[发明专利]一种基于点云数据的既有铁路中线提取方法

权利要求书

1.一种基于点云数据的既有铁路中线提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

数据预处理，包括对原始点云数据的测站拼接、粗差剔除和数据裁剪；

点云数据滤波，滤除无效点云数据，并根据轨面高程对点云数据进行分段滤波；

点云分割，先将点云数据格网化和二值化处理，再对滤波后的点云数据进行点云分割，并将对点云数据的处理转化为对格网数据的处理；

线路中线点计算，根据既有铁路两条钢轨平行的几何特性，并利用两条钢轨的点云数据，计算出线路中线点的坐标，得到线路中线；

在点云数据滤波过程中对轨面高程进行分段滤波，保留轨面数据，包括以下步骤：

输入预处理后的点云数据，遍历所有点，沿X方向搜索点云数据中X坐标的最大值和最小值;

沿X轴方向设置分段间隔d，以X坐标最小值为起点将点云数据划分为n个区域，每个区域可以表示为，其中n的值按照公式计算；

对于每个区间，先搜索区间范围的点云数据，设p(x,y,z)为任意一点，当满足这个条件时，认为该点落在该区间内；

对于每个区域内的点云数据，搜索各点Z坐标的最大值，为轨面高程，设置滤波阈值，对于点云数据中高程小于予以剔除，高程大于或等于的点作为轨面数据保留下来，的取值为5~15cm之间；

对每个区间内的点云数据均重复上一步骤的操作；

当既有铁路线路走向靠近Y坐标轴方向时，沿Y轴方向划分分段滤波区间；

在点云分割过程中，采用边界填充算法进行分割，对于任意一个格网进行八邻域搜索，判断其相邻格网是否为实格网，若是则将邻域点作为种子点继续搜索，直到所有格网均被搜索完毕；

点云分割包括以下步骤：

分别搜索点云数据X轴方向和Y轴方向的最大值和最小值，得到最小外包围盒的角点坐标;

设置格网边长L，分别沿X轴和Y轴将点云区域划分为边长为L的矩形格网，设沿Y方向和X方向可划分的段数分别为CowN、RowN，CowN、RowN为所构建格网的行列数，CowN、RowN按公式计算，设p(x,y)为点云区域内任意一点，则p(x,y)所在格网的行列号Cowi、Rowi按照计算；

在分割前将点云数据格网化后产生的空格网识别出并剔除，根据格网中点云的数量将格网数据二值化，根据公式，分别统计每个格网中点的数量GPnum，为格网内点数设置一个阈值，若GPnum小于该值,则该格网为空格网，将该格网赋值为0，否则该格网为实格网，赋值为1 ；

遍历格网，选择值为1的实格网作为种子格网进行八邻域搜索，若种子格网行列号为，则其八邻域格网分别为；若邻域格网为实格网，则可以作为下一个种子格网继续进行八邻域搜索，直到所有连通的实格网都被搜索到，则这些实格网表示的钢轨被分割完毕；

重复步骤上一步骤，直至所有实格网被搜索完毕；

通过分割，确认出每个实格网所属的钢轨，根据格网与点云的对应关系，能够确认每个点所属的钢轨点集；

在线路中线点计算过程中：

沿X轴方向设置中线点采样间隔dz，根据X坐标的最小值计算出每个中线采样点的X坐标，每个中线采样点的Y坐标为两条钢轨对应X坐标处钢轨中心点的Y坐标的平均值，即，其中分别为两条钢轨在中线采样点X坐标处钢轨中心的Y坐标；

对钢轨点云数据采用局部直线拟合的方式，分段拟合钢轨直线，在对应中线点X坐标处，分别取钢轨点云数据X坐标前后的点云数据，采用最小二乘法拟合直线，得到局部范围内的点云数据的直线方程，通过直线方程反算出对应中线点X坐标处的Y值，得到对应钢轨中心点的Y值，最小二乘法拟合直线按照公式和公式进行；

其中，式中k为直线方程的斜率，b为直线方程的截距；

在计算线路中线点的过程中包括以下步骤：

沿X轴方向设置线路中线点采样间隔dz，以X坐标最小值为起点计算线路中线点的X坐标，线路中线点的X坐标可表示为，其中nz为线路中线点的个数，按照公式计算；

根据任意中线点X坐标，计算对应位置钢轨点云局部直线拟合区间，其中dn为拟合区间半长，取值范围为0.5m~1m；

遍历每个钢轨点集，设p(x,y)钢轨点集内的任意一点，若,则该点位于局部直线拟合区间内；对于所有位于拟合区间内的点利用公式和进行最小二乘拟合，得到直线参数，每个中线点X坐标对应两条钢轨直线，即;

将中线点X坐标分别代入两条直线方程，得到对应钢轨中点的Y坐标和；

和的平均值即为对应中线点的Y坐标，即为中线点的坐标；

依次将中线点连线，得到线路中线；

当既有铁路线路走向靠近Y坐标轴方向时，沿Y轴方向设置中线点采样间隔，根据中线点的Y坐标反算对应钢轨中点的X坐标。