一种带有道路纵向坡度的增强型数字矢量地图制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于地理信息系统领域，涉及一种带有道路纵向坡度的增强型数字矢量地 图制作方法。
【背景技术】
[0002] 数字地图是通过数字化的方法，把城市地理信息以一定的格式存储起来，并能以 连续地图的形式呈现出来，本质上是一个城市地理数据库。数字地图可提供丰富的基于位 置的服务，为人们的生活带来了极大的便利。然而目前的数字地图存在以下问题:数字地图 精度较低，无法通过已有信息进一步计算获得精度较高的道路坡度等信息;地图信息匮乏， 一般仅包含位置信息，而对于一些人们关注的重要信息，例如道路的航向、曲率、坡度、附近 楼层的高度等信息并没有包含;数字地图目前制作复杂、专业性要求很高，需要掌握空间变 换、几何变换算法、矢量与栅格数据模型等;除了对专业性有很高的要求，传统数字地图制 作过程中很多测绘工作需要由人工来完成，工作量大且效率不高，制作成本相对较高。
[0003] 针对上述问题，近几年国内外开始关注增强型数字矢量地图，其不仅包含了普通 地图所包含的位置信息，还包含了一些特有的信息，例如道路的航向、坡度、路边房屋的高 度等，增强型数字矢量地图相对于普通数字地图具有更加广泛的运用前景。本专利提出了 一种带有道路纵向坡度的增强型数字矢量地图制作方法。传统的道路坡度测量设备(坡度 测量仪、全站仪、水平仪等），当需要测量道路里程较长时，往往因为测量工作量太大、数据 采集方式复杂，难以满足大规模应用的需求。因此本发明使用了多传感器信息采集车辆进 行道路坡度的采集，简单易行、效率高。带有道路纵向坡度的增强型数字矢量地图包含了道 路纵向坡度信息，其在车辆主动安全等领域有着广泛的应用。例如，近几年客车在山区道路 翻车事故频繁发生，造成巨大的人员财产损失，司机对当前路况判断失误以及缺乏对复杂 环境中路况的提前预警是事故发生的主要原因之一。其中道路的纵向坡度是一种非常重要 的道路信息，道路的纵向坡度对于车辆档位控制、速度控制有着重要的参考价值，司机提前 获得准确的道路纵向坡度信息可以有效的避免车辆出现翻车等一系列事故。因此制作带有 道纵向路坡度的增强型数字矢量地图，有着重要的现实意义。
【发明内容】
[0004] 本发明提出了一种带有道纵向路坡度的增强型数字矢量地图的制作方法，已解决 现有数字地图制作工作量大、过程复杂、精度不够高、缺乏道路的纵向坡度信息（其在车辆 主动安全领域有着广泛的应用）的问题。
[0005] 本发明提出一种带有道路纵向坡度的增强型数字矢量地图制作方法。首先选定道 路，确定道路起始点与终点；通过多传感器信息采集车辆，采集道路的位置、车辆的状态信 息;然后将道路位置的经炜度坐标转化为平面坐标，并将转化后平面坐标表示的位置作为 道路的节点；通过基于多传感器信息的道路纵向坡度估计算法，估计出每个节点位置的道 路纵向坡度;最后将节点位置以及纵向坡度信息，利用数字地图制作软件制作成带有道路 纵向坡度的增强型数字矢量地图。
[0006] 具体实施步骤包括：
[0007] 具体实施步骤包括：
[0008] 步骤一、首先选定道路；
[0009] 首先将需要测绘的道路进行分割，选定需要进行量测的部分，确定需要测绘部分 的起始点与终点。本专利所适用的道路为高速公路以及一级、二级公路，且所适用的道路光 滑连续，不包含交叉路口。鉴于步骤二所采用的高斯-克吕格投影在局部范围精度较高，因 此选择的道路长度不超过5km。
[0010] 步骤二、通过多传感器信息采集车辆，采集道路位置以及车辆的状态等信息；
[0011] 本方法采用了多传感器信息采集车辆，其搭载的卫星定位系统可以实时输出道路 位置Ri(LiBi)、车辆的垂直速度Vz,i、车辆的水平速度Vx Y,i以及卫星定位系统接收到的卫星 数Nsat,i，其中Li、Bi分别表示经度、炜度;纵向加速度传感器输出车辆纵向加速度信息Ai，其 中i表示开始采集后接收到的信息的序号，i = 1，2，3....。通过同时开始采集多种传感器信 息并统一各个传感器信息输出频率(输出频率均为20Hz )，保证采集序号相同的信息--对 应。同一时刻所采集的信息有:车辆所在位置的经炜度信息Ri(UBi)、车辆的垂直速度Vz,i、 车辆的水平速度VxY,i、卫星定位系统接收到的卫星数Nsat,i以及车辆纵向的加速度Ai。车辆 在信息采集的过程中需要保持车辆平稳运行，以保证车身与地面尽量平行，减小在估计道 路纵向坡度时因为车身倾斜而产生的误差。同时采集车辆的胎压需要保持一致，避免因车 辆胎压不同导致的道路坡度估计误差。道路信息采集过程中为了保证采集的信息密度均 匀，车速要保持匀速，且车速在55-65km/h范围以内，这样保证采集的道路位置信息的间距 适中，所采集的位置信息间距在0.764-0.903m之间。由于道路中车道之间基本平行，所以本 专利选取行进方向左侧车道来提取道路的纵向坡度信息，且采集过程中采集车辆沿车道中 心行驶。
[0012] 步骤三、将采集到经炜度坐标转化成平面坐标，并将转化后平面坐标表示的位置 作为道路的节点；
[0013] 由于制作地图需要平面直角坐标系坐标，本发明采用较为成熟的3度带高斯-克吕 格投影方法，将经炜度坐标心0^ 投影为高斯平面直角坐标系坐标坐标转 换后对应的平面直角坐标系的纵坐标(北向位置），yiS坐标转换后对应的平面直角坐标系 的横坐标(东向位置）。根据起始点Rl (Ll )选定Ro (Lo Bo)作为高斯-克吕格投影的原点，其 中L〇 = 3D，D为(W3)四舍五入取整的值，B〇 = 0°。经炜度坐标Ri(U Bi)转换公式如下所示：
[0014]
[0015] 式（1)为高斯投影公式的泰勒级数展开式，式中省去了7次以上高次项，其中4^为 赤道至炜度Bi的子午线弧长，且％ = G馬- ms场十C2 sin3馬+ :C3.sin% +C4、sin%)， 1为所求点的经度U与L〇之差，t = tan cos BiY为椭球第二偏心率，N为通过所求 点的卯酉圈曲率半径，Co，Ci，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。目前矢量地图多采用点的连线来表示道路，所以本发明将转换后平 面坐标Pl(XlYl)所表示的位置作为道路的节A Nl(XlYl)，通过节点的连线表示道路。
[0016] 步骤四、通过基于多传感器信息的道路纵向坡度估计算法，估计出节点处的道路 纵向坡度；
[0017] 本发明提出了一种基于多传感器信息的道路纵向坡度估计算法。该算法通过基于 高精度卫星定位系统的道路纵向坡度估计模型和基于车辆纵向加速度传感器的道路纵向 坡度估计模型融合得出精度更高、鲁棒性更好的道路纵向坡度估计值。本发明中坡度采用 百分比法表示。
[0018] 1)基于高精度卫星定位系统的道路纵向坡度估计模型，利用高精度卫星定位系统 的数据估计出道路坡度。具体的估计方式:通过高精度卫星定位系统获取车辆的垂直速度 Vz, i和水平速度Vxy, i，然后根据公式
[0019]
[0020]得出道路纵向坡度θ14。
[0021] 2)基于车辆纵向加速度传感器的道路纵向坡度估计模型，利用多传感器信息采集 车辆获取到车辆的状态信息结合车辆的运动学模型估计出道路坡度。具体的估计方式:根 据采集的车辆纵向加速度Ai，考虑到信息采集车辆通常行驶在匀速状态(车辆的纵向加速 为重力加速度在纵向上的分量），然后通过公式
[0022]
[0023]得出道路纵向坡度02>i，其中g为重力加速度g = 9.8m/s2。
[0024] 本算法依据卫星定位系统接收到的卫星数，将两种道路纵向坡度估计模型的结果 进行融合，得出精度更高、鲁棒性更好的道路纵向坡度。最终的道路纵向坡度9i可由融合公 式
[0025] θ? = αι X Θι，?+α2 X Θ24 (4)
[0026] 获得，其中(^、吧分别为两种模型的融合系数，αι、α^取值由当时卫星定位系统接 收到的卫星数决定，具体的取值如下表所示： Γηη〇7?
[0028] 步骤五、将节点的位置信息NiUyd以及纵向坡度信息01通过数字地图制作软件 制作成带有道路纵向坡度的增强型数字矢量地图。
[0029] 根据获得到的节点位置信息以及该节点的道路纵向坡度信息01通过数字 地图自作软件生成带有道路坡度的增强型数字矢量地图。首先利用节点的连线来表示所选 取的道路，然后通过增加节点的坡度信息列表的方式将对应节点的道路纵向坡度信息增加 到地图上。
[0030] 有益效果如下：
[0031] 本方法采用的基于多传感器信息的道路纵向坡度估计算法，估计出道路的纵向坡 度，该算法结合了多种传感器的优点，避免了单一传感器的不足，精度高、鲁棒性好;通过信 息采集车辆进行道路信息以及车辆状态信息的采集，不需要大量的人工测绘工作，实施方 便;