基于车载扫描系统的道路中心线提取方法和装置与流程

本发明属于测绘科学技术领域，具体设计一种基于车载扫描系统的道路中心线提取方法和装置。

背景技术：

道路平面线型的估计在道路仿真和导航中发挥着重要的作用。传统的测量手段，比如全站仪，在正常运行的道路上采集数据，容易造成交通拥堵，也危害测量人员的安全。机载扫描技术覆盖范围广，但是由于激光穿透性有限，在被植被遮挡之处，难以获取地面信息。因此，在道路等狭长且遮挡较多的地区，车载激光扫描技术具有显著优势。

目前，车载激光扫描成为测量中最为有力的技术手段之一。然而，车载激光扫描技术虽然可以获取海量的高精度点位坐标，但是由于车载激光扫描采集的点云数据的离散性，点云与被测物体表面的一一对应关系不能确定，导致从点云中无法直接获取道路中心线的平面坐标。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是如何精确地从车载扫描系统获取的数据中提取道路中心线。

针对该技术问题，本发明提供了一种基于车载扫描系统的道路中心线提取方法，包括：

S1：沿着所述车载扫描系统获取的轨迹点延伸的第一方向，将所述车载扫描系统获取的点分割成点云块；

S2：获取过所述点云块的块中心点且垂直于所述第一方向的第一平面，以及所述点云块中在所述第一平面内且位于所述块中心点第一侧的第一点集，所述点云块中在所述第一平面内且位于所述块中心点第二侧的第二点集；

S3：以所述块中心点为起点，依次计算所述第一点集中相邻点的Z轴坐标的差值的第一绝对值，获取首次得到的所述第一绝对值大于第一阈值的两点中远离所述块中心点的第一边缘点，以所述块中心点为起点，依次计算所述第二点集中相邻点的Z轴坐标的差值的第二绝对值，获取首次得到的所述第二绝对值大于第二阈值的两点中远离所述块中心点的第二边缘点；

S4：在所述点云块中，获取位于所述道路所在平面内且与所述第一边缘点和所述第二边缘点连线的中点具有相同X轴坐标和Y轴坐标的道路中心点，获取每一点云块中的所有道路中心点，以得到道路中心线；

其中，所述第一相邻点是所述第一点集中与所述第一边缘点相邻且靠近所述块中心点的点，所述第二相邻点是所述第二点集中与所述第二边缘点相邻且靠近所述块中心点的点。

优选地，所述步骤S1包括：

S11：对所述车载扫描系统获取的轨迹点进行抽稀处理；

S12：沿着所述车载扫描系统获取的轨迹点延伸的第一方向，将所述车载扫描系统获取的点分割成点云块，以使每一点云块中包括至少两个位于所述点云块边缘的轨迹点。

优选地，所述步骤S2包括：

S21：将点云块内的点的坐标按照如下公式：

转换成以该点云块中沿着所述第一方向上的第一个轨迹点为原点，以所述第一方向为Y轴的所确定的局部直角坐标系中的点；

其中，j＝1,2,...,p，p为所述点云块中的总点数；和X_j分别为在局部直角坐标系和统一坐标系中，第q个点云块内的第j个点向量；ΔX^q为第q个点云块内的平移向量；为第q个点云块内的旋转矩阵，所述旋转矩阵以角度κ^q得出，κ为块q中沿着所述第一方向上的前两个轨迹点与所述中心点连线的夹角。

S22：获取过所述点云块的块中心点且垂直于所述第一方向的第一平面，获取所述点云块中在所述第一平面内且位于所述块中心点第一侧的第一点集，以及所述点云块中在所述第一平面内且位于所述块中心点第二侧的第二点集；

优选地，所述第一绝对值和第二绝对值按照如下公式计算：

其中，r为第r个点云块；z_b为所述块中心点的Z轴坐标；m为所述第一点集或第二点集中的点的总数；为第r个点云块中，所述第一点集或第二点集中的第个点和与其相邻且远离所述块中心点的点之间的Z轴坐标的差值的绝对值；设定第一阈值或者第二阈值为d_b，将通过上式计算得到的绝对值与d_b对比，获取首次得到的大于d_b的两点中远离所述块中心点的点作为边缘点。

优选地，所述步骤S4包括：

S41：获取与所述第一边缘点的距离小于预设距离的所有点的第一相关点集，以及与所述第二边缘点的距离小于预设距离的所有点的第二相关点集；

S42：获取所述第一相关点集中与第一相邻点之间的Z轴坐标值差值的绝对值最小的第三边缘点，以及所述第二相关点集中与第二相邻点之间的Z轴坐标值差值的绝对值最小的第四边缘点；

S43：在所述点云块中，获取与所述第三边缘点和所述第四边缘点连线的中点具有相同X轴坐标和Y轴坐标的道路中心点，获取每一点云块中的所有道路中心点，以得到道路中心线。

另一方面，本发明提供了一种基于车载扫描系统的道路中心线提取装置，包括：

分块模块，用于沿着所述车载扫描系统获取的轨迹点延伸的第一方向，将所述车载扫描系统获取的点分割成点云块；

第一获取模块，用于获取过所述点云块的块中心点且垂直于所述第一方向的第一平面，以及所述点云块中在所述第一平面内且位于所述块中心点第一侧的第一点集，所述点云块中在所述第一平面内且位于所述块中心点第二侧的第二点集；

第二获取模块，用于以所述块中心点为起点，依次计算所述第一点集中相邻点的Z轴坐标的差值的第一绝对值，获取首次得到的所述第一绝对值大于第一阈值的两点中远离所述块中心点的第一边缘点，以所述块中心点为起点，依次计算所述第二点集中相邻点的Z轴坐标的差值的第二绝对值，获取首次得到的所述第二绝对值大于第二阈值的两点中远离所述块中心点的第二边缘点；

第三获取模块，用于在所述点云块中，获取位于所述道路所在平面内且与所述第一边缘点和所述第二边缘点连线的中点具有相同X轴坐标和Y轴坐标的道路中心点，获取每一点云块中的所有道路中心点，以得到道路中心线。

优选地，所述分块模块还用于对所述车载扫描系统获取的轨迹点进行抽稀处理后沿着所述车载扫描系统获取的轨迹点延伸的第一方向，将所述车载扫描系统获取的点分割成点云块，以使每一点云块中包括至少两个位于所述点云块边缘的轨迹点。

优选地，所述第一获取模块包括：

坐标转换单元，用于将点云块内的点的坐标按照如下公式：

$X_j^q={\mathrm{\ΔX}}^q+R^q{X}_j$

转换成以该点云块中沿着所述第一方向上的第一个轨迹点为原点，以所述第一方向为Y轴的所确定的局部直角坐标系中的点；

第一点集获取单元，用于获取过所述点云块的块中心点且垂直于所述第一方向的第一平面，获取所述点云块中在所述第一平面内且位于所述块中心点第一侧的第一点集，以及所述点云块中在所述第一平面内且位于所述块中心点第二侧的第二点集；

其中，j＝1,2,...,p，p为所述点云块中的总点数；和X_j分别为在局部直角坐标系和统一坐标系中，第q个点云块内的第j个点向量；ΔX^q为第q个点云块内的平移向量；为第q个点云块内的旋转矩阵，所述旋转矩阵以角度κ^q得出，κ为第q个点云块中两个轨迹点与所述中心点连线的夹角。

优选地，其特征在于，所述第一绝对值和第二绝对值按照如下公式计算：

其中，r为第r个点云块；z_b为所述块中心点的Z轴坐标；m为所述第一点集或第二点集中的点的总数；为第r个点云块中，所述第一点集或第二点集中的第个点和与其相邻且远离所述块中心点的点之间的Z轴坐标的差值的绝对值；设定第一阈值或者第二阈值为d_b，将通过上式计算得到的绝对值与d_b对比，获取首次得到的大于d_b的两点中远离所述块中心点的点作为边缘点。

优选地，其特征在于，所述第三获取模块包括：

第二点集获取单元，用于获取与所述第一边缘点的距离小于预设距离的所有点的第一相关点集，以及与所述第二边缘点的距离小于预设距离的所有点的第二相关点集；

边缘点获取单元，用于获取所述第一相关点集中与第一相邻点之间的Z轴坐标值差值的绝对值最小的第三边缘点，以及所述第二相关点集中与第二相邻点之间的Z轴坐标值差值的绝对值最小的第四边缘点；

中心线获取单元，用于在所述点云块中，获取与所述第三边缘点和所述第四边缘点连线的中点具有相同X轴坐标和Y轴坐标的道路中心点，获取每一点云块中的所有道路中心点，以得到道路中心线；其中，所述第一相邻点是所述第一点集中与所述第一边缘点相邻且靠近所述块中心点的点，所述第二相邻点是所述第二点集中与所述第二边缘点相邻且靠近所述块中心点的点。

本发明提供的基于车载扫描系统的道路中心线提取方法和装置，通过将车载扫面系统获取的点云数据及轨迹数据的分块处理，利用相邻点之间的Z轴坐标值的对比，确定出道路边缘点，进而确定道路的中心点，实现了从车载扫描系统获取的数据中提取道路中心线，同时，本发明提供的方法和装置对车载扫描系统获取的数据进行计算和对比，使得提取的道路中心线更加精准。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的基于车载扫描系统的道路中心线提取方法的流程示意图；

图2是本发明提供的基于车载扫描系统的道路中心线提取方法的具体道路的示例图；

图3是本发明提供的基于车载扫描系统的道路中心线提取装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种基于车载扫描系统的道路中心线提取方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1：沿着车载扫描系统获取的轨迹点延伸的第一方向，将车载扫描系统获取的点分割成点云块；

S2：获取过点云块的块中心点且垂直于第一方向的第一平面，以及点云块中在所述第一平面内且位于块中心点第一侧的第一点集，点云块中在第一平面内且位于块中心点第二侧的第二点集；

S3：以块中心点为起点，依次计算第一点集中相邻点的Z轴坐标的差值的第一绝对值，获取首次得到的第一绝对值大于第一阈值的两点中远离块中心点的第一边缘点，以块中心点为起点，依次计算第二点集中相邻点的Z轴坐标的差值的第二绝对值，获取首次得到的第二绝对值大于第二阈值的两点中远离块中心点的第二边缘点；

S4：在点云块中，获取位于所述道路所在平面内且与第一边缘点和第二边缘点连线的中点具有相同X轴坐标和Y轴坐标的道路中心点，获取每一点云块中的所有道路中心点，以得到道路中心线。

第一方向是轨迹线延伸的方向，在每一点处，第一方向为该点的切线方法。车载扫描系统获取的点和轨迹点均是基于统一坐标系的。

本实施例提供的基于车载扫描系统的道路中心线提取方法，通过将车载扫面系统获取的点云数据及轨迹数据的分块处理，利用相邻点之间的Z轴坐标值的对比，确定出道路边缘点，进而确定道路的中心点，实现了从车载扫描系统获取的数据中提取道路中心线，同时，本发明提供的方法和装置对车载扫描系统获取的数据进行计算和对比，使得提取的道路中心线更加精准。

优选地，所述步骤S1包括：

S11：对所述车载扫描系统获取的轨迹点进行抽稀处理；

S12：沿着所述车载扫描系统获取的轨迹点延伸的第一方向，将所述车载扫描系统获取的点分割成点云块，以使每一点云块中包括至少两个位于所述点云块边缘的轨迹点。

本实施例中，对车载扫描系统获取的数据进行抽稀，是为了简化计算。还可以对点云和轨迹数据进行去中心化计算后，对轨迹数据进行抽稀。每一区域抽稀的点数可根据实际采集的数据而定，例如，对于点聚集密集的地区，可以通过抽稀去掉更多的点。

为了计算中的方便，可使分割的每一点云块中包含至少两个轨迹点，例如，每个点云块中只包含两个轨迹点，进而对这两个轨迹点之间的点云块进行数据处理，提取块的中心线。

由于车载扫描系统在获取点云和轨迹的数据时，行车速度和道路状况的差异，导致分割的点云块沿着第一方向的长度不同。以抽稀后轨迹相邻点作为分块的边界，将点云数据唯一的分到各个块中。

车载扫描系统获取的点云、照片、GPS、INS等原始数据是基于GPS坐标系统(统一坐标系)的点云数据和轨迹数据。

本实施例中对原始数据的处理简化了数据处理过程。

更进一步地，所述步骤S2包括：

S21：将点云块内的点的坐标按照如下公式：

$X_j^q={\mathrm{\ΔX}}^q+R^q{X}_j$

转换成以该点云块中沿着所述第一方向上的第一个轨迹点为原点，以所述第一方向为Y轴的所确定的局部直角坐标系中的点；

S22：获取过所述点云块的块中心点且垂直于所述第一方向的第一平面，获取所述点云块中在所述第一平面内且位于所述块中心点第一侧的第一点集，以及所述点云块中在所述第一平面内且位于所述块中心点第二侧的第二点集；

其中，j＝1,2,...,p，p为所述点云块中的总点数；和X_j分别为在局部直角坐标系和统一坐标系中，第q个点云块内的第j个点向量；ΔX^q为第q个点云块内的平移向量；为第q个点云块内的旋转矩阵，所述旋转矩阵以角度κ^q得出，κ为块q中两个轨迹点在平面上的夹角。

在将块内的点云数据从统一坐标系转换至基于块的局部坐标系的过程中，对于局部坐标系的确定可采用如下方法，使局部坐标系的原点位于点云块中的一个轨迹点t_q(表示第q个点云块内的一个轨迹点)上，一个轴沿着轨迹点t_q出的轨迹的切线方向(在沿着第一方向的两个轨迹点的连线就是这这两个轨迹点所在的切线方向时，取这两个点的连线作为局部坐标系的一条边，也就是点云块的一条边)，局部坐标系的另外两个方向服从右手坐标系统。

本实施例提供的方法，将统一坐标系转换为局部坐标系，提高了数据计算速率。

具体的，所述第一绝对值和第二绝对值按照如下公式计算：

其中，r为第r个点云块；z_b为所述块中心点的Z轴坐标；m为所述第一点集或第二点集中的点的总数；为第r个点云块中，所述第一点集或第二点集中的第个点和与其相邻且远离所述块中心点的点之间的Z轴坐标的差值的绝对值；设定第一阈值或者第二阈值为d_b，将通过上式计算得到的绝对值与d_b对比，获取首次得到的大于d_b的两点中远离所述块中心点的点作为边缘点。

具体地，可以以垂直于第一方向(轨迹前行方向)，且位于块中心的平面作为剖面(第一平面)，该平面沿着第一方向和所述第一方向的反方向分别被赋予5cm的厚度。

具体如图2所示，该剖面的中心点作为块中心点(图2中的x_b)。将该点云块中所有位于该剖面的点以块中心点作为起始点，将该点云块中所有位于该剖面的点分成两组(分别位于块中心点的两侧)。下面以其中一组作为例子进行说明，对数据进行抽稀，然后比较相邻点的Z轴坐标值的差的绝对值(高程差)。

例如，从块中心点开始的第一个点，计算其和块中心点之间的高程差，若该高程差小于预设的阈值d_b，则继续比较剩余的点，若从第2个点到第m-1个点，高程差均小于预设的阈值d_b，则比较第m+1个点(图2中的点)与第m个点的高程差。若得到高程差大于或等于预设的阈值d_b，则将第m+1个点作为第一边缘边点。对于块中心点x_b的另外一侧，用相同的方法获得第二边缘点点，在该点云块中，获取与所述第以边缘点点和第二边缘点点连线的中点具有相同X轴坐标和Y轴坐标的道路中心点x_c。具体的计算过程如下所示。

进一步地，所述步骤S4包括：

S41：获取与所述第一边缘点的距离小于预设距离的所有点的第一相关点集，以及与所述第二边缘点的距离小于预设距离的所有点的第二相关点集；

S42：获取所述第一相关点集中与第一相邻点之间的Z轴坐标值差值的绝对值最小的第三边缘点，以及所述第二相关点集中与第二相邻点之间的Z轴坐标值差值的绝对值最小的第四边缘点；

S43：在所述点云块中，获取与所述第三边缘点和所述第四边缘点连线的中点具有相同X轴坐标和Y轴坐标的道路中心点，获取每一点云块中的所有道路中心点，以得到道路中心线；

其中，所述第一相邻点是所述第一点集中与所述第一边缘点相邻且靠近所述块中心点的点，所述第二相邻点是所述第二点集中与所述第二边缘点相邻且靠近所述块中心点的点。

比如图2中，在获取第一相关点集时，第一相邻点(图2中的点)由于与第一边缘点靠近，被纳入第一相关点集。那么在第一相关点集中，与第一相邻点高程差最小的点就是其本身，所以点即是第三边缘点。同样的方法，在第二边缘点的相关点中，点就是第四边缘点。通过点和点也可确定道路中心点x_c。

另一方面，本是实施例提供了一种基于车载扫描系统的道路中心线提取装置300，包括：

分块模块301，用于沿着所述车载扫描系统获取的轨迹点延伸的第一方向，将所述车载扫描系统获取的点分割成点云块；

第一获取模块302，用于获取过所述点云块的块中心点且垂直于所述第一方向的第一平面，以及所述点云块中在所述第一平面内且位于所述块中心点第一侧的第一点集，所述点云块中在所述第一平面内且位于所述块中心点第二侧的第二点集；

第二获取模块303，用于以所述块中心点为起点，依次计算所述第一点集中相邻点的Z轴坐标的差值的第一绝对值，获取首次得到的所述第一绝对值大于第一阈值的两点中远离所述块中心点的第一边缘点，以所述块中心点为起点，依次计算所述第二点集中相邻点的Z轴坐标的差值的第二绝对值，获取首次得到的所述第二绝对值大于第二阈值的两点中远离所述块中心点的第二边缘点；

第三获取模块304，用于在所述点云块中，获取位于所述道路所在平面内且与所述第一边缘点和所述第二边缘点连线的中点具有相同X轴坐标和Y轴坐标的道路中心点，获取每一点云块中的所有道路中心点，以得到道路中心线。

优选地，所述分块模块还用于对所述车载扫描系统获取的轨迹点进行抽稀处理后沿着所述车载扫描系统获取的轨迹点延伸的第一方向，将所述车载扫描系统获取的点分割成点云块，以使每一点云块中包括至少两个位于所述点云块边缘的轨迹点。

本发明提供的基于车载扫描系统的道路中心线提取装置，通过将车载扫面系统获取的点云数据及轨迹数据的分块处理，利用相邻点之间的Z轴坐标值的对比，确定出道路边缘点，进而确定道路的中心点，实现了从车载扫描系统获取的数据中提取道路中心线，同时，本发明提供的方法和装置对车载扫描系统获取的数据进行计算和对比，使得提取的道路中心线更加精准。

进一步地，所述第一获取模块包括：

坐标转换单元，用于将点云块内的点的坐标按照如下公式：

$X_j^q={\mathrm{\ΔX}}^q+R^q{X}_j$

转换成以该点云块中沿着所述第一方向上的第一个轨迹点为原点，以所述第一方向为Y轴的所确定的局部直角坐标系中的点；

第一点集获取单元，用于获取过所述点云块的块中心点且垂直于所述第一方向的第一平面，获取所述点云块中在所述第一平面内且位于所述块中心点第一侧的第一点集，以及所述点云块中在所述第一平面内且位于所述块中心点第二侧的第二点集；

其中，j＝1,2,...,p，p为所述点云块中的总点数；和X_j分别为在局部直角坐标系和统一坐标系中，第q个点云块内的第j个点向量；ΔX^q为第q个点云块内的平移向量；为第q个点云块内的旋转矩阵，所述旋转矩阵以角度κ^q得出，κ为第q个点云块中两个轨迹点与所述中心点连线的夹角。

优选地，其特征在于，所述第一绝对值和第二绝对值按照如下公式计算：

其中，r为第r个点云块；z_b为所述块中心点的Z轴坐标；m为所述第一点集或第二点集中的点的总数；为第r个点云块中，所述第一点集或第二点集中的第个点和与其相邻且远离所述块中心点的点之间的Z轴坐标的差值的绝对值；设定第一阈值或者第二阈值为d_b，将通过上式计算得到的绝对值与d_b对比，获取首次得到的大于d_b的两点中远离所述块中心点的点作为边缘点。

优选地，其特征在于，所述第三获取模块包括：

第二点集获取单元，用于获取与所述第一边缘点的距离小于预设距离的所有点的第一相关点集，以及与所述第二边缘点的距离小于预设距离的所有点的第二相关点集；

边缘点获取单元，用于获取所述第一相关点集中与第一相邻点之间的Z轴坐标值差值的绝对值最小的第三边缘点，以及所述第二相关点集中与第二相邻点之间的Z轴坐标值差值的绝对值最小的第四边缘点；

中心线获取单元，用于在所述点云块中，获取与所述第三边缘点和所述第四边缘点连线的中点具有相同X轴坐标和Y轴坐标的道路中心点，获取每一点云块中的所有道路中心点，以得到道路中心线；

其中，所述第一相邻点是所述第一点集中与所述第一边缘点相邻且靠近所述块中心点的点，所述第二相邻点是所述第二点集中与所述第二边缘点相邻且靠近所述块中心点的点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。