高精细地图数据结构、采集和处理系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及地理信息数据采集领域、地图测绘领域，具体地，涉及一种高精细地图 数据结构、基于全景图像的高精细地图数据采集和处理系统及方法。
【背景技术】
[0002] 全球定位系统（GPS)为地理信息采集提供了较为成熟的定位技术，也是高精细地 图制作过程中必需的地理信息数据的提供者。普通单点GPS的精度远达不到建立车道级地 图的要求，一般采用差分系统（RTK-GPS)来提高GPS定位精度。但实际中RTK-GPS对GPS 信号质量要求很高，而且基站电台的覆盖范围有限，极易因为建筑、树木遮挡信号失效，所 以需要使用惯性导航系统（INS)辅助定位。
[0003] 现有导航地图精度一般不高，并且以整条道路作为对象提供道路信息数据或进行 导航指令发布，这种导航地图称之为道路级别地图，是对实际交通环境的大幅度简化，能提 供的信息量数量少，精确度低，对驾驶员的辅助能力较低。
[0004] 随着车辆先进驾驶辅助系统技术以及无人驾驶技术的发展，对地图精度以及信息 量的要求也逐渐提高，原有道路级地图已经无法满足，需要一种能提供高精度、详细道路信 息的新型尚精细地图。
[0005] 高精细地图面向的应用对象一般并非驾驶员，而是各类电子系统，从应用角度出 发，高精细地图不仅需要数据上的高精度，更要包含内容详细，条理清晰的道路信息，但是 目前对于高精细地图内容和数据结构缺少统一的细致定义。
[0006] 高精细地图制作也存在其他方法，如使用激光雷达或普通摄像头，这些方法各有 优缺点。使用激光雷达采集信息精度高，全局性好，但成本高昂，数据量大，且生成图像为反 射率图像，与现实景物存在差异；使用普通摄像头采集信息成本低廉，使用较为简便，但视 野较小，易被遮挡。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高精细地图数据结构、采集和处 理系统及方法法，使用全景相机拍摄道路全景图像，同时采集GPS原始数据、惯性导航装置 数据、旋转编码器数据，处理数据得到单张全景图像不同视角投影图像及对应的GPS、车辆 航向角信息，之后按照定义的数据结构对道理地理信息数据进行标注，得到高精细地图。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0009] 根据本发明的一个方面，提供一种高精细地图数据结构，所述结构采用分层结构， 共四层结构，每层数据互相关联，即：
[0010] 第一层：道路网络；
[0011] 第二层：车道网络；
[0012] 第三层：车道线信息；
[0013] 第四层：包含交通标志、交通信号灯等一类的特殊信息数据。
[0014] 所述高精细地图数据结构采用分层结构，每一层存储一种类型的数据，在地理信 息查询和地图显示的过程的中可只对相应层数据进行操作，每层的具体信息可根据需要增 减，这样能够提高地图数据的使用效率，方便在数据库中存储和使用。
[0015] 上述高精细地图数据结构，使用带有空间扩展的数据库管理系统，能方便地进行 数据库连接和检索。是本发明中以下所获得的高精细地图数据标注的依据，也是各类面向 道路的车道级高精细地图可通用的结构定义。
[0016] 根据本发明的第二方面，提供一种基于全景图像的高精细地图数据采集和处理系 统，包括：全景图像拍摄处理模块、GPS处理模块、惯性导航模块、旋转编码器以及地理信息 处理模块，其中：
[0017] 全景图像拍摄处理模块，用于采集多镜头不同视角图片，并输出拼接过的全景图 片，全景图片经图像算法处理后，获取俯视投影图和前视投影图作为地理信息处理模块输 入，用于地理信息标注；
[0018] GPS处理模块，用于接收GPS卫星信号，以及接收惯性导航模块数据、旋转编码器 数据，将接收到的GPS原始数据经精确单点定位技术处理以及与惯性导航模块数据、旋转 编码器数据融合，获得高精度GPS数据，高精度的GPS数据可作为地理信息处理模块输入， 用于地理信息标注；
[0019] 惯性导航模块，用于接收惯性导航装置数据，并输入到GPS处理模块，主要用于与 GPS数据、旋转编码器数据融合以获取高精度GPS数据，以在GPS信号丢失情况下的数据推 算；
[0020] 旋转编码器，根据车轮旋转圈数，获取车辆里程信息，并并输入到GPS处理模块， 主要用于与GPS数据、旋转编码器数据融合以获取高精度GPS数据，帮助推导车辆航向角数 据；
[0021] 地理信息处理模块，接收全景图像处理所得的俯视投影图和前视投影图以及高精 度GPS数据，将所有数据汇入地理信息标注工具软件，在单张俯视投影图上，根据高精细地 图定义，标注一系列道路信息，生成高精度地图。
[0022] 优选的，所述全景图像拍摄处理模块架设在数据采集车辆上并高出车辆顶端，所 述旋转编码器安装在车轮上，旋转编码器每检测到车辆行驶过一段距离，就使系统发送一 个触发脉冲，该脉冲触发全景相机使之进行全景图像拍摄，同时触发一次时间戳记录，用于 后处理中获取该全景图像对应的GPS数据。
[0023] 优选的，所述GPS处理模块，对采集的GPS原始数据使用精确单点定位技术做后处 理，得到厘米级别的高精度GPS数据，用于全景图像拍摄位置的定位，针对信号遮挡区域无 法获取GPS数据的情况，引入扩展卡尔曼滤波器对GPS原始数据、惯性导航装置数据、编码 器数据进行融合，融合后得到精度很高的GPS结果，同时得到精确的车辆航向角数据。
[0024] 优选的，所述地理信息处理模块，利用前视投影图来观察道路结构，俯视投影图与 得到的GPS数据和车辆航向角数据结合，用以推测俯视投影图中每个像素的GPS信息，这也 是后续标注地理信息数据的基础。
[0025] 优选的，所述地理信息处理模块，在单张俯视投影图上标注一系列道路信息，包 括：道路边沿、车道线、路面标志、交通标志、路口点信息、特殊区域，或者根据实际需要添加 新信息类型，标注完的信息共同组成高精细地图的地图数据。
[0026] 优选的，所述地理信息处理模块，将获取的数据导入数据库表格中，然后使用地理 编辑软件对数据进行可视化编辑，可观察到车道级高精细道路地图，其中数据精度可达厘 米级。
[0027] 根据本发明的第三方面，提供一种基于全景图像的高精细地图数据采集和处理方 法，具体步骤如下：
[0028] 步骤1、在数据采集车辆上架设高出车辆顶端全景相机，在车轮上安装旋转编码 器，旋转编码器每检测到车辆行驶过一段距离，就使系统发送一个触发脉冲，该脉冲触发全 景相机使之进行全景图像拍摄，同时触发一次时间戳记录，用于后处理中获取该全景图像 对应的GPS数据；
[0029] 步骤2、对采集的GPS原始数据使用精确单点定位技术（PPP)做后处理，可以得到 厘米级别的高精度GPS数据，用于全景图像拍摄位置的定位，针对信号遮挡区域无法获取 GPS数据的情况，本发明引入了扩展卡尔曼滤波器，对GPS原始数据、惯性导航装置数据、编 码器数据进行融合，融合后可以得到精度很高的GPS结果，同时得到精确的车辆航向角数 据；
[0030] 步骤3、对全景图像进行处理，运用球心投影算法，根据全景相机水平偏角以及俯 仰角数据获取对应特定视角的投影图，这里使用俯视投影图和前视投影图；
[0031] 步骤4、步骤3中得到的前视投影图用来观察道路结构，俯视投影图与步骤2中得 到的GPS数据和车辆航向角数据结合，用以推测俯视投影图中每个像素的GPS信息，这也是 后续标注地理信息数据的基础；
[0032] 步骤5、在单张俯视投影图上标注一系列道路信息，包括：道路边沿、车道线、路面 标志、交通标志、路口点信息、特殊区域等，也可根据实际需要添加新信息类型，标注完的信 息共同组成高精细地图的地图数据；
[0033] 步骤6、将获取的数据导入数据库表格中，然后使用地理编辑软件对数据进行可视 化编辑，可观察到车道级高精细道路地图，其中数据精度可达厘米级。
[0034] 本发明与现有技术对比，其有益效果如下：
[0035] (1)本发明以全景图像作为地图图像采集手段，具有采集成本低，视野范围广的特 点，全景图像转为俯视投影图后，分辨率高，可清晰看到地面细节，这是航空图片、卫星图片 等采集方式无法做到的；
[0036] (2)本发明数据处理中使用精确单点定位技术（PPP)以及基于扩展卡尔曼滤波器 的多传感器数据融合，处理可得厘米级别的高精度的GPS数据和车辆航向角数据，用于后 续数据