蔡泉華，嚴(yán)守靖，奚晨晨，魏金濤，孫團(tuán)偉，胡緒泉

（1.浙江交投交通建設(shè)管理有限公司，杭州 310014；2.浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院，杭州 311305；3.浙江省道橋檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311305）

公路沿線附屬設(shè)施是公路資產(chǎn)的重要組成部分，主要通過人工拍照巡檢的方式開展數(shù)據(jù)采集與處理，在數(shù)據(jù)處理過程中無法提取沿線設(shè)施的長(zhǎng)、寬、高等特征信息，對(duì)公路沿線設(shè)施資產(chǎn)的管理造成較大的影響。

為提高公路沿線設(shè)施資產(chǎn)的數(shù)字化管理效率，提取沿線設(shè)施的尺寸特征，有研究成果開展了激光點(diǎn)云與影像融合配準(zhǔn)技術(shù)研究。吳偉坊[1]、顧斌[2]通過三維激光掃描設(shè)備與光學(xué)相機(jī)，提出了一種將數(shù)字圖像與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)融合的方法。楊長(zhǎng)強(qiáng)等[3]研發(fā)了基于線陣CCD 相機(jī)與激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)融合方法，查陸九[4]采用三維激光雷達(dá)與視頻影像裝備，開展了移動(dòng)測(cè)量的配準(zhǔn)方法研究。同時(shí)，有大量的研究成果[5-8]聚焦于激光點(diǎn)云與影像的融合算法研究，李斯[9]通過對(duì)經(jīng)典特征匹配方法的不足進(jìn)行改進(jìn)，將核Fisher 判別分析融入SIFT 算法中，改進(jìn)了特征描述子生成的過程，提升了算法的魯棒性，提高了點(diǎn)云與圖像融合的自動(dòng)化程度。馮志成[10]、黃志成[11]提出了一種基于多注意力機(jī)制的Li DAR 點(diǎn)云3D 目標(biāo)檢測(cè)方法，采用基于矩形核膨脹解決了鄰域數(shù)據(jù)丟失的問題并完成了深度圖像的稠密化，使用ICP 算法疊加相鄰幀補(bǔ)充丟失的部分激光雷達(dá)水平掃描線數(shù)據(jù)。此外，也有研究成果顯示[12-15]，通過融合激光點(diǎn)云與圖像數(shù)據(jù)，建立目標(biāo)物的三維模型，開展目標(biāo)物的分類與識(shí)別。但對(duì)于目標(biāo)物尺寸特征提取問題的研究較少。

針對(duì)公路沿線設(shè)施，從三維激光點(diǎn)云與全景圖像融合原理出發(fā)，集成三維激光點(diǎn)云與全景相機(jī)，提取公路沿線設(shè)施的尺寸特征，并開展了檢測(cè)速度對(duì)特征提取準(zhǔn)確性的影響。

1 三維激光點(diǎn)云與全景圖像融合

1.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

三維激光點(diǎn)云與全景圖像裝備在工作時(shí)均采用獨(dú)立的坐標(biāo)系，為實(shí)現(xiàn)2 類數(shù)據(jù)的對(duì)齊與融合，擬采用WGS-84 大地坐標(biāo)系為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，通過計(jì)算全景相機(jī)、三維激光點(diǎn)云的相對(duì)位置，建立局部坐標(biāo)系與基準(zhǔn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并將全景影像的像素逐一映射到以WGS-84 為基準(zhǔn)的坐標(biāo)系上。而激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)則根據(jù)點(diǎn)云的經(jīng)緯度信息，直接投影到WGS-84 大地坐標(biāo)系上，從而實(shí)現(xiàn)了三維激光點(diǎn)云與全景圖像的坐標(biāo)系統(tǒng)，坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換如圖1 所示。

圖1 4 個(gè)坐標(biāo)系之間的關(guān)系

1.2 激光點(diǎn)云與全景圖像坐標(biāo)融合

激光點(diǎn)云與全景圖像的融合原理如下，假設(shè)OWXWYWZW為大地坐標(biāo)系（WGS-84），OPOS-XPOSYPOSZPOS代表車載的坐標(biāo)系，OS-XSYSZS表示全景相機(jī)坐標(biāo)系，OLXLYLZL表示三維激光點(diǎn)云掃描坐標(biāo)系。若激光掃描P點(diǎn)的時(shí)刻為tL，P點(diǎn)由激光掃描推算在OW-XWYWZW坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為

假設(shè)全景相機(jī)拍攝P點(diǎn)的時(shí)刻為ts，設(shè)P點(diǎn)在OSXSYSZS坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為[XSYSZS]T，P點(diǎn)由相機(jī)測(cè)量推算在OW-XWYWZW坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為

因此，P點(diǎn)激光點(diǎn)云與全景圖像坐標(biāo)融合公式為

2 公路沿線設(shè)施巡檢裝備集成設(shè)計(jì)

根據(jù)激光點(diǎn)云與全景圖像的坐標(biāo)融合方法，集成三維激光電源設(shè)備、全景相機(jī)、高精定位器、距離編碼器與慣導(dǎo)系統(tǒng)。其中，全景相機(jī)負(fù)責(zé)記錄路面及安全設(shè)施影像資料，三維激光掃描儀用于掃描路面及沿線安全設(shè)施，GPS 定位器可接收GPS 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)，距離編碼器用于記錄巡檢的里程信息，慣導(dǎo)系統(tǒng)主要記錄巡檢車輛的加速度、方位角、航向角等姿態(tài)信息。公路沿線設(shè)施巡檢的裝備組成見表1。各個(gè)傳感器在同步控制器的控制下協(xié)同工作，共同完成公路沿線設(shè)施激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)的采集，其數(shù)據(jù)由工業(yè)計(jì)算機(jī)處理與存儲(chǔ)。

表1 公路沿線巡檢裝備組成

各個(gè)模塊通過電氣控制系統(tǒng)和同步控制器進(jìn)行協(xié)同工作。公路沿線設(shè)施巡檢裝備整體集成設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 公路沿線巡檢裝備集成設(shè)計(jì)

公路沿線設(shè)施巡檢的全景圖像如圖3 所示，全景圖像與激光點(diǎn)云融合的效果如圖4 所示。

圖4 全景圖像與激光點(diǎn)云融合效果

3 車速對(duì)特征提取準(zhǔn)確性的影響

3.1 低速條件下沿線設(shè)施尺寸特征提取

在低速條件下（40 km/h），通過公路沿線巡檢裝備對(duì)標(biāo)志牌、監(jiān)控箱、信號(hào)箱和廣告牌4 類典型的交通安全設(shè)施進(jìn)行掃描，利用三維激光點(diǎn)云和全景圖像提取各類沿線設(shè)施的尺寸特征，如圖5 所示，并與人工測(cè)量的參考值進(jìn)行比較。

圖5 低速條件下沿線設(shè)施特征提取

由圖5 可以發(fā)現(xiàn)，在40 km/h 的低速條件下，標(biāo)志牌和廣告牌的測(cè)量值變化相對(duì)較大，而監(jiān)控箱和信號(hào)箱的測(cè)量值變化相對(duì)較小。這是由于監(jiān)控箱和信號(hào)箱尺寸相對(duì)較大，并且沒有遮擋，激光點(diǎn)云和全景圖像掃描相對(duì)較為精確。

3.2 高速條件下沿線設(shè)施尺寸特征提取

在高速條件下（70 km/h），通過公路沿線巡檢裝備對(duì)標(biāo)志牌、監(jiān)控箱、信號(hào)箱和廣告牌4 類典型的交通安全設(shè)施進(jìn)行掃描，利用三維激光點(diǎn)云和全景圖像提取各類沿線設(shè)施的尺寸特征，如圖6 所示，并與人工測(cè)量的參考值進(jìn)行比較。

由圖6 可以發(fā)現(xiàn)，在70 km/h 的高速條件下，標(biāo)志牌、監(jiān)控箱、信號(hào)箱和廣告牌4 類交通安全設(shè)施的測(cè)量值變化幅度都有明顯增加。這是由于檢測(cè)速度增加后，三維激光點(diǎn)云掃描的密度在減小，導(dǎo)致尺寸特征提取的精度下降。

3.3 尺寸特征提取誤差

為評(píng)價(jià)不同檢測(cè)速度條件下沿線設(shè)施特征提取的效果，擬采用復(fù)現(xiàn)性誤差、平均測(cè)量誤差和最大測(cè)量誤差3 個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)尺寸特性提取的效果。不同速度條件下尺寸特征提取誤差分別見表2 和表3。

表2 40 km/h 條件下尺寸特征提取誤差

表3 70 km/h 條件下尺寸特征提取誤差

從復(fù)現(xiàn)性誤差的角度看，40 km/h 和70 km/h 的速度差異對(duì)實(shí)驗(yàn)的復(fù)現(xiàn)性影響較小，復(fù)現(xiàn)性誤差都控制在5%以內(nèi)，表明公路沿線設(shè)施巡檢裝備測(cè)量的穩(wěn)定性較好。就平均測(cè)量誤差而言，隨著車速的增加，平均測(cè)量誤差呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，速度越大，平均測(cè)量誤差越大。廣告牌的最大測(cè)量誤差最高，這是由于廣告牌容易出現(xiàn)遮擋、傾斜等現(xiàn)象，影響三維激光點(diǎn)云與全景相機(jī)的掃描。

4 結(jié)論

通過融合激光點(diǎn)云和全景圖像，在不同檢測(cè)速度條件下，開展提取公路沿線設(shè)施尺寸實(shí)驗(yàn)，分析了檢測(cè)車速對(duì)尺寸提取準(zhǔn)確性的影響，獲得了以下結(jié)論。

1）公路沿線設(shè)施中，目標(biāo)物存在遮擋、傾斜現(xiàn)象對(duì)尺寸特征提取的準(zhǔn)確性影響較大，最大測(cè)量誤差達(dá)到10 cm 以上。

2）公路沿線設(shè)施距離越遠(yuǎn)，點(diǎn)云掃描的間隔越大，尺寸特征提取的誤差越大。

3）檢測(cè)速度的增大，會(huì)導(dǎo)致激光點(diǎn)云的掃描間隔增大，尺寸特征提取的準(zhǔn)確性下降。