一种基于点云的道路信息自动提取方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于点云的道路信息自动提取方法，涉及测绘和道路工程设计与管理领域，包括如下步骤：数据采集：在完成地面GNSS基站的选取和采集设备检校合格后再通过移动平台采集点云数据；数据预处理：将采集到的原始数据进行预处理输出所需的点云数据；点云滤波：通过滤波处理软件对点云数据进行滤波处理，经自动分类与局部人机交互分类获得准确的点云分类成果；兴趣物提取：利用滤波后的点云进行地物信息提取，并按所需格式输出。本发明的优越性为：在不中断交通正常运行的情况下实现现有道路精确的二维、三维信息提取；提高了初测阶段成果的深加工附加值，实现了道路勘测初测、定测工作的一体化，极大的降低了项目整体建设成本。
【专利说明】一种基于点云的道路信息自动提取方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及测绘和道路工程设计与管理领域，特别涉及一种可以在不中断交通情况下，自动获取道路精确的二维、三维空间信息，可以代替人工上路测量的基于点云的道路信息自动提取方法。
【背景技术】
[0002]道路从字面意义上叙述可以为是由一地通往另一地的路径。在日常生活中我们往往认为道路是供人马车辆通行的路；两地之间的通道。但随着社会进程的发展，道路被赋予了新的概念，例如火车行驶的路线，船舶运行的航道和车辆行人通行的基础设施均可称为道路的不同表现形式。
[0003]随着社会经济的持续快速发展，道路的交通量日益增长，一方面不少早期建成的道路已不能很好的满足当今交通量发展的需求。如:中东部地区的道路通车容量已经饱和，迫切需要加快道路改扩建和道路表面相关设施的建设工作，以达到辅助经济增长和提高驾驶者安全性；另外，在公路普查与管理方面，面对分布在狭长道路上的巨额资产，亟需一种快速、高效的方法查清每一处道路资产的相关信息，为公路数字化管理的实现提供有力的支持。
[0004]其中，勘测工作是整个道路改扩建工作的基础和重要环节，与道路改扩建工程的工期、质量和效率关系密切。现有技术中的公路改扩建勘测主要采用工程测量和传统数码航空摄影测量技术。
[0005]发明人实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下的缺点和不足:
(1)工程测量存在工作量大、项目成本高、作业周期长和劳动强度大、对现有道路运营影响大等多方面缺点，不能满足公路管理部门对勘测设计工作成本低、工期短、精度和质量要求高等多方面的现实要求；
(2)工程测量需要外业测量人员在路面上作业，为满足该测量工作要求，一种方法是对测量路段临时封闭，保证外业测量人员的作业安全，但该作业方式严重影响了道路运输管理部门的正常运营，对经济社会正常运营产生了较大负面影响；另一种方法是不封闭高速公路，作业人员在道路路面工作，仅进行作业路段警示提醒，但由于道路车辆行驶速度快，该作业方法很难保证外业测量人员的作业安全，存在极大的安全隐患；
(3)传统数码航空摄影测量采用立体测图方法采集地面三维地形，自动化程度较低且提取的地形高程精度较差，仅满足道路初测阶段数字高程模型产品的精度要求，不能满足后期道路定测阶段中桩横断面图高程中误差0.1m的精度要求，自然不能解决后期中桩横断面测图需求。
[0006]在道路改扩建、勘测和道路周围设施部署过程中采用工程测量、传统航空摄影测量等方法时，不可避免地存在作业安全隐患、影响现场交通通行、项目成本高、开发周期长和产品精度低等问题。怎样在保证公路改扩建勘测在满足行业勘测规范和承建单位要求的前提下，尽可能保证外业测量作业人员安全、不影响待扩建道路交通通行、缩短开发周期、提高初测阶段测图产品深加工附加值成为了本领域科技人员急待解决的问题。
【发明内容】
[0007]本发明实施例提供一种基于点云的道路信息自动提取方法，本发明可以在不中断交通正常运行的情况下，对现有道路安全、快速、经济的进行高精度测量，为改扩建和道路周围设施建设提供精确、丰富和完整的二、三维信息支持。同时本发明提高了作业的安全性，降低了项目成本，缩短了项目周期，提高了成果精度。
[0008]本发明实施例提供一种基于点云的道路信息自动提取方法，包括如下步骤:
数据采集:在完成地面GNSS基站的选取和采集设备检校合格后再通过移动平台对点云数据进行采集；
数据预处理:将采集到的原始数据进行预处理输出所需的点云数据；
点云滤波:通过滤波处理软件对点云数据进行滤波处理，经自动分类与局部人机交互分类获得准确的点云分类成果；
兴趣物提取:利用滤波后的点云进行地物信息提取，并按所需格式输出。
[0009]所述基于点云的道路信息自动提取步骤还包括:
点云精度改正控制点测量:为了得到较高精度的成果数据，需要在道路路面上布设一定数量的控制点，并对其进行所需精度等级的测量；
点云精度改正:为了达到相关的数据成果精度要求，利用外业测量得到的路面控制点对预处理后的点云进行精度改正，改正后的成果平面精度可优于5cm，高程精度可优于2cm。
[0010]高精度数字高程模型(DEM)输出:将滤波处理后的点云数据按照一定的格网间距输出数字高程模型；
道路形态还原:利用输出得到的高精度数字高程模型和三维道路特征线可以精确的还原已有道路的形态特征，生成道路地形图；其中已有道路的形态特征可包括:道路平面特征、道路纵断面拟合、道路纵断面图，以及道路横断面图。
[0011]一种基于点云的道路信息自动提取方法，其中所述数据采集具体为:
1)采集前的准备:
A)地面GNSS基站的选取和架设:根据所需精度与测量区域内GNSS观测环境GNSS基站覆盖半径可以为5-20公里；
B)设备检校:在进行数据采集前需要对点云数据采集设备进行检校；
2)数据采集的过程为:
A)在地面GNSS基站设置的点位上设有对卫星信号进行接收存储的接收机；其中:地面GNSS基站上设置的接收机需在移动平台进行数据采集前10-50分钟内进行工作，在移动平台完成数据采集后10-50分钟内停止工作；
B)首先进行数据采集路线规划，再按照指定数据采集路线通过移动平台上的数据采集设备进行数据的采集；
在同一部数据采集移动平台上可以安装1-6台采集设备，其采集设备的采集角度为90-360度之间；当设有2-6台采集设备时，每相邻两台采集设备的采集角度的交叉点范围在15-120度之间；根据数据的密度要求进行采集，移动平台行驶的速度限制为不超过50公里/时；其中所述采集移动平台可为:车辆、船舶、机车和火车。
[0012]一种基于点云的道路信息自动提取方法，其中所述数据预处理具体为:
O结合地面GNSS基站采集的卫星数据对移动平台采集的原始数据进行解算；
2)为了实现工程化管理可对解算处理后的点云数据进行分幅处理；
3)对原始解算输出后的点云数据或分幅处理后的点云数据进行坐标转换。
[0013]一种基于点云的道路信息自动提取方法，其中所述点云滤波处理具体为:
O点云自动滤波:将点云数据通过滤波处理软件进行自动滤波处理；
2)人机交互滤波:对自动滤波处理后的点云数据进行人机交互分类，得到分类准确的点云数据。
[0014]一种基于点云的道路信息自动提取方法，其中，所述兴趣物提取具体为:
1)将滤波处理后的点云数据根据要求按类别、灰度信息显示；
2)利用不同显示模式下的的点云数据进行兴趣物信息提取；
3)将提取的兴趣物信息按所需 的格式输出；其中所述可提取的地物信息包括:交通设施、房屋建筑、道路特征线、树木信息、道路附属设施、道路沿线的公共设施。
[0015]一种基于点云的道路信息自动提取方法，其中，所述点云数据精度改正控制点测量具体为:
1)控制点布设:根据成果精度的要求，在路面上布设相应数量的控制点，并做明显的标记；其中所述控制点间距由成果精度决定，且控制点间距不小于50m ；
2)控制点测量:控制点施测等级取决于成果精度要求，平面坐标可通过静态GPS测量、RTK测量方式中的一种获得，高程坐标可通过水准测量、RTK测量方式中的一种获得。
[0016]—种基于点云的道路信息自动提取方法，其中所述点云数据精度改正具体为:
1)根据控制点位置提取相对应的点云数据的点位坐标，与控制点进行比对，获得点云数据的残差值；
2)按照线性精度改正公式对点云数据的残差值进行平差改正，其中线性精度改正公式
【权利要求】
1.一种基于点云的道路信息自动提取方法，其特征在于，包括如下步骤: 数据采集:在完成地面GNSS基站的选取和采集设备检校合格后再通过移动平台采集点云数据； 数据预处理:将采集到的原始数据进行预处理输出所需的点云数据； 点云滤波:通过滤波处理软件对点云数据进行滤波处理，经自动分类与局部人机交互分类获得准确的点云分类成果； 兴趣物提取:利用滤波后的点云进行地物信息提取，并按所需格式输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于点云的道路信息自动提取方法，其特征在于，所述基于点云的道路信息自动提取步骤还包括: 点云精度改正控制点测量:为了得到较高精度的成果数据，需要在道路路面上布设一定数量的控制点，并对其进行所需精度等级的测量； 点云精度改正:为了达到相关的 数据成果精度要求，利用外业测量得到的路面控制点对预处理后的点云进行精度改正，改正后的成果平面精度可优于5cm，高程精度可优于2cm。
3.根据权利要求1所述的一种基于点云的道路信息自动提取方法，其特征在于，所述基于点云的道路信息自动提取步骤还包括: 高精度数字高程模型(DEM)输出:将滤波处理后的点云数据按照一定的格网间距输出数字高程模型； 道路形态还原:利用输出得到的高精度数字高程模型和三维道路特征线可以精确的还原已有道路的形态特征，生成道路地形图；其中已有道路的形态特征可包括:道路平面特征、道路纵断面拟合、道路纵断面图，以及道路横断面图。
4.根据权利要求1所述的一种基于点云的道路信息自动提取方法，其特征在于，所述数据采集具体为: 1)采集前的准备: A)地面GNSS基站的选取和架设:根据所需精度与测量区域内GNSS观测环境GNSS基站覆盖半径可以为5-20公里； B)设备检校:在进行数据采集前需要对点云数据采集设备进行检校； 2)数据采集的过程为: A)在地面GNSS基站设置的点位上设有对卫星信号进行接收存储的接收机；其中:地面GNSS基站上设置的接收机需在移动平台进行数据采集前10-50分钟内进行工作，在移动平台完成数据采集后10-50分钟内停止工作； B)首先进行数据采集路线规划，再按照规划路线通过移动平台上的数据采集设备进行数据的采集； 其中所述移动平台可为:车辆、船舶、机车和火车。
5.根据权利要求1、4所述的一种基于点云的道路信息自动提取方法,其特征在于:在同一部数据采集移动平台上可以安装1-6台采集设备，其采集设备的采集角度为90-360度之间；当设有2-6台采集设备时，每相邻两台采集设备的采集角度的交叉点范围在15-120度之间；根据数据的密度要求进行采集，移动平台行驶的速度限制为不超过50公里/时；其中所述采集移动平台可为:车辆、船舶、机车和火车。
6.根据权利要求1所述的一种基于点云的道路信息自动提取方法，其特征在于，所述数据预处理具体为: O结合地面GNSS基站采集的卫星数据对移动平台采集的原始数据进行解算； 2)为了实现工程化管理可对解算处理后的点云数据进行分幅处理； 3)对原始解算输出后的点云数据或分幅处理后的点云数据进行坐标转换。
7.根据权利要求1所述的一种基于点云的道路信息自动提取方法，其特征在于，所述点云滤波处理具体为: O点云自动滤波:将点云数据通过滤波处理软件进行自动滤波处理； 2)人机交互滤波:对自动滤波处理后的点云数据进行人机交互分类，得到分类准确的点云数据。
8.根据权利要求1所述的一种基于点云的道路信息自动提取方法，其特征在于，所述兴趣物提取具体为: 1)将滤波处理后的点云数据根据要求按类别、灰度信息显示； 2)利用不同显示模式下的点云数据进行兴趣物信息提取； 3)将提取的兴趣物信息按所需的格式输出；其中所述可提取的地物信息包括:交通设施、房屋建筑、道路特征线、树木信息、道路附属设施、道路沿线的公共设施。
9.根据权利要求1所述的一种基于点云的道路信息自动提取方法，其特征在于，所述点云数据精度改正控制点测量具体为: 1)控制点布设:根据成果精度的要求，在路面上布设相应数量的控制点，并做明显的标记；其中所述控制点间距由成果精度决定，且控制点间距不小于50m ； 2)控制点测量:控制点施测等级取决于成果精度要求，平面坐标可通过静态GPS测量、RTK测量方式中的一种获得，高程坐标可通过水准测量、RTK测量方式中的一种获得。
10.根据权利要求1所述的一种基于点云的道路信息自动提取方法，其特征在于，所述点云数据精度改正具体为: 1)根据控制点位置提取相对应的点云数据的点位坐标，与控制点进行比对，获得点云数据的残差值； 2)按照线性精度改正公式对点云数据的残差值进行平差改正，其中线性精度改正公式为:
【文档编号】G01C21/26GK103743383SQ201410047529
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年2月11日 优先权日:2014年2月11日
【发明者】田春来, 邓世军, 王国飞, 陈春明, 李建平, 周泽兵, 闫继扬 申请人:天津市星际空间地理信息工程有限公司