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原文传递道路三维重建系统研究

论文题名：	道路三维重建系统研究
关键词：	道路检测;三维重构;路面破损;点云分割;特征提取
摘要：	当今时代，高速公路的快速发展给路面养护工作带来了巨大的挑战，构建现代化的养护体系，推行科学化的养护策略，实施精准化的养护工程是未来路面养护发展的战略方向。目前，采集路面信息的相关技术已经发展到了成熟阶段，但是相对落后的路面重构技术不能直观有效地将路面的检测信息应用于路面维护工作中。如何通过道路检测车的实况数据进行路面实况展示及病害数据展示，研究并建立可交互的三维可视化系统是路面检测技术下一阶段的重要研究方向。因此，本文提出并构建道路实况模型，该模型在宏观上可以展示反映道路环境信息，在微观上可以反映路面破损信息，模型的构建基于无人机采集的道路数据与道路检测车采集的路面数据。　　本文研究要点分为两点：路面模型三维重建和道路环境三维重建。路面模型重建采用的是长安大学道路综合数据检测车所获取的路面高程激光点云数据、GPS数据、路面纹理图像，可生动形象的构建出路面曲线模型及路表面纹理模型，但对道路整体环境并不能完整的展现；而道路环境模型结合了无人机采集的道路影像点云数据以实现对整体道路及路网环境的整体模型建立。主要从以下四个方面进行研究：　　(1)对道路实体的特征进行分析，为简化道路重构方案，将道路划分为路面与路面环境。根据路面及环境的特性选择相适应的建模数据。为了融合检测车采集的路面数据和无人机采集的道路环境数据，本文建立了由道路里程、道路横断面和路面高程组成的路面三维坐标系，将道路检测车采集的路面数据、无人机影像点云映射到路面三维坐标系中，并根据DEM相关建模方法建立了基于规则网格的路面数字高程模型与不规则三角网格模型的路面环境模型。　　(2)结合《公路养护工程设计规范》与《公路技术状况评定标准》对高速公路的主要路面破损的主要成因及面积计算方法进行了介绍；以道路检测车采集的路面高程激光点云为研究对象，提出了一种基于法向量距离的路面坑槽提取方法。首先对路面高程点云数据进行数据清洗；其次采用自适应最优邻域的PCA方法估算路面点云数据的法向量，通过计算路面点云中采样点到其局部二次曲面的切平面的法向距离作为法向量距离；以法向量距离描述采样点的三维空间特征，并通过阈值分割自动提取路面坑槽点云集合，通过Mean-Shift聚类算法分割路面坑槽点云集合得到多个坑槽点集；最后针对每个坑槽点集，采用AlphaShapes算法提取坑槽边界点，对坑槽边界点进行三次样条插值拟合得到坑槽轮廓，据此计算坑槽尺寸(长度、宽度、深度)及面积信息。以规则坑槽模型与路面真实坑槽的点云数据进行实验，实验结果表明本文方法可精确提取路面坑槽边界点及其尺寸信息。　　(3)以无人机采集的高速公路影像点云为研究对象，以高速公路的环境分割为研究内容，提出了基于RANSAC平面分割结合法向量夹角双判定的道路绿化带分割算法，并基于道路绿化带完成了路面环境的分割。首先，基于无人机影像数量庞大、密度高、处理难度大的特点，采用串行下采样的方法，在保留有效信息的同时降低点云数量；使用基于高程分布的高速公路场景分类方法去除干扰数据。其次，通过本文提出的基于RANSAC平面分割结合法向量夹角双判定的公路绿化带分割算法分割绿化带；以道路绿化带点云为对象，提取其边界信息，选择靠近路面一侧的边界点进行多段直线拟合，完成对道路环境的分割。最后，以G85银昆高速-凤翔段的无人机影像点云为实验数据，分别以基于法向量夹角的分割方法、基于RANSAC平面拟合的分割方法及本文方法进行相关实验并对比分割结果，本文方法提取的绿化带更加完整、噪声数据更少。　　(4)基于QT与OpenGL设计并搭建了道路三维重建系统，提出了基于破损等级分类的路面高程渲染算法。首先，将系统功能模块划分为路面数字模型的显示及渲染、路面病害信息的提取与显示、路面环境的展示等。其次，介绍系统功能的实现方法并通过实际道路数据进行展示；展示的对象包括：三维交互、路面病害信息的显示、路面环境模型的显示等。最后，为了更加形象地展示路面环境状况，以长安大学校内路段的路面高程激光点云为实验数据，以本文提出的基于破损等级分类的路面高程渲染算法与基于对数映射的路面高程渲染算法进行实验验证，实验结果表明本文算法渲染的彩色路面模型对路面破损的表达效果更明显。
作者：	陈鑫龙
专业：	交通运输工程
导师：	马荣贵
授予学位：	硕士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022