[发明专利]一种多期道路三维激光点云精确配准方法

权利要求书

1.一种多期道路三维激光点云精确配准方法，其特征在于，具体包含以下步骤：

第一步；获取监测道路多期点云数据，选取任意两期原始点云数据，对原始点云数据进行等间距分段处理，生成多段点云数据；

第二步：对每个分段点云数据进行垂直于行驶车道方向的偏移纠正，具体包括以下步骤：

2.1：针对各个单段数据，先选取两期同名路面标线点云，根据单条扫描线上点云强度值在地面点与标线点之间的突变特征，利用Sigmoid数学函数模型求取含有标线点云的单扫描线上标线与地面点之间的突变点并作为标线边界点；

2.2：根据求取的标线边界点，计算标线的各中线点，并利用最小二乘法拟合直线作为标线中线，对两期同名标线均求取标线中线，根据标线中线求取两期标线在垂直于道路行驶方向上的偏移；

第三步：对每个分段点云数据进行行驶车道方向的偏移纠正；具体包括以下步骤：

3.1：交互选取两期道路两侧的多处同名独立地物数据作为配准基元:

3.2：利用ICP算法，对两期数据道路两侧的多处同名独立地物分别进行配准，计算x，y方向的偏移量t_xi、t_yi，并计算平均值

3.3：根据计算出的多组同名独立地物的x，y方向的偏移量分别计算中误差并将在范围内的偏移量重新计算平均值，作为第二次纠正配准偏移量；

3.4：将待配准点云向x，y方向进行平移，完成第二次纠正；

第四步：对每个分段点云数据进行高程纠正，最终得到两期数据的完整配准结果；

第五步：另选取两期原始点云数据，重复步骤一到步骤四，以此类推，得到多期数据的完整配准结果。

2.如权利要求1所述的多期道路三维激光点云精确配准方法，其特征在于，步骤2.1包括以下子步骤：

2.1.1：设定距离大小，对待配准点云数据与模板点云数据进行数据分割；

2.1.2：人工交互均匀选取两期点云数据的多条同名标线；

2.1.3：选取一条同名标线，根据含有标线点云的扫描线上点云强度值在地面点与标线点之间的突变特征，利用Sigmoid函数模型计算两期标线各扫描线上标线边界点，函数模型为：

其中，S(x)为各标线边界点所对应的强度值；

x为各标线边界点的x，y坐标值，以此计算出各标线边界点为-b₂；

公式中的b₁、b₃、b₄分别表示该公式的各个系数，其中b₁表示该函数曲线在x轴上的伸缩尺度因子，b₃表示该函数曲线在y轴上的伸缩尺度因子，b₄表示该函数曲线相对于原点(0,0)在y轴上的平移量；e为数学名词自然系数。

3.如权利要求1所述的多期道路三维激光点云精确配准方法，其特征在于，步骤2.2包括以下子步骤：

2.2.1：根据计算得到的各个标线边界点，计算各标线中心点；

2.2.2：利用各标线中心点，根据最小二乘拟合法拟合标线中线：

式中x，y为参与计算的各标线中心点坐标，i为参与计算的坐标底标，n为参与计算的坐标数量，为拟合的中线斜率，为拟合的中线截距；

2.2.3：根据点到直线的距离公式，计算各同名标线中线间的间距，并计算各对同名标线中待配准标线相较于原始标线在x，y方向的偏移量；

式中k和d分别代表一对同名标线中原始标线的中线所在直线方程的斜率和截距，x、y为待配准点云标线中线上点的三维坐标；

2.2.4：对选取的各同名标线均做上述2.2.1-2.2.3步计算，计算各同名标线平移量的平均值，将待配准点云向x，y方向进行平移，完成第一次纠正。

4.如权利要求1所述的多期道路三维激光点云精确配准方法，其特征在于，步骤四具体包括以下步骤：

4.1：对数据分割后的两期数据，利用路面滤波算法获取地面点云数据，对两期同名路面点云数据建立统一格网索引，具体方法是：

4.1.1：获取两期路面点云平面投影的共同最小外接矩形，即：xmin、ymin、xmax、ymax；

4.1.2：设置一定格网步长，对两期数据划分格网：

ID＝(RID-1)×Col+CID

式中：ID为格网的索引编号，Row、Col为格网的行数和列数，RID、CID为行列号，x_i、y_i分别为点云的坐标，StepX和StepY分别为格网的长度和宽度；

4.2：对两期路面点云数据中的每个格网，利用主成分分析算法(PCA)算法，计算每个格网点云的法向量；再计算两期路面点云数据每个格网点云的法向量与点云z轴的法向量(0,0,1)的夹角θ大小：

4.3：对两期路面点云数据分别进行统计分析并确定不变区域，具体如下：

4.3.1：设定相同的夹角区间步长，统计各个区间内对应的格网个数和对应的ID号；

4.3.2：统计分析格网数最多的区间的上下限，并以此区间作为标准区间，该标准区间内的点云区域视为两期数据中的稳定区域，即没有发生严重形变的区域，记录该区间内格网对应的ID号；

4.4：统计两期同名地面数据的共同格网ID号，格网在同一标准下划分，则必然会出现重叠的格网ID，分别计算两期同名地面数据共同格网内点云的平均高程，根据平均高程的差值计算两期数据的高程偏差，并进行最终纠正。