高精地图OpenDRIVE数据格式转换研究_马英才.pdf

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 OpenDRIVE数据格式转换研究马英才1 徐之俊2 刘子雯1 周剑3 王昊1 李连营11 武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉，4300792 湖北省测绘成果档案馆，湖北 武汉，4300743 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉，430079OpenDRIVE Data Format Conversion of High-Definition MapMAYingcai1 XUZhijun2 LIUZiwen1 ZHOUJian3 WANGHao1 LILianying11 School of Resources and Environmental Sciences，Wuhan University，Wuhan 430079，China2 Hubei Archives of Surveying and Mapping Production，Wuhan 430074，China3 State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying，Mapping and Remote Sensing，Wuhan University，Wuhan 430079，China摘要：OpenDRIVE格式是高精地图数据的存储格式标准，但从原始数据采集到 OpenDRIVE 高精地图生成的过程涉及环节多、过程复杂，构建难度大。为此，设计了从 shp数据到 OpenDRIVE 格式的高精地图构建方案，重点解决了轨迹坐标计算、曲线拟合、节点属性值计算、仿真验证等关键问题，并通过真实数据的转换验证了方案的可行性，有效提高了 OpenDRIVE高精地图生成的自动化程度。关键词：高精地图；OpenDRIVE；格式转换；应用仿真中图分类号：P208文献标志码：AAbstract：OpenDRIVE format is the storage format standard of high-definition map data.However，it is a very complex process from original data acquisition to the generation of OpenDRIVE high-definition map，which involves many links.And it is difficult to be constructed.Therefore，we design a high-definition map construction scheme from shp format to OpenDRIVE format，focusing on solving the key problems such as trajectory coordinate calculation，curve fitting，node attribute value calculation，simulation verification and so on.The feasibility of the method is verified by converting real data，and the automation degree of OpenDRIVE high-definition map generation is effectively improved by the proposed scheme.Key words：high-definition map；OpenDRIVE；format conversion；application simulation高精地图包含准确的几何坐标信息、道路形状以及每个车道的坡度、曲率、航向、高程等信息，可以提升静态地物语义识别的优势和感知算法的效率，提供环境的详细信息1。目前，高精地图采集方式主要有专业测绘模式和众包采集模式两种。在传统方法中，数据处理主要是对点云进行三维环境重构，并利用一些复杂的算法提取道路特征2。非传统方法包括对高精度的遥感影像数据和轨迹数据进行处理，提取车道线。张萍等3提出一种能有效提取相似轨迹的改进最长公共子序列（longest common subsequence，LCSS）算法；张世强等4利用道路缓冲区去除非道路要素，再使用形态学算子去除噪声，并利用方向和面积因子提取不同的车道线。目前，高精地图的构建技术与格式规范并不统一，仍处于探索发展阶段。国际上流行的自动驾驶高精地图格式主要有导航数据标准（navigation data standard，NDS）、OpenDRIVE、OpenStreetMap（OSM）、KIWI5。OpenDRIVE 作为一种流行的高精地图标准，已经被很多公司使用。Althoff 等6提供了 OpenDRIVE到 Lanelets的转换器，解决不同公司和研究机构之间高精地图格式不一致的问题；Shi7以 OSM 为数据源，将其转换为 OpenDRIVE 格式；Idrobo8研发了一个 OpenDRIVE 数据格式的地理处理工具箱，可将 OpenDRIVE 文件转换为标准GIS矢量，并进行可视化。虽然 OpenDRIVE已经得到广泛应用，但是目前并没有一个普遍的 shp 转OpenDRIVE 的工具。本文重点研究了矢量地图数DOI：10.14188/j.2095-6045.2021559文章编号：2095-6045（2023）01-0093-04引用格式：马英才，徐之俊，刘子雯，等.高精地图 OpenDRIVE 数据格式转换研究 J.测绘地理信息，2023，48（1）：93-96（MA Yingcai，XU Zhijun，LIU Ziwen，et al.OpenDRIVE Data Format Conversion of High-Definition Map J.Journal of Geomatics，2023，48（1）：93-96）基金项目：国家重点研发计划（2018YFB1600600）；国家自然科学基金重点基金-中国汽车产业创新发展联合基金（U1764262）。测绘地理信息2023 年 2 月据 shp到 OpenDRIVE格式高精地图的转换工艺，根据 OpenDRIVE 地图格式的规范及需求，实现地图数据从 shp到 OpenDRIVE格式的自动转换，以满足自动驾驶对高精地图的需求。1 技术流程1）点云数据处理。采集车完成数据的采集后，将这些激光数据转为 2000 国家大地坐标系（China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000）下的标准格式的激光点云，并进行矢量化提取，将生成的点、线、面数据导入 ArcGIS，并存储为 shp格式。2）shp 数据构建。对采集到的点云数据进行矢量化提取，得到点、线、面矢量数据，并根据 OpenDRIVE规范设计字段。3）OpenDRIVE 格式转换。根据 OpenDRIVE规范，对格式转换中用到的算法进行实现，并将计算结果填写到生成的 xodr文件中。4）仿真验证。在仿真平台验证转换格式后的数据，主要是对道路及车道间的拓扑关系进行验证。Sumo作为一款仿真软件，可以针对性地规划一条道路上每辆车的运行路线，并将其展示出来。因为路口处的连接情况多且复杂，所以在 Sumo 的可视化平台中主要对路口处的车流进行检验，根据车流是否能够通行来判断拓扑连接是否正常。2 shpshp到 OpenDRIVEOpenDRIVE格式转换设计2.1OpenDRIVE格式解析OpenDRIVE 采用可扩展标记语言（extensible markup language，XML）描述了基于轨迹的道路网络，并以多级标签的形式将复杂、丰富的道路信息存储在 xodr文件中。OpenDRIVE结构如图 1所示。2.2需要计算的属性OpenDRIVE 要求的属性中，有些不能从 shp数据中直接得到，需要经过代码计算，再以标签属性的方式填入 OpenDRIVE文件。几何对象属性见表 12.3转换中的关键问题1）heading（hdg）值计算。每条参考线的 hdg 值即为该参考线起点处的切线斜率，以正东方向为x轴，正北方向为y轴，顺时针为负值，逆时针为正值，角度记录的格式为弧度制。计算过程见图 2。2）道路曲线拟合。shp 数据中的线数据由一系列绝对坐标点数据组成。而 OpenDRIVE 中，无论是道路形状的拟合还是高程变化的趋势均以曲线方程式的形式存储，所以要在满足精度误差要求的条件下对点数据进行曲线拟合。如何在保证精度的情况下进行曲线拟合是数据转换中的重要问题。有学者提出了基于 GPS的道路线形拟合方法，将最小二乘法和 GPS 测量数据应用于道路线形拟合9，10；也有学者提出了一种基于 MATLAB 和 CAD 平台的道路线性拟合方法，通过 MATLAB 的曲线拟合工具箱实现对道路线形的拟合11。本文采用最小二乘方法，调用 Python 库中的polyfit函数拟合三次多项式构造的曲线，并参考文献 9 中的方法对道路进行分割，对小的道路基元进行拟合，原矢量图与拟合结果见图 3。要注意的是，每个基元序列连接在一起后，要保证在连接点处的两个基元序列的斜率几乎相等。如果斜率差距过大，导入仿真软件时，连接点处会存在沟壑，导致车辆无法通行。本文选取前一条曲线的终点和当前曲线的起点进行斜率计算，以保证前后曲线连接处的斜率变化在误差范围内。3）拓扑关系计算。在 OpenDRIVE 规范中，道路、参考线、车道都要进行拓扑关系计算。道路的拓扑关系包括一条道路的前任道路以及后继道路。如果一条道路的起点或终点连接的是另一条道路，那么该道路的前任或者后继就是道路，否则判断该道路的前任或者后继是否为路口。详细拓扑关系图 1OpenDRIVE格式分级结构Fig.1Hierarchical Structure of OpenDRIVE Format94第 48 卷第 1 期马英才等：高精地图 OpenDRIVE数据格式转换研究计算流程如图 4所示。4）信号灯坐标计算。在 OpenDRIVE 中，信号灯的坐标通过s、t记录。s指信号灯在当前道路的位置距离道路起点的长度，t指信号灯与当前道路的垂直距离。计算方法如下：从起点遍历道路的节点；计算当前节点的累计距离s；计算当前节点与信号灯的距离；找到与信号灯距离最近的两个点，信号灯的s值即为当前的s值；计算两个点的直线方程；计算该直线方程与信号灯的距离t；根据信号灯与直线方程的相对位置关系判断t值的符号。5）生成 xodr 文件。将处理好的 shp 数据导入PostgreSQL空间数据库，编写 Python脚本连接数据库，使用 ElementTree 库创建 xodr 文件。遍历道路图层表中的属性并将其填入对应标签。3 实例研究本文选取武汉市智能网联汽车与智慧交通应用示范区内单向约 120 km 的范围进行高精地图制作，其中包含了环岛、十字交叉路口等重要路况，以及红绿灯、标志牌等道路设施。实验所用操作系统为 Windows10、Centos7虚拟机；矢量数据编辑软件为 ArcGIS 10.2；编程语言为Python3.7；编译器为 Pycharm 2019.3.3；数据库为PostgreSQL；OpenDRIVE 地 图 查 看 工 具 为OdrViewer；仿真软件为 Sumo。3.1实验结果转换结果见图 5。从转换后的图形来看，矢量要素的数量完整，要素之间的连接关系正常。3.2检验及分析3.2.1转换质量shp 数据的要素与 OpenDRIVE 要素转换质量如表 2 所示。其中，道路和交叉口的转换正确率为100%，而其他要素则略有损失。分析后发现，车道缺失是因为 shp 数据中的 laneID 重复，实际车道应该更多