高精度智能導航數據評價系統的設計與實現

姜　浩，黃　鶴，2，趙　焰，楊軍星

（1.北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京100044；2.現代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京100044）

高精度智能導航數據評價系統的設計與實現

姜浩1，黃鶴1，2，趙焰1，楊軍星1

（1.北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京100044；2.現代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京100044）

自動駕駛技術的興起對高速公路上導航地圖的精度要求越來越高，需要對車載移動測量系統獲取的導航數據產品精度作出合理評價。本文以某段高速公路為例，提出了數據驗證分類和詳細精度性能評價指標，探討了導航數據管理和三維可視化分析系統的設計與實現方法，對以后建立完善的高精度導航產品評價體系及全國范圍內導航數據產品精度驗證的過程具有一定參考價值。

導航數據產品；精度評價指標；高速公路；自動駕駛；移動測量系統

伴隨汽車產業的快速發展，汽車智能化、自動駕駛及無人駕駛成為未來汽車領域的發展趨勢，而高精度智能導航數據作為汽車駕駛環境的重要組成部分，可以用來提示汽車的行駛方向和路況信息，扮演著汽車智能化發展的核心角色［1］。

目前利用車載移動測量系統收集導航數據，可實現全自動、高精度、360°全方位地理信息采集，改善傳統城市測繪人工費時費力的現狀，極大提高數據采集效率［2］。其導航數據需精確采集車輛行駛路線的基本車道及沿邊特征物的空間位置、幾何大小等參數，如高速路上標牌的形狀、立柱的粗細、車輛通過橋梁的高度和角度、高速彎道及匝道口的曲率大小。生產出的地圖數據包含支持ADAS功能的道路形狀、拓撲和其他高級屬性，同時將汽車位置與地圖上即將駛入路段匹配，分析前方公路狀況，提供信息預報，在危險發生前輔助駕駛員操作，讓駕駛變得更加安全和舒適。

產生的大量導航數據產品精度對于后期制作導航地圖至關重要，因此如何驗證其精度成為一個難題，僅依靠人工運算難以在短時間內完成并保證準確性。為了驗證大量導航數據產品的精度，本文以驗證高速公路上常見特征物作為導航數據的精度為例，設計出一套評價系統，在提出數據管理分類和精度性能評價指標的基礎上，系統可進行三維可視化對比分析并輸出驗證值（導航數據產品）的精度評估結果。

一、導航數據組織與管理

1.標準數據采集過程

該項目研究區域選取某段高速公路沿邊部分特征物來進行精度評價。利用車載移動測量系統提前快速獲取研究區域的導航數據，對于其可靠性如何，以及能否用在未來的導航地圖中，需要后期通過GNSS RTK和免棱鏡全站儀組合的測量方式來獲取高速路上若干特征點的WGS-84坐標［3］，將這部分數據作為驗證過程中的標準數據，驗證導航數據中特征物的位置、形狀、匝道口的曲率和坡度等要素的精度大小。

2.數據分類

在高速公路沿邊狀況的分析中，選取的特征物基本分為兩大部分［4］。把公路周邊的特征物定為對象屬性，公路自身狀況定為道路屬性。具體驗證內容分別是標牌、立柱、護欄、橋面、匝道口曲率、匝道口坡度、高速出入口斑馬線等，分類如圖1所示。

圖1　驗證數據分類

3.數據三維展示

對于上述導航數據產品精度評價需要結合具體情況來分析。數據精度驗證時，需要將待計算導航數據和標準數據的共同點從特征物中提取出來，保證產品點位坐標和全站儀獲得的坐標在同一坐標系下，如WGS-84或1954北京坐標系［5］。在傳統點云數據共同點精度驗證方案中，首先選擇某試驗區域中幾十個特征點，將全站儀獲得的坐標當作真值，點云數據當作驗證值，在Excel或其他工具里代入公式計算，大多數情況下只能以數值形式得出單點點云空間位置上的點位誤差［6］為

平面位置誤差為

中誤差為

式中，n為個數；Δ為驗證值與真值的差。

本文在上述精度驗證的基礎上，開發出一套三維可視化界面，采用人機交互方式，方便用戶通過不同視角、不同方式來查看數據，觀察驗證值和真值在模擬出實物情況下的對比情況，避開大量繁雜的數據顯示，形象直觀地顯示出對比結果，并可以生成Excel格式文件及各種數據曲線圖格式的數據評估報告。

二、導航數據精度評價體系

1.精度性能評價指標

系統對這部分高速公路涉及的特征物數據精度驗證進行分類分級處理，按照項目要求，對這些特征物提出具體的性能指標分類與分級?？紤]需要驗證一系列特征物在WGS-84下的相對空間位置和其自身形狀大小等物理屬性，將大類分為空間指標和幾何指標，每一大類下面依次分為一級指標、二級指標、三級指標。本次項目中三級指標分類已經可以滿足產品驗證的目的，部分指標僅下分到一級，后期可以適當增加分析類別，完善精度驗證的指標評價種類，具體設計見表1。

2.數據特征物編碼分類

系統所涉及的高速公路上各種特征物要素均需要進行組織和管理。然而目前國家在高速公路導航數據要素的分類上沒有形成統一標準，因此，本文參考地理信息要素的分類與代碼的國家標準，同時結合本項目實際情況，設計出相應數據的組織形式和特征物分類編碼［7］。

表1　精度性能評價指標

綜合考慮本項目待驗證特征物的數量、分布、類別等因素，為方便軟件數據庫載入過程及內部算法實現，制定一套編碼規格，將其依次分為4類:點位命名、特征物類別、特征物ID、特征物編號，按照線性排列共有8位，以字母開頭，其余7位采用十進制數字碼，具體代碼組織形式如圖2所示。

圖2　編碼規格

1）左起第1位為點位命名，如T代表特征點，以漢字首字母為命名規則。

2）左起第2、3位為特征物類別，如01代表標牌、02代表立柱、03代表護欄等。

3）左起第4、5位為特征物ID，在特征物類別基礎上細分形成的類別，如標牌中01代表方形、02代表圓形，其余同理。

4）左起第6、7、8位為特征物編號，在特征物相同類別基礎上，依次為每一個特征物命名，編號范圍0—999。

如本系統中數據輸入標準格式分類代碼T0101001，代表本項目高速公路第一個方形標牌上的特征點，整理效果如圖3所示，其中數據為試驗數據。

圖3　方形標牌分類編碼

三、系統的設計與實現

本系統采用C#開發語言，開發環境為Microsoft Visual Studio 2010，借助Developer Express V2010開發系統的界面控件，以sqlite作為大量導航驗證數據的存儲基礎，整體采用C/S架構。系統主界面如圖4所示。

圖4　系統主界面

1.系統框架設計

本系統的目的是建立一個驗證高速公路上標準特征物作為導航數據的精度的平臺。系統主要由數據管理分類模塊、三維可視化分析模塊、后臺輔助模塊構成，其總體框架如圖5所示。

圖5　系統總體框架

（1）數據管理系統

將前期特定高速公路上所采集的一系列特征物測繪數據整理分類及編碼入庫，不同特征物的精度評價指標與其對應?？梢詫崿F隨時查看每類特征物的驗證值數據和真值數據、特征物數據的采集時間和地點。及時進行對每個對象的屬性信息修改、數據備份、數據維護等操作。

（2）三維可視化系統

將特征物三維數據在特定的坐標系下生成虛擬圖形并展示，讓用戶對不同數據下形成的特征物有一個直觀比較，避免傳統精度驗證中海量數據產生的以數值形式且讓人眼花的精度對比結果。在三維可視化窗口中，用戶可以實現圖形的添加、刪除、平移、旋轉等操作，可采用不同的查看視角（透視圖、平視、頂視），可以自定義信息標注、信息查詢方式等。選擇精度計算的誤差范圍和對應的性能評價指標，以滿足用戶的精度評價成果輸出需求。

（3）后臺輔助系統

實現管理員和用戶的不同權限分配管理，保證系統可以正常運行，維護信息的安全性和可靠性，同時進行日志監控和恢復等。提供軟件使用幫助說明，提供關于當前高速公路信息的友情鏈接，如百度地圖上相應路段的街景狀況。

2.關鍵技術實現

系統的開發過程需要針對不同特征物設計特定的算法，涉及空間幾何學、線性代數和測量平差等知識，才能實現合理的精度分析。不同于以往數據分析只在表格中表達結果，軟件通過算法在三維可視化窗口生成圖形輪廓，方便用戶分析數據精度。以下分別列舉本次項目中幾種典型特征物的算法實現思路。

（1）非圓形標牌模型生成

針對非圓形標牌的4個角點數據，需要在三維坐標系下生成空間平面四邊形，進而分析其精度性能指標。理論上，4個角點的數據應該在同一個平面上，而由于測量中偶然誤差的存在，使得展點結果并不在一個平面上，需要將它們擬合在同一平面里，主要算法［8］敘述如下。

空間平面一般方程表達式為

其矩陣形式為

求出具體解A、B、C并代入平面方程中，即得擬合平面。分別將4個角點投影到此平面中，依次連接形成空間平面四邊形，效果如圖6所示。圖中利用產品數據和真值數據分別生成2個方形標牌虛擬圖形。

圖6　非圓形標牌對比效果

（2）圓形標牌模型生成

針對圓形標牌的10個邊緣點數據，需要在三維坐標系下生成空間平面圓形，進而分析其精度性能指標。先利用數據點擬合出相應平面，然后將數據點投影到擬合面上，將三維問題轉化成二維問題，利用常規的二維平面擬合圓方法［9］，主要公式為

式中，（x0，y0）為圓心坐標；R為圓半徑；vi為各點到圓心距離與半徑R的距離差值。

將參數的近似值（x0，y0，R0）代入上式得誤差方程為

矩陣形式為

圓心坐標的近似值根據各點求平均坐標獲得，半徑近似值取1，根據約束條件，多次迭代直至δX收斂，便得到未知數的解，最終得到三維空間圓，效果如圖7所示。圖中利用產品數據和真值數據分別生成2個圓形標牌虛擬圖形。

（3）立柱中心點

如圖8所示，針對高速公路上立柱中心點的三維坐標不能通過全站儀直接觀測測量，利用軟件后期計算生成，其思路敘述如下。

由外業數據可知A、B兩點坐標，A點為測站點，B點為全站儀目鏡中水平十字絲與立柱表面交線的中點坐標，立柱半徑R通過人工測量獲得。立柱中心點坐標（Xo，Yo，，Zo）的計算公式為

圖7　圓形標牌對比效果

圖8　計算立柱中心點坐標

（4）曲率模型生成

針對高速公路匝道口曲率模型的生成問題，需要提前在特定道路上每隔一小段距離采集特征點數據。欲計算匝道口的緩和曲線上任意一點的曲率P，選取P點前后n個相鄰點，通過高次多項式擬合出曲線方程，再通過曲率公式求出對應曲率，曲線模型如圖9所示［10］。

圖9　道路曲線對比效果

四、結束語

在對高精度導航地圖的需求日益增多的背景下，大量導航數據產品的精度需要得到可靠性驗證。本文在數據處理方面提出了評價分析方案，制定了評價體系和方法，通過系統實現對高速公路上常見特征物具體精度的分析過程，在空間指標和幾何指標方面給出了數據精度評價結果，并在三維可視化窗口中向用戶展現；同時實現各種三維操作、屬性修改等功能，在快速、準確驗證導航數據產品精度上有一定應用價值。在以后的開發工作中，需加強在人機交互方面的功能，對高速公路上其余特征物的模型建立和精度分析方案設計仍需要進一步完善。

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姜 浩（1991—），男，碩士生，研究方向為大地測量與測繪工程、地磁室內定位。E-mail:342316059@qq.com

引文格式：姜浩，黃鶴，趙焰，等.高精度智能導航數據評價系統的設計與實現［J］.測繪通報，2016（7）:98-102.