【摘要】：車載移動測量技術(shù)作為一種新型的移動測量技術(shù),相較于傳統(tǒng)測量技術(shù)在快速獲取空間信息方面具有明顯的優(yōu)勢,它不僅可以快速采集行駛軌跡周圍地物表面的高精度三維坐標,還能夠獲取其紋理、反射強度等信息,在無人駕駛、道路檢修、城市規(guī)劃等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。車載激光點云數(shù)據(jù)的提取和分類是眾多應(yīng)用的關(guān)鍵,但由于車載激光掃描數(shù)據(jù)存在海量性、密度分布不均、場景內(nèi)目標間的遮擋與自遮擋等問題,導(dǎo)致其實際利用效率低。針對上述問題,本文開展了對車載激光點云數(shù)據(jù)中目標地物的分類和提取算法的研究,分析了道路環(huán)境中各類地物的幾何信息及空間分布特征,設(shè)計了對道路邊界、路面、道路標識線及路燈的提取算法。本文設(shè)計的道路要素點云提取算法主要包括以下三個部分:(1)改進的歐氏聚類道路邊界及路面提取算法。該算法主要包含四個步驟,第一步通過掃描線的自適應(yīng)濾波方法濾除地面點;第二步利用平滑度約束下的歐氏聚類算法分割點云,將濾波后的點云進行分割聚類;第三步針對每個聚類的點云進行優(yōu)化和跟蹤,濾除車輛、樹木和路燈等其它地物后,完整地提取出道路邊界;第四步把道路邊界作為約束條件提取路面點云。(2)基于輪廓分析的道路標識線提取和分類算法。該算法先對點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,移除離群點后計算點云最小包圍盒;接著根據(jù)包圍盒大小和格網(wǎng)間隔計算強度特征圖像的分辨率,經(jīng)過投影生成特征圖像;在特征圖像上使用Canny算子檢測邊緣,并通過連通性分析組裝輪廓,再對每個輪廓的大小及形狀進行分析,濾除非標識線的輪廓后分類道路標識線;最后根據(jù)索引將分類后的標線還原為點云,并通過高斯混合模型對標識線點云進行精化,獲得精確的道路標識線。(3)基于二三維形態(tài)特征的路燈提取算法。該方法根據(jù)路燈的形態(tài)特征分別進行桿狀目標檢測和燈頭檢測來提取路燈點云。首先濾除車載激光點云數(shù)據(jù)中的道路邊界及路面點云;其次根據(jù)桿狀目標的二三維形態(tài)特征提取路燈候選點云;最后在分析路燈燈頭和交通標志牌標志面及樹木樹冠的空間形態(tài)差異的基礎(chǔ)上,對路燈候選點云進行的遮蓋度分析和投影面積分析,提取完整的路燈點云。本論文通過對三組不同場景下的車載點云數(shù)據(jù)進行實驗,實現(xiàn)了道路邊界、路面、道路標識線及路燈點云的自動提取,驗證了本文提取算法的適用性及可行性。
【圖文】：

車載激光掃描系統(tǒng)的出現(xiàn)彌補地面激光掃描系統(tǒng)和機載激光掃描系統(tǒng)的不足。研究者們以車輛作為搭載平臺，將全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) GNSS(Global Navigation SatelliteSystem)、圖像傳感器 CCD(Charge-coupled Device)和慣性測量系統(tǒng) INS（Inertial NavigationSystem）與三維激光掃描系統(tǒng)高度集成，構(gòu)成了車載移動測量系統(tǒng)。作為一種先進的測量方式，其具有信息量豐富、精度高、靈活性強等眾多優(yōu)點，能夠快速獲取道路及其周圍場景的精確三維信息，對高精度地圖構(gòu)建、道路信息維護以及城市三維可視化等方面發(fā)揮著數(shù)據(jù)支撐作用。隨著車載移動測量系統(tǒng)各傳感器在空間解析度、測量精度等方面的進步，以及三維模型構(gòu)建、點云數(shù)據(jù)處理、計算機圖形學等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和對數(shù)字城市建設(shè)的迫切需求，越來越多的科研機構(gòu)投入精力來研究車載點云的分類和提取算法。雖然近幾年取得一定的進展，但由于其掃描數(shù)據(jù)存在海量性、密度分布不均、無明顯幾何分布和場景內(nèi)目標間的遮擋與自遮擋現(xiàn)象等問題，給目標提取帶來巨大的挑戰(zhàn)，而且由于測量角度和場景復(fù)雜度不同，車載激光點云數(shù)據(jù)也不能直接借用相對成熟的機載點云信息的提取方法。因此，，本文針對車載激光掃描數(shù)據(jù)進行研究，以道路邊界、路面、道路標識線和路

System)[6]。但該車載系統(tǒng)并沒有投入商業(yè)使用，只是用于對車載移動測量系統(tǒng)集成的探索，不過開創(chuàng)了以車輛為平臺的移動測量系統(tǒng)的先河。在二十世紀八十年代末，美國俄亥俄州立大學將兩臺模擬相機、GPS/INS 組合系統(tǒng)以及里程計進行集成，研發(fā)了真正意義上的第一款車載移動測量系統(tǒng)——GPSVan 移動測量系統(tǒng)[7]。通過攝影測量的原理和 GPS/INS 組合系統(tǒng)以及里程計多獲取的位置信息，可以解算出目標地物的真三維坐標[8]。隨后在 90 年代，加拿大卡爾加里大學的學者對初代 Alberta MHIS 系統(tǒng)進行改裝，集成了 GPS/INS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)，提升了系統(tǒng)的精度，稱為 VISAT 系統(tǒng)[9]。再此之后，隨著各個傳感器的飛速發(fā)展以及三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，越來越多的國外公司和院校開始對車載移動測量系統(tǒng)進行研究，車載激光掃描系統(tǒng)也進入了蓬勃發(fā)展的時代。經(jīng)過二十多年的研究開發(fā)，國外很多院校和公司從最初的原型開發(fā)設(shè)計發(fā)展到了商業(yè)化應(yīng)用階段，如日本東京大學的 VLMS 系統(tǒng)[10]、英國 3DLM 公司和 ILI 公司共同研發(fā)的 StreetMapper360 系統(tǒng)[11]（圖 1-2（a））、美國 Trimble 公司集成的 MX9 系統(tǒng)[12]（圖 1-2（b））、以及 Riegl 的 VMX-450 系統(tǒng)[13]（圖 1-2（c））等。
【學位授予單位】：北京建筑大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：U412.2

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10 本報記者 李樹

本文編號：2687526