一种数字孪生城市道路的构建系统及方法与流程

1.本发明涉及数字孪生技术领域，尤其涉及一种数字孪生城市道路的构建系统及方法。


背景技术：

2.随着智慧城市新兴领域的出现，数字孪生城市已经成为所有数字城市的刚需，而其中数字孪生城市道路就是数字城市非常重要的组成部分。
3.现有的道路孪生通常以精确卫星图为底图，匹配好比例尺和位置，然后人工识别道路的边界，用手动拟合样条线的方式，将道路与环境的分界线画出来，然后把线条全部闭合之后，慢慢填充网格面，然后将底图卫星图用布尔差集消去，达到道路与环境分割的目的，同时匹配例如斑马线或者用3dmax的快速路网quick补充道路的细节，最终完成整体道路的模型建模方式。但其以人工经验为主进行铺贴，速度很慢，每一个细节都需要亲力亲为，需要消耗大量的精力和资源，且手工铺贴的美术部分以模型或者贴图为主，而贴图的类型有限，不能完整地模拟真实的道路情况，同时容易忽视道路的各个组成之间的有机联系，使得城市道路孪生低效且缓慢，无法适应大规模城市孪生的巨大需求。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种数字孪生城市道路的构建系统，包括：
5.道路组件图库，用于保存预先生成的多个道路组件；
6.源数据处理模块，用于获取待构建区域的道路源数据，并根据所述道路源数据处理得到所述待构建区域包含的各条道路的道路中心线、道路宽度和车道数；
7.道路生成模块，连接所述源数据处理模块，用于分别根据所述道路中心线、所述道路宽度和所述车道数生成对应的网格化道路、各所述网格化道路关联的交叉路口网格，并于所述网格化道路和对应的所述交叉路口网格上标记出多个组件点位；
8.道路构建模块，分别连接所述道路组件图库和所述道路生成模块，用于调用各所述道路组件配置于相应的所述组件点位处，以构建得到所述待构建区域的数字孪生城市道路。
9.优选的，所述道路源数据为所述待构建区域的区域图像，则所述源数据处理模块包括：
10.图像识别单元，用于对所述区域图像进行道路边界识别得到所述待构建区域中包含的各条道路的道路边界点集合；
11.第一处理单元，连接所述图像识别单元，用于根据所述道路边界点集合处理得到各条道路的所述道路宽度和所述道路中心线；
12.第二处理单元，连接所述第一处理单元，用于分别根据各所述道路宽度处理得到各条道路的所述车道数。
13.优选的，所述第一处理单元包括：
14.第一聚类子单元，用于对所述道路边界点集合进行位置聚类得到多个点云，并提取出每条道路两侧的两个点云；
15.宽度计算子单元，连接所述第一聚类子单元，用于针对每条道路两侧的两个点云，分别计算其中一个点云中的每个点与另一个点云中相距最近的点之间的距离，随后对各所述距离进行平滑处理，并计算得到平滑处理后的各所述距离的平均值作为所述道路宽度；
16.中心线生成子单元，分别连接所述第一聚类子单元和所述宽度计算子单元，用于针对每条道路两侧的两个点云，将两个所述点云分别向道路内部方向偏移所述道路宽度的二分之一倍的距离，随后对偏移后的各点进行清洗后线性拟合得到所述道路中心线。
17.优选的，所述源数据处理模块还包括第三处理单元，连接所述第一处理单元，用于处理得到各所述道路中心线之间的交叉点位置作为交叉路口的几何中心点。
18.优选的，所述道路生成模块包括：
19.边界生成单元，用于将所述道路中心线分别向左右两侧偏移所述道路宽度的距离得到对应的两条道路边界线，并对两条所述道路边界线进行插值分段折线化得到网格化边界；
20.道路网格化单元，连接所述边界生成单元，用于根据所述道路中心线、所述道路宽度和所述车道数处理得到每条道路的分道线的位置参数，并根据所述位置参数生成对应的所述分道线的虚线图形并实例化，以及对所述道路中心线进行实例化，以生成所述网格化道路；
21.路口网格化单元，连接所述边界生成单元，用于以所述区域图像构建图像坐标系，并在所述图像坐标系下根据每条道路的所述道路中心线和所述道路边界线生成所述交叉路口网格。
22.优选的，所述路口网格化单元包括：
23.第二聚类子单元，用于提取各所述道路中心线的中心线端点，并对各所述中心线端点进行聚类得到多个中心线端点簇；
24.中心定位子单元，连接所述第二聚类子单元，用于针对每个中心线端点簇，获取所述中心线端点簇中的各所述中心线端点在所述图像坐标系中的图像坐标值，并计算各所述图像坐标值的平均值得到所述中心线端点簇的中心点坐标；
25.网格化子单元，连接所述中心定位子单元，用于以所述中心点坐标为圆心，以预设半径做圆，将圆中包含的各所述道路边界线的边界线端点按照逆时针方向依次首尾连线，随后将相邻两个所属不同道路的边界线端点之间的连线按照预设的收缩系数朝向所述中心点坐标收缩形成曲线，以生成所述交叉路口网格。
26.优选的，所述组件点位包括立式红绿灯点位，和/或树点位，和/或路灯点位，所述道路组件对应包括立式红绿灯组件，和/或树组件，和/或路灯组件；
27.则所述道路生成模块还包括点位标记单元，分别连接所述边界生成单元、所述道路网格化单元和所述路口网格化单元，所述点位标记单元包括：
28.第一标记子单元，用于将所述交叉路口网格中的所述曲线的中点标记为所述立式红绿灯点位；和/或
29.第二标记子单元，用于对所述网格化道路中的各所述道路边界线进行等距切分，
并将各等距切分点标记为所述树点位或路灯点位，并针对所述路灯点位，将相对设置的两个所述路灯点位之间的连线方向标记为路灯朝向；
30.则所述道路构建模块调用所述立式红绿灯组件配置于所述立式红绿灯点位，和/或调用所述树组件配置于所述树点位，和/或调用所述路灯组件配置于所述路灯点位，以构建得到所述数字孪生城市道路。
31.优选的，所述道路组件板图库包括斑马线贴图；则所述道路生成模块还包括组件自动构建单元，分别连接道路网格化单元和所述路口网格化单元，所述组件自动构建单元包括：
32.斑马线构建子单元，用于将所述交叉路口网格中的所属相同道路的边界线端点之间的连线朝向所述中心点坐标偏移生成偏移线，并于所述偏移线和对应的所述连线之间的区域生成斑马线网格，随后调用所述斑马线贴图贴设于所述斑马线网格上；和/或
33.道路箭头构建子单元，用于对各所述分道线进行偏移后收缩，以于各分道的分道中心线位置形成箭头基线，并基于所述箭头基线自动构建各分道的道路箭头。
34.优选的，所述道路生成模块还包括组件手动构建单元，分别连接道路网格化单元和所述路口网格化单元，用于供技术人员于所述网格化道路和所述交叉路口网格的基础上手动设置除所述道路组件图库中的其他道路组件。
35.本发明还提供一种数字孪生城市道路的构建方法，应用于上述的构建系统，所述构建系统中保存有预先生成的多个道路组件；所述构建方法包括：
36.步骤s1，所述构建系统获取待构建区域的道路源数据，并根据所述道路源数据处理得到所述待构建区域包含的各条道路的道路中心线、道路宽度和车道数；
37.步骤s2，所述构建系统分别根据所述道路中心线、所述道路宽度和所述车道数生成对应的网格化道路、各所述网格化道路关联的交叉路口网格，并于所述网格化道路和对应的所述交叉路口网格上标记出多个组件点位；
38.步骤s3，所述构建系统调用各所述道路组件配置于相应的所述组件点位处，以构建得到所述待构建区域的数字孪生城市道路。
39.上述技术方案具有如下优点或有益效果：
40.1)构建道路为组分之间的逻辑联动关系，使得生成道路后，其关键组分如斑马线、道路中心线、分道线等也能够同时构建完成，有效提升数字孪生城市道路的构建效率，同时大大简化人工操作，降低对人工经验的依赖，提升精准度；
41.2)构建的道路结构为便于uv展开的网格行驶，方便在贴图时展开分割。
附图说明
42.图1为本发明的较佳的实施例中，一种数字孪生城市道路的构建系统的结构示意图；
43.图2为本发明的较佳的实施例中，道路中心线端点及对应的边界线端点的结构示意图；
44.图3为本发明的较佳的实施例中，立式红绿灯点位和路灯点位的示意图；
45.图4为本发明的较佳的实施例中，斑马线网格的结构示意图；
46.图5为本发明的较佳的实施例中，箭头基线的结构示意图；
47.图6为本发明的较佳的实施例中，直线箭头的结构示意图；
48.图7为本发明的较佳的实施例中，一种数字孪生城市道路的构建方法的流程示意图。
具体实施方式
49.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。
50.本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种数字孪生城市道路的构建系统，如图1所示，包括：
51.道路组件图库1，用于保存预先生成的多个道路组件；
52.源数据处理模块2，用于获取待构建区域的道路源数据，并根据道路源数据处理得到待构建区域包含的各条道路的道路中心线、道路宽度和车道数；
53.道路生成模块3，连接源数据处理模块2，用于分别根据道路中心线、道路宽度和车道数生成对应的网格化道路、各网格化道路关联的交叉路口网格，并于网格化道路和对应的交叉路口网格上标记出多个组件点位；
54.道路构建模块4，分别连接道路组件图库1和道路生成模块3，用于调用各道路组件配置于相应的组件点位处，以构建得到待构建区域的数字孪生城市道路。
55.本发明的较佳的实施例中，道路源数据为待构建区域的区域图像，则源数据处理模块2包括：
56.图像识别单元21，用于对区域图像进行道路边界识别得到待构建区域中包含的各条道路的道路边界点集合；
57.第一处理单元22，连接图像识别单元21，用于根据道路边界点集合处理得到各条道路的道路宽度和道路中心线；
58.第二处理单元23，连接第一处理单元22，用于分别根据各道路宽度处理得到各条道路的车道数。
59.具体地，本实施例中，上述区域图像可以是基于倾斜摄影技术获取的待构建区域的正射影像，或者待构建区域的高分辨率地图。上述道路边界识别可以采用预先训练得到神经网络模型进行卷积计算得到。通过识别道路边界，能够确定需构建的数字孪生城市道路的区域范围。上述道路边界点集合中包含多个道路边界点，分布于城市道路两侧。但由于城市道路的走向复杂性，这里仅能够识别出多个道路边界点，并不清楚哪些道路边界点对应表征哪条道路的边界。基于此，第一处理单元22包括：
60.第一聚类子单元221，用于对道路边界点集合进行位置聚类得到多个点云，并提取出每条道路两侧的两个点云；
61.宽度计算子单元222，连接第一聚类子单元221，用于针对每条道路两侧的两个点云，分别计算其中一个点云中的每个点与另一个点云中相距最近的点之间的距离，随后对各距离进行平滑处理，并计算得到平滑处理后的各距离的平均值作为道路宽度；
62.中心线生成子单元223，分别连接第一聚类子单元221和宽度计算子单元222，用于针对每条道路两侧的两个点云，将两个点云分别向道路内部方向偏移道路宽度的二分之一倍的距离，随后对偏移后的各点进行清洗后线性拟合得到道路中心线。
63.具体地，本实施例中，可以理解的是，位于一条道路同一侧的各个道路边界点相邻之间的距离会比较小，因此，通过对道路边界点集合中的各道路边界点进行位置聚类形成多个点云，则所属同一点云的各道路边界点可以认为所属一条道路的同一侧。进一步地，针对每个点云，可以通过分别计算该点云中每个点与其他点云的点之间的最近距离，进而判断这些距离是否适配道路规范定义的道路宽度，提取出每条道路两侧的两个点云，换言之，距离接近于道路规范定义的道路宽度则会被认为是分列于道路两侧的两个点云。进而基于其中一个点云中的每个点与另一个点云中相距最近的点之间的距离计算道路宽度。
64.考虑到点云中的点分布的多样性，可能存在部分点离散分布的情况，将会导致上述距离过大或过小，影响计算道路宽度的准确性，因此，在计算之前首先对各距离进行平滑处理，以去除过大或多小的距离，进而基于剩余的各距离取平均值作为道路宽度。
65.在计算得到道路宽度后，可以将两个点云均朝向道路内部偏移二分之一倍的道路宽度的距离，此时，两个点云可以认为合并成一个点云，集中分布于道路中心线附近，同样地，考虑到不分点离散分布情况，首先对合并成的一个点云中的各点进行离散点清洗，优选采用位置聚类识别出离散点，进而进行清洗，随后基于剩余的各点优选采用非有理b样条曲线进行线性拟合即可得到该道路的道路中心线。
66.在计算得到道路宽度后，还包括基于道路规范处理得到该条道路的车道数，如道路宽度为a，道路规范规定每条分道的道路宽度为b，则车道数为a/b并取整。
67.进一步地，源数据处理模块2还包括第三处理单元23，连接第一处理单元21，用于处理得到各道路中心线之间的交叉点位置作为交叉路口的几何中心点。
68.具体地，本实施例中，优选可以通过预先训练得到的神经网络模型识别出交叉路口的几何中心点。
69.作为优选的实施例中，本发明的数字孪生城市道路的构建系统可以对应提供多个源数据输入端口，其中第一个源数据输入端口对应连接源数据处理模块2，用于接收区域图像作为道路源数据。还可以包含第二个源数据输入端口，对应连接道路生成模块3，用于接收直接从从规划院或者市政设计院的cad中提取道路中心线，车道数和道路宽度，该数据为完整的结构数据，并对设计院给出的cad样条线进行炸开操作，遍历所有圆弧线，球端点，对端点求类聚，对类聚结果求均值，最终求出交叉路口的几何中心点，该过程可以调用现有软件实现，具体实现过程不作为本技术方案的发明点，此处不再赘述。还可以包含第三个源数据输入端口，对应连接对应连接道路生成模块3，该源数据输入端口可以是人机交互端口，同样用于接收区域图像作为道理源数据，操作人员可以基于区域图像以人工识别方式手动绘制出道路中心线、交叉路口的几何中心点，并读取道路宽度和分道数。
70.在获取各条道路的道路中心线、道路宽度和车道数后，即可进行道路及路口网格构建，具体地，道路生成模块3包括：
71.边界生成单元31，用于将道路中心线分别向左右两侧偏移道路宽度的距离得到对应的两条道路边界线，并对两条道路边界线进行插值分段折线化得到网格化边界；
72.道路网格化单元32，连接边界生成单元31，用于根据道路中心线、道路宽度和车道数处理得到每条道路的分道线的位置参数，并根据位置参数生成对应的分道线的虚线图形并实例化，以及对道路中心线进行实例化，以生成网格化道路；
73.路口网格化单元33，连接边界生成单元31，用于以区域图像构建图像坐标系，并在
图像坐标系下根据每条道路的道路中心线和道路边界线生成交叉路口网格。
74.具体地，本实施例中，通过将道路中心线进行左右偏移能够形成平滑的道路边界线，为便于计算机渲染，可以通过对两条道路边界线进行插值分段折线化的方式进行边界网格化，网格化之后的曲线数据量会大大减少，分段原则曲率大的位置分段多，曲率小的位置分段少。此时，仅生成了道路的网格化边界，实际道路应该还要包括一些关键组分，如道路中心线和分道线等，基于此，可以基于道路中心线、道路宽度和车道数与关键组分的联动逻辑同时构建完成。进一步具体地，针对每条道路的道路中心线与其中一条边界线之间的区域，其宽度为二分之一的道路宽度，可以通过对二分之一的道路宽度进行等距插值，插值数量为二分之一的车道数减一，插值位置即为分道线相对道路中心线的位置。在确定分道线位置后，可以采用dash pattern函数生成对应的分道线的虚线图形，随后实例化，对道路中心线则直接实例化成实线即可。
75.数字化孪生城市道路还应该包含各条道路之间的交叉口的构建过程，本发明的较佳的实施例中，路口网格化单元33包括：
76.第二聚类子单元331，用于提取各道路中心线的中心线端点，并对各中心线端点进行聚类得到多个中心线端点簇；
77.中心定位子单元332，连接第二聚类子单元331，用于针对每个中心线端点簇，获取中心线端点簇中的各中心线端点在图像坐标系中的图像坐标值，并计算各图像坐标值的平均值得到中心线端点簇的中心点坐标；
78.网格化子单元333，连接中心定位子单元332，用于以中心点坐标为圆心，以预设半径做圆，将圆中包含的各道路边界线的边界线端点按照逆时针方向依次首尾连线，随后将相邻两个所属不同道路的边界线端点之间的连线按照预设的收缩系数朝向中心点坐标收缩形成曲线，以生成交叉路口网格。
79.具体地，本实施例中，以四条道路形成的交叉口为例，提取各道路中心线的中心线端点，并对各中心线端点进行聚类得到的中心线端点簇包含如图2所示的四个三角形表示的中心线端点，随后对四个中心线端点的图像坐标值求平均，端点中心点坐标，如图2所示的矩形表示对应的中心点。如图2所示，随后以该中心点为圆心，以预设半径做圆，可以看到该圆中包含图2中圆形表示的四条道路的八个边界线端点，上述预设半径优选为道路宽度的3-4倍。随后将各边界线端点按照逆时针方向依次首尾连线，此时各连线均为直线，最后将相邻两个所属不同道路的边界线端点之间的连线按照预设的收缩系数朝向中心点坐标收缩形成曲线，如图3所示，以生成交叉路口网格。上述预设的收缩系数根据实际道路的道路回转半径进行关联配置，取值范围为0-1。
80.上述过程初步生成了孪生道路，但实际道路上还具有其他道路组件，如立式红绿灯、树和路灯，需要进一步确定上述道路组件的位置，基于此，本发明的较佳的实施例中，组件点位包括立式红绿灯点位，和/或树点位，和/或路灯点位，道路组件对应包括立式红绿灯组件，和/或树组件，和/或路灯组件；
81.则道路生成模块3还包括点位标记单元34，分别连接边界生成单元31、道路网格化单元32和路口网格化单元33，点位标记单元34包括：
82.第一标记子单元341，用于将交叉路口网格中的曲线的中点标记为立式红绿灯点位；和/或
83.第二标记子单元342，用于对网格化道路中的各道路边界线进行等距切分，并将各等距切分点标记为树点位或路灯点位，并针对路灯点位，将相对设置的两个路灯点位之间的连线方向标记为路灯朝向；
84.则道路构建模块4调用立式红绿灯组件配置于立式红绿灯点位，和/或调用树组件配置于树点位，和/或调用路灯组件配置于路灯点位，以构建得到数字孪生城市道路。
85.具体地，本实施例中，立式红绿灯点位如图3所示的五角星标注的位置。相对设置的两个路灯点位的路灯朝向如图3中的箭头所示的方向。确定上述点位后，只需调用相应的组件对应配置即可构建得到数字孪生城市道路。
86.本发明的较佳的实施例中，道路组件板图库1包括斑马线贴图；则道路生成模块3还包括组件自动构建单元35，分别连接道路网格化单元32和路口网格化单元33，组件自动构建单元35包括：
87.斑马线构建子单元351，用于将交叉路口网格中的所属相同道路的边界线端点之间的连线朝向中心点坐标偏移生成偏移线，并于偏移线和对应的连线之间的区域生成斑马线网格，随后调用斑马线贴图贴设于斑马线网格上；和/或
88.道路箭头构建子单元352，用于对各分道线进行偏移后收缩，以于各分道的分道中心线位置形成箭头基线，并基于箭头基线自动构建各分道的道路箭头。
89.具体地，本实施例中，实际道路包含的关键组分还应该包括斑马线和道路箭头，其中，斑马线可以基于与交叉路口网格的联动逻辑同时构建完成，如图4所示，通过将交叉路口网格中的所属相同道路的边界线端点之间的连线朝向中心点坐标偏移生成偏移线，实现确定斑马线的覆盖区域，进而在覆盖区域生成斑马线网格，随后调用斑马线贴图贴设于斑马线网格上。
90.同样地，道路箭头可以基于与网格化道路的联动逻辑同时构建完成，道路箭头的包括直行箭头、转弯箭头以及掉头箭头以及组合箭头等，可以基于各类箭头的形状以及尺寸要求进行自动构建，现以直行箭头为例说明自动构建过程：
91.首先对分道线进行偏移至分道的中心线位置，确定位置后收缩至预设距离得到箭头基线，这里的预设距离由道路规范确定，在得到箭头基线后，提取该箭头基线的两个端点，如图5所示，分别为首端点100和尾端点200，将尾端点200向箭头基线的两侧分别偏移第一距离形成新的两个端点，将首端点100向尾端点200方向偏移第二距离得到中间端点300，并将中间端点300向箭头基线的两侧分别偏移第一距离和第三距离形成新的四个端点，将首端点100、尾端点200以及新形成的六个端点依次首尾相连即可构建得到如图6所示的直线箭头。上述第一距离、第二距离和第三距离同样由道路规范确定。其他箭头的构建依次类推，此处不再赘述。
92.本发明的较佳的实施例中，道路生成模块3还包括组件手动构建单元36，分别连接道路网格化单元32和路口网格化单元33，用于供技术人员于网格化道路和交叉路口网格的基础上手动设置除道路组件图库中的其他道路组件。
93.具体地，本实施例中，道路组件图库中通常仅配置有常用道路组件，通过提供组件手动构建单元36，方便操作人员配置道路组件图库中未预先生成的其他道路组件，如慢行线组件，缓冲道组件等。优选的，在手动生成后，也可以保存至道路组件图库以扩充道路组件图库，方便后续使用。
94.本发明还提供一种数字孪生城市道路的构建方法，应用于上述的构建系统，构建系统中保存有预先生成的多个道路组件；如图7所示，构建方法包括：
95.步骤s1，构建系统获取待构建区域的道路源数据，并根据道路源数据处理得到待构建区域包含的各条道路的道路中心线、道路宽度和车道数；
96.步骤s2，构建系统分别根据道路中心线、道路宽度和车道数生成对应的网格化道路、各网格化道路关联的交叉路口网格，并于网格化道路和对应的交叉路口网格上标记出多个组件点位；
97.步骤s3，构建系统调用各道路组件配置于相应的组件点位处，以构建得到待构建区域的数字孪生城市道路。
98.以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。