛先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)技術(shù)以及無(wú)人駕駛技術(shù)的發(fā)展，對(duì)地圖精度以及信息 量的要求也逐漸提高，原有道路級(jí)地圖已經(jīng)無(wú)法滿足，需要一種能提供高精度、詳細(xì)道路信 息的新型尚精細(xì)地圖。
[0005] 高精細(xì)地圖面向的應(yīng)用對(duì)象一般并非駕駛員，而是各類電子系統(tǒng)，從應(yīng)用角度出 發(fā)，高精細(xì)地圖不僅需要數(shù)據(jù)上的高精度，更要包含內(nèi)容詳細(xì)，條理清晰的道路信息，但是 目前對(duì)于高精細(xì)地圖內(nèi)容和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)缺少統(tǒng)一的細(xì)致定義。
[0006] 高精細(xì)地圖制作也存在其他方法，如使用激光雷達(dá)或普通攝像頭，這些方法各有 優(yōu)缺點(diǎn)。使用激光雷達(dá)采集信息精度高，全局性好，但成本高昂，數(shù)據(jù)量大，且生成圖像為反 射率圖像，與現(xiàn)實(shí)景物存在差異；使用普通攝像頭采集信息成本低廉，使用較為簡(jiǎn)便，但視 野較小，易被遮擋。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種高精細(xì)地圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、采集和處 理系統(tǒng)及方法法，使用全景相機(jī)拍攝道路全景圖像，同時(shí)采集GPS原始數(shù)據(jù)、慣性導(dǎo)航裝置 數(shù)據(jù)、旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)得到單張全景圖像不同視角投影圖像及對(duì)應(yīng)的GPS、車輛 航向角信息，之后按照定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)道理地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注，得到高精細(xì)地圖。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種高精細(xì)地圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)采用分層結(jié)構(gòu)， 共四層結(jié)構(gòu)，每層數(shù)據(jù)互相關(guān)聯(lián)，即：
[0010] 第一層：道路網(wǎng)絡(luò)；
[0011] 第二層：車道網(wǎng)絡(luò)；
[0012] 第三層：車道線信息；
[0013] 第四層：包含交通標(biāo)志、交通信號(hào)燈等一類的特殊信息數(shù)據(jù)。
[0014] 所述高精細(xì)地圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用分層結(jié)構(gòu)，每一層存儲(chǔ)一種類型的數(shù)據(jù)，在地理信 息查詢和地圖顯示的過(guò)程的中可只對(duì)相應(yīng)層數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，每層的具體信息可根據(jù)需要增 減，這樣能夠提高地圖數(shù)據(jù)的使用效率，方便在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)和使用。
[0015] 上述高精細(xì)地圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使用帶有空間擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，能方便地進(jìn)行 數(shù)據(jù)庫(kù)連接和檢索。是本發(fā)明中以下所獲得的高精細(xì)地圖數(shù)據(jù)標(biāo)注的依據(jù)，也是各類面向 道路的車道級(jí)高精細(xì)地圖可通用的結(jié)構(gòu)定義。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種基于全景圖像的高精細(xì)地圖數(shù)據(jù)采集和處理系 統(tǒng)，包括：全景圖像拍攝處理模塊、GPS處理模塊、慣性導(dǎo)航模塊、旋轉(zhuǎn)編碼器以及地理信息 處理模塊，其中：
[0017] 全景圖像拍攝處理模塊，用于采集多鏡頭不同視角圖片，并輸出拼接過(guò)的全景圖 片，全景圖片經(jīng)圖像算法處理后，獲取俯視投影圖和前視投影圖作為地理信息處理模塊輸 入，用于地理信息標(biāo)注；
[0018] GPS處理模塊，用于接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，以及接收慣性導(dǎo)航模塊數(shù)據(jù)、旋轉(zhuǎn)編碼器 數(shù)據(jù)，將接收到的GPS原始數(shù)據(jù)經(jīng)精確單點(diǎn)定位技術(shù)處理以及與慣性導(dǎo)航模塊數(shù)據(jù)、旋轉(zhuǎn) 編碼器數(shù)據(jù)融合，獲得高精度GPS數(shù)據(jù)，高精度的GPS數(shù)據(jù)可作為地理信息處理模塊輸入， 用于地理信息標(biāo)注；
[0019] 慣性導(dǎo)航模塊，用于接收慣性導(dǎo)航裝置數(shù)據(jù)，并輸入到GPS處理模塊，主要用于與 GPS數(shù)據(jù)、旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)融合以獲取高精度GPS數(shù)據(jù)，以在GPS信號(hào)丟失情況下的數(shù)據(jù)推 算；
[0020] 旋轉(zhuǎn)編碼器，根據(jù)車輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，獲取車輛里程信息，并并輸入到GPS處理模塊， 主要用于與GPS數(shù)據(jù)、旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)融合以獲取高精度GPS數(shù)據(jù)，幫助推導(dǎo)車輛航向角數(shù) 據(jù)；
[0021] 地理信息處理模塊，接收全景圖像處理所得的俯視投影圖和前視投影圖以及高精 度GPS數(shù)據(jù)，將所有數(shù)據(jù)匯入地理信息標(biāo)注工具軟件，在單張俯視投影圖上，根據(jù)高精細(xì)地 圖定義，標(biāo)注一系列道路信息，生成高精度地圖。
[0022] 優(yōu)選的，所述全景圖像拍攝處理模塊架設(shè)在數(shù)據(jù)采集車輛上并高出車輛頂端，所 述旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在車輪上，旋轉(zhuǎn)編碼器每檢測(cè)到車輛行駛過(guò)一段距離，就使系統(tǒng)發(fā)送一 個(gè)觸發(fā)脈沖，該脈沖觸發(fā)全景相機(jī)使之進(jìn)行全景圖像拍攝，同時(shí)觸發(fā)一次時(shí)間戳記錄，用于 后處理中獲取該全景圖像對(duì)應(yīng)的GPS數(shù)據(jù)。
[0023] 優(yōu)選的，所述GPS處理模塊，對(duì)采集的GPS原始數(shù)據(jù)使用精確單點(diǎn)定位技術(shù)做后處 理，得到厘米級(jí)別的高精度GPS數(shù)據(jù)，用于全景圖像拍攝位置的定位，針對(duì)信號(hào)遮擋區(qū)域無(wú) 法獲取GPS數(shù)據(jù)的情況，引入擴(kuò)展卡爾曼濾波器對(duì)GPS原始數(shù)據(jù)、慣性導(dǎo)航裝置數(shù)據(jù)、編碼 器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，融合后得到精度很高的GPS結(jié)果，同時(shí)得到精確的車輛航向角數(shù)據(jù)。
[0024] 優(yōu)選的，所述地理信息處理模塊，利用前視投影圖來(lái)觀察道路結(jié)構(gòu)，俯視投影圖與 得到的GPS數(shù)據(jù)和車輛航向角數(shù)據(jù)結(jié)合，用以推測(cè)俯視投影圖中每個(gè)像素的GPS信息，這也 是后續(xù)標(biāo)注地理信息數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。
[0025] 優(yōu)選的，所述地理信息處理模塊，在單張俯視投影圖上標(biāo)注一系列道路信息，包 括：道路邊沿、車道線、路面標(biāo)志、交通標(biāo)志、路口點(diǎn)信息、特殊區(qū)域，或者根據(jù)實(shí)際需要添加 新信息類型，標(biāo)注完的信息共同組成高精細(xì)地圖的地圖數(shù)據(jù)。
[0026] 優(yōu)選的，所述地理信息處理模塊，將獲取的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)表格中，然后使用地理 編輯軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化編輯，可觀察到車道級(jí)高精細(xì)道路地圖，其中數(shù)據(jù)精度可達(dá)厘 米級(jí)。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種基于全景圖像的高精細(xì)地圖數(shù)據(jù)采集和處理方 法，具體步驟如下：
[0028] 步驟1、在數(shù)據(jù)采集車輛上架設(shè)高出車輛頂端全景相機(jī)，在車輪上安裝旋轉(zhuǎn)編碼 器，旋轉(zhuǎn)編碼器每檢測(cè)到車輛行駛過(guò)一段距離，就使系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)觸發(fā)脈沖，該脈沖觸發(fā)全 景相機(jī)使之進(jìn)行全景圖像拍攝，同時(shí)觸發(fā)一次時(shí)間戳記錄，用于后處理中獲取該全景圖像 對(duì)應(yīng)的GPS數(shù)據(jù)；
[0029] 步驟2、對(duì)采集的GPS原始數(shù)據(jù)使用精確單點(diǎn)定位技術(shù)（PPP)做后處理，可以得到 厘米級(jí)別的高精度GPS數(shù)據(jù)，用于全景圖像拍攝位置的定位，針對(duì)信號(hào)遮擋區(qū)域無(wú)法獲取 GPS數(shù)據(jù)的情況，本發(fā)明引入了擴(kuò)展卡爾曼濾波器，對(duì)GPS原始數(shù)據(jù)、慣性導(dǎo)航裝置數(shù)據(jù)、編 碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，融合后可以得到精度很高的GPS結(jié)果，同時(shí)得到精確的車輛航向角數(shù) 據(jù)；
[0030] 步驟3、對(duì)全景圖像進(jìn)行處理，運(yùn)用球心投影算法，根據(jù)全景相機(jī)水平偏角以及俯 仰角數(shù)據(jù)獲取對(duì)應(yīng)特定視角的投影圖，這里使用俯視投影圖和前視投影圖；
[0031] 步驟4、步驟3中得到的前視投影圖用來(lái)觀察道路結(jié)構(gòu)，俯視投影圖與步驟2中得 到的GPS數(shù)據(jù)和車輛航向角數(shù)據(jù)結(jié)合，用以推測(cè)俯視投影圖中每個(gè)像素的GPS信息，這也是 后續(xù)標(biāo)注地理信息數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)；
[0032] 步驟5、在單張俯視投影圖上標(biāo)注一系列道路信息，包括：道路邊沿、車道線、路面 標(biāo)志、交通標(biāo)志、路口點(diǎn)信息、特殊區(qū)域等，也可根據(jù)實(shí)際需要添加新信息類型，標(biāo)注完的信 息共同組成高精細(xì)地圖的地圖數(shù)據(jù)；
[0033] 步驟6、將獲取的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)表格中，然后使用地理編輯軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視 化編輯，可觀察到車道級(jí)高精細(xì)道路地圖，其中數(shù)據(jù)精度可達(dá)厘米級(jí)。
[0034] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比，其有益效果如下：
[0035] (1)本發(fā)明以全景圖像作為地圖圖像采集手段，具有采集成本低，視野范圍廣的特 點(diǎn)，全景圖像轉(zhuǎn)為俯視投影圖后，分辨率高，可清晰看到地面細(xì)節(jié)，這是航空?qǐng)D片、衛(wèi)星圖片 等采集方式無(wú)法做到的；
[0036] (2)本發(fā)明數(shù)據(jù)處理中使用精確單點(diǎn)定位技術(shù)（PPP)以及基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器 的多傳感器數(shù)據(jù)融合，處理可得厘米級(jí)別的高精度的GPS數(shù)據(jù)和車輛航向角數(shù)據(jù)，用于后 續(xù)數(shù)據(jù)