文章目录
前言
GIS的概念
地理信息系统（GIS）是可以对地表（包括大气层）有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、可视化的信息系统。
GIS的数据源
GIS中包括2种数据：栅格数据 and 矢量数据：
- 栅格数据。 典型的基于域的数据
- 矢量数据。 基于对象的空间数据模型
数据源包括图形数据、遥感数据、测量数据（GPS等）、数字资料（统计数据、实验数据）、文字数据（调查报告）
ArcGIS概述
本篇的重头是ArcGIS。其提供了ArcGIS Desktop，为用户提供数据制作、空间数据编辑、空间分析与建模等功能。主要由ArcMap、ArcCatalog、ArcToolbox、ArcGlobe、ArcScene、Model Builder等模块构成：
-
ArcMap：对数据进行编辑，即绘制地图、绘制各种路网及标记点、编辑要素字段。 -
ArcCatalog：相当于资源管理器，用于创建原始数据，诸如要素数据集、要素类（图层）、网络数据集等。可对数据进行增删改。
用ArcGIS构建地图
基本原理
基于ArcGIS创建的地图由边（edge）和 节点（junction）两个基本部分组成。边和节点拓扑相连创建路段，如下：
创建网络有2种基本思路：
- 用向导制定要素类参与到网络中
- 先建一个空网络，再添加要素。
在ArcGIS中，道路可以分为一般道路和特殊道路：
- 一般道路：直道或曲率小的道路，可直接用直线段绘制。由于GPS数据量庞大，采用过多的GPS数据会增加地图绘制工作量。因此在一般道路的绘制过程中，对GPS数据以距离
d等间隔采样，通常令d=5~10m。一般道路的数据存储在ArcCatalog中，ArcGIS可以把采样点用直线段依次首尾顺序相连。同时，对十字路口、斑马线、红绿灯等特殊静态标志在ArcGIS中进行属性设置。一般道路绘制如下图 - 特殊道路：弯曲程度比较大的路段，例如路口转弯或匝道等。ArcGIS不支持曲线绘制，所以需要用到外部创建的一个新的数据库——特殊道路数据库，用于存储特殊道路段的数据。特殊道路的绘制同样需要原始GPS数据，但是会以距离
M等间隔采样，且有M<d。一般道路和特殊道路在地图中以特殊标志点（驶入标志和驶出标志）区分。ArcGIS中特殊道路也用直线段链接，如下图：
ArcGIS中道路数据一般就由ArcCatalog数据库和特殊道路数据库构成。
一般的路段都不是单车道，怎么标注呢？ 假设当前车道信息存储在ID=0的车道中，则其他车道可以该车道为基准命名。如下图，其他车道ID在L轴正方向上依次递增，在L轴负方向上依次递减。同时将道路信息（限速、停止线、信号灯位置等道路属性）分别标注。
梳理一下ArcGIS构建地图的流程：将GPS数据导入ArcGIS，根据道路弯曲程度将所有道路分为一般道路和特殊道路，分别进行路网绘制。创建ArcCatelog数据库和特殊道路数据库分别存储两类道路的几何信息。之后，对其他道路信息进行标注，例如车道ID、交通灯、人行道、关键静态障碍物。
具体实现步骤：
1. 原始GPS导入Excel
GPS信息如下：
我们要从大量的GPS数据中心获取关键信息，并对数据间隔做规划。将GPS数据导入Excel：
其中$GPFPD是差分gps公司提供的一种文本输出格式。$GTIMU是IMU数据
所谓关键信息，主要是提取与$GPFPD后面G栏和H栏的数据，分别是纬度和经度信息。提取完后将数据导出为.xls后缀文件。
2. 将Excel数据导入mxd文件
将上面处理的数据导入ArcGIS，步骤如下：图层->添加数据->选中test.mdb,单击“”添加“-> 选中excel文件，单击“添加”。
3. 显示采集数据点
打开已经建好的test.mxd数据库文件，继续选中图层，右击，选择添加数据，找到已保存好的GPS数据的xls文件，选中后单击添加。其中X轴信息即经度，在xls文件的第8列，所以F8为经度、F7为纬度。
选中sheet1，右击，选择显示XY数据，这样地图信息就会显示出来。
4.绘制道路
选择“路要素”，右击，选择“编辑要素”->“开始编辑”
选中操作界面右边道路后，开始从起点到终点画路径。每次只能画一条线，线段之间必须首尾相连。特殊路段尽量用线段近似拟合曲线。绘制过程中可以把GPS点隐藏。
5.字段表编辑
选中元素类，右击选择打开属性表，出现以下界面
在表中可以编辑各个属性，这些属性为决策规划层提供道路信息。图中的“111”代表主干道，“10”代表是辅道。
6.特殊路段特殊化处理
在从一般道路进入特殊道路时，需要在地图中做一个标记。例如下图，用标志点对特殊路段的起始位置进行标记。
标记完以后，需要在属性列表中对标记属性进行编辑，定义标志位以指示属于哪个特殊路段。例如，可以设定尾号11作为转弯入口，尾号12位出口，14是终点信号。
点标记完后，需要截取特殊路段的入口和出口之间的GPS点，人工筛选后导出特殊道路数据。
7.重新构建网络数据表格
打开ArcCatalog，打开前面编辑的数据要素集，选中网络数据集，右击构建，就可以完成地图创建。
整个地图创建流程如下
基于GIS的Pathfinding
坐标变换
ArcGIS支持两种网络分析：有向网络分析和无向网络分析。自动驾驶领域一般是采用有向网络。ArcGIS可以根据创建好的全局地图，以车辆当前位置为起点，目的地为终点，通过ArcGIS网络分析，在路网中获得最优的全局路径，包括边、节点经纬度坐标、车道编号等一系列道路属性，这些信息均来自先前创建的2个数据库。
ArcGIS网络分析输出的全局最优路径坐标点是在WGS84坐标系下。
WGS84坐标系：国际通用坐标系，坐标原点为地球质心，Z轴指向地球极方向，X轴指向零子午面和赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系。
要将坐标点用于自动驾驶，需要将WGS84坐标转换到地理坐标系，然后转到全局坐标系
地理坐标系：本初子午线与赤道交点为原点，东方向为X轴，北方向为Y轴，天为Z轴。
WGS84坐标 —> 地理坐标系 ：地理坐标系 —> 以地理坐标系中某一点为原点的“全局坐标系”:
全局路径插值
由ArcGIS网络分析得到的最优路径是由地图的节点构成，间隔比较大，精度无法满足局部路径规划需求。所以实际还需要用三次样条曲线对全局路径点进行插值。
地图创建与全局规划仿真案例
首先，将高精电子地图（中国株洲市某道路地图）导入ArcGIS，建立路网结构。
路网结构包括了坡道、若干车道。对他们分别建立相应地理属性，如道路类型、单向道路、道路长度等：
- 在构建好的全局地图中，设置一个起点和目的地，基于ArcGIS网络分析，可快速找到一条全局最短路径（见下图a）的粗线）。
- b）c）d）是几段局部放大图，可以看到规划的细节。从规划结果可以看出，基于ArcGIS的全局路径规划考虑了创建地图的属性信息，如道路规定的行驶方向和路口。
参考文献：
[1] 余伶俐等.《智能驾驶技术：路径规划与导航控制》