CN105677899B - 一种包含道路行进方向的增强型矢量数字地图制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包含道路行进方向的增强型矢量数字地图制作方法，本方法首先确定需要测绘的道路的起点和终点，利用信息采集车辆采集道路的位置信息，根据所采信息选取节点；然后通过高斯‑克吕格投影对节点进行坐标转换；将上述节点作为插值点计算道路平面线形的三次样条拟合曲线；再利用得到拟合曲线计算道路行进方向，并根据求得的方向信息对节点进行筛选；最后借助相关数字地图制作软件将经筛选的矢量数据制作生成包含道路行进方向的增强型矢量数字地图。本发明相对于一般的数字地图制作方法增加了道路行进方向属性的制作，用来拟合道路平面线形的三次样条曲线光滑性好、精度高，对道路上节点的筛选很好地降低了数字地图的数据量。

Description

一种包含道路行进方向的增强型矢量数字地图制作方法

技术领域

本发明涉及一种数字地图的制作方法，具体的是一种包含道路行进方向的增强型矢量数字地图制作方法。

背景技术

地图是地表的模拟图像，自出现以来便为人们的出行带来了极大的便利。近年来随着数字技术的飞速发展，数字地图慢慢走进了人们的视野。数字地图是一种数字化的地图新品种，相对传统的纸质地图有查找方便、易于修改和更新等优点，因此逐渐取代了传统的纸质地图成为人们日常生活中更常用的地图工具。然而目前的数字地图存在以下问题：数字地图精度较低，往往无法满足高精度定位的要求；地图属性匮乏，一般仅仅包含基本的位置信息，而对于人们关注的一些重要属性信息，例如道路的车道线、坡度、曲率等并没有包含；

为了解决现有数字地图的上述缺陷，增强型数字地图成了近些年的一个热门研究方向。增强型数字地图是指在普通数字地图的基础上增加一些特有属性(例如道路的曲率、坡度、车道线等)的数字地图，相对于普通数字地图具有更加广泛的应用。本发明提出了一种包含道路行进方向的增强型矢量数字地图制作方法，制作出的数字地图相对于普通的数字地图增加了道路的行进方向属性，另外，与大多已有的矢量数字地图用一系列等间距的点的连线表示道路不同，本发明根据道路的行进方向信息对这些点进行筛选，最终得到的车道级增强型矢量数字地图可以达到在道路弯曲程度较大的地方点较密集，在道路弯曲程度较小的地方点较稀疏的效果，既保证了数字地图的高精度又大大地减小了数据量。本发明制作出的数字地图可以在很多领域发挥作用。例如，车辆在道路上正常行驶时其方向与道路行进方向大致相同，此时可以根据矢量数字地图提供的道路行进方向信息估计车辆行驶方向。再如，包含道路行进方向信息的矢量数字地图可以为相关机构提供相应的统计数据，会对道路的维修和养护有所帮助。

发明内容

本发明针对我国高速公路，提出了一种包含道路行进方向的增强型矢量数字地图的制作方法，相对于一般的数字地图制作方法增加了道路行进方向属性的制作，道路信息获取方法成本低效率高，用来拟合道路平面线形的三次样条曲线光滑性好，制作出的矢量数字地图具有较高的精度和较低的数据量，可用于车道偏离预警系统、自主驾驶系统等。

本发明通过以下技术方案实现：首先确定需要测绘的道路的起点和终点，利用信息采集车辆采集道路的位置信息，根据所采信息选取节点；然后通过高斯-克吕格投影对节点进行大地坐标系到高斯平面直角坐标系的转换；将上述节点作为插值点计算道路平面线形的三次样条拟合曲线；再利用得到的三次样条拟合曲线计算道路各节点处的道路行进方向，并根据所求道路行进方向对节点进行筛选；最后借助相关数字地图制作软件将经筛选的矢量数据制作生成包含道路行进方向的增强型矢量数字地图。

结合图1所示的流程图，对本发明的思想做进一步说明：

步骤一：选择需要测绘的路段并将其定义为目标道路，确定目标道路的起点和终点；

目标道路的选取范围为我国的高速公路，并且目标道路应光滑连续、不包含交叉路口；鉴于步骤二中所采用的高斯投影在小范围内精度较高，且误差会随着投影范围的增大而不断变大，故本发明中所选目标道路的长度不超过5km。

做合理假定：目标道路的平面线形光滑连续；

步骤二：利用信息采集车辆采集目标道路的位置信息；

所述信息采集车辆搭载了组合导航系统，水平定位精度的圆概率误差小于0.02m，输出频率为20Hz，可以实时输出车辆所在位置的经纬度信息P_i(L_i,B_i)，其中L_i表示信息采集车辆在目标道路上采集到的第i组道路位置信息中的经度信息，B_i表示信息采集车辆在目标道路上采集到的第i组道路位置信息中的纬度信息，i＝1,2,3…。通常情况下每条道路(单行道除外)包含两个相反的行进方向，本步骤中选择其中一个行进方向采集目标道路的位置信息。道路位置信息采集过程中为了使信息采集点尽可能的分布均匀，将车速控制在60-70km/h(16.67-19.44m/s)，并保持在行进方向最左侧车道的中心匀速行驶；

步骤三：将目标道路上的道路位置信息采集点P_i(L_i,B_i)定义为道路的节点，假设从目标道路起点到目标道路终点之间有m个节点。通过3度带高斯-克吕格投影对上述m个节点的经纬度坐标进行大地坐标系到高斯平面直角坐标系的转换；

本发明根据起始节点P₁(L₁,B₁)选定P₀(L₀,B₀)作为高斯-克吕格投影的原点，其中L₀＝3D，D为(L₁/3)四舍五入取整的值，B₀＝0°；坐标转换公式如下：

其中，x_i为第i个节点在高斯平面直角坐标系下的纵坐标(北向位置)，y_i为第i个节 点在高斯平面直角坐标系下的横坐标(东向位置)，l为所求点的经度L_i与L₀之差，t＝tanB_i， η＝e'cosB_i，e'为椭球第二偏心率，N为通过所求点的卯酉圈曲率半径，为赤道至纬度B_i 的子午线弧长，且其中C₀，C₁， C₂，C₃，C₄为与点位无关的系数，仅有椭球体长半轴、短半轴、第一偏心率等参数确定；

步骤四：用三次样条插值曲线拟合目标道路的平面线形；

定义三次样条插值函数S(x)，将上述目标道路的m个节点作为三次样条插值函数S(x)的插值点；三次样条插值函数S(x)满足以下3个约束条件：

约束条件1：三次样条插值函数S(x)经过目标道路上的所有节点，即：

S(x_i)＝y_i(i＝1,2,…m) (2)

其中，S(x_i)为三次样条插值函数S(x)在自变量为x_i时的函数值；

约束条件2：三次样条插值函数S(x)在每个小区间[x_i,x_i+1](i＝1,2,…,m-1)上都是三次多项式，即：

S_i(x)＝A_i,1+A_i,2x+A_i,3x²+A_i,4x³(i＝1,2,…,m-1) (3)

其中，S_i(x)为在[x_i,x_i+1]区间上的S(x)，A_i,1、A_i,2、A_i,3、A_i,4为待定实数；

约束条件3：三次样条插值函数S(x)有连续2阶导数，即：

其中，S(x_i-0)为S(x)在x_i处的左极限，S(x_i+0)为S(x)在x_i处的右极限，S'(x_i-0)为S(x)在x_i处的一阶导数左极限，S'(x_i+0)为S(x)在x_i处的一阶导数右极限，S”(x_i-0)为S(x)在x_i处的二阶导数左极限，S”(x_i+0)为S(x)在x_i处的二阶导数右极限；

根据上述3个约束条件计算三次样条插值函数S(x)在任一小区间[x_i,x_i+1](i＝1,2,…,m-1)上的表达式如下：

其中，M_i＝S”(x_i)，即M_i为S(x)在x_i处的二阶导数；M_i+1＝S”(x_i+1)，即M_i+1为S(x)在x_i+1处的二阶导数；h_i＝x_i+1-x_i；

步骤五：计算各节点处的道路行进方向：

本发明定义道路行进方向为道路信息采集车辆的航向与正北方向所成的夹角，北偏东为正，北偏西为负；

对式(5)进行微分得：

上式即为三次样条插值函数S(x)在小区间[x_i,x_i+1](i＝1,2,…,m-1)上的一阶导数表达式；定义第i个节点处三次样条插值函数S(x)的一阶导数值为k_i，即：

k_i＝S'(x_i)i＝1,2,…,m-1 (7)

则第i个节点处目标道路的道路行进方向θ_i可由k_i通过下式计算获得：

其中，

步骤六：筛选目标道路的节点；

定义参数ξ_i为相邻节点之间道路行进方向差的绝对值，即：

ξ_i＝|θ_i+1-θ_i|i＝1,2,…,m-2 (9)

目标道路的节点的具体筛选流程详述如下：

①、将i赋值为1，即i＝1，定义经筛选后剩余的节点个数为Q，Q的初始值为m，即Q＝m。设定阈值T_A和阈值T_B。

本发明将阈值T_A设定为阈值T_B设定为目标道路的节点在未经筛选的初始情况下任意两个相邻的节点处道路行进方向差的绝对值都远小于阈值T_B，但是经过该筛选流程之后，任意相邻的节点处道路行进方向差的绝对值都将满足大于且小于的要求，这样就能在保证数字地图的高精度的同时尽可能的降低其数据量。

②、根据式(9)计算ξ_i并判断ξ_i与阈值T_A的大小关系：若ξ_i大于或等于阈值T_A则说明第i个节点和第i+1个节点处道路行进方向的差在0.05°和0.1°之间，满足本发明的要求，此时跳转至④；若ξ_i小于阈值T_A则说明第i个节点和第i+1个节点处道路行进方向的差小于0.05°，不满足本发明的要求，此时进行③。

③、删除第i+1个节点，原第i+2个节点成为第i+1个节点，原第i+3个节点成为第i+2个节点，以此类推，令Q的值减一，即Q＝Q-1，跳转至②。

④、令i的值加一，即i＝i+1。若此时i与Q-1的值相等，即i＝Q-1则说明所有的节点都已经筛选完成，因此跳出该筛选流程至步骤七；反之，若此时i与Q-1的值不相等，即i≠Q-1则说明还有节点没有完成筛选，因此跳转至②继续进行筛选。

步骤七：选择与步骤二中相反的道路行进方向，利用信息采集车辆在该行进方向最左侧车道的中心以60-70km/h(16.67-19.44m/s)的速度匀速行驶，从而采集目标道路的位置信息。然后按照步骤三至步骤六的方法对所采信息进行处理和筛选，得到最终的节点信息。

步骤八：通过数字地图制作软件将最终得到的节点的位置信息及节点处的道路行进方向信息制作成包含道路行进方向的增强型矢量数字地图。

有益效果

1.本发明提出的增强型矢量数字地图制作方法采用三次样条插值曲线拟合道路的平面线形，具有很高的拟合精度。

2.本发明提出的节点筛选方法可以在保证道路行进方向精度的同时尽可能的降低数字地图的数据量。

3.本发明提出的增强型矢量数字地图制作方法制作出的数字地图可以为所有行驶在道路上的车辆提供高精度的道路行进方向信息，这一信息可作为智能交通系统和车辆导航系统的输入信号。

附图说明

图1是本发明流程图；

具体实施方式

地图是地表的模拟图像，自出现以来便为人们的出行带来了极大的便利。近年来随着数字技术的飞速发展，数字地图慢慢走进了人们的视野。数字地图是一种数字化的地图新品种，相对传统的纸质地图有查找方便、易于修改和更新等优点，因此逐渐取代了传统的纸质地图成为人们日常生活中更常用的地图工具。然而目前的数字地图存在以下问题：数字地图精度较低，往往无法满足高精度定位的要求；地图属性匮乏，一般仅仅包含基本的位置信息，而对于人们关注的一些重要属性信息，例如道路的车道线、坡度、曲率等并没有包含；

为了解决现有数字地图的上述缺陷，增强型数字地图成了近些年的一个热门研究方向。增强型数字地图是指在普通数字地图的基础上增加一些特有属性(例如道路的曲率、坡度、车道线等)的数字地图，相对于普通数字地图具有更加广泛的应用。本发明提出了一种包含道路行进方向的增强型矢量数字地图制作方法，制作出的数字地图相对于普通的数字地图增加了道路的行进方向属性，另外，与大多已有的矢量数字地图用一系列等间距的点的连线表示道路不同，本发明根据道路的行进方向信息对这些点进行筛选，最终得到的车道级增强型矢量数字地图可以达到在道路弯曲程度较大的地方点较密集，在道路弯曲程度较小的地方点较稀疏的效果，既保证了数字地图的高精度又大大地减小了数据量。本发明制作出的数字地图可以在很多领域发挥作用。例如，车辆在道路上正常行驶时其方向与道路行进方向大致相同，此时可以根据矢量数字地图提供的道路行进方向信息估计车辆行驶方向。再如，包含道路行进方向信息的矢量数字地图可以为相关机构提供相应的统计数据，会对道路的维修和养护有所帮助。

本发明针对我国高速公路，提出了一种包含道路行进方向的增强型矢量数字地图的制作方法，相对于一般的数字地图制作方法增加了道路行进方向属性的制作，道路信息获取方法成本低效率高，用来拟合道路平面线形的三次样条曲线光滑性好，制作出的矢量数字地图具有较高的精度和较低的数据量，可用于车道偏离预警系统、自主驾驶系统等。

本发明通过以下技术方案实现：首先确定需要测绘的道路的起点和终点，利用信息采集车辆采集道路的位置信息，根据所采信息选取节点；然后通过高斯-克吕格投影对节点进行大地坐标系到高斯平面直角坐标系的转换；将上述节点作为插值点计算道路平面线形的三次样条拟合曲线；再利用得到的三次样条拟合曲线计算道路各节点处的道路行进方向，并根据所求道路行进方向对节点进行筛选；最后借助相关数字地图制作软件将经筛选的矢量数据制作生成包含道路行进方向的增强型矢量数字地图。

本发明采用搭载了组合导航系统的信息采集车辆进行道路位置信息的采集。本实施方式具体采用的是高精度(水平定位精度的圆概率误差[CEP]小于0.02m)、高频率(输出频率大于等于20Hz)组合导航系统，具体型号例如美国KVH公司生产的SPAN-KVH1750组合导航系统。组合导航系统的天线安装在车顶中心位置，其惯性测量单元安装在车辆质心位置。

结合图1所示的流程图，对本发明的思想做进一步说明：

步骤一：选择需要测绘的路段并将其定义为目标道路，确定目标道路的起点和终点；

目标道路的选取范围为我国的高速公路，并且目标道路应光滑连续、不包含交叉路口；鉴于步骤二中所采用的高斯投影在小范围内精度较高，且误差会随着投影范围的增大而不断变大，故本发明中所选目标道路的长度不超过5km。为了方便在步骤四中用三次样条插值法计算目标道路平面线形的拟合曲线，目标道路的起点和终点在直道上选取。

做合理假定：目标道路的平面线形光滑连续；

步骤二：利用信息采集车辆采集目标道路的位置信息；

所述信息采集车辆搭载了组合导航系统，水平定位精度的圆概率误差小于0.02m，输出频率为20Hz，可以实时输出车辆所在位置的经纬度信息P_i(L_i,B_i)，其中L_i表示信息采集车辆在目标道路上采集到的第i组道路位置信息中的经度信息，B_i表示信息采集车辆在目标道路上采集到的第i组道路位置信息中的纬度信息，i＝1,2,3…。通常情况下每条道路(单行道除外)包含两个相反的行进方向，本步骤中选择其中一个行进方向采集目标道路的位置信息。道路位置信息采集过程中为了使信息采集点尽可能的分布均匀，将车速控制在60-70km/h(16.67-19.44m/s)，并保持在行进方向最左侧车道的中心匀速行驶，这样相邻的道路信息采集点之间的间距将被控制在0.83-0.97m之间，能很好地满足本发明的精度要求；

步骤三：将目标道路上的道路位置信息采集点P_i(L_i,B_i)定义为道路的节点，假设从目标道路起点到目标道路终点之间有m个节点。通过3度带高斯-克吕格投影对上述m个节点的经纬度坐标进行大地坐标系到高斯平面直角坐标系的转换；

本发明根据起始节点P₁(L₁,B₁)选定P₀(L₀,B₀)作为高斯-克吕格投影的原点，其中L₀＝3D，D为(L₁/3)四舍五入取整的值，B₀＝0°；坐标转换公式如下：

其中，x_i为第i个节点在高斯平面直角坐标系下的纵坐标(北向位置)，y_i为第i个节 点在高斯平面直角坐标系下的横坐标(东向位置)，l为所求点的经度L_i与L₀之差，t＝tanB_i， η＝e'cosB_i，e'为椭球第二偏心率，N为通过所求点的卯酉圈曲率半径，为赤道至纬度B_i 的子午线弧长，且其中C₀，C₁， C₂，C₃，C₄为与点位无关的系数，仅有椭球体长半轴、短半轴、第一偏心率等参数确定；具体的 坐标转化的步骤以及参数详见以下参考文献(刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法.北京: 科学出版社,2003.229-379.)、(胡伍生,高成发.GPS测量原理及其应用.北京:人民交通出 版社，2004.1-101.)。

步骤四：用三次样条插值曲线拟合目标道路的平面线形；

曲线拟合是指选择适当的曲线类型来拟合当前的数据，并用拟合曲线分析和处理数据。一般来说，用来拟合道路平面线形的曲线需要经过或非常接近道路的节点，而且具有二阶连续性。目前常用的曲线拟合方法有拉格朗日插值法、分段三次埃尔米特插值法、最小二乘法和三次样条插值法等。其中，拉格朗日插值法简单容易实现，但会出现龙格现象，而且拟合误差较大；分段三次埃尔米特插值法结合了函数的导数值，较拉格朗日插值法精度有所提高，但光滑性不够；最小二乘法对于杂乱无章的无序离散点比较适合，但对于有序的点不够理想；三次样条插值法得到的插值曲线经过目标道路上的所有节点，而且曲线光滑，保形功能也较好。

综上所述三次样条插值法能较好的完成平滑道路的拟合，本发明遂采用三次样条插值法拟合目标道路的平面线形。

定义三次样条插值函数S(x)，将上述目标道路的m个节点作为三次样条插值函数S(x)的插值点；三次样条插值函数S(x)满足以下3个约束条件：

约束条件1：三次样条插值函数S(x)经过目标道路上的所有节点，即：

S(x_i)＝y_i(i＝1,2,…,m) (2)

其中，S(x_i)为三次样条插值函数S(x)在自变量为x_i时的函数值；

约束条件2：三次样条插值函数S(x)在每个小区间[x_i,x_i+1](i＝1,2,…,m-1)上都是三次多项式，即：

S_i(x)＝A_i,1+A_i,2x+A_i,3x²+A_i,4x³(i＝1,2,…,m-1) (3)

其中，S_i(x)为在[x_i,x_i+1]区间上的S(x)，A_i,1、A_i,2、A_i,3、A_i,4为待定实数；

约束条件3：三次样条插值函数S(x)有连续2阶导数，即：

其中，S(x_i-0)为S(x)在x_i处的左极限，S(x_i+0)为S(x)在x_i处的右极限，S'(x_i-0)为S(x)在x_i处的一阶导数左极限，S'(x_i+0)为S(x)在x_i处的一阶导数右极限，S”(x_i-0)为S(x)在x_i处的二阶导数左极限，S”(x_i+0)为S(x)在x_i处的二阶导数右极限；

根据上述3个约束条件按照以下步骤计算三次样条插值函数S(x)在任一小区间[x_i,x_i+1]上的表达式：

首先，三次样条插值函数S(x)的二阶导数S”(x)由下式得到：

其中，i＝1,2,…,m-1，M_i为三次样条插值函数S(x)在x_i处的二阶导数值，M_i+1为三次样条插值函数S(x)在x_i+1处的二阶导数值，h_i为x_i+1与x_i的差，即：

h_i＝x_i+1-x_i (7)

然后，对式(5)的等式左右进行积分，得：

其中，S'(x)为S(x)的一阶导数，c_i为待定实数；

对式(8)的等式左右进行积分，得：

其中，为待定实数；

将式(2)代入式(9)，得：

结合式(8)和式(11)得：

式(13)也可以写成：

然后，将式(12)和式(14)代入式(4)，得：

μ_iM_i-1+2M_i+(1-μ_i)M_i+1＝d_i(i＝2,3,…,m-1) (15)

其中，

最后，确定边界条件：步骤一中指出所选目标道路的起点和终点均在直道上，故三次样条插值函数S(x)在第一个节点及第m个节点处的一阶导数和二阶导数均为零，即：

综合式(15)和式(18)可得如下线性方程组：

运用数值方法对上式进行解析得到M₂，M₃，…,M_m-1的值，将M₂，M₃，…,M_m-1的值带入式(9)得到三次样条插值函数S(x)在任一小区间[x_i,x_i+1](i＝1,2,…,m-1)上的表达式如下：

步骤五：计算各节点处的道路行进方向：

本发明定义道路行进方向为道路信息采集车辆的航向与正北方向所成的夹角，北偏东为正，北偏西为负。

对式(20)进行微分得：

上式即为三次样条插值函数S(x)在小区间[x_i,x_i+1](i＝1,2,…,m-1)上的一阶导数表达式；定义第i个节点处三次样条插值函数S(x)的一阶导数值为k_i，即：

k_i＝S'(x_i)i＝1,2,…,m-1 (22)

则第i个节点处目标道路的道路行进方向θ_i可由k_i通过下式计算获得：

其中，

步骤六：筛选目标道路的节点；

定义参数ξ_i为相邻节点之间道路行进方向差的绝对值，即：

ξ_i＝|θ_i+1-θ_i|i＝1,2,…,m-2 (24)

目标道路的节点的具体筛选流程详述如下：

①、将i赋值为1，即i＝1，定义经筛选后剩余的节点个数为Q，Q的初始值为m，即Q＝m。设定阈值T_A和阈值T_B。

本发明将阈值T_A设定为阈值T_B设定为根据《中华人民共和国行业标准公路路线设计规范(JTG D20-2006)》相关规定，设计速度为120KM/h的高速公路的最小圆曲线半径为650m，而本发明步骤二中信息采集车辆对目标车道的位置信息采集方法可知本发明中目标车道的相邻节点之间相距约0.83-0.97m，因此在未经筛选的初始情况下任意两个相邻的节点处道路行进方向差的绝对值都远小于阈值T_B，但是经过该筛选流程之后，任意相邻的节点处道路行进方向差的绝对值都将满足大于且小于的要求，这样就能在保证数字地图的高精度的同时尽可能的降低其数据量。

②、根据式(24)计算ξ_i并判断ξ_i与阈值T_A的大小关系：若ξ_i大于或等于阈值T_A则说明第i个节点和第i+1个节点处道路行进方向的差在0.05°和0.1°之间，满足本发明的要求，此时跳转至④；若ξ_i小于阈值T_A则说明第i个节点和第i+1个节点处道路行进方向的差小于0.05°，不满足本发明的要求，此时进行③；

③、删除第i+1个节点，原第i+2个节点成为第i+1个节点，原第i+3个节点成为第i+2个节点，以此类推，令Q的值减一，即Q＝Q-1，跳转至②；

④、令i的值加一，即i＝i+1。若此时i与Q-1的值相等，即i＝Q-1则说明所有的节点都已经筛选完成，因此跳出该筛选流程至步骤七；反之，若此时i与Q-1的值不相等，即i≠Q-1则说明还有节点没有完成筛选，因此跳转至②继续进行筛选；

步骤七：选择与步骤二中相反的道路行进方向，利用信息采集车辆在该行进方向最左侧车道的中心以60-70km/h(16.67-19.44m/s)的速度匀速行驶，从而采集目标道路的位置信息。然后按照步骤三至步骤六的方法对所采信息进行处理和筛选，得到最终的节点信息。

步骤八：通过数字地图制作软件将最终得到的节点的位置信息及节点处的道路行进方向信息制作成包含道路行进方向的增强型矢量数字地图。因为通过上述步骤得到的增强型矢量数字地图只有节点处的道路行进方向，所以非节点处取距离其最近的节点处的道路行进方向作为其所在位置处的道路行进方向。

目前已有的数字地图制作软件种类很多，制作方法也不尽相同。例如，MapInfo以表的形式组织所有图形信息和属性数据，每一个表在地图中都可以被理解成一个地图图层。通过MapInfo制作包含道路行进方向的增强型矢量数字地图的大致流程可概括如下：首先将节点的位置信息和节点处的道路行进方向信息分别制作成表，并转换成MapInfo可以打开的word，txt，mdb，xls等文件格式，然后用MapInfo打开节点的位置信息表文件，并根据位置信息创建点，最后将节点处的道路行进方向信息加进地图中，生成MIF格式的包含道路行进方向的增强型矢量数字地图。具体的数字地图制作方法可以参考文献(王家耀,李志林,武芳.数字地图综合进展.北京:科学出版社,2011)、(王家耀,孙群,王光霞,江南,吕晓华.地图学原理与方法.北京:科学出版社,2006)、(吴秀琳,刘永革,王利军.Mapinfo9.5中文版标准教程.北京:清华大学出版,2009)。

Claims (1)

1.一种包含道路行进方向的增强型矢量数字地图制作方法，其特征在于，包含如下步骤：

步骤一：选择需要测绘的路段并将其定义为目标道路，确定目标道路的起点和终点；

目标道路的选取范围为我国的高速公路，并且目标道路应光滑连续、不包含交叉路口；鉴于步骤二中所采用的高斯投影在小范围内精度较高，且误差会随着投影范围的增大而不断变大，故本发明中所选目标道路的长度不超过5km；

做合理假定：目标道路的平面线形光滑连续；

步骤二：利用信息采集车辆采集目标道路的位置信息；

所述信息采集车辆搭载了组合导航系统，水平定位精度的圆概率误差小于0.02m，输出频率为20Hz，可以实时输出车辆所在位置的经纬度信息P_i(L_i,B_i)，其中L_i表示信息采集车辆在目标道路上采集到的第i组道路位置信息中的经度信息，B_i表示信息采集车辆在目标道路上采集到的第i组道路位置信息中的纬度信息，i＝1,2,3…；通常情况下每条道路，但单行道除外，包含两个相反的行进方向，本步骤中选择其中一个行进方向采集目标道路的位置信息；道路位置信息采集过程中为了使信息采集点尽可能的分布均匀，将车速控制在60-70km/h(16.67-19.44m/s)，并保持在行进方向最左侧车道的中心匀速行驶；

步骤三：将目标道路上的道路位置信息采集点P_i(L_i,B_i)定义为道路的节点，假设从目标道路起点到目标道路终点之间有m个节点；通过3度带高斯-克吕格投影对上述m个节点的经纬度坐标进行大地坐标系到高斯平面直角坐标系的转换；

本发明根据起始节点P₁(L₁,B₁)选定P₀(L₀,B₀)作为高斯-克吕格投影的原点，其中L₀＝3D，D为(L₁/3)四舍五入取整的值，B₀＝0°；坐标转换公式如下：

其中，x_i为第i个节点在高斯平面直角坐标系下的纵坐标即北向位置，y_i为第i个节点在高斯平面直角坐标系下的横坐标即东向位置，l为所求点的经度L_i与L₀之差，t＝tanB_i，η＝e'cosB_i，e'为椭球第二偏心率，N为通过所求点的卯酉圈曲率半径，为赤道至纬度B_i的子午线弧长，且其中C₀，C₁，C₂，C₃，C₄为与点位无关的系数，仅由椭球体长半轴、短半轴、第一偏心率确定；

步骤四：用三次样条插值曲线拟合目标道路的平面线形；

定义三次样条插值函数S(x)，将上述目标道路的m个节点作为三次样条插值函数S(x)的插值点；三次样条插值函数S(x)满足以下3个约束条件：

约束条件1：三次样条插值函数S(x)经过目标道路上的所有节点，即：

S(x_i)＝y_i (i＝1,2,…m) (2)

其中，S(x_i)为三次样条插值函数S(x)在自变量为x_i时的函数值；

约束条件2：三次样条插值函数S(x)在每个小区间[x_i,x_i+1](i＝1,2,…,m-1)上都是三次多项式，即：

S_i(x)＝A_i,1+A_i,2x+A_i,3x²+A_i,4x³ (i＝1,2,…,m-1) (3)

其中，S_i(x)为在[x_i,x_i+1]区间上的S(x)，A_i,1、A_i,2、A_i,3、A_i,4为待定实数；

约束条件3：三次样条插值函数S(x)有连续2阶导数，即：

其中，S(x_i-0)为S(x)在x_i处的左极限，S(x_i+0)为S(x)在x_i处的右极限，S'(x_i-0)为S(x)在x_i处的一阶导数左极限，S'(x_i+0)为S(x)在x_i处的一阶导数右极限，S”(x_i-0)为S(x)在x_i处的二阶导数左极限，S”(x_i+0)为S(x)在x_i处的二阶导数右极限；

根据上述3个约束条件计算三次样条插值函数S(x)在任一小区间[x_i,x_i+1](i＝1,2,…,m-1)上的表达式如下：

其中，M_i＝S”(x_i)，即M_i为S(x)在x_i处的二阶导数；M_i+1＝S”(x_i+1)，即M_i+1为S(x)在x_i+1处的二阶导数；h_i＝x_i+1-x_i；

步骤五：计算各节点处的道路行进方向：

本发明定义道路行进方向为道路信息采集车辆的航向与正北方向所成的夹角，北偏东为正，北偏西为负；

对式(5)进行微分得：

上式即为三次样条插值函数S(x)在小区间[x_i,x_i+1](i＝1,2,…,m-1)上的一阶导数表达式；定义第i个节点处三次样条插值函数S(x)的一阶导数值为k_i，即：

k_i＝S'(x_i) i＝1,2,…,m-1 (7)

则第i个节点处目标道路的道路行进方向θ_i可由k_i通过下式计算获得：

其中，

步骤六：筛选目标道路的节点；

定义参数ξ_i为相邻节点之间道路行进方向差的绝对值，即：

ξ_i＝|θ_i+1-θ_i|i＝1,2,…,m-2 (9)

目标道路的节点的具体筛选流程详述如下：

①、将i赋值为1，即i＝1，定义经筛选后剩余的节点个数为Q，Q的初始值为m，即Q＝m；设定阈值T_A和阈值T_B；

本发明将阈值T_A设定为阈值T_B设定为目标道路的节点在未经筛选的初始情况下任意两个相邻的节点处道路行进方向差的绝对值都远小于阈值T_B，但是经过该筛选流程之后，任意相邻的节点处道路行进方向差的绝对值都将满足大于且小于的要求，这样就能在保证数字地图的高精度的同时尽可能的降低其数据量；

②、根据式(9)计算ξ_i并判断ξ_i与阈值T_A的大小关系：若ξ_i大于或等于阈值T_A则说明第i个节点和第i+1个节点处道路行进方向的差在0.05°和0.1°之间，满足本发明的要求，此时跳转至④；若ξ_i小于阈值T_A则说明第i个节点和第i+1个节点处道路行进方向的差小于0.05°，不满足本发明的要求，此时进行③；

③、删除第i+1个节点，原第i+2个节点成为第i+1个节点，原第i+3个节点成为第i+2个节点，以此类推，令Q的值减一，即Q＝Q-1，跳转至②；

④、令i的值加一，即i＝i+1；若此时i与Q-1的值相等，即i＝Q-1则说明所有的节点都已经筛选完成，因此跳出该筛选流程至步骤七；反之，若此时i与Q-1的值不相等，即i≠Q-1则说明还有节点没有完成筛选，因此跳转至②继续进行筛选；

步骤七：选择与步骤二中相反的道路行进方向，利用信息采集车辆在该行进方向最左侧车道的中心以60-70km/h(16.67-19.44m/s)的速度匀速行驶，从而采集目标道路的位置信息；然后按照步骤三至步骤六的方法对所采信息进行处理和筛选，得到最终的节点信息；

步骤八：通过数字地图制作软件将最终得到的节点的位置信息及节点处的道路行进方向信息制作成包含道路行进方向的增强型矢量数字地图。