CN102679994A - 使用三维模型计算导航路线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在导航系统中确定路线的方法，包括提供代表地形环境的三维环境模型数据的步骤，以及基于该三维环境模型数据确定路线的步骤。

Description

使用三维模型计算导航路线

技术领域

本发明涉及在导航设备中计算路线的方法。

背景技术

常规的导航系统基于地理数据并基于诸如行驶距离、行驶时间、交通信息和成本等的数据，确定用于将使用者从当前地点引导到期望地点的路线。常规导航系统中的一些可将使用者引导到停车位。

然而，常规的导航系统在计算路线时不考虑难以处理的状况。例如，当在路线上被引导的车辆驾驶员想要左转或右转弯时，沿路的植物和建筑物可能导致视野较差。可以期望计算出避开具有例如较差视野的交叉路口的路线，或者向驾驶员部署警告，使其在该路线上的这个路段更加小心。另一个难以处理的状况的示例是，车辆内部的热度可给车辆驾驶员带来压力。由于使用空调增加了车辆的功率消耗，并且降低了车辆内空气的湿度，所以驾驶员可能优选有遮阴的路线，而不是使用空调。当已经到达期望地点时，使用者可能为车辆优选有遮阴的停车场。常规的导航系统不考虑使用者对于没有压力的路线以及对于安全的停车地点的优选。

因此，本发明的目标是，提供用于在导航系统中确定路线的方法，避免在驾驶中的路线上，和/或在停放车辆的地点处，遇到难以处理的状况，从而增强使用者和使用者的车辆的安全性。

发明内容

以上提及的目标，通过依据权利要求1所述的用于在导航系统中确定路线的方法来实现，该方法包括以下步骤：

提供代表地形环境的三维环境模型数据；以及

基于该三维环境模型数据确定路线。

导航系统包括，例如，导航设备和基站，其中，导航设备是被安装在车辆中的导航设备、移动导航设备、移动电话、个人数字助理(PDA)、便携式终端，和家用计算机中的一种。导航系统可包括具有数据库的单元和用于获取定位数据以在地图数据库中定位街道上的导航系统的使用者的全球定位系统(GPS)导航设备。导航系统的接收单元可接收来自卫星的信号，并确定该信号的中转(transit)时间。基于该信号中转时间，确定导航系统的使用者的当前位置。使用者的当前位置还可通过确定导航设备的加速度和速率来确定。使用数据库，导航设备能够计算到达另一个地点的路线，并据此引导使用者。数据库可位于远离该导航设备处。

三维环境模型数据被用于再生地形环境的数字三维模型。术语“地形环境”通常是指地面和其上的所有对象，尤其还指地理区域或景观、城区、城市、村庄、空旷地和道路间隔。数字三维模型表示出地面和在其上的所有对象。例如，将道路、街道、建筑物、植物、桥梁、阶梯(stairway)、河流和滨岸再生为在三维环境模型中的三维对象。三维环境模型数据包括表示数字高度信息和地形海拔(例如，高山)的数据。三维环境模型可以是动态的模型。术语“动态的”表示该三维环境模型是依据缩放等级来再生的。不同的缩放等级可对应于三维环境模型数据的不同分辨率。例如，具有高分辨率的三维环境模型甚至表示出建筑物和树木，而低分辨率仅能够表示出山坡和高山。

基于三维环境模型数据确定从当前位置到期望位置的路线，意味着通过在导航算法中使用关于地形环境的三维信息，以数学方式计算路线。对路线的计算可基于成本函数和取决于三维环境模型数据的成本值(细节见下文)。原则上，在路线计算中对成本函数的利用对于本领域技术人员是已知的。

在导航系统中对优化路线的计算可通过迪杰斯特拉(Dijkstra)算法，尤其是A*-算法来执行。通过将已知的道路路段合并到一条主要路段中，算法的运行时间可更为高效。然后，在这些算法中可考虑用该主要路段代替许多已知的更小的道路路段。依据由导航系统的使用者选择的特定准则，可基于三维环境模型数据来确定路线。在导航系统中的路线计算通常是基于通过使用成本值对道路路段和交叉路口进行加权。基于三维环境模型数据，这些成本值可依据用户的准则进行定义和修改。例如，用户优选迅速地到达目的地，同时应该避开在海拔上具有较大差异的道路路段。对于每一个道路路段，可确定出海拔差。与该道路路段的海拔差成正比的(附加)成本值可被分配给每一个道路路段。基于通过将相应的行驶时间的成本值和与海拔差成正比的附加成本值求和所确定的总成本值，可计算出该路线。

通过使用由三维环境模型数据提供的关于地形环境的三维信息，确定了优化的路线，其避开了由在不同道路路段处海拔差异较大导致的对于使用者难以处理的状况。例如，对于在高山地区的卡车或者拖挂车(camper)来说，这是具有优势的。对于使用者及其车辆来说，达到了增强的安全性。

依据以上描述的方法的实施例，三维环境模型数据包括代表至少一个三维环境模型对象的数据，该三维环境模型对象可表示地形环境的街道、道路、建筑物、植被、植物、绿化、山坡和高山中的一种，并且基于该至少一种三维环境模型对象数据，可确定出路线。例如，可基于该三维环境模型数据，确定出由于植被或建筑物使得驾驶员仅具有较差的视野的交叉路口。当计算路线时，附加成本值可被分配给这样的具有较差视野的交叉路口，并在评估成本函数时被考虑。该路线可被计算成，在其上避开了难以处理的路段(例如，狭窄的街道或具有较差视野的地点)。这样的地点可以是例如狭窄的街道或具有较差视野的地点。导航系统使用者的安全性被增强。

依据在此描述的用于在导航系统中确定路线的方法的一个实施例，在所确定的路线的路段，基于三维环境模型数据识别出三维环境模型对象。该三维环境模型对象通过三维环境模型对象数据来表示。基于所识别出的三维环境模型对象，提供发往导航系统的使用者的消息。植被或建筑物可导致道路上较差的视野，使得在经过另一个道路使用者，或转向另一个方向时，导航系统的使用者需要高度小心。例如，当确定出路线，在该路线的路段上出现由于植物或建筑物妨碍驾驶员的视野的情况时，可以语音消息的形式向使用者提供警告。该消息可包括关于在该道路上有冰冻的地表面或有树叶或树枝的警告。在空旷的景观中，该消息可包括涉及阵风的警告。提供警告消息是具有优势的，因为导航系统的使用者可以，例如，以降低车辆速度的形式加以小心。警告消息增强了该导航系统使用者的安全性。

依据在此描述的用于确定导航系统的路线的方法的进一步的实施例，三维环境模型数据包括数字地形模型数据(DTM-data)，并且基于DTM-data确定出路线。若干个研究所或供应商提供了DTM-data，这些DTM-data是通过使用远程感应技术或陆地测量获得的。基于DTM-data确定路线意味着在对路线的计算中使用了来自DTM的三维信息。被保存在数字文件上的数字地形模型提供了对地面、海拔，和人文特征(诸如，建筑物和道路以及植被)的地形差异的三维详细表示。

依据本发明进一步的实施例，用于在导航系统中确定路线的方法进一步包括提供关于天气、日期和时间的信息数据的步骤，并且其中，基于关于天气、日期和时间的信息数据进一步确定路线。在计算路线时，可执行分水岭的绘制。通过将关于天气、日期和时间的信息数据包括在路线计算中，可替代地，可通过将使用者引导到绕开暴风雨区域的路线，避开例如即将来临的暴风雨。在进一步的示例中，基于三维环境模型数据确定出了道路路段和/或交叉路口，由于建筑物、高山或山坡，保护了这些道路路段和/或交叉路口不受阵风侵袭。类似地，可识别出不能被保护而免于阵风侵袭的道路路段和/或交叉路口。在计算路线时，可将附加成本值分配给这样的不能免受阵风侵袭的道路路段和/或交叉路口。通过在评估成本函数时将附加成本值考虑在内，增强了导航系统使用者的安全性。

依据进一步的实施例，三维环境模型数据包括DTM-data。而且，基于DTM-data和关于天气、日期和时间的信息数据，估计出在地形环境中流动的水流方向。基于所估计出的地形环境中的水流方向，确定出路线。这些水是指，例如，持续流动的雨水、持续流动的雪水、流下山坡的水，以及从河流、溪流、河湾或湖泊溢出的水中的一种。DTM包括地形环境的海拔数据和高度信息。水流流动的方向是指，例如，在通过三维DTM-data表示的地形环境中，从较高的地点到较低的地点。例如，可确定出在该地形环境中的地点或区域中水淹的风险是低还是高。而且，考虑到道路的地表面上结冰的情况，确定道路上水流方向可能是很重要的。在路线计算中将结冰和水淹的风险考虑在内，增强了导航系统的使用者的安全性。

依据本发明的进一步的实施例，该方法包括基于三维环境模型数据和关于天气、日期和时间的信息数据，确定三维环境模型对象的阴影位置的步骤，并且其中，基于所确定的通过三维环境模型对象数据表示的三维环境模型对象的阴影位置，确定出路线。该阴影的位置包括：该三维环境模型对象的阴影方向、长度和宽度。时间可通过太阳钟(solar clock)来计量。太阳钟在任何时候都示出“冬令时”，并且比中部欧洲时间(Central European Time)少36分钟。为了在每天同一时刻确定阴影位置的改变，需要确定时差和水平角度。

可确定出在阴影最多的道路上进行引导的路线。阴影可通过树木、建筑物或高山来获得。所确定的路线可引导使用者穿过林荫道或接近高山。例如，使用者优选迅速地到达目的地，同时应该避开阳光照射的路段。在这样的情况下，可基于三维环境模型数据计算出每一个道路路段和每一个交叉路口以及在每一时刻的阴影区域。与道路路段、交叉路口的阳光照射区域分别成正比的附加成本值可被分别分配给每一时刻的每一个道路路段和每一个交叉路口。路线的计算可基于通过对相应的行程时间的成本值和与阴影区域成正比的附加成本值求和确定出的总成本值。在使用者优选避开阳光照射的道路路段和/或交叉路口而不考虑所导致的行程时间的情况下，可将相应的阳光照射区域定义成一个成本值。不必运行空调，车内热量就被降低了。避免阳光造成使用者目眩。由于避免大量使用空调而节省了燃料，同时增强了使用者的安全性。

依据用于在导航系统中确定路线的方法的进一步的实施例，提供了来自交通消息频道(Traffic Message Channel(TMC))和/或传输协议专家组(Transport Protocol Expert Group(TPEG))的信息，并且基于这些来自TMC和/或TPEG的信息确定出路线。

依据本发明进一步的实施例，基于三维环境模型数据、DTM-data、关于天气、日期和时间的信息数据，以及来自TMC和/或TPEG的信息中的至少一种，确定用作停车位的地点。所确定的用作停车位的地点被指示给导航系统的使用者。例如，在城市中所确定的地点可被选择为在建筑物或树木的阴影中，使得所停放的车辆不会被阳光烤热。在暴风雨的情况下，例如，由于有树枝落下的风险，避免将树下地点作为停车位。可避开水淹的风险较高的地点。可以预报(prognosticate)天气条件和它们对环境因素(诸如，阴影位置)的影响。导航系统和车辆的使用者的安全性被增强。

依据本发明进一步的实施例，三维环境模型数据包括反射模型，其代表GPS信号被三维环境模型对象反射，并且，该方法进一步包括基于反射模型和GPS信息确定出导航系统使用者的当前位置。该反射模型表示出，例如，被植物和建筑物反射。根据三维环境模型数据可推导出反射模型。在城市中的建筑物和植被可导致来自GPS卫星的信号没有被导航系统正确接收。基于所接收的GPS信号，可以用再生反射模型的数据对计算出的位置进行校正。导航系统的使用者的当前位置可被更精确地确定。

依据本发明进一步的实施例，由导航系统的使用者选择准则，其中，所选择的准则对应于环境参数，尤其是，在该环境中的阴影、天气条件、兴趣点数量、道路倾斜度、水淹的风险、泥石流的风险、雪崩的风险，和/或海拔，并基于所选择的准则，来确定路线。从三维环境模型数据中可推导出环境参数。依据一个例子，基于使得与所选择的准则相对应的一个或多个成本函数的最大化或最小化，和/或基于具有不同权重的准则，执行路线确定。不同的准则可对路线计算有贡献。使用者可选择这些准则中的哪一个或哪些将作用于该计算。此外，使用者可对特定准则区分优先次序，使得高优先权准则对路线计算所起作用大于低优先权准则。尤其是，该路线可被确定成，使得对应于准则的成本函数被最大化或者最小化。例如，所选择的准则可以是通向目标的路线的总体阴影。在这种情况下，可计算出沿路的阴影最大的路线，该计算可以实现，特别是由于考虑了三维环境模型数据。在此例中，阴影是所选择的准则，并且成本函数可以是该路线上每米的阴影强度。在最大化成本函数的过程中，可能需要满足其它条件。其它条件可包括：对于可接受的绕路的限制、沿着将要确定出的路线的海拔差异等。此外，不同的准则可被不同地加权。使用者可基于沿着通向目标的路线的海拔和阴影，选择路线计算，并且这些准则可以不同的百分比作用于路线的计算。

依据本发明进一步的实施例，该路线可依靠一个或更多个成本函数以及取决于三维环境模型数据的成本值来确定。

依据本发明进一步的实施例，依据所确定的路线对导航系统的使用者进行引导。

本发明还提供了用于确定路线的导航系统。该导航系统包括用于提供代表地形环境的三维环境模型数据的装置。该导航系统被配置成基于三维环境模型数据确定路线。这些用于提供三维环境模型数据的方法可包括数据库或者存储器。

依据本发明的一个实施例，导航系统进一步包括导航设备，该导航设备是移动导航设备、被安装在车辆中的导航设备、移动电话、PDA和便携式终端中的一种。导航系统可以分布成，使得该导航系统包括导航设备和位于远离该导航设备处的基站。例如，基站和导航设备彼此之间可以(例如，经由互联网)进行无线通信。车辆是，例如，汽车、卡车、拖挂车、公共汽车、摩托车和自行车中的一种。

附图说明

现将参考附图描述本发明的附加特征和优点。在本说明书中，对附图所作的参考意味着说明了本发明的优选实施例。应理解，这样的实施例并不代表本发明的全部保护范围。

图1是示出依据本发明的用于在导航系统中确定路线的方法步骤的流程图；

图2示出了数字地形模型和数字表面模型的截面图；

图3示出了数字海拔模型；

图4示出了在提供阴影的林荫道上的汽车；

图5示出了引导穿过难以处理的天气状况所确定的路线，和避开难以处理的天气状况所确定的路线；

图6示出了为停车位提供阴影的建筑物；

图7示出了反射模型。

具体实施方式

在本发明中，三维环境模型数据被用于在导航系统中计算路线。图1是示出用于在导航系统中确定路线的方法步骤的流程图。在该流程图的步骤10中，提供了代表地形环境的三维环境模型数据。该三维模型数据可被用于再生三维环境模型。根据三维环境模型，可获得关于例如沿着街道的建筑物和树木的高度、位置和尺寸、街道宽度和街道倾斜度的三维信息。在图1的流程图的步骤11中，基于该三维环境模型数据确定路线。在导航系统中，通过在导航算法中使用三维环境模型数据，计算出从当前位置到期望位置的路线。此外，在确定该路线时可使用二维地理数据。

图2示出了数字地形模型(DTM)的截面图，包括表面模型和数字海拔模型。DTM被存储在数字文件中，该数字文件包括具有规则分隔开的水平间隔的地面位置的地形海拔。在图2中示出了表面21和在该表面上的对象(诸如，房屋20)。三维环境模型数据包括三维环境对象数据，这些三维环境对象数据代表诸如街道、道路、建筑物、植被、植物、绿化、山坡和高山的数据。该三维环境对象数据并不限于此，并且还可代表例如河流、小溪，以及湖泊。通过对表面的x-、y-，和z-坐标值进行处理，可再生DTM。

通过计算栅格数据、矢量数据或者不规则三角网络(TIN)，可再生数字海拔模型。栅格数据包括栅格点，例如，像素。这些栅格点具有一个或更多个值，诸如，高度值或颜色信息。TIN格式的栅格数据作为不规则三角网络进行计算。矢量数据包括，例如，关于坐标、拓扑和空间属性的信息。图3示出了通过矢量数据再生的海拔模型的一个例子。水平面曲线(level curve)30定义出了特定的高度。来自三维环境模型数据的高度信息可被用于识别道路或街道的倾斜度。可执行导航算法，以便避开具有极端倾斜度的路线或道路或街道。依据由导航系统的使用者所选择的特定准则，在路线计算中可将高度上的差异考虑在内。例如，驾驶摩托车的使用者优选引导穿过高山并包括尽可能多弯道(serpentine)的路线，而汽车驾驶员优选避开穿过高山的路线，以便节省动力和保护汽车发动机。

沿道路或街道驻扎的一个或更多个三维环境模型对象可被识别出来。例如，对于导航系统的使用者控制车辆的转向，建筑物和/或树木可导致较差的视野。依据在三维环境模型对象数据中可用的三维信息，可识别出该导航系统的使用者所搜索的对象。可通过提供消息(例如，通过语音)对该导航系统的使用者进行告知。这些消息可包括警告或者信息。

图4示出了由导航系统的使用者驾驶穿过林荫道的汽车。依据相应的天气条件，沿着街道的树木可提供阴影或者可能散落树叶和树枝。在通过导航算法计算路线时，可提供并包括关于天气、日期和时间的信息数据。

图5示出了没有使用关于天气、日期和时间的信息数据所计算的路线51，以及，绕开暴风雨云52导航的路线50。路线50是通过将关于天气、日期和时间的信息数据包括在导航算法中计算出来的。根据本发明的方法的一个示例，通过将关于在路线将引导通过的地理区域中出现暴风雨的天气信息考虑在内，确定出备选路线，其避开穿过受该暴风雨影响的区域的道路路段。在湖泊、河流，或小溪附近淤积着由于降雨或融雪形成的水，常规定义的路线将引导到穿过被淹没风险较高的区域的情况下，基于三维环境模型数据和关于天气、日期和时间的信息数据计算路线可得出一条确定的路线，其沿着备选路线对该导航系统的使用者进行引导。

图6示出了向停车位62提供阴影61的建筑物60。作为取决于环境的因素，热量可以被最小化。基于三维环境模型数据，同时考虑日期和时间，可计算出阴影的位置。

图7示出了正在发送信号的卫星70，该信号在建筑物71上被反射。根据三维环境模型数据可得出代表地形环境的反射模型。该反射模型可被用于对导航系统使用者的GPS位置确定进行校正。

Claims (15)

1.一种用于在导航系统中确定路线的方法，该方法包括：

提供代表地形环境的三维环境模型数据；以及

基于所述三维环境模型数据确定路线。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述三维环境模型数据包括代表至少一个三维环境模型对象的数据，该至少一个三维环境模型对象表示出所述地形环境中的街道、道路、建筑物、植被、植物、绿化、山坡和高山中的一种，并且其中确定所述路线的步骤是基于所述至少一个三维环境模型对象数据。

3.如权利要求2所述的方法，进一步包括以下步骤：

基于所述三维环境模型数据，识别在所确定的路线的一段处的所述三维环境模型对象数据所代表的三维环境模型对象；

向所述导航系统的使用者提供关于所识别的三维环境模型对象的消息。

4.如权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述三维环境模型数据包括数字地形模型数据DTM-data，并且其中确定所述路线的步骤是基于所述DTM-data。

5.如权利要求1至4中的任一项所述的方法，进一步包括提供关于天气、日期和时间的信息数据的步骤，并且其中确定所述路线的步骤进一步基于所述关于天气、日期和时间的信息数据。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述三维环境模型数据包括数字地形模型数据DTM-data，并且所述方法进一步包括基于所述DTM-data和所述关于天气、日期和时间的信息数据，估计在所述地形环境中流动的水流方向的步骤，并且其中确定所述路线的步骤是基于所估计的在所述地形环境中流动的水流方向。

7.如权利要求5所述的方法，进一步包括，基于所述三维环境模型数据和所述关于天气、日期，和时间的信息数据，确定三维环境模型对象的阴影位置的步骤，并且其中，确定所述路线的步骤是基于所述三维环境模型对象数据所代表的所确定的三维环境模型对象的阴影位置。

8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，进一步包括提供来自交通消息信道TMC和/或传输协议专家组TPEG的信息的步骤，并且其中，确定所述路线的步骤是基于所述来自TMC和/或TPEG的信息。

9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，进一步包括以下步骤：

基于所述三维环境模型数据DTM-data、关于天气、日期，和时间的信息数据、来自TMC和/或TPEG的信息中的至少一种，确定作为停车位的地点；以及

向所述导航系统的使用者指示出所确定的作为停车位的地点。

10.如权利要求2至9中任一项所述的方法，其中，所述三维环境模型数据包括代表由所述三维环境模型对象反射全球定位系统GPS信号的反射模型，并且，所述方法进一步包括基于所述反射模型和所述GPS信号确定所述导航系统的使用者的当前位置的步骤。

11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，进一步包括由所述导航系统的使用者选择准则的步骤，其中所述选择的准则与至少一个环境参数相关联，尤其是，阴影、天气条件、兴趣点数量、道路倾斜度、水淹的风险、泥石流的风险和雪崩的风险，和/或在该环境中的海拔，并且

其中，确定所述路线的步骤进一步基于所选择的准则。

12.如权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述路线是依靠一个或更多个成本函数和取决于所述三维环境模型数据的成本值来确定的。

13.如权利要求1至12中的任一项所述的方法，进一步包括依据所确定的路线对所述导航系统的使用者进行引导的步骤。

14.一种用于确定路线的导航系统，包括：

用于提供代表地形环境的三维环境模型数据的装置；并且

其中，所述导航系统被配置成，基于所述三维环境模型数据，确定所述路线。

15.如权利要求14所述的导航系统，其中，所述导航系统包括导航设备，该导航设备是移动导航设备、安装在车辆中的导航设备、移动电话、个人数字助理PDA和便携式终端中的一种。

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