数字地图中街道的现实高度表示

摘要

本发明涉及一种用于生成数字地图的街道的街道向量的方法，包括以下步骤：读取地形模型的数据；利用从地形模型的数据中读取的高度坐标来初始化街道向量；计算街道的初始化的街道向量的成本函数；通过改变至少一个街道向量的高度坐标来使成本函数最小化；以及确定使成本函数被最小化的街道向量。本发明还涉及数字地图，其包括包含街道向量的街道的至少一个三维数字表示，并且其中街道向量包括使成本函数最小化的高度坐标。

说明书

技术领域

本发明涉及表示城镇和地貌的数字地图，并特别涉及数字地图(例如数字城市地图和数字道路地图)中街道的三维表示。

背景技术

近年来，例如城市地图和道路地图的数字地图变得越来越普遍。它们代表例如手持和车辆导航系统中的重要组成部件。电子地图可表示诸如街道、建筑物和河流的地物图像(cartographic feature)，并且可利用例如压缩盘或数字视频盘的存储介质以存储与地物图像有关的数据。

近来，已经开发出各种导航系统，其提供了用于将来自数字数据库的数据转换成许多驾驶员原则上更加容易理解的本地三维透视图的算法。精心设计的系统例如允许取决于交叉路口的复杂度以相对于道路的可变角度显示车辆所接近的交叉路口。

然而，由于可获得的官方提供的街道地图的数字化，目前的数字地图仅包括基本二维表示形式的整个街道网。在这样的地图中，街道的高度信息仅作为关于特定街道相对于交叉街道向量的相对高度的信息给出，以便允许以相对于空间深度的适当顺序表示。

目前数字地图中包括的街道的数字表示中的街道向量的地形学高度的有关数据是无法获得的。然而，这样的数据会有助于街道的现实表示，尤其是在存储于车辆导航系统的地图数据库中并用于路线引导的数字地图的环境中。

因此，需要在数字街道地图中生成并实现街道高度以便为用户提供更详细可靠的地图信息并通过配置成显示数字地图的导航系统促进路线引导。

因此，本发明的一个目标是提供在数字地图的街道中包括高度信息的方法，以及提供指示绝对街道高度(不仅仅是一个街道(向量)与另一街道相比的相对高度)的数字地图。

发明内容

上述目标通过根据权利要求1的生成数字地图的街道的街道向量

(物理街道的数字表示)的方法而达到，该方法包括以下步骤：

读取地形模型的数据；

利用从地形模型的数据中读取的高度坐标初始化街道向量；

计算街道的初始化的街道向量的成本函数；

通过改变至少一个街道向量的高度坐标使成本函数最小化；以及确定使成本函数被最小化的街道向量。

在该应用中，假定表示物理街道的数字地图中的街道包括节点和连接节点的多边形元素。后者在本文中被表示为街道向量。每个街道向量具有起点和终点。

地形模型是三维模型，例如通过激光扫描获得的数字模型。大量各种各样的地形学地形模型由官方机构以及商业提供商提供。原则上，数字地形模型是由位于规则或不规则地间隔开的水平间隔处的地面位置的地形高程(terrain elevation)组成的数字文件。数字地形产品可用于生成显示所选点之间的地形坡度、坡度方向和地形轮廓的三维数字地图。本发明中使用的地形模型包括地形模型中所包括的元素的坐标信息，特别是高度坐标信息。

根据本发明的方法，通过从所使用的地形模型读取的高度坐标数据来最初生成(初始化)街道的街道向量。这意味着，街道的街道向量与地形模型中表示的相应位置的高度轮廓一致并且相平齐。特别地，街道向量和地形模型中地形学元素(例如山和山谷)的相应区段的高度坐标之间没有差异。表面平面(例如投影的笛卡尔平面)中的街道的二维坐标，尤其是东西和南北坐标，可从现有的二维地图数据中读取。

在初始化街道向量之后，即，利用与地形模型相对应的高度坐标生成街道向量之后，计算街道向量的成本函数。特别地，可计算由街道向量构建的整个街道的成本函数。成本函数反映根据街道向量建造物理街道的实际成本的估计值。成本函数可优选地包括隧道和/或桥梁的建造成本和/或相对于用于初始化街道向量的高度坐标(即用于初始化街道向量的取自地形模型的高度坐标)升高和/或降低街道高度的成本的估计值。

详细地说，可基于隧道的长度和深度和/或桥梁的长度和高度和/或由于所确定的街道向量而确定的街道的高度轮廓与地形模型的相应高度轮廓的差值所限定的面积和/或体积(在初始化处理的每次限定时，对于初始化的街道向量，该差值为零)来计算成本函数。

成本函数可优选地考虑地形模型所提供的关于地质实体(例如岩石或地下水位)的信息。

本发明的主要方面是通过改变街道向量的高度坐标来使成本函数最小化。首先，修正一个或多个初始化的街道向量的高度坐标。在最小化处理期间，可进一步修正已修正的街道向量的高度坐标。确定使成本函数所表示的成本最小化的那些街道向量。这样确定的街道向量允许以先前无法获得的地形学高度的高精确度在数字地图中表示街道。由于该方法可完全自动地执行，所以可以有效率地和经济地产生精确的三维街道地图。

在通过改变街道向量的高度坐标而使成本函数最小化的步骤中，可以维持街道向量与其它街道的街道向量交叉的所有交叉点的高度坐标。由此，避免了因通过改变一特定街道的街道向量的高度坐标使该街道的成本函数最小化，而修正了与该街道交叉的另一街道的街道向量。然而，可以优选地允许交叉点在窄限度内的一些改变。

根据一个实施例，本文公开的用于生成街道向量的方法还包括：

a)计算每个街道向量的斜率；

b)确定所计算的斜率是否处于预定下限和预定上限内；

c)修正斜率低于预定下限或高于预定上限的每个街道向量的起点和/或终点的高度坐标；

d)计算高度坐标在步骤c)中被修正的每个街道向量的斜率，并确定所计算的斜率是否处于预定下限和预定上限内；

e)执行上述步骤c)至d)直至每个街道向量的所计算的斜率处于预定下限和预定上限内；并且其中

通过仅改变斜率处于预定下限和预定上限内的街道向量的高度坐标来使成本函数最小化。

根据另一实施例，本文中用于生成街道向量的方法还包括：

a)计算街道向量的子集的总斜率或街道的所有街道向量的总斜率；

b)确定所计算的总斜率是否处于预定下限和预定上限内；

c)如果所计算的总斜率低于预定下限或高于预定上限，则修正为其计算总斜率的街道向量中的至少一个街道向量的起点和/或终点的高度坐标；

d)执行上述步骤a)至c)直至总斜率处于预定下限和预定上限内；并且其中

通过仅改变总斜率处于预定下限和预定上限内的街道向量的高度坐标来使成本函数最小化。

街道向量的子集可由两个交叉点之间的街道向量组成。总斜率是根据各个单独的街道向量的斜率计算的，并且表示用于估计街道或街道段的似真的高度轮廓的另一种更有用的度量。

应注意，包括斜率计算的两个实施例的上述步骤a)至e)可在通过改变初始化的街道向量以及(通过修正高度坐标而)已修正的街道向量来执行成本函数的最小化之前执行。

通过确定斜率(坡度)和改变斜率处于预定范围之外的每个街道向量的起点和/或终点，来执行似真性检查。这是特别有用的，如果地形模型显示出地形学上的强烈局部变化(例如数字化的离散地形模型的相邻点的高度(海拔)的显著离散跳动)的话。似真性检查在建筑物的尺寸被添加至表面高度时对于城市区域也很重要。

所计算的斜率低于预定下限或高于预定上限的每个街道向量的起点和/或终点的高度坐标可特别地被增加或减小预定的值(例如采用的离散坐标值之一)。

可以确定根据本发明将要为其生成街道向量的数字地图的街道的街道类别，并且可以基于所确定的街道类别来预先确定上述的下限和上限。街道类别的典型实例是主要街道、边道、国道、乡道等。对于不同的类别，有利的是选择不同的用于可允许的斜率的下限和上限。可以基于提供并用于生成街道向量的二维地图的数据(见上文所述)来确定类别。

街道类别的确定可特别包括确定所考虑的街道是否是根据回旋曲线模型建造的。可以将根据回旋曲线模型建造的街道分成一个或多个特定类别。可以通过分析街道是否是根据回旋曲线模型建造的，来确定所考虑的街道所属的类别。

通过术语“回旋曲线模型”，将会理解曲线的参数以及通过回旋曲线构造的曲线的参数彼此相关的独特函数相关性，即弧长、半径、正切角、回旋曲线参数和曲率。更具体地说，回旋曲线是表示旋轮线的子类的几何曲线，并且其特征在于曲率C与弧长L成比例：C＝L/A²，其中A一般称为回旋曲线参数A。

由于精心设计并建造的道路遵循回旋曲线模型，所以通过回旋曲线进行实际道路和街道的数字建模和数字表示允许获得有关曲线参数(尤其是诸如车辆将通过的曲线的曲率)的可靠且精确的信息。另外，根据回旋曲线模型建造的街道的斜率被预期处于边界明确的限度内。例如，在德国，自从1984年以来，主要街道和道路就是通过回旋曲线设计和建造的。

本发明还提供了一种计算机程序产品，其包括一个或多个具有计算机可执行指令的计算机可读介质，其中的计算机可执行指令用于执行上述的发明方法的实施例的各步骤。

上述目标也通过数字街道地图达到，该数字街道地图包括：

包括街道向量的街道的至少一个三维数字表示；其特征在于

街道向量包括使成本函数最小化的高度坐标。

可以根据上述实例之一来计算成本函数(至于细节，也参见下面的实施例的详细描述)。特别地，可基于隧道的长度和深度和/或桥梁的长度和高度和/或由于所确定的街道向量而确定的街道的高度轮廓和已经被用于确定初始街道向量的地形模型的相应高度轮廓的差值所限定的面积和/或体积，来计算成本函数，其中的初始街道向量在为权利要求11中要求保护的数字地图生成街道向量的处理期间被修正以便使成本函数最小化。因此，数字地图的街道(物理街道的表示)由成本最小化这个特征来表征。

根据数字地图的一个实施例，至少一个街道的(与其它街道的街道向量交叉的)两个交叉点之间的每个区段的斜率处于预定下限和预定上限内和/或整个至少一个街道的总斜率处于预定下限和预定上限内和/或每个街道向量的斜率处于预定下限和预定上限内。

此外，上述预定下限和预定上限是基于至少一个街道所属的街道类别确定的和/或基于至少一个街道是否是根据回旋曲线模型建造的(见上文所述)来确定的。根据回旋曲线模型建造的街道可表示除了例如主要街道和边道以外的一种街道类别。

上述数字地图可特别地是用于导航的数字街道地图。因此，数字地图可存储于车辆导航系统的地图数据库中。本发明还提供了一种导航系统，尤其是车辆导航系统，其包括存储根据上述实例之一的数字地图的地图数据库。

附图说明

将参照附图描述本发明的其它特征和优点。在描述中，将参照意在示出本发明的优选实施例的附图。应理解的是，这些实施例不代表本发明的全部范围。

图1示出了通过最小化包括隧道和桥梁的成本的成本函数，根据本发明的一个实例生成的街道轮廓；

图2显示出根据本发明的一个实例基于最小化的成本函数在数字地图中插入街道的流程图；并且

图3显示出根据本发明的一个实例，基于最小化的成本函数确定街道向量以及计算街道向量的斜率的流程图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个实例的数字地图中包括的街道的街道高度轮廓(height profile)。街道是由在交叉点(不同街道的街道向量交叉的点)之间形成多边形的街道向量构建的。实线1表示通过基于地形模型初始化街道向量给出的街道高度轮廓(图1中没有区分各个单独的街道向量)。读取地形模型的数据并且将据此而定的高度(z-)坐标用于初始街道向量。

地形模型可从官方提供商所提供的各种数字模型中选择。数字地形模型，例如激光扫描的数字地形模型，由本地和联邦政府以及例如美国商务部和相应的欧洲政府部门等提供。

根据本发明，通过计算成本函数来修正初始街道向量。在本实例中，街道位于山区。因此，估计建造桥梁和隧道的成本。成本特别是通过桥梁的长度和高度以及隧道的长度和深度给出的。可以预期的是，实际道路的建造是考虑建造成本进行的。因此，可通过估计隧道和桥梁的成本来获得现实的街道高度轮廓。

在本实例中，表示图1中所示街道区段的所有街道向量的总成本函数被最小化。特别地，总成本函数C可包括对N座桥梁的建造成本和M条隧道的建造成本的计算。此处，可以预期的是，事实上，这些成本是相关的。因此，将被最小化的成本函数可以计算为

$C=\underset{i}{\Sigma }(L_{B,i}+\int ({\mathrm{HP}}_{B,i}-{\mathrm{HP}}_{\mathrm{TM}})\mathrm{dxdy})+\underset{j}{\Sigma }(L_{T,j}+\int ({\mathrm{HP}}_{T,j}-{\mathrm{HP}}_{\mathrm{TM}})\mathrm{dxdy})$

其中L_B，i和L_T，j分别表示第i座桥梁和第j条隧道的长度，并且HP_B，i、HP_T，j和HP_TM分别表示桥梁、隧道和使用的地形模型的高度轮廓函数(z(x，y))。对具有由隧道和桥梁覆盖的面积微元dxdy的表面面积进行积分。

在本实例中，通过图1中以双虚线指示的两条隧道2和以双实线指示的一座桥梁3对不同于地形模型的街道向量获得C的最小化。因此数字地图中包括的街道区段包括隧道2和桥梁3。如果事实上实际街道主要是基于成本考虑来建造的，那么通过最小化成本函数C获得的街道向量所给出的数字街道，可以以本领域还不能获得的非常高的精确度提供物理街道的高度轮廓的现实的表示。

图2显示出用于生成数字地图的街道的街道向量的所公开的方法的实例的流程图。数据从地形模型10中被读取。数据特别包括用于通过利用取自地形模型的高度坐标生成街道向量来初始化街道向量11的高度坐标。

为构成物理街道的期望的数字表示的街道向量计算成本函数。除了上面提到的关于桥梁和隧道的建造成本的信息外，根据本实例的成本函数包括街道表面距离地形模型给出的表面的距离所给出的贡献∫(HP_Street-HP_TM)dxdy，其中HP_Street表示街道的高度轮廓。该贡献估计的是土地的挖掘或堆积量。

对于将包括在为其最小化成本函数的数字地图中的街道，确定街道向量(13)。随后，所确定的构成期望的街道的街道向量被存储并被插入数字地图中以允许显示街道的现实的三维路线。

图3显示出用于生成数字地图的街道的街道向量的所公开的方法的另一实例的流程图。基于可获得的地形模型的数据，再次初始化街道向量(20)。这意味着，街道向量与地形模型一致并相平齐(街道向量和地形模型的高度水平之间没有高度差)。

接着，计算所有街道向量的斜率(21)。在该实例中，假定各个单独的街道向量以线性函数表示，其高度坐标z＝sx+g，其中x为平面坐标，s为坡度，g为常数。斜率的计算是通过确定坡度s执行的。坡度可通过相对于x以数字方式求z的导数来确定。

对于每个街道向量，将确定的斜率与预定下限和预定上限比较。这些限度对于不同类别的街道是不同地选择的。例如，为主要道路、边道、汽车道等类别选择不同的限度。此外，可以将街道分成根据回旋曲线模型建造的街道(见上面的讨论)和不是以这种方式建造的街道。

如果计算出的街道向量的斜率中的一些不处于斜率的限度内，则通过将各个街道向量的起点和/或终点的高度坐标值增加或减小某个预先定义的值来修正这些街道向量(22)。该值可以给定为将被修正的街道向量的起点的高度坐标值和该街道向量的终点的高度坐标值之间的差值的某个百分比。

在通过增加/减小起点/终点而修正各个街道向量之后，重新计算斜率并再次检查斜率是否超出上限或低于下限。如果斜率值仍然不位于预定容限内，则重复起点/终点的修正直至处于预定限度内。

接着，计算斜率处于预定容限内的街道向量所给定的街道的整个路线的成本。成本的计算尤其包括隧道和桥梁的建造成本的计算(23)。通过改变街道向量的高度坐标使成本最小化(24)。确定那些街道以表示为其最小化总成本的数字地图中的物理街道。