一種基于點云的道路信息自動提取方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于點云的道路信息自動提取方法，涉及測繪和道路工程設(shè)計與管理領(lǐng)域，包括如下步驟：數(shù)據(jù)采集：在完成地面GNSS基站的選取和采集設(shè)備檢校合格后再通過移動平臺采集點云數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)預(yù)處理：將采集到的原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理輸出所需的點云數(shù)據(jù)；點云濾波：通過濾波處理軟件對點云數(shù)據(jù)進行濾波處理，經(jīng)自動分類與局部人機交互分類獲得準(zhǔn)確的點云分類成果；興趣物提取：利用濾波后的點云進行地物信息提取，并按所需格式輸出。本發(fā)明的優(yōu)越性為：在不中斷交通正常運行的情況下實現(xiàn)現(xiàn)有道路精確的二維、三維信息提??；提高了初測階段成果的深加工附加值，實現(xiàn)了道路勘測初測、定測工作的一體化，極大的降低了項目整體建設(shè)成本。
【專利說明】一種基于點云的道路信息自動提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及測繪和道路工程設(shè)計與管理領(lǐng)域，特別涉及一種可以在不中斷交通情況下，自動獲取道路精確的二維、三維空間信息，可以代替人工上路測量的基于點云的道路信息自動提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002]道路從字面意義上敘述可以為是由一地通往另一地的路徑。在日常生活中我們往往認(rèn)為道路是供人馬車輛通行的路；兩地之間的通道。但隨著社會進程的發(fā)展，道路被賦予了新的概念，例如火車行駛的路線，船舶運行的航道和車輛行人通行的基礎(chǔ)設(shè)施均可稱為道路的不同表現(xiàn)形式。
[0003]隨著社會經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，道路的交通量日益增長，一方面不少早期建成的道路已不能很好的滿足當(dāng)今交通量發(fā)展的需求。如:中東部地區(qū)的道路通車容量已經(jīng)飽和，迫切需要加快道路改擴建和道路表面相關(guān)設(shè)施的建設(shè)工作，以達到輔助經(jīng)濟增長和提高駕駛者安全性；另外，在公路普查與管理方面，面對分布在狹長道路上的巨額資產(chǎn)，亟需一種快速、高效的方法查清每一處道路資產(chǎn)的相關(guān)信息，為公路數(shù)字化管理的實現(xiàn)提供有力的支持。
[0004]其中，勘測工作是整個道路改擴建工作的基礎(chǔ)和重要環(huán)節(jié)，與道路改擴建工程的工期、質(zhì)量和效率關(guān)系密切?，F(xiàn)有技術(shù)中的公路改擴建勘測主要采用工程測量和傳統(tǒng)數(shù)碼航空攝影測量技術(shù)。
[0005]發(fā)明人實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下的缺點和不足:
(1)工程測量存在工作量大、項目成本高、作業(yè)周期長和勞動強度大、對現(xiàn)有道路運營影響大等多方面缺點，不能滿足公路管理部門對勘測設(shè)計工作成本低、工期短、精度和質(zhì)量要求高等多方面的現(xiàn)實要求；
(2)工程測量需要外業(yè)測量人員在路面上作業(yè)，為滿足該測量工作要求，一種方法是對測量路段臨時封閉，保證外業(yè)測量人員的作業(yè)安全，但該作業(yè)方式嚴(yán)重影響了道路運輸管理部門的正常運營，對經(jīng)濟社會正常運營產(chǎn)生了較大負(fù)面影響；另一種方法是不封閉高速公路，作業(yè)人員在道路路面工作，僅進行作業(yè)路段警示提醒，但由于道路車輛行駛速度快，該作業(yè)方法很難保證外業(yè)測量人員的作業(yè)安全，存在極大的安全隱患；
(3)傳統(tǒng)數(shù)碼航空攝影測量采用立體測圖方法采集地面三維地形，自動化程度較低且提取的地形高程精度較差，僅滿足道路初測階段數(shù)字高程模型產(chǎn)品的精度要求，不能滿足后期道路定測階段中樁橫斷面圖高程中誤差0.1m的精度要求，自然不能解決后期中樁橫斷面測圖需求。
[0006]在道路改擴建、勘測和道路周圍設(shè)施部署過程中采用工程測量、傳統(tǒng)航空攝影測量等方法時，不可避免地存在作業(yè)安全隱患、影響現(xiàn)場交通通行、項目成本高、開發(fā)周期長和產(chǎn)品精度低等問題。怎樣在保證公路改擴建勘測在滿足行業(yè)勘測規(guī)范和承建單位要求的前提下，盡可能保證外業(yè)測量作業(yè)人員安全、不影響待擴建道路交通通行、縮短開發(fā)周期、提高初測階段測圖產(chǎn)品深加工附加值成為了本領(lǐng)域科技人員急待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明實施例提供一種基于點云的道路信息自動提取方法，本發(fā)明可以在不中斷交通正常運行的情況下，對現(xiàn)有道路安全、快速、經(jīng)濟的進行高精度測量，為改擴建和道路周圍設(shè)施建設(shè)提供精確、豐富和完整的二、三維信息支持。同時本發(fā)明提高了作業(yè)的安全性，降低了項目成本，縮短了項目周期，提高了成果精度。
[0008]本發(fā)明實施例提供一種基于點云的道路信息自動提取方法，包括如下步驟:
數(shù)據(jù)采集:在完成地面GNSS基站的選取和采集設(shè)備檢校合格后再通過移動平臺對點云數(shù)據(jù)進行采集；
數(shù)據(jù)預(yù)處理:將采集到的原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理輸出所需的點云數(shù)據(jù)；
點云濾波:通過濾波處理軟件對點云數(shù)據(jù)進行濾波處理，經(jīng)自動分類與局部人機交互分類獲得準(zhǔn)確的點云分類成果；
興趣物提取:利用濾波后的點云進行地物信息提取，并按所需格式輸出。
[0009]所述基于點云的道路信息自動提取步驟還包括:
點云精度改正控制點測量:為了得到較高精度的成果數(shù)據(jù)，需要在道路路面上布設(shè)一定數(shù)量的控制點，并對其進行所需精度等級的測量；
點云精度改正:為了達到相關(guān)的數(shù)據(jù)成果精度要求，利用外業(yè)測量得到的路面控制點對預(yù)處理后的點云進行精度改正，改正后的成果平面精度可優(yōu)于5cm，高程精度可優(yōu)于2cm。
[0010]高精度數(shù)字高程模型(DEM)輸出:將濾波處理后的點云數(shù)據(jù)按照一定的格網(wǎng)間距輸出數(shù)字高程模型；
道路形態(tài)還原:利用輸出得到的高精度數(shù)字高程模型和三維道路特征線可以精確的還原已有道路的形態(tài)特征，生成道路地形圖；其中已有道路的形態(tài)特征可包括:道路平面特征、道路縱斷面擬合、道路縱斷面圖，以及道路橫斷面圖。
[0011]一種基于點云的道路信息自動提取方法，其中所述數(shù)據(jù)采集具體為:
1)采集前的準(zhǔn)備:
A)地面GNSS基站的選取和架設(shè):根據(jù)所需精度與測量區(qū)域內(nèi)GNSS觀測環(huán)境GNSS基站覆蓋半徑可以為5-20公里；
B)設(shè)備檢校:在進行數(shù)據(jù)采集前需要對點云數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行檢校；
2)數(shù)據(jù)采集的過程為:
A)在地面GNSS基站設(shè)置的點位上設(shè)有對衛(wèi)星信號進行接收存儲的接收機；其中:地面GNSS基站上設(shè)置的接收機需在移動平臺進行數(shù)據(jù)采集前10-50分鐘內(nèi)進行工作，在移動平臺完成數(shù)據(jù)采集后10-50分鐘內(nèi)停止工作；
B)首先進行數(shù)據(jù)采集路線規(guī)劃，再按照指定數(shù)據(jù)采集路線通過移動平臺上的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行數(shù)據(jù)的采集；
在同一部數(shù)據(jù)采集移動平臺上可以安裝1-6臺采集設(shè)備，其采集設(shè)備的采集角度為90-360度之間；當(dāng)設(shè)有2-6臺采集設(shè)備時，每相鄰兩臺采集設(shè)備的采集角度的交叉點范圍在15-120度之間；根據(jù)數(shù)據(jù)的密度要求進行采集，移動平臺行駛的速度限制為不超過50公里/時；其中所述采集移動平臺可為:車輛、船舶、機車和火車。
[0012]一種基于點云的道路信息自動提取方法，其中所述數(shù)據(jù)預(yù)處理具體為:
O結(jié)合地面GNSS基站采集的衛(wèi)星數(shù)據(jù)對移動平臺采集的原始數(shù)據(jù)進行解算；
2)為了實現(xiàn)工程化管理可對解算處理后的點云數(shù)據(jù)進行分幅處理；
3)對原始解算輸出后的點云數(shù)據(jù)或分幅處理后的點云數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。
[0013]一種基于點云的道路信息自動提取方法，其中所述點云濾波處理具體為:
O點云自動濾波:將點云數(shù)據(jù)通過濾波處理軟件進行自動濾波處理；
2)人機交互濾波:對自動濾波處理后的點云數(shù)據(jù)進行人機交互分類，得到分類準(zhǔn)確的點云數(shù)據(jù)。
[0014]一種基于點云的道路信息自動提取方法，其中，所述興趣物提取具體為:
1)將濾波處理后的點云數(shù)據(jù)根據(jù)要求按類別、灰度信息顯示；
2)利用不同顯示模式下的的點云數(shù)據(jù)進行興趣物信息提?。?br> 3)將提取的興趣物信息按所需 的格式輸出；其中所述可提取的地物信息包括:交通設(shè)施、房屋建筑、道路特征線、樹木信息、道路附屬設(shè)施、道路沿線的公共設(shè)施。
[0015]一種基于點云的道路信息自動提取方法，其中，所述點云數(shù)據(jù)精度改正控制點測量具體為:
1)控制點布設(shè):根據(jù)成果精度的要求，在路面上布設(shè)相應(yīng)數(shù)量的控制點，并做明顯的標(biāo)記；其中所述控制點間距由成果精度決定，且控制點間距不小于50m ；
2)控制點測量:控制點施測等級取決于成果精度要求，平面坐標(biāo)可通過靜態(tài)GPS測量、RTK測量方式中的一種獲得，高程坐標(biāo)可通過水準(zhǔn)測量、RTK測量方式中的一種獲得。
[0016]—種基于點云的道路信息自動提取方法，其中所述點云數(shù)據(jù)精度改正具體為:
1)根據(jù)控制點位置提取相對應(yīng)的點云數(shù)據(jù)的點位坐標(biāo)，與控制點進行比對，獲得點云數(shù)據(jù)的殘差值；
2)按照線性精度改正公式對點云數(shù)據(jù)的殘差值進行平差改正，其中線性精度改正公式
【權(quán)利要求】
1.一種基于點云的道路信息自動提取方法，其特征在于，包括如下步驟: 數(shù)據(jù)采集:在完成地面GNSS基站的選取和采集設(shè)備檢校合格后再通過移動平臺采集點云數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)預(yù)處理:將采集到的原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理輸出所需的點云數(shù)據(jù)； 點云濾波:通過濾波處理軟件對點云數(shù)據(jù)進行濾波處理，經(jīng)自動分類與局部人機交互分類獲得準(zhǔn)確的點云分類成果； 興趣物提取:利用濾波后的點云進行地物信息提取，并按所需格式輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于點云的道路信息自動提取方法，其特征在于，所述基于點云的道路信息自動提取步驟還包括: 點云精度改正控制點測量:為了得到較高精度的成果數(shù)據(jù)，需要在道路路面上布設(shè)一定數(shù)量的控制點，并對其進行所需精度等級的測量； 點云精度改正:為了達到相關(guān)的 數(shù)據(jù)成果精度要求，利用外業(yè)測量得到的路面控制點對預(yù)處理后的點云進行精度改正，改正后的成果平面精度可優(yōu)于5cm，高程精度可優(yōu)于2cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于點云的道路信息自動提取方法，其特征在于，所述基于點云的道路信息自動提取步驟還包括: 高精度數(shù)字高程模型(DEM)輸出:將濾波處理后的點云數(shù)據(jù)按照一定的格網(wǎng)間距輸出數(shù)字高程模型； 道路形態(tài)還原:利用輸出得到的高精度數(shù)字高程模型和三維道路特征線可以精確的還原已有道路的形態(tài)特征，生成道路地形圖；其中已有道路的形態(tài)特征可包括:道路平面特征、道路縱斷面擬合、道路縱斷面圖，以及道路橫斷面圖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于點云的道路信息自動提取方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集具體為: 1)采集前的準(zhǔn)備: A)地面GNSS基站的選取和架設(shè):根據(jù)所需精度與測量區(qū)域內(nèi)GNSS觀測環(huán)境GNSS基站覆蓋半徑可以為5-20公里； B)設(shè)備檢校:在進行數(shù)據(jù)采集前需要對點云數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行檢校； 2)數(shù)據(jù)采集的過程為: A)在地面GNSS基站設(shè)置的點位上設(shè)有對衛(wèi)星信號進行接收存儲的接收機；其中:地面GNSS基站上設(shè)置的接收機需在移動平臺進行數(shù)據(jù)采集前10-50分鐘內(nèi)進行工作，在移動平臺完成數(shù)據(jù)采集后10-50分鐘內(nèi)停止工作； B)首先進行數(shù)據(jù)采集路線規(guī)劃，再按照規(guī)劃路線通過移動平臺上的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行數(shù)據(jù)的采集； 其中所述移動平臺可為:車輛、船舶、機車和火車。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、4所述的一種基于點云的道路信息自動提取方法,其特征在于:在同一部數(shù)據(jù)采集移動平臺上可以安裝1-6臺采集設(shè)備，其采集設(shè)備的采集角度為90-360度之間；當(dāng)設(shè)有2-6臺采集設(shè)備時，每相鄰兩臺采集設(shè)備的采集角度的交叉點范圍在15-120度之間；根據(jù)數(shù)據(jù)的密度要求進行采集，移動平臺行駛的速度限制為不超過50公里/時；其中所述采集移動平臺可為:車輛、船舶、機車和火車。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于點云的道路信息自動提取方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)預(yù)處理具體為: O結(jié)合地面GNSS基站采集的衛(wèi)星數(shù)據(jù)對移動平臺采集的原始數(shù)據(jù)進行解算； 2)為了實現(xiàn)工程化管理可對解算處理后的點云數(shù)據(jù)進行分幅處理； 3)對原始解算輸出后的點云數(shù)據(jù)或分幅處理后的點云數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于點云的道路信息自動提取方法，其特征在于，所述點云濾波處理具體為: O點云自動濾波:將點云數(shù)據(jù)通過濾波處理軟件進行自動濾波處理； 2)人機交互濾波:對自動濾波處理后的點云數(shù)據(jù)進行人機交互分類，得到分類準(zhǔn)確的點云數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于點云的道路信息自動提取方法，其特征在于，所述興趣物提取具體為: 1)將濾波處理后的點云數(shù)據(jù)根據(jù)要求按類別、灰度信息顯示； 2)利用不同顯示模式下的點云數(shù)據(jù)進行興趣物信息提??； 3)將提取的興趣物信息按所需的格式輸出；其中所述可提取的地物信息包括:交通設(shè)施、房屋建筑、道路特征線、樹木信息、道路附屬設(shè)施、道路沿線的公共設(shè)施。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于點云的道路信息自動提取方法，其特征在于，所述點云數(shù)據(jù)精度改正控制點測量具體為: 1)控制點布設(shè):根據(jù)成果精度的要求，在路面上布設(shè)相應(yīng)數(shù)量的控制點，并做明顯的標(biāo)記；其中所述控制點間距由成果精度決定，且控制點間距不小于50m ； 2)控制點測量:控制點施測等級取決于成果精度要求，平面坐標(biāo)可通過靜態(tài)GPS測量、RTK測量方式中的一種獲得，高程坐標(biāo)可通過水準(zhǔn)測量、RTK測量方式中的一種獲得。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于點云的道路信息自動提取方法，其特征在于，所述點云數(shù)據(jù)精度改正具體為: 1)根據(jù)控制點位置提取相對應(yīng)的點云數(shù)據(jù)的點位坐標(biāo)，與控制點進行比對，獲得點云數(shù)據(jù)的殘差值； 2)按照線性精度改正公式對點云數(shù)據(jù)的殘差值進行平差改正，其中線性精度改正公式為:
【文檔編號】G01C21/26GK103743383SQ201410047529
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年2月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月11日
【發(fā)明者】田春來, 鄧世軍, 王國飛, 陳春明, 李建平, 周澤兵, 閆繼揚 申請人:天津市星際空間地理信息工程有限公司