一種基于斷面剖分的道路特征提取方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于激光雷達(dá)測(cè)量領(lǐng)域，具體公開了一種基于斷面剖分的道路特征提取方法，其步驟：用激光雷達(dá)測(cè)量設(shè)備獲取激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)；確定出道路特征引導(dǎo)線，提取道路特征附近點(diǎn)云數(shù)據(jù)；根據(jù)道路特征引導(dǎo)線按一定步長(zhǎng)生成剖分切片，計(jì)算鄰近點(diǎn)云在剖分切片坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，完成激光點(diǎn)云的斷面剖分；選取特征信息完整的剖分切片，生成感興趣的道路特征點(diǎn)云模板；確定道路特征點(diǎn)云模板與剖分切片點(diǎn)云最終的轉(zhuǎn)換模型參數(shù)；計(jì)算道路特征的空間坐標(biāo)，根據(jù)道路特征自身特性提取所需特征，最終完成道路特征的量測(cè)與提取。本發(fā)明引入斷面剖分思想，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜道路特征的自動(dòng)量測(cè)與提取，在保證量測(cè)精度的前提下顯著提高工作效率，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
【專利說明】一種基于斷面剖分的道路特征提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光雷達(dá)測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于斷面剖分的道路特征提取方法，該方法可以快速準(zhǔn)確地獲取沿線道路特征的空間幾何位置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，不少早期建成的公路服務(wù)水平下降，無法滿足日益增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，面臨改建或者擴(kuò)建。我國(guó)的公路建設(shè)事業(yè)，已逐漸形成“公路新建與改擴(kuò)建并重”的局面，公路改擴(kuò)建將成為未來我國(guó)公路建設(shè)的重點(diǎn)。
[0003]對(duì)于公路改擴(kuò)建勘察設(shè)計(jì)項(xiàng)目，快速精確地獲取既有道路的空間信息資料是關(guān)鍵前提。目前，道路特征如路緣石、護(hù)欄、中央隔離帶等的量測(cè)，主要采用傳統(tǒng)的人工外業(yè)測(cè)量或者基于激光雷達(dá)點(diǎn)云人工拾取的方式獲得。現(xiàn)有技術(shù)中主要存在以下缺點(diǎn)和不足:
[0004]1、人工外業(yè)測(cè)量的方式，需要投入大量的人力資源，不僅測(cè)量成本投入高，而且工作效率低下、工作量大；
[0005]2、對(duì)于公路改擴(kuò)建，外業(yè)測(cè)量的方式需要大量的人工上路測(cè)量，將干擾道路正常交通，給行車和測(cè)量人員均造成嚴(yán)重安全隱患；
[0006]3、人工拾取激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集道路特征時(shí)，人員主觀隨意性大，位置測(cè)量精度無法保證。
[0007]為此，本專利申請(qǐng)擬提出一種基于斷面剖分的道路特征提取方法，通過引入斷面剖分的思想，將所采集的密集三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)投影到二維剖分切片中進(jìn)行處理，方法簡(jiǎn)單實(shí)用，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)道路沿線復(fù)雜道路特征的快速精確獲取，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對(duì)實(shí)際公路工程應(yīng)用中道路特征難以快速精確獲取的難題，提出了一種基于斷面剖分的道路特征提取方法。該方法創(chuàng)新性地引入斷面剖分的思想，將海量激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理由三維簡(jiǎn)化為二維，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜道路特征的快速提取。
[0009]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)措施:
[0010]一種基于斷面剖分的道路特征提取方法，其步驟如下:
[0011](I)激光掃描數(shù)據(jù)的獲取:利用車載激光雷達(dá)測(cè)量設(shè)備，沿道路進(jìn)行高密度的外業(yè)掃描，獲取原始激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0012](2)激光點(diǎn)云的提取:確定出道路特征初略位置的引導(dǎo)線，并提取引導(dǎo)線附近的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0013](3)激光點(diǎn)云的斷面剖分:根據(jù)引導(dǎo)線按一定步長(zhǎng)生成剖分切片，將激光點(diǎn)投影到剖分切片，并計(jì)算該激光點(diǎn)在剖分切片坐標(biāo)系的坐標(biāo)；
[0014](4)道路特征點(diǎn)云模板的建立:選取特征信息完整的剖分切片，生成感興趣的道路特征點(diǎn)云模板；
[0015](5)基于道路特征點(diǎn)云模板的精確配準(zhǔn):利用步驟(4)所建立的道路特征點(diǎn)云模板，對(duì)每個(gè)剖分切片的點(diǎn)云，通過道路特征點(diǎn)云模板初始配準(zhǔn)、基于二維迭代最近鄰點(diǎn)算法的精確配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)；
[0016](6)道路特征的量測(cè)與提取:首先計(jì)算道路特征的空間坐標(biāo)，然后結(jié)合道路特征自身屬性提取所需的特征線或特征面，最終完成道路特征的量測(cè)與提取。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法的顯著優(yōu)點(diǎn)和效果主要表現(xiàn)在:
[0018](I)引入的斷面剖分思想，將復(fù)雜的特征量測(cè)與識(shí)別問題由三維簡(jiǎn)化為二維，方法間單頭用，應(yīng)用面廣；
[0019](2)相比于傳統(tǒng)的人工外業(yè)測(cè)量方法，本發(fā)明方法不干擾交通流，消除了測(cè)量人員人身安全隱患，而且速度快，精度高；
[0020](3)相比于人工拾取激光點(diǎn)云的方法，本發(fā)明的基于點(diǎn)云模板配準(zhǔn)的方法，可更好地保證特征量測(cè)與提取的精度；
[0021](4)本發(fā)明創(chuàng)新性地提出基于斷面剖分的道路特征提取方法，可縮短數(shù)據(jù)獲取周期、保障數(shù)據(jù)質(zhì)量。本發(fā)明方法已經(jīng)成功應(yīng)用于多項(xiàng)公路勘察設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，成功獲取出路緣石、護(hù)欄等道路特征的空間位置，相比人工外業(yè)測(cè)量方法，工作效率提高5倍以上，解決了道路特征難以獲取的技術(shù)難題，展現(xiàn)出重大的工程應(yīng)用價(jià)值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的一種基于斷面剖分的道路特征提取方法的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面 申請(qǐng)人:將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。以下實(shí)施例僅用于進(jìn)一步闡述本發(fā)明的技術(shù)方案，而不應(yīng)在任何程度上被理解為對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求書請(qǐng)求保護(hù)范圍的限制。
[0024]實(shí)施例1:
[0025]一種基于斷面剖分的道路特征提取方法，如圖1所示，適用于道路的路面、防護(hù)設(shè)施等特征的提取。各步驟詳細(xì)闡述如下:
[0026]第一步，激光掃描數(shù)據(jù)的獲取
[0027]采用車載激光雷達(dá)測(cè)量設(shè)備，通過車輛在道路上以40?60公里/小時(shí)的速度行進(jìn)，對(duì)道路兩側(cè)進(jìn)行高密度的外業(yè)掃描，獲取外業(yè)數(shù)據(jù)；內(nèi)業(yè)解算時(shí)，以同步進(jìn)行觀測(cè)的GPS參考站數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用車載GPS獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，解算得到車輛行駛軌跡線，進(jìn)而獲取到精確的原始激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，激光點(diǎn)云平均點(diǎn)間距小于5cm,最終完成數(shù)據(jù)的外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的初步處理。
[0028]第二步，激光點(diǎn)云的提取
[0029]首先，人工確定出道路特征初略位置的引導(dǎo)線。
[0030]A、當(dāng)高程變化可反映出道路特征時(shí)，通過數(shù)字高程模型人工描繪出引導(dǎo)線；
[0031]或者，B、利用點(diǎn)云的強(qiáng)度信息提取出車道線，利用道路特征與車道線之間的空間幾何位置關(guān)系，通過偏移車道線獲取引導(dǎo)線；
[0032]或者，C、通過融合疊加車載點(diǎn)云和數(shù)碼照片，人工描繪出引導(dǎo)線。
[0033]然后，提取距離引導(dǎo)線一定范圍內(nèi)點(diǎn)云，范圍參數(shù)根據(jù)道路特征具體設(shè)定，需綜合考慮后繼點(diǎn)云模板配準(zhǔn)需要、運(yùn)算效率、減少干擾點(diǎn)云等因素，一般在包含完整道路特征的前提下，取較小的范圍參數(shù)值。
[0034]第三步，激光點(diǎn)云的斷面剖分
[0035]首先，根據(jù)道路特征的引導(dǎo)線，按一定步長(zhǎng)進(jìn)行斷面剖分，建立剖分切片。步長(zhǎng)參數(shù)SeC_Step根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)定。剖分切片與物方坐標(biāo)系O-XYZ中的Z軸平行，剖分切片的具體建立方法如下:
[0036]假設(shè)初略位置的引導(dǎo)線有η個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)在物方坐標(biāo)系O-XYZ中的平面坐標(biāo)依次
為(X^y1)' (x2,12) >......、(xn，yn)。以 Ui, y)、(xi+1，yi+1)構(gòu)成的第 i 段引導(dǎo)線為例，第 i
段引導(dǎo)線的方向θ和長(zhǎng)度I可利用公式(I)和公式(2)計(jì)算得到:
[0037]Θ = arctan(I)
[0038]l=sqrt (XywIi) W(Xw-Xi)2)(2)
[0039]根據(jù)第i段引導(dǎo)線的長(zhǎng)度I和斷面剖分的步長(zhǎng)參數(shù)SeC_Step，可計(jì)算第i段引導(dǎo)線中剖分切片的個(gè)數(shù)Sec_C0unt。計(jì)算每一個(gè)剖分切片與引導(dǎo)線的交點(diǎn)，以第η個(gè)剖分切片為例，設(shè)其與引導(dǎo)線交點(diǎn)坐標(biāo)為(Xtln, Ycin),則其可按公式(3)計(jì)算得到:
[0040]X0n=Xi+(n*Sec_Step) *cos ( θ ) (3)
[0041 ] Y0n=Yi+ (n*Sec_Step) *sin ( θ )
[0042]根據(jù)剖分切片在O-XY平面投影線段與引導(dǎo)線相互垂直的幾何關(guān)系，可以得到第i段引導(dǎo)線中第η個(gè)剖分切片在O-XY平面投影線段的左右端點(diǎn)坐標(biāo)，利用左右端點(diǎn)坐標(biāo)便可以建立剖分切片在O-XY平面投影線段對(duì)應(yīng)的直線方程。對(duì)每段引導(dǎo)線按照上述方法處理，進(jìn)而生成所有的剖分切片。
[0043]對(duì)于激光點(diǎn)，設(shè)其在物方坐標(biāo)系中坐標(biāo)為(Xe，YcZe),尋找與之垂直距離最近的剖分切片，如果垂直距離小于指定的距離閾值，距離閾值通常取I~2倍的激光點(diǎn)云平均點(diǎn)間距，則計(jì)算激光點(diǎn)到與之垂直距離最近的剖分切片投影在物方坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(Xp，Yp，Zp)。設(shè)該剖分切片在O-XY平面投影線段對(duì)應(yīng)的直線方程為Ax+By+C=0，則(XP，YP，ZP)可通過式(4)計(jì)算得到:
[0044]Xp= 0*B*Xg-A*B*Yg_A*C) / (A*A+B*B)
[0045]Yp= (-A*B*Xg+A*A*Yg_B*C) / (A*A+B*B) (4)
[0046]Zp=Zg
[0047]并進(jìn)一步將坐標(biāo)(XP，Yp, Zp)轉(zhuǎn)化為該剖分切片坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。剖分切片坐標(biāo)系為二維坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于切片在O-XY平面投影線段左端點(diǎn)，X軸沿剖分切片方向指向右端點(diǎn)，Y軸與物方坐標(biāo)系Z軸平行，且與X軸滿足右手定則。假設(shè)該剖分切片在O-XY平面投
影線段的左右端點(diǎn)坐標(biāo)為(XSe?！猯rft—n，ySe。—ltft—n)和(XSe。—right—n，y&?！猺ight—n)，可計(jì)算出剖分切片在O-XY平面投影線段的方向角angle為:
[0048]angle = arctan (yscc ri^nt n yscc !e"n)(5)


\xsec _right_n~xsec _left_n/
[0049]則(XP，Yp, Zp)與所對(duì)應(yīng)的剖分切片坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(xse。，ysec)滿足如下關(guān)系式:
[0050]Xp=xSec_ieft_n+xSec*cos (angle)
[0051]Yp=Xsec left n+xsec*sin (angle)(6)[0052]Zp=Ysec
[0053]對(duì)于每個(gè)激光點(diǎn)，計(jì)算其對(duì)應(yīng)的剖分切片坐標(biāo)系坐標(biāo)，從而完成激光點(diǎn)云的斷面剖分。
[0054]第四步，道路特征點(diǎn)云模板的建立
[0055]遍歷所生成的激光點(diǎn)云剖分切片數(shù)據(jù)，選擇點(diǎn)云信息完整的剖分切片，提取出構(gòu)成所感興趣道路特征的點(diǎn)云，保存點(diǎn)云在剖分切片坐標(biāo)系中的坐標(biāo)并指定模板原點(diǎn)，從而完成道路特征點(diǎn)云模板的建立。
[0056]第五步，基于道路特征點(diǎn)云模板的精確配準(zhǔn)
[0057]基于道路特征點(diǎn)云模板的精確配準(zhǔn)，依次包括如下兩個(gè)步驟:道路特征點(diǎn)云模板初始配準(zhǔn)和基于二維迭代最近鄰點(diǎn)算法的精確配準(zhǔn)。
[0058](I)道路特征點(diǎn)云模板初始配準(zhǔn)，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0059]I)對(duì)道路特征點(diǎn)云模板和剖分切片的點(diǎn)云分別構(gòu)建K-D樹；
[0060]2)選取距離道路特征點(diǎn)云模板原點(diǎn)最近的k個(gè)近鄰點(diǎn)，k為道路特征點(diǎn)云模板的點(diǎn)個(gè)數(shù)，對(duì)道路特征點(diǎn)云模板每個(gè)點(diǎn)，利用公式(I)計(jì)算其到點(diǎn)云模板原點(diǎn)所構(gòu)成向量的角度，構(gòu)成匹配特征向量Ψ2…(pk)Tmodel。
[0061]3)對(duì)于待配準(zhǔn)的剖分切片，依據(jù)引導(dǎo)線的位置精度僅考慮引導(dǎo)線附近一定范圍內(nèi)的激光點(diǎn)，對(duì)每個(gè)激光點(diǎn)按照與構(gòu)造道路特征點(diǎn)云模板的匹配特征向量相同的方法構(gòu)造待匹配特征向量，即先選取距離該激光點(diǎn)最近的k個(gè)近鄰點(diǎn)，k為道路特征點(diǎn)云模板的點(diǎn)個(gè)數(shù)，依次計(jì)算近鄰點(diǎn)到該激光點(diǎn)所構(gòu)成向量的角度，進(jìn)而構(gòu)成待匹配特征向量
(Ψι 的…<5Pfc)L-gCt。
[0062]4)計(jì)算匹配特征向量(Α Ψ2…叭)^&「與每一個(gè)待匹配特征向量
^2…<^)LrgCt的歐式距離，選取特征向量間最小歐式距離對(duì)應(yīng)的剖分切片激光點(diǎn)，作為道路特征點(diǎn)云模板原點(diǎn)的匹配點(diǎn)。
[0063]5)根據(jù)道路特征點(diǎn)云模板原點(diǎn)和匹配點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算偏移量，從而完成道路特征點(diǎn)云模板的初始配準(zhǔn)。
[0064](2)基于二維迭代最近鄰點(diǎn)算法的精確配準(zhǔn)
[0065]將三維空間變換矩陣簡(jiǎn)化為二維平面轉(zhuǎn)換矩陣，通過構(gòu)建二維迭代最近鄰點(diǎn)算法完成道路特征點(diǎn)云模板與剖分切片點(diǎn)云的精確配準(zhǔn)。
[0066]基于二維迭代最近鄰點(diǎn)算法的精確配準(zhǔn)，其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0067]I)對(duì)待識(shí)別特征的剖分切片點(diǎn)云構(gòu)建K-D樹；
[0068]2)對(duì)于道路特征點(diǎn)云模板的每個(gè)點(diǎn)，利用剖分切片點(diǎn)云所構(gòu)建的K-D樹，通過最近鄰搜索算法，尋找與之距離最近的點(diǎn)，視為匹配點(diǎn)；
[0069]3)利用步驟2)中所獲得的匹配點(diǎn)集，利用隨機(jī)采樣一致性算法估算道路特征點(diǎn)云模板與剖分切片點(diǎn)云之間的平面轉(zhuǎn)換模型。平面轉(zhuǎn)換模型，僅需要考慮二維平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)、平移和拉伸，具體形式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于斷面剖分的道路特征提取方法，其步驟如下： (1)激光掃描數(shù)據(jù)的獲?。豪密囕d激光雷達(dá)測(cè)量設(shè)備，沿道路進(jìn)行高密度的外業(yè)掃描，獲取原始激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)； (2)激光點(diǎn)云的提?。捍_定出道路特征初略位置的引導(dǎo)線，并提取引導(dǎo)線附近的點(diǎn)云數(shù)據(jù)； (3)激光點(diǎn)云的斷面剖分：根據(jù)引導(dǎo)線按一定步長(zhǎng)生成剖分切片，將激光點(diǎn)投影到剖分切片，并計(jì)算該激光點(diǎn)在剖分切片坐標(biāo)系的坐標(biāo)； (4)道路特征點(diǎn)云模板的建立：選取特征信息完整的剖分切片，生成感興趣的道路特征點(diǎn)云模板； (5)基于道路特征點(diǎn)云模板的精確配準(zhǔn)：利用步驟（4)所建立的道路特征點(diǎn)云模板，對(duì)每個(gè)剖分切片的點(diǎn)云，通過道路特征點(diǎn)云模板初始配準(zhǔn)、基于二維迭代最近鄰點(diǎn)算法的精確配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)； (6)道路特征的量測(cè)與提取：首先計(jì)算道路特征的空間坐標(biāo)，然后結(jié)合道路特征自身屬性提取所需的特征線或特征面，最終完成道路特征的量測(cè)與提取。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于斷面剖分的道路特征提取方法，其步驟如下： 第一步，激光掃描數(shù)據(jù)的獲取 采用車載激光雷達(dá)測(cè)量設(shè)備，通過車輛在道路上以40~60公里/小時(shí)的速度行進(jìn)，對(duì)道路兩側(cè)進(jìn)行高密度的外業(yè)掃描，獲取外業(yè)數(shù)據(jù)；內(nèi)業(yè)解算時(shí)，以同步進(jìn)行觀測(cè)的GPS參考站數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用車載GPS獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，解算得到車輛行駛軌跡線，進(jìn)而獲取到精確的原始激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，激光點(diǎn)云平均點(diǎn)間距小于5cm，最終完成數(shù)據(jù)的外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的初步處理； 第二步，激光點(diǎn)云的提取 首先，人工確定出道路特征初略位置的引導(dǎo)線； A、當(dāng)高程變化可反映出道路特征時(shí)，通過數(shù)字高程模型人工描繪出引導(dǎo)線； 或者，B、利用點(diǎn)云的強(qiáng)度信息提取出車道線，利用道路特征與車道線之間的空間幾何位置關(guān)系，通過偏移車道線獲取引導(dǎo)線； 或者，C、通過融合疊加車載點(diǎn)云和數(shù)碼照片，人工描繪出引導(dǎo)線； 然后，提取距離引導(dǎo)線一定范圍內(nèi)點(diǎn)云，范圍參數(shù)根據(jù)道路特征具體設(shè)定； 第三步，激光點(diǎn)云的斷面剖分 首先，根據(jù)道路特征的引導(dǎo)線，按一定步長(zhǎng)進(jìn)行斷面剖分，建立剖分切片；步長(zhǎng)參數(shù)Sec_Step根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)定；剖分切片與物方坐標(biāo)系O-XYZ中的Z軸平行，剖分切片的具體建立方法如下： 假設(shè)初略位置的引導(dǎo)線有η個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)在物方坐標(biāo)系O-XYZ中的平面坐標(biāo)依次為(x1; Y1) > (x2, y2) > ......、（xn，yn);以（Xi, yd、（xi+1，yi+1)構(gòu)成的第 i 段引導(dǎo)線為例，第 i 段引導(dǎo)線的方向Θ和長(zhǎng)度I可利用公式（I)和公式（2)計(jì)算得到：
【文檔編號(hào)】G01S17/88GK103605135SQ201310610429
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月26日
【發(fā)明者】陳楚江, 明洋, 余紹淮, 王麗園, 張霄, 余飛 申請(qǐng)人:中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司