基于三維激光反射強(qiáng)度的道路標(biāo)線點(diǎn)云自動(dòng)分類識(shí)別方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于三維激光反射強(qiáng)度的道路標(biāo)線點(diǎn)云自動(dòng)分類識(shí)別方法，操作步驟為：使用激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)每一掃描圈中POS系統(tǒng)的姿態(tài)及位置信息，計(jì)算出每一掃描圈POS平面的方程；計(jì)算掃描圈中的三維坐標(biāo)點(diǎn)與POS中心構(gòu)成連線與POS平面的夾角，比較夾角與角度閾值，將大于角度閾值的點(diǎn)初判為路面點(diǎn)；再次計(jì)算初判為路面點(diǎn)到該點(diǎn)所在掃描圈POS平面的距離，以POS系統(tǒng)安裝時(shí)安置的高度值H為已知值，比較計(jì)算距離值與高度值H的差值，差值小于閾值的點(diǎn)為路面點(diǎn)；統(tǒng)計(jì)第二次判定為路面點(diǎn)的強(qiáng)度值，將強(qiáng)度值大于閾值的點(diǎn)判定為道路標(biāo)線。本方法具有快速、高效，重復(fù)排查檢錯(cuò)方便的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】基于三維激光反射強(qiáng)度的道路標(biāo)線點(diǎn)云自動(dòng)分類識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于三維激光反射強(qiáng)度的道路標(biāo)線點(diǎn)云自動(dòng)分類識(shí)別方法，屬于攝影測量和三維激光【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]道路標(biāo)線是城市環(huán)境的重要符號(hào)之一，對城市交通規(guī)劃、秩序維護(hù)及管理具有重要的意義?；谌緝x的傳統(tǒng)測繪方式道路標(biāo)線的采集識(shí)別有基于全站儀的大地測量碎步采集傳統(tǒng)作業(yè)方式，也有基于航空遙感影像的選擇提取，但前者外業(yè)采集量巨大，工作效率不高，后者對影像數(shù)據(jù)的空間分辨率要求較高，而具有高分辨率的航飛影像數(shù)據(jù)的采集條件較為嚴(yán)格，不易獲取。故此需要一種方法能夠提高道路標(biāo)志的采集識(shí)別效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是解決上述采集技術(shù)方案存在的問題，提供一種較少外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間、方便糾錯(cuò)及高工作效率的道路標(biāo)線識(shí)別方法。本方法通過車載移動(dòng)測量系統(tǒng)采集地物環(huán)境的三維信息，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，快速準(zhǔn)確地提取出道路標(biāo)線。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用一種基于強(qiáng)度信息的道路標(biāo)線自動(dòng)分類識(shí)別方法，首先，使用車載三維激光測量系統(tǒng)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，車載三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)集成部件包括車輛、三維激光掃描儀、GPS導(dǎo)航儀、慣性制導(dǎo)系統(tǒng)和全景相機(jī)，采集數(shù)據(jù)過程在車輛行駛中進(jìn)行，三維激光掃描儀用于獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，GPS導(dǎo)航儀與慣性制導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)成的POS系統(tǒng)用于獲取姿態(tài)位置信息；點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照圈索引進(jìn)行組織，以獲取每一圈掃描圈的三維坐標(biāo)點(diǎn)集；按照時(shí)間對齊，根據(jù)采集的POS信息插值結(jié)算獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描圈每一圈的姿態(tài)信息及位置信息；定義車載三維激光測量系統(tǒng)中的POS系統(tǒng)中心點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)，車輛行駛的方向?yàn)閅軸正方向，垂直向上的方向?yàn)閆軸正方向，構(gòu)建空間坐標(biāo)系,其特征在于,然后按如下步驟操作:
[0005]步驟1、根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)每一個(gè)掃描圈POS系統(tǒng)的姿態(tài)信息及位置信息，求解出每一掃描圈POS平面的方程表達(dá)式；
[0006]步驟2、從用圈索引組織的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中取出任意第i掃描圈中包含的任意點(diǎn)j與POS中心連線構(gòu)成三維向量Vij,計(jì)算Vij與POS平面法向量Ni的夾角Qij，比較Qij夾角與角度閾值Ta，將大于角度閾值Ta的點(diǎn)初步判定為路面點(diǎn)；
[0007]步驟3、計(jì)算在被初步判定為路面點(diǎn)的三維點(diǎn)到該點(diǎn)所在掃描圈POS平面的距離，POS系統(tǒng)安裝時(shí)安置的高度值H為已知值，比較計(jì)算距離值與高度值H的差值，將差值大于閾值Td的點(diǎn)排除，判定差值小于閾值Td的點(diǎn)為路面點(diǎn)；
[0008]步驟4、統(tǒng)計(jì)判定為路面點(diǎn)的強(qiáng)度值，設(shè)定強(qiáng)度閾值T1，將強(qiáng)度值大于閾值T1的點(diǎn)判定為道路標(biāo)線。
[0009]本發(fā)明的方法步驟I中所述的求解每一掃描圈POS平面方程表達(dá)式，POS平面為三維空間中的一個(gè)平面，由平面上一點(diǎn)一POS中心點(diǎn)以及平面的法向量表示；車輛行駛過程中，三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)的POS系統(tǒng)的姿態(tài)信息可以用三個(gè)角度表達(dá)，繞參考坐標(biāo)系Z軸旋轉(zhuǎn)角^繞X軸旋轉(zhuǎn)角ω，以及繞Y軸旋轉(zhuǎn)角K ;定義POS平面為測量系統(tǒng)所在的平面，將POS平面由坐標(biāo)系的XOY平面繞X軸旋轉(zhuǎn)ω，以及繞Y軸旋轉(zhuǎn)角K得到，等效于XOY平面的法向量(0，0，I)經(jīng)過上述旋轉(zhuǎn)操作后，獲取每一掃描圈POS平面的法向量Ni ；P0S中心點(diǎn)O的坐標(biāo)值(X0，Y0, Z0)由GPS系統(tǒng)定位獲取，由此確定POS平面方程表達(dá)式。
[0010]本發(fā)明的方法步驟2中所述的任意第i掃描圈中包含的任意點(diǎn)j的三維坐標(biāo)點(diǎn)(Xij, Yij, Zij)，則第i掃描圈中第j個(gè)點(diǎn)與當(dāng)前圈POS中心(XiQ，Yi0, Zi0)連線，可以獲取三維向量Vij,，得到Vij= (Xij-Xi0, Yij-Yi0, Zij-Zi0)，計(jì)算Vij與Ni的夾角Θ ^判斷Θ U是否大于角度閾值Ta，設(shè)Ta為90度。
[0011]本發(fā)明的方法步驟3中所述的計(jì)算每一掃描圈中被初步判定為路面點(diǎn)的三維點(diǎn)P，到該圈的POS平面的距離，通過三維空間點(diǎn)到面的距離公式①求得:
[0012]D= I Ni.0P I / I Ni 1...................................................①
[0013]其中Ni表示當(dāng)前圈POS平面的法向量，OP表示POS中心與三維點(diǎn)P構(gòu)成的向量；
[0014]求得距離后，比較其與已知POS系統(tǒng)安裝高度值H的差值，然后距離差與閾值Td進(jìn)行比較，設(shè)Td為30cm。
[0015]本發(fā)明的方法步驟4中所述的統(tǒng)計(jì)在判定為路面點(diǎn)的強(qiáng)度值為直接在點(diǎn)云中獲取得到，通過統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度值，自適應(yīng)二值化計(jì)算得到強(qiáng)度閾值T1，將三維點(diǎn)強(qiáng)度值與閾值T1進(jìn)行比較，將大于閾值的點(diǎn)判定為道路標(biāo)線類別。
[0016]本發(fā)明的方法主要是通過計(jì)算掃描圈中三維點(diǎn)的角度、距離信息，從點(diǎn)云中將地面點(diǎn)提取出，然后根據(jù)路面標(biāo)線點(diǎn)的強(qiáng)度值與路面點(diǎn)具有較好的可分離性，從而設(shè)定強(qiáng)度閾值及判定條件，提取出路面標(biāo)線 點(diǎn)。
[0017]本發(fā)明的方法與現(xiàn)有的技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0018]1、本發(fā)明的方法快速、高效作業(yè)，相較于傳統(tǒng)外業(yè)調(diào)繪作業(yè)方式，使用本方法能夠?qū)y繪區(qū)域快速進(jìn)行掃描，將主要的處理工作放在內(nèi)業(yè)進(jìn)行處理，較少外業(yè)時(shí)間，提高工作效率。
[0019]2、本發(fā)明的方法能實(shí)現(xiàn)24小時(shí)作業(yè)，由于激光是主動(dòng)式遙感測繪手段，除白天可作業(yè)外，能夠在夜間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。
[0020]3、本發(fā)明的方法重復(fù)排查檢錯(cuò)方便，對于檢測出現(xiàn)問題的地方，后期進(jìn)行二次或者再次采集處理時(shí)，能夠快速到位，方便糾錯(cuò)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明基于三維激光反射強(qiáng)度的道路標(biāo)線點(diǎn)云自動(dòng)分類識(shí)別方法的操作流程圖。
[0022]圖2為本發(fā)明車載移動(dòng)測量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)的三維空間姿態(tài)信息示意圖。
[0023]圖3為本發(fā)明掃描儀按照圈記錄激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的示意圖。
[0024]圖4為本發(fā)明掃描圈中點(diǎn)與POS中心連線與POS平面法線角度示意圖。
[0025]圖5為本發(fā)明平行于路面的POS平面與路面相距高度示意圖。
[0026]圖6為本發(fā)明道路標(biāo)線提取效果示意圖。
[0027]上述圖中:1_車輛，2-路面，3-P0S平面，4-第i掃描圈激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，5道路標(biāo)線?！揪唧w實(shí)施方式】
[0028]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。
[0029]實(shí)施例1:本發(fā)明提出的一種基于三維激光反射強(qiáng)度的道路標(biāo)線點(diǎn)云自動(dòng)分類識(shí)別方法，整個(gè)方法流程如圖1所示。具體的操作是:首先，使用車載三維激光測量系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，車載三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)集成部件包括車輛1、三維激光掃描儀、GPS導(dǎo)航儀、慣性制導(dǎo)系統(tǒng)和全景相機(jī)，采集數(shù)據(jù)過程在車輛I行駛中進(jìn)行，三維激光掃描儀用于獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，GPS導(dǎo)航儀與慣性制導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)成的POS系統(tǒng)用于獲取姿態(tài)位置信息；點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照圈索引進(jìn)行組織，以獲取每一圈掃描圈的三維坐標(biāo)點(diǎn)集；按照時(shí)間對齊，根據(jù)采集的POS信息插值結(jié)算獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描圈每一圈的姿態(tài)信息及位置信息；定義車載三維激光測量系統(tǒng)中的POS中心點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)，車輛I在路面2上行駛的方向?yàn)閅軸正方向，垂直向上的方向?yàn)閆軸正方向，構(gòu)建空間坐標(biāo)系，然后按如下步驟操作:
[0030]步驟1、根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)每一個(gè)掃描圈POS系統(tǒng)的姿態(tài)信息及位置信息，求解出每一掃描圈POS平面3的方程表達(dá)式；如對于第i掃描圈點(diǎn)云數(shù)據(jù)4，根據(jù)獲取的對應(yīng)的姿態(tài)信息及位置信息，求解出掃描圈i的POS平面的方程表達(dá)式，其具體為:
[0031]1.1、車輛掃描過程中姿態(tài)信息可以用三個(gè)角度表達(dá)，即繞Z軸旋轉(zhuǎn)的航向角爐繞X軸旋轉(zhuǎn)的俯仰角ω，以及繞Y軸旋轉(zhuǎn)的翻滾角K，如圖2所示。
[0032]1.2、定義POS平面3為車載三維激光測量系統(tǒng)所在的平面，將XOY平面繞X軸旋轉(zhuǎn)ω，以及繞Y軸旋轉(zhuǎn)的翻滾角K，即為POS平面。由數(shù)學(xué)知識(shí)可知，三維空間中的平面由該平面的法向量及平面上的一點(diǎn)確定，定義第i掃描圈POS平面Pi=(C)i, Ni)；
[0033]其中Oi表示POS中心坐標(biāo)值，Ni表示POS平面法向量。
[0034]1.3、平面的旋轉(zhuǎn)可以看作是平面法向量的旋轉(zhuǎn)，等效于XOY平面的法向量(0，0，
I)經(jīng)過上述旋轉(zhuǎn)操作后，可以獲取每一掃描圈POS平面的法向量Ni。中心點(diǎn)O的坐標(biāo)值(Xi0, Yi0, Zi0)可由GPS獲取。由此，可以確定POS平面的方程，如圖3所示。
[0035]步驟2、從用圈索引組織的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中取出任意第i掃描圈中包含的任意點(diǎn)j與POS中心連線構(gòu)成三維向量Vij,計(jì)算Vij與POS平面法向量Ni的夾角Qij，比較Qij夾角與角度閾值Ta，將大于角度閾值Ta的點(diǎn)初步判定為路面點(diǎn)；具體操作是:
[0036]2.1、對于第i掃描圈中任一三維點(diǎn)j，可表不為(Xij, Yij, Zij), i表不第i掃描圈，j表示第i掃描圈中第j個(gè)點(diǎn)，計(jì)算j點(diǎn)與當(dāng)前第i掃描圈POS中心(XiCI，Yitl, Zitl)連線向量,從該圈點(diǎn)云數(shù)據(jù)中取出該點(diǎn)三維坐標(biāo)值,計(jì)算該點(diǎn)與中心點(diǎn)的坐標(biāo)差值,得到三維向量Vij= (Xij-Xi0, Yij-Yi0, Zij-Zi0)，如圖 4 所示。
[0037]2.2、計(jì)算Vu與Ni的夾角Θ u，判斷Θ u是否大于角度閾值TA，Ta 一般為90度。
[0038]定義法向量Ni與向量Vij的夾角Θ u，根據(jù)向量的點(diǎn)乘公式②
[0039]Ni.Vij= I Ni I.I Vij I.cos Θ..........................................②
[0040]其中cos Θ <0即表示大于角度閾值，初步判定為路面點(diǎn)，如圖4所示；
[0041]步驟3、計(jì)算初步判定為路面點(diǎn)的三維點(diǎn)Pt到所在掃描圈POS平面的距離，以安裝POS系統(tǒng)時(shí)的高度值H為已知高度值，比較計(jì)算距離值與已知高度值H的差值，將差值大于閾值Td的點(diǎn)排除，判定差值小于閾值Td的點(diǎn)為路面2的點(diǎn)，如圖5所示。具體操作為:
[0042]3.1、計(jì)算每一掃描圈中被初步判定為路面點(diǎn)的三維點(diǎn)Pt，到該圈的POS平面的距離，通過三維空間點(diǎn)到面的距離公式①求得。
[0043]D= I Ni.0P I / I Ni 1...................................................①
[0044]其中Ni表示當(dāng)前圈POS平面的法向量，OPt表示POS中心與三維點(diǎn)Pt構(gòu)成的向量。
[0045]3.2、求得距離D，比較其與已知高度值H的差值，然后距離差與閾值Td進(jìn)行比較，Td 一般為30cm，判斷方法如下。
[0046]
【權(quán)利要求】
1.一種基于三維激光反射強(qiáng)度的道路標(biāo)線點(diǎn)云自動(dòng)分類識(shí)別方法，首先，使用車載三維激光測量系統(tǒng)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，車載三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)集成部件包括車輛、三維激光掃描儀、GPS導(dǎo)航儀、慣性制導(dǎo)系統(tǒng)和全景相機(jī)，采集數(shù)據(jù)過程在車輛行駛中進(jìn)行，三維激光掃描儀用于獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，GPS導(dǎo)航儀與慣性制導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)成的POS系統(tǒng)用于獲取姿態(tài)位置信息；點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照圈索引進(jìn)行組織，以獲取每一圈掃描圈的三維坐標(biāo)點(diǎn)集；按照時(shí)間對齊，根據(jù)采集的POS信息插值結(jié)算獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描圈每一圈的姿態(tài)信息及位置信息；定義車載三維激光測量系統(tǒng)中的POS系統(tǒng)中心點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)，車輛行駛的方向?yàn)閅軸正方向，垂直向上的方向?yàn)閆軸正方向，構(gòu)建空間坐標(biāo)系，其特征在于，然后按如下步驟操作: 步驟1、根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)每一個(gè)掃描圈POS系統(tǒng)的姿態(tài)信息及位置信息，求解出每一掃描圈POS平面的方程表達(dá)式； 步驟2、從用圈索引組織的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中取出任意第i掃描圈中包含的任意點(diǎn)j與POS中心連線構(gòu)成三維向量Vij,計(jì)算Vij與POS平面法向量Ni的夾角Qij，比較Qij夾角與角度閾值Ta，將大于角度閾值Ta的點(diǎn)初步判定為路面點(diǎn)； 步驟3、計(jì)算在被初步判定為路面點(diǎn)的三維點(diǎn)到該點(diǎn)所在掃描圈POS平面的距離，POS系統(tǒng)安裝時(shí)安置的高度值H為已知值，比較計(jì)算距離值與高度值H的差值，將差值大于閾值Td的點(diǎn)排除，判定差值小于閾值Td的點(diǎn)為路面點(diǎn)； 步驟4、統(tǒng)計(jì)判定為路面點(diǎn)的強(qiáng)度值，設(shè)定強(qiáng)度閾值T1，將強(qiáng)度值大于閾值T1的點(diǎn)判定為道路標(biāo)線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維激光反射強(qiáng)度的道路標(biāo)線點(diǎn)云自動(dòng)分類識(shí)別方法，其特征在于:步驟I中所述的求解每一掃描圈POS平面方程表達(dá)式，POS平面為三維空間中的一個(gè)平面，由平面上一點(diǎn)一POS中心點(diǎn)以及平面的法向量表示；車輛行駛過程中，三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)的POS系統(tǒng)的`姿態(tài)信息可以用三個(gè)角度表達(dá)，繞參考坐標(biāo)系Z軸旋轉(zhuǎn)角P，繞X軸旋轉(zhuǎn)角ω，以及繞Y軸旋轉(zhuǎn)角K ;定義POS平面為測量系統(tǒng)所在的平面，將POS平面由坐標(biāo)系的XOY平面繞X軸旋轉(zhuǎn)ω，以及繞Y軸旋轉(zhuǎn)角K得到，等效于XOY平面的法向量(0，0，I)經(jīng)過上述旋轉(zhuǎn)操作后，獲取每一掃描圈POS平面的法向量Ni ；P0S中心點(diǎn)O的坐標(biāo)值(X0，Y0, Z0)由GPS系統(tǒng)定位獲取，由此確定POS平面方程表達(dá)式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維激光反射強(qiáng)度的道路標(biāo)線點(diǎn)云自動(dòng)分類識(shí)別方法，其特征在于:步驟2中所述的任意第i掃描圈中包含的任意點(diǎn)j的三維坐標(biāo)點(diǎn)(Xij, Yij, Zij)，則第i掃描圈中第j個(gè)點(diǎn)與當(dāng)前圈POS中心(XiQ，Yi0, Zi0)連線，可以獲取三維向量Vij,，得到Vij= (Xij-Xi0, Yij-Yi0, Zij-Zi0)，計(jì)算Vij與Ni的夾角Θ ^判斷Θ U是否大于角度閾值Ta，設(shè)Ta為90度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維激光反射強(qiáng)度的道路標(biāo)線點(diǎn)云自動(dòng)分類識(shí)別方法，其特征在于:步驟3中所述的計(jì)算每一掃描圈中被初步判定為路面點(diǎn)的三維點(diǎn)P，到該圈的POS平面的距離，通過三維空間點(diǎn)到面的距離公式①求得: D= I Ni.0P I / I Ni 1...................................................① 其中Ni表示當(dāng)前圈POS平面的法向量，OP表示POS中心與三維點(diǎn)P構(gòu)成的向量；求得距離后，比較其與已知POS系統(tǒng)安裝高度值H的差值，然后距離差與閾值Td進(jìn)行比較，設(shè)Td為30cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維激光反射強(qiáng)度的道路標(biāo)線點(diǎn)云自動(dòng)分類識(shí)別方法，其特征在于:步驟4中所述的統(tǒng)計(jì)在判定為路面點(diǎn)的強(qiáng)度值為直接在點(diǎn)云中獲取得到，通過統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度值，自適應(yīng)二值化計(jì)算得到強(qiáng)度閾值T1，將三維點(diǎn)強(qiáng)度值與閾值T1進(jìn)行比較，將大于閾值 的點(diǎn)判定為道路標(biāo)線類別。
【文檔編號(hào)】G06K9/46GK103499343SQ201310439859
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月25日
【發(fā)明者】危遲, 龔書林 申請人:武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司