[发明专利]地基式激光雷达点云的隧道轴线提取和分割方法

权利要求书

1.地基式激光雷达点云的隧道轴线提取和分割方法，其特征是包括如下步骤：

（1）基于2D投影法提取隧道轴线点；

（2）构建轴线MST；

（3）基于SG滤波的隧道轴线平滑；

（4）基于改进RANSAC算法的轴线分割；

（5）总体最小二乘轴线拟合。

2.根据权利要求1所述的地基式激光雷达点云的隧道轴线提取和分割方法，其特征是所述步骤（1）基于2D投影法提取隧道轴线点具体包括：

输入隧道点云数据，然后将点云投影到互相垂直的XOY面和XOZ面内；在XOY面内，以横坐标最小值为起点，以给定阈值为间隔，在X轴的铅垂线方向进行竖直切割，直到达到点云横坐标的最大值为止；

，在该切片内搜索点云纵坐标的最大值和最小，从而计算出对应的中点坐标，求取所有切片的中点集合，即隧道轴线点；由此类推，求取另一个投影平面XOZ面内隧道的轴线方程。

3.根据权利要求1所述的地基式激光雷达点云的隧道轴线提取和分割方法，其特征是所述步骤（2）构建轴线MST具体包括：

首先对步骤（1）所得到的无序的隧道轴线点生成无向图，而后使用点间的欧式距离度量作为权重遍历最大深度子树，得到组成隧道轴线点的MST，以获取轴线点顺序和逆序拓扑关系数据。

4.根据权利要求1所述的地基式激光雷达点云的隧道轴线提取和分割方法，其特征是所述步骤（3）基于SG滤波的隧道轴线平滑具体包括：

将步骤（2）中获得的轴线点顺序和逆序拓扑关系数据经过SG滤波算法处理，将轴线的线性元素在正切空间转化为水平直线，非线性元素转化为具有斜率的直线。从而将轴线在数据空间的分割的问题转化为正切空间的线性识别问题。

5.根据权利要求1所述的地基式激光雷达点云的隧道轴线提取和分割方法，其特征是所述步骤（4）基于改进RANSAC算法的轴线分割具体包括：

①把轴线点转化至正切空间，其中为当前点与起始点之间的路径累计长度，为当前点的切线方向与横坐标的正方向之间的夹角；

②使用RANSAC算法拟合面内的线性要素，此时轴线点被分割为局内点和局外点，求出局内点中点作为拟合直线的位置属性；

③确定局内点的坐标范围，若局外点在局内点范围内，则把该点从局外点中删除；

④剩余的局外点作为输入，循环步骤②和③，直到处理完所有的局外点；

⑤根据正切空间中提取的线性要素的位置属性从左到右对线性元素进行排列，然后求出相邻两个线性元素的交点，即为分割位置；

⑥把交点映射到数据空间，对轴线进行分割。

6.根据权利要求1所述的地基式激光雷达点云的隧道轴线提取和分割方法，其特征是所述步骤（5）总体最小二乘轴线拟合具体包括：

一般多项式方程为：

（1）

令，其中变量x为观测值，将上式非线性方程变化成多元线性方程：

（2）

假设有m个曲线上的点坐标，这m个点坐标构成如下方程组：

将其写成矩阵的形式为：

（3）

其中，B=，。

Y和B均为观测值，为了顾及到两者的误差，采用总体最小二乘法进行平差，式（3）的误差方程形式为：

（4）

其中，，分别为误差矩阵；采用矩阵的奇异值分解来求参数的总体最小二乘解。