本文談?wù)?a target="_blank">高精度地圖，從三個(gè)方面展開。首先需要理性地了解高精度電子地圖是什么，它和傳統(tǒng)地圖真正的區(qū)別在哪；其次再討論高精度地圖在無人車領(lǐng)域是如何應(yīng)用的；最后結(jié)合高精度地圖這個(gè)行業(yè)聊一聊高精度地圖所遇到的挑戰(zhàn)。

前言

前面的分享，將無人車上所用到的主流傳感器都做了介紹。這些傳感器都是看得到，摸不著的實(shí)物。在無人車自動駕駛的過程中，還有一種看不見、摸不到的“傳感器”也在發(fā)揮著巨大作用，它就是高精度電子地圖。

高精度電子地圖也稱為高分辨率地圖（HD Map，High Definition Map），是一種專門為無人駕駛服務(wù)的地圖。與傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖不同的是，高精度地圖除了能提供的道路（Road）級別的導(dǎo)航信息外，還能夠提供車道（Lane）級別的導(dǎo)航信息。無論是在信息的豐富度還是信息的精度方面，都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖的。

通過下圖，可以感性地看出傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖與高精度電子地圖的區(qū)別。

正文

談?wù)摳呔鹊貓D，從三個(gè)方面展開。首先需要理性地了解高精度電子地圖是什么，它和傳統(tǒng)地圖真正的區(qū)別在哪；其次再討論高精度地圖在無人車領(lǐng)域是如何應(yīng)用的；最后結(jié)合高精度地圖這個(gè)行業(yè)聊一聊高精度地圖所遇到的挑戰(zhàn)。

高精度地圖是什么？

現(xiàn)階段的高精度地圖更多地被定義為：服務(wù)于無人駕駛駕駛的地圖。相比于傳統(tǒng)地圖的“定性”描述來說，高精度地圖是一種“定量”的描述。

以坡度為例，傳統(tǒng)地圖能提供的僅僅是前方有上（下）坡這個(gè)信息，但無法提供上（下）坡的角度；

以彎道為例，傳統(tǒng)地圖提供的僅僅是前方有個(gè)比較“急”的彎道，但無法提供彎道的曲率半徑；

以路口為例，傳統(tǒng)地圖提供的僅僅是前方路口有紅綠燈這個(gè)信息，并不知道紅綠燈的具體位置在哪。

...

高精度地圖可以提供傳統(tǒng)地圖提供不了的精確數(shù)據(jù)，這就是高精度地圖的“定量”描述。

這些定量描述對人類駕駛員駕駛汽車來說沒有多大幫助，因?yàn)槿祟愂歉叨?a target="_blank">智能化的個(gè)體，擁有極高的圖像識別、信息聯(lián)想和學(xué)習(xí)能力，而這些能力這是目前無人駕駛“大腦”所不具備的。為了彌補(bǔ)無人駕駛“大腦”還不夠聰明的缺陷，高精度地圖挺身而出。

高精度地圖能夠?yàn)闊o人駕駛提供的內(nèi)容如下：

車道級道路信息

傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖只能提供道路級（Road）的導(dǎo)航信息，如下圖最左側(cè)所示。道路R1連接著R2，R2同時(shí)連接著R3和R4。而高精度地圖能夠提供車道級（Lane）的導(dǎo)航信息，這種導(dǎo)航信息能夠精確到車道的連接關(guān)系。如下圖中間圖所示Lane1連著Lane4，Lane4連著Lane8,；Lane3連著Lane6和Lane7，Lane7連著Lane10。

車道級別的道路信息能夠解決在路口轉(zhuǎn)彎時(shí)，無人車不知道需要轉(zhuǎn)多大的角度和保持多高車速的問題。如下圖右側(cè)綠虛線即為高精度地圖為無人車提供的虛擬車道線中心，只要提前變道到正確車道，并沿著虛擬車道線所在的車道行駛，即可順利通過路口。

道路先驗(yàn)信息

先驗(yàn)信息是指某些可以提前采集且短時(shí)間內(nèi)不會改變的信息。

僅依靠傳感器的信息是很難感知車輛現(xiàn)在是處在高速公路上，還是處在普通城市道路上的；無限速牌的路段，車速最高可以開多快；前方道路的曲率；所處路段的GPS信號強(qiáng)弱。這些都是傳感器遇到性能瓶頸時(shí)，無法實(shí)時(shí)得到的信息。而這些信息卻都是客觀存在，不會隨外部事物的變化而變化，因此可以提前采集，并作為先驗(yàn)信息傳給無人車做決策。

圖為高精度地圖可以為無人車提供的某些先驗(yàn)信息。包括道路曲率、航向、坡度和橫坡角。這些信息對于無人車的安全性和舒適性都至關(guān)重要。

感興趣點(diǎn)

感興趣點(diǎn)是POI（Point of Interest）的直譯。在交通場景中能成為POI的東西有很多，比如：用中心點(diǎn)和多個(gè)外包絡(luò)點(diǎn)描述的交通標(biāo)志牌、地面標(biāo)志、燈桿、紅綠燈、收費(fèi)站等；用一系列連續(xù)點(diǎn)所組成的鏈狀信息描述的路沿、護(hù)欄、隧道、龍門架、橋等。

高精度地圖精確記錄了這些POI的經(jīng)緯度和高度，只要給定無人車的精確位置（經(jīng)緯高），即可將各個(gè)POI相對于自車的位置計(jì)算出來。將這些POI信息的相對位置逆向投影到車載前視圖像上，如下圖所示。

到這個(gè)時(shí)候，肯定有人問：高精度地圖比傳統(tǒng)地圖多出如此多的信息，容量肯定很大吧？不不不。現(xiàn)階段的高精度地圖容量并不比傳統(tǒng)地圖大多少。為什么呢？

因?yàn)楝F(xiàn)階段的高精度地圖完全是為無人駕駛服務(wù)的，而傳統(tǒng)地圖是為人類服務(wù)的。高精度地圖只用關(guān)心與駕駛有關(guān)（道路、POI）的信息，并不關(guān)心周邊的商場有幾層、超市的面積有多大、小飯館有多少家。而這類信息剛好是人類更關(guān)心的。正是因?yàn)閭?cè)重點(diǎn)不一樣，所以在容量方面并不會有太大的差別。

下圖從要素、系統(tǒng)、用途方面更為清晰地囊括了傳統(tǒng)地圖和高精度地圖的側(cè)重點(diǎn)：

高精度地圖的應(yīng)用

高精度地圖只是一個(gè)靜態(tài)的數(shù)據(jù)，在實(shí)際使用時(shí)，不可能一開始就將全國的地圖導(dǎo)入到系統(tǒng)中，這樣不僅費(fèi)時(shí)，而且會占用系統(tǒng)很多資源。高精度地圖的供應(yīng)商（圖商）除了提供高精度地圖外，還會提供一個(gè)叫做“地圖引擎”的軟件。由這個(gè)軟件負(fù)責(zé)整個(gè)高精度地圖的資源調(diào)度，無人車只需要告訴“地圖引擎”現(xiàn)在的大致位置以及想要去的地方，“地圖引擎”就會將這個(gè)過程中所要用到的高精度地圖數(shù)據(jù)發(fā)布出來，供無人車使用。數(shù)據(jù)流如下圖所示。

高精度地圖的應(yīng)用需要配合高精度的定位。

高精度定位，至少包含無人車當(dāng)前的位置和航向角。位置是指無人車GPS天線安裝位置所在的經(jīng)度、緯度、高度；航向角，是指無人車車頭的朝向與正北方向的夾角。

理論上，已知兩個(gè)點(diǎn)的經(jīng)緯高，即可計(jì)算出兩個(gè)點(diǎn)的相對位置。那為什么還需要提供精確的航向信息呢？

如下圖所示，如果無人車想要實(shí)現(xiàn)沿高精度地圖車道線直線行駛，在有正確的經(jīng)緯高和航向角情況下，車道線上的一系列點(diǎn)在無人車坐標(biāo)系下的相對關(guān)系如下圖（圖中黑點(diǎn)）。根據(jù)車道線規(guī)劃出來的軌跡（綠線）是與車道平行的直線。

試想一下，如果這時(shí)候航向值變得不準(zhǔn)，比如偏了幾十度。由于經(jīng)緯高沒有變化，因此車道線上的所有點(diǎn)距離無人車中心的距離是保持不變的，但這些點(diǎn)會以中心旋轉(zhuǎn)。得到的車道線在無人車坐標(biāo)系下的相對關(guān)系如下圖。

根據(jù)此車道線規(guī)劃出來的軌跡，會讓無人車認(rèn)為必須要轉(zhuǎn)一個(gè)角度才能實(shí)現(xiàn)車道保持。最終造成的控制結(jié)果就是，無人車一直在原地打轉(zhuǎn)。由此可見無人車的航向角是很重要的定位信息。

充分利用高精度地圖的作用將對無人駕駛有如下幫助：

提升無人車的感知能力

比如，在天氣良好的情況下，車載傳感器能夠檢測出車道線、障礙物、路沿、可通行空間等，但對于道路坡度、道路曲率的檢測無能為力。這些數(shù)據(jù)有助于無人車的控制，剛好高精度地圖可以提供。

再比如，當(dāng)遇到暴雨/大雪/沙塵等惡劣天氣，車載傳感器很難感知到遠(yuǎn)處的障礙物、車道線信息。而定位+高精度地圖的配合是可以提供諸如車道線、路沿和可通行空間這些信息的，增加系統(tǒng)的信息冗余。

結(jié)合車載傳感器信息，提升定位精度

之前曾介紹過現(xiàn)有的無人車高精度定位在某些情況下也會出現(xiàn)定位不準(zhǔn)的情況。因此僅依靠GPS的定位方案可靠性太差。

業(yè)內(nèi)通用的定位方式是GPS+高精度地圖+攝像機(jī)（激光雷達(dá)等）信息融合的定位方法。先看一個(gè)視頻，了解一下業(yè)內(nèi)是如何結(jié)合車載傳感器信息做定位的。

首先根據(jù)GPS的數(shù)據(jù)（經(jīng)緯高和航向）確定無人車大致處于哪條道路上，這個(gè)位置的可能與真實(shí)位置有5~10米的差距。

根據(jù)車載傳感器檢測的車道線（虛、實(shí)線）及道路邊緣（路沿或護(hù)欄）的距離與高精地圖提供的車道線及道路邊緣做比對，然后修正無人車的橫向定位。

根據(jù)車載傳感器檢測到的廣告牌、紅綠燈、墻上的標(biāo)志、地上的標(biāo)志（停止線、箭頭等），與高精地圖提供的同一道路特征（POI）進(jìn)行匹配，進(jìn)而修正縱向定位和航向。在沒有檢測到任何道路特征的情況下，可以通過航位推算進(jìn)行短時(shí)間的位置推算。

無人車的定位算法通常采用粒子濾波的方法，需要多個(gè)計(jì)算周期后，定位結(jié)果才會收斂，進(jìn)而提供一個(gè)相對穩(wěn)定的定位結(jié)果。粒子濾波的算法原理我會在隨后的系列文章中介紹。

高精度地圖的挑戰(zhàn)

挑戰(zhàn)一：高精度地圖的眾包

高精度地圖雖然好用，但目前還無法大規(guī)模地生產(chǎn)，大部分內(nèi)外業(yè)處理還是由人工來完成標(biāo)注和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。而且僅僅靠地圖公司的幾十上百輛采集車在道路上采集，很難保證地圖數(shù)據(jù)的實(shí)效性，即無法保證地圖數(shù)據(jù)足夠“新鮮”。

因此圖商都希望能在量產(chǎn)車的前裝攝像頭上做文章，讓這款攝像頭具備L2以上自動駕駛能力外，還能夠?qū)⒉杉瘓D像預(yù)處理后的數(shù)據(jù)傳到云端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新。當(dāng)一個(gè)地點(diǎn)的實(shí)際情況被足夠多的私家車檢測到與地圖不符時(shí)，由圖商確認(rèn)信息后，對地圖進(jìn)行相應(yīng)的更新。這樣一來，地圖數(shù)據(jù)迭代地足夠快，就能更好地服務(wù)于高精度地圖生態(tài)和無人車了。

挑戰(zhàn)二：高精度地圖的政策

地圖政策的這項(xiàng)挑戰(zhàn)僅存在于國內(nèi)。

高精度地圖和國防息息相關(guān)，因此高精度地圖的采集和使用在國內(nèi)是受到嚴(yán)格限制的。目前我國僅有14家單位具有甲級地圖測繪資質(zhì)，這就意味著，只有這14家圖商具有高精度地圖采集和使用的權(quán)利。無人駕駛初創(chuàng)公司如果想使用高精度地圖，要么強(qiáng)依賴這14家圖商，要么在法律的紅線上做研究。

由于測繪資質(zhì)政策的存在，我覺得國外的無人駕駛技術(shù)想要染指中國的市場，并不是一件簡單的事情。即便是博世這種Tier1中的大佬，沒有國內(nèi)圖商的幫助，想要擴(kuò)張他們的無人駕駛技術(shù)，依然會寸步難行。

結(jié)語

在高精度地圖領(lǐng)域有一句很有意思的話，叫做Make the invisible visible。這句話可以作為本篇分享的總結(jié)。

這篇分享的內(nèi)容基本上涵蓋了大部分高精度地圖的知識以及其在無人車領(lǐng)域的應(yīng)用。如果你對高精度地圖還有什么疑問，可以在評論區(qū)留言互動。