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        利用全景移動測量系統(tǒng)進(jìn)行城市專題數(shù)據(jù)提取

        2017-11-29 08:23:09馬小偉龔書林熊建華雷月敏
        測繪通報(bào) 2017年1期
        關(guān)鍵詞:標(biāo)線內(nèi)業(yè)停車位

        馬小偉,高 磊,冉 磊,龔書林,熊建華,雷月敏

        (1. 昆明市測繪研究院,云南 昆明 650093; 2. 武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司,湖北 武漢 430223)

        中海達(dá)·開啟智時(shí)代

        利用全景移動測量系統(tǒng)進(jìn)行城市專題數(shù)據(jù)提取

        馬小偉1,高 磊1,冉 磊1,龔書林2,熊建華1,雷月敏2

        (1. 昆明市測繪研究院,云南 昆明 650093; 2. 武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司,湖北 武漢 430223)

        本文通過全景移動測量系統(tǒng)采集的高精度高密度三維激光點(diǎn)云和高分辨率的全景影像,研究自動化和半自動化提取城市專題數(shù)據(jù),包括公路交通、城市園林、市政設(shè)施和廣告牌等,具體包括道路邊線、行道樹、路燈、垃圾箱、道路標(biāo)志線和廣告牌等;提出解決海量點(diǎn)云和全景影像的存儲和高效訪問問題,通過各類專題數(shù)據(jù)的空間形態(tài)分布特征和激光反射強(qiáng)度屬性,研究進(jìn)行自動化和半自動化提取所對應(yīng)的算法。

        1 作業(yè)工藝流程

        采用全景移動測量系統(tǒng)進(jìn)行城市專題數(shù)據(jù)采集提取,需要根據(jù)不同類型專題圖數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求,探索總結(jié)作業(yè)工藝流程。如圖1所示。

        圖1 作業(yè)工藝流程

        1.1 基站靜態(tài)數(shù)據(jù)采集

        為保證數(shù)據(jù)采集精度的可靠性,以及后續(xù)對精度驗(yàn)證比對的方便性,GPS基站靜態(tài)數(shù)據(jù)采用昆明市CORS站點(diǎn),選取離測區(qū)最近的CORS站。CORS詳細(xì)要求:①獲取CORS基站全天靜態(tài)數(shù)據(jù);②采樣間隔要求1 s;③CORS基站W(wǎng)GS-84坐標(biāo)。

        1.2 全景移動測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

        數(shù)據(jù)采集的主要環(huán)節(jié)有基站架設(shè)、設(shè)備安裝、數(shù)據(jù)采集、裝備拆卸、基站拆卸、設(shè)備維護(hù)6個(gè)方面。

        1.3 高精度數(shù)據(jù)融合糾偏

        針對GPS信號差地區(qū),通過全站儀采集控制點(diǎn),使用系統(tǒng)配套POS糾偏功能進(jìn)行POS軌跡糾偏。糾偏控制點(diǎn)可以來源于大比例尺高精度線劃圖或全站儀測量控制點(diǎn)。根據(jù)專題圖精度要求,在GPS信號差的位置,沿道路每隔500 m布設(shè)一個(gè)控制點(diǎn),拐彎位置需要增加控制點(diǎn)。

        1.4 工程數(shù)據(jù)檢查

        檢查內(nèi)容包括點(diǎn)云精度、全景影像與點(diǎn)云配準(zhǔn)精度、全景影像質(zhì)量、全景數(shù)目一致、測區(qū)覆蓋情況、工程之間疊加檢查等。

        1.5 內(nèi)業(yè)專題數(shù)據(jù)提取

        內(nèi)業(yè)提取基于全景移動測量系統(tǒng)配套的點(diǎn)云測圖建庫ArcGIS插件軟件進(jìn)行,首先使用自動化和半自動化提取工具進(jìn)行批量采集提取,然后手工檢查錯(cuò)提和漏提,完成圖形和基本屬性提取之后,再進(jìn)行屬性錄入。

        1.6 外業(yè)調(diào)繪

        外業(yè)實(shí)地調(diào)繪檢查時(shí),需繪制草圖并填寫調(diào)繪表。內(nèi)業(yè)根據(jù)調(diào)繪草圖和填寫的調(diào)繪表,進(jìn)行內(nèi)業(yè)成圖和屬性錄入。

        2 自動化半自動化提取算法

        2.1 道路邊線自動化提取

        將道路類型劃分為高速公路、一般路。高速公路以應(yīng)急車道外側(cè)的道路標(biāo)線作為目標(biāo)分析;一般路以隔離帶和馬路牙作為目標(biāo)分析。下面以馬路牙分析為例進(jìn)行算法步驟描述:①讀取掃描圈軌跡數(shù)據(jù),獲取激光掃描儀軌跡點(diǎn)Ps1、Ps2、…、Ps100,讀取分析前100掃描圈點(diǎn)云,分析每圈點(diǎn)云離行駛方向水平垂足投影最近的點(diǎn),得到地面點(diǎn)Pg1、Pg2、…、Pg100,用掃描儀軌跡點(diǎn)和地面點(diǎn)統(tǒng)計(jì)掃描儀離地面平均高度Hs;②獲取軌跡線右側(cè)掃描圈點(diǎn)云,在掃描圈上從軌跡投影點(diǎn)向右依次分段(8 cm一段,馬路牙高度,可以配置)分析法向量,法向量垂直認(rèn)為是地面點(diǎn),分析獲取整個(gè)右側(cè)掃描圈,如果法向量接近水平,則保存記錄點(diǎn)集、所在圈號、法向量(ScanVertical掃描豎線);③按掃描圈順序分析所有圈點(diǎn)云,獲取所有掃描圈內(nèi)部的ScanVertical掃描豎線,對掃描豎線進(jìn)行鄰域分析,如果相鄰掃描線存在縱向1 m以上相鄰的掃描豎線,并且高度都接近8 cm,則認(rèn)為是馬路牙的掃描豎線ScanCurb;④根據(jù)提取的馬路牙點(diǎn)云,分析獲取道路邊線。

        2.2 路邊停車位自動化提取

        路邊停車位分布在行車道右側(cè)道路邊緣位置,具有停車位標(biāo)線畫定標(biāo)記,停車位標(biāo)線框有固定大小和特征。下面描述提取算法分析步驟:① 根據(jù)激光掃描頭POS軌跡線,分析獲取掃描頭離地面高度值;②提取一定高度、長度容差范圍的地面點(diǎn),并過濾車輛、行人等噪點(diǎn),獲取地面點(diǎn);③根據(jù)POS軌跡線,進(jìn)行左右切割劃分,提取行駛方向右側(cè)地面點(diǎn)云;④根據(jù)點(diǎn)云反射強(qiáng)度,對右側(cè)點(diǎn)云進(jìn)行二分聚類,提取停車位標(biāo)線點(diǎn)云;⑤將標(biāo)線點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行XOY平面投影,生成強(qiáng)度灰度圖,作二值化、平滑處理;⑥根據(jù)灰度圖像素進(jìn)行收縮、膨脹、霍夫變換,提取線圖形;⑦按POS方向,將線數(shù)據(jù)劃分為垂直POS方向和水平POS方向,根據(jù)水平線和垂直線計(jì)算交點(diǎn)初步得到停車位;⑧過濾較短線,去除重復(fù)冗余線,轉(zhuǎn)換三維線數(shù)據(jù);⑨三維線根據(jù)包圍盒是否相交,剔除冗余重復(fù)對象,剔除壓蓋POS軌跡線的對象;⑩將前后相鄰?fù)\囄还策叺囊?guī)整統(tǒng)一,根據(jù)國標(biāo)規(guī)范,進(jìn)行臨近規(guī)整,最終輸出停車位三維線成果。

        2.3 車道標(biāo)線自動化提取

        不同等級類型道路車道虛線和車道實(shí)線寬度有國家標(biāo)準(zhǔn)《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線》(GB 5768—2009)。車道標(biāo)線提取算法步驟如下:①根據(jù)激光掃描頭POS軌跡線和掃描圈點(diǎn)云,分析獲取掃描頭離地面高度值、掃描圈XOY平面投影線與行使POS軌跡夾角;②根據(jù)掃描頭離地面高度值,按掃描圈提取分析提取地面點(diǎn)云;③根據(jù)地面點(diǎn)云,使用點(diǎn)云強(qiáng)度進(jìn)行特征,提取路面標(biāo)志標(biāo)線點(diǎn)云;④將掃描圈內(nèi)部分段的標(biāo)志標(biāo)線點(diǎn)云進(jìn)行POS橫斷面方向投影,投影長度接近10、15、20 cm寬度的高強(qiáng)度掃描段點(diǎn)云進(jìn)行保留,初步認(rèn)為是車道實(shí)線、車道虛線;⑤按掃描圈順序依次分析內(nèi)部車道虛實(shí)線,如果前后相鄰掃描圈存在連續(xù)1.8 m以上的車道虛實(shí)線,則認(rèn)為是最終的車道標(biāo)線;⑥根據(jù)車道標(biāo)線點(diǎn)云,提取標(biāo)線中心線(如圖2所示)。

        圖2 車道標(biāo)線自動化提取

        2.4 行道樹自動化提取

        行道樹沿道路兩旁分布,靠近慢車道的人行道上或綠化隔離帶中,包含樹干、樹冠部分,樹干近圓柱狀,樹冠是沿樹干成發(fā)散狀。其提取分析算法步驟為:①讀取激光掃描頭POS軌跡線,以POS軌跡線進(jìn)行左右緩沖(緩沖距離可配置),得到分析范圍;②將點(diǎn)云三維空間進(jìn)行規(guī)則平面網(wǎng)格劃分(默認(rèn)網(wǎng)格大小3 m×3 m,根據(jù)行道樹間距情況進(jìn)行配置),根據(jù)空間關(guān)系進(jìn)行判斷,保留POS緩沖范圍的網(wǎng)格;③遍歷目標(biāo)范圍網(wǎng)格,依次查詢讀取每個(gè)網(wǎng)格范圍內(nèi)點(diǎn)云,將點(diǎn)云按Z方向從低到高等距離(0.5 m)切割劃分格網(wǎng)內(nèi)點(diǎn);④對格網(wǎng)內(nèi)部切割劃分的點(diǎn)云進(jìn)行特征分析,底部塊點(diǎn)云符合人行道路面及樹根特征、中間1個(gè)以上切割柱體符合樹干特征、頂部向下1個(gè)以上切割柱體符合樹冠發(fā)散特征的,則認(rèn)為是行道樹;⑤使用中間包含樹干部分的切割柱體的點(diǎn)云,進(jìn)行5 cm斷面切割,對切割點(diǎn)云進(jìn)行平面投影,擬合獲取平面坐標(biāo)位置和樹干直徑。

        2.5 垃圾箱半自動化提取

        鑒于垃圾箱數(shù)目有限,形狀多樣,考慮采用半自動化方式提取,采用俯視圖手工拉框垃圾箱周邊點(diǎn)云,程序自動計(jì)算中心位置,并計(jì)算長寬高屬性。其提取分析算法步驟如下:①獲取用戶框選范圍的點(diǎn)云集合;②對點(diǎn)云集合按Z坐標(biāo)進(jìn)行排序,獲取Z值最小的5%底部點(diǎn)云,用5%底部點(diǎn)云粗略計(jì)算地面高度,高處5%點(diǎn)云的最低點(diǎn)作為垃圾桶頂部高度H2;③按Z方向?qū)δ繕?biāo)點(diǎn)云集合進(jìn)行切割,切割間距3 cm,沿Z方向從下往上遍歷各個(gè)切割段,如果達(dá)到某個(gè)高度后切割段點(diǎn)云突然減少,并穩(wěn)定一段高度(大于40 cm),則認(rèn)為突變處為垃圾桶底部H1;H2-H1即垃圾桶的高度;④獲取垃圾桶底部以上第3個(gè)切割段點(diǎn)云,作為筒身點(diǎn)云;⑤使用筒身點(diǎn)云,進(jìn)行平面投影,特征查找矩形、圓、橢圓,將查找到的一個(gè)或多個(gè)矩形、圓、橢圓,求外接多邊形,根據(jù)外接多邊形求長度寬度,如果查找擬合矩形、圓、橢圓失敗,則認(rèn)為此處不是垃圾桶。

        3 結(jié)束語

        本文使用全景移動測量系統(tǒng)對城市專題數(shù)據(jù)進(jìn)行了外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)提取,減輕了傳統(tǒng)測量外業(yè)采集工作量和勞動強(qiáng)度,提高了工作效率,內(nèi)業(yè)處理提取軟件集成自動化和半自動化提取算法工具,提高了內(nèi)業(yè)生產(chǎn)效率。通過試驗(yàn)區(qū)采集處理驗(yàn)證了其可大幅度提高生產(chǎn)效率,可為城市專題圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)更新提供更便捷有效的解決方案,可進(jìn)行更大范圍應(yīng)用推廣。

        (本專欄由中海達(dá)和本刊編輯部共同主辦)

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