1、第 48 卷第 1 期2023 年 2 月Vol.48 No.1Feb.2023测绘地理信息Journal of Geomatics高精地图相关标准及数据模型的研究蔡忠亮1 王孟琪1 李伯钊1 亢孟军11 武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉，430079Research on High-Definition Map Related Standards and Data ModelsCAIZhongliang1 WANGMengqi1 LIBozhao1 KANGMengjun11 School of Resources and Environmental Sciences，Wuhan Un
2、iversity，Wuhan 430079，China摘要：高精地图相关标准的制定与推动是地图学和汽车领域近年亟待解决的问题。目前，高精地图的相关标准以欧洲为主导，具有国内特色的高精地图技术标准进度相对滞后。从高精地图中道路元素定义、道路网络关系表达等方面，介绍并分析了现阶段较为通用的高精地图标准和数据模型，以期为高精地图的研究者提供启发与思路，推动高精地图模型相关研究与应用的工作进展。关键词：高精地图标准；高精地图数据模型；OpenDRIVE；Lanelet2中图分类号：P208文献标志码：AAbstract：Developing and promoting high-definition（
3、HD）map-related standards is an urgent issue to be solved in the fields of cartography and automotive industry.Currently，the standards related to HD maps are mainly dominated by Europe，and the progress of HD map technology s standards with domestic characteristics is lagging.We introduce and analyze
4、the common HD map standards and data models in terms of road element definitions and road network relationship expressions.It is expected that this research will provide inspiration and ideas for researchers and promote the progress of work on research and application related to HD map models.Key wo
5、rds：high-definition map standard；high-definition map data model；OpenDRIVE；Lanelet2随着信息技术的高速发展，传统车载电子导航地图提供的信息已经不能满足自动驾驶和智能交通产业的需求。自动驾驶行业需要精度更高、时效性更好、要素更全面的地图产品来实现机器替代人类驾驶车辆的目标，因此更多地图厂商和科研人员开始着眼于高精地图产品的研究。高精地图在自动驾驶行业也被称为高度自动驾驶地图或者自动驾驶地图1，2。虽然暂时没有统一的定义，但是一般认为高精地图是一种绝对精度和相对精度在厘米级的高分辨率、高时效、高丰度的导航地图，是为自动
6、驾驶和智能交通系统提供服务的电子地图产品3。人工智能技术和 5G 通信技术的兴起为自动驾驶行业提供了新的智能化生态体系，高精地图产品将成为智能驾驶应用中不可或缺的一部分。美国汽车工程师学会将自动驾驶等级划分为 L0 级到 L5级，其中，L3级以上的自动驾驶更依赖高精地图4，5。学术界认为高精地图与控制理论、视听觉认知计算、汽车控制等领域的深度融合将成为自动驾驶行业的研究热点和未来的发展方向6-8。高精地图不仅是智能驾驶的基础设施，还可以成为辅助智能驾驶的特殊工具。高精地图的作用距离不受天气影响，能够为车辆提供超视距感知功能；预先储存在高精地图内的丰富的数据内容能够辅助车辆快速识别道路周边环境、
7、车道标线等，降低车辆感知计算的复杂度，提高感知数据的处理效率，有效提高感知精度。智能驾驶车辆配置的定姿定位系统等分米级或厘米级定位设备造价昂贵。高精地图提供的高分辨率信息可以有效辅助智能驾驶定位，降低无人车推广成本。另外，高精地图内存储的地理元素信息和动态交通信息，可以通过全局路径规划为驾驶车辆提供最优路线和行驶策略，精细的地图元素信息（车道线、拐弯标志牌等）的三维坐标和相关参数（道路曲率、坡度等）具有驾驶行为控制功能，除了辅助车辆实现车道级定位外，还能为车辆的安全行驶提供重要的冗余保障9。目前，国内外多数知名的地图厂商均已开展高DOI：10.14188/j.2095-6045.2022545
8、文章编号：2095-6045（2023）01-0030-05引用格式：蔡忠亮，王孟琪，李伯钊，等.高精地图相关标准及数据模型的研究 J.测绘地理信息，2023，48（1）：30-34（CAIZhongliang，WANG Mengqi，LI Bozhao，et al.Research on High-Definition Map Related Standards and Data ModelsJ.Journal of Geomatics，2023，48（1）：30-34）基金项目：国家重点研发计划（2021YFB2501101）。第 48 卷第 1 期蔡忠亮等：高精地图相关标准及数据模型的研
9、究精地图产品的研发和测试，例如，国外的 HERE、TomTom、DMP、DeepMap 公司等，国内的百度、高德、中海庭公司等。然而，多数自动驾驶公司和地图厂商生产的高精地图产品采用的是自定义格式或扩展的通用地图数据格式，虽然能满足特定驾驶场景的要求，但在通用性和大规模应用的需求下仍存在欠缺10。整合测绘、汽车和交通全行业资源，制定具有中国特色的地图产品统一标准，可推进高精地图的规模化发展，进而推动中国自动驾驶、智能交通产业的发展和应用9。本文主要从高精地图的道路要素定义、道路网络关系表达等方面对常用的几种高精地图标准和地图模型进行分析，以期为高精地图模型研究提供新思路。1 高精地图标准智能驾
10、驶车辆的很多自动化处理模块都依赖高精地图中的精确信息。通常情况下，构建高精地图要关注路网、道路及周边环境、物理元素三类数据11。数据模型是现实世界中实体的数据特征的抽象，用于描述一组数据的概念和定义，包括数据结构、数据操作和约束条件三要素。数据模型一般分为概念模型、逻辑模型和物理模型，在数据结构中对应概念结构、逻辑结构和物理结构。因抽象程度和方法不同，相同实体的数据模型可能存在差异。数据标准侧重于数据交换对象、内容与规则等，多用于数据生产、组织、共享与交换的标准化。数据标准一般是对多种数据模型的抽象，也出现过权威机构定义的数据模型逐步转换为数据标准的情况，用于指导对应领域的数据生产、组织、交换
11、与共享等。数据产品则是在数据标准的指导下，基于数据模型生产的面向特殊用户或用途的数据（形态）。高精地图模型将道路等客观对象抽象为具体的信息结构，准确反映当前路况等信息，辅助自动驾驶应用快速精准地实现规划决策等功能。高精地图标准定义了各类数据的组成形式，规范了高精地图模型中道路等实体的数据表达方式，为高精地图产品的生产应用提供了指导。现阶段大部分高精地图产品是基于国际上流行的导航电子地图标准和自动驾驶地图数据标准进行生产的，较为通用的标准有地理数据文件（geographic data files，GDF）、KIWI、导航数据标准（navigation data standard，NDS）和 Op
12、enDRIVE 等。国内的高精地图相关标准处于立项或征求意见稿阶段，例如 智能运输系统智能驾驶电子地图数据模型与交换格式 道路高精度电子导航地图数据规范等，主要定义了道路等要素的数据模型和数据交换格式，能解决模型不统一、格式各异、无法直接应用等智能驾驶中高精地图存在的问题。1.1GDF 5.1标准国际化组织智能运输系统技术委员会于 2020年 11月发布了 GDF 5.1-part2文件12。该文件规定了概念和逻辑数据模型以及用于智能交通系统（intelligent traffic system，ITS）应用和服务的地理数据库的物理编码格式，进一步定义了用于自动驾驶系统、Cooperative
13、-ITS和多式联运的地图数据。GDF中每一个要素都属于一个要素类，要素类由唯一的名称和代码进行区分。图 1展示了 GDF 5.1的总体概念数据模型，GDF中不允许存在没有要素类的要素或者一个要素属于多个要素类的情况13。GDF 有简单要素和复杂要素两种类型。复杂要素可以是多个简单要素或者复杂要素的集合。属性是用来区分一个要素和其他要素的独立特征，每个要素可以有多个属性或者属性为空。关系用来关联两种或多种要素，一种关系也可以有多个属性或者属性为空。在 GDF 5.0中，道路和与道路相关的对象是由一个基本数据模型描述的。道路和交叉口用线和点表示；双向道路元素由等级属性来统一成单一的道路要素。这种数
14、据模型能充分将道路数据表达为一个网络，并用在传统导航系统中的路径、定位和地图显示功能中14。然而，在新兴 ITS中，自动驾驶系统和 Cooperative-ITS中的车道保持功能需要利用高分辨率的信息来识别车辆所在道路的具体车道和该车在车道内具体的行驶位置12。道路和与道路相关的对象（参考线、车道中心线）应该以特殊的线状区域要素来表示，以突出车辆运动的方向12。在 GDF 5.0 标准中定义的基本数据模型虽然能帮助车辆识别所在的道路和车道，但是区域特征可能会由线状转化为点状，不能满足 ITS 应用的要求。因此，GDF 5.1的 part2图 1GDF 5.1总体概念数据模型12Fig.1Ove
15、rall Conceptual Data Model of GDF 5.11231测绘地理信息2023 年 2 月引入了 Belt 的概念。Belt 作为一个特定的区域要素，可以转换为线状，用于表达道路和与道路有关的具有方向和宽度属性的物体。如图 2所示，每个 Belt所包含的区域由终端线和边线确定，具有方向和宽度的特征。Belt中的边线由车道边缘、划分车道的路标、护栏等对象来表示，终端线表示的是逻辑上的线要素，在现实世界没有对应的物体。在交叉路口处，Belt至少包含两个方向特征，Belt的宽度就是相对位置的边线间的距离。对 GDF文件进行 ASCII编码后，以单一文件形式进行保存，且文件格式
16、为纯文本，一般是在对GDF文件格式转换后才能使用。1.2OpenDRIVE标准OpenDRIVE 标准由自动化及测量系统标准协会（Association for Standardization of Automation and Measuring System，ASAM）发布，使用可扩展标记语言（extensible markup language，XML）来描述道路网络，存储的数据描述了道路、车道等对象的几何形式以及道路沿线的特征，主要目的是为道路描述提供标准化格式，降低行业开发和测试过程中转换文件的成本15。1）参考线是 OpenDRIVE 路网结构中的核心部分，所有道路基于参考线组成15。参考线位于道路的中心，车道连接到参考线。道路的其余特征，例如车道线等，都是以参考线为基础扩展的。标志牌等具有特征的对象除了使用全局坐标系放置外，也可以使用参考线来放置。参考线的几何形状由 Planview元素下的 geometry标签的值决定。2）OpenDRIVE 中的道路都以 road 元素表示，一条道路由多段分开的道路组成，每段道路的几何形状都可以不同15。每条道路中可以有多个参考线，通