CN109631841B - 一种基于激光投影的快速道路横断面测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于激光投影的快速道路横断面测量方法及装置，所述方法为：载体车辆在道路行驶过程中，通过高速摄像机实时获取激光线在道路面的投影图像，运用近景摄影测量原理对影像进行解算，得到当前时刻激光投影线相对于载体的位置信息；再根据GNSS系统测量的载体位置、姿态角，计算得到所测道路横断面的绝对参数信息。所述装置包括载体、激光发射器、高速广角摄像机、GNSS系统以及车载计算机。本发明无需人工进行逐点测量，避免了人为因素所造成的误差；车载系统作业效率更高且连续性好，系统设备成本较低，构造简单，且后期维护成本较低；可靠的GNSS定位精度和有效的近景摄影测量算法能够保证较高的测量精度。

Description

一种基于激光投影的快速道路横断面测量方法及装置

技术领域

本发明属于道路横断面测量技术领域，尤其涉及一种基于激光投影的快速道路横断面测量方法及装置。

背景技术

道路横断面测量用于测定道路中线垂直方向上的地形起伏情况。在公路测量中，线路的横断面测量是一项工作量巨大并且十分繁琐的测量工作，现如今主要的道路横断面测量方法主要包括水准仪法、全站仪法、以及GPS-RTK法。上述方法都需要人工对断面点依次测量，因此测量速度慢且人力成本巨大。为了克服传统断面测量存在的问题，本发明提出了一种基于激光线投影车载快速道路横断面测量方法及装置，能够较为快速且连续精确地测量道路横断面。

发明内容

针对传统道路横断面测量存在的问题，本发明提供了一种基于激光投影的快速道路横断面测量方法及装置，能够较为快速且连续精确地测量道路横断面。

本发明提供了一种基于激光投影的快速道路横断面测量装置，包括载体、激光发射器、高速广角摄像机、GNSS系统以及车载计算机。

所述载体为一行驶在待测道路上的测量车；

所述激光发射器安装在载体的前端，且与载体的车轴平行，所述激光发射器设有一激光发射点，所述激光发射点发射激光形成激光面，并在道路上投影形成激光投影线；

所述高速广角摄像机安装在所述激光发射器的正下方，用于实时获取激光投影图像；

所述GNSS系统包含GNSS高精度定位天线及与其连接的高精度定位定姿接收机，其中所述GNSS高精度定位天线安装在载体的上端，所述GNSS系统用于测量载体在大地坐标系下的位置及姿态角；

所述车载计算机存储并处理数据，计算道路横断面信息。

本发明提供了一种基于激光投影的快速道路横断面测量方法，包括以下步骤：

S1、载体位置及姿态测量：利用GNSS高精度定位天线及高精度定位定姿接收机计算得到载体在大地坐标系下的位置和姿态角；

S2、获取激光投影图像：激光发射器的激光发射点将与载体平行的激光线投射到待测路面，通过激光发射器正下方的高速广角摄像机实时地获取激光投影图像，记录图像拍摄时刻，并将图像传输到车载计算机储存；

S3、利用车载计算机进行数据处理：对步骤S2中获得的每一时刻的激光投影图像，通过数字图像处理算法提取激光投影线，依据摄影测量原理计算激光投影线相对于载体的位置信息，再整合步骤S1得到的载体在大地坐标系下的位置及姿态角计算并存储每一时刻的道路横断面信息。

进一步地，所述步骤S3的具体步骤如下：

S31、提取激光投影线：对步骤S2中获得的每一时刻的激光投影图像，通过数字图像处理算法提取激光投影线；

S32、依据摄影测量原理计算激光投影线相对于载体的位置信息；

进一步地，为计算道路横断面信息，需建立三个坐标系：以步骤S1中得到的载体位置为原点，载体的车轴为X轴，垂直于载体的车轴向上为Z轴，建立右手坐标系即为载体坐标系；以高速广角摄像机的摄像中心S为原点，三个坐标轴分别与载体坐标系的三个坐标轴平行，建立像空间辅助坐标系；以高速广角摄像机的摄像中心S为原点，摄像机的主光轴为z轴，x、y轴分别与像平面坐标系的x、y轴平行，建立像空间坐标系。

对于步骤S31提取的激光投影线上的任一待测点A，在激光投影图像上对应的像点a在像平面坐标系下的坐标为(x，y)，则该像点a在像空间坐标系中的坐标为(x，y，-f)，f为相机焦距，设定该像点a在像空间辅助坐标系中的坐标为(X，Y，Z)，两坐标存在关系式(1)：

其中，R为两坐标系之间的旋转矩阵：

a_i，b_i，c_i(i＝1，2，3)为影像的空间姿态组成的9个方向余弦；

对于步骤S31提取的激光投影线上的任一待测点A，设定其在载体坐标系下的坐标为(X_A，Y_A，Z_A)，摄像中心S在载体坐标系下的坐标为(X_S，T_S，Z_S)，由于摄像中心S、像点a以及待测点A共线，因此有关系式(2)：

其中λ为比例因子；

激光发射器的激光发射点P在载体坐标系下的坐标(X_P，Y_P，Z_P)，激光面的法向量为(X′，Y′，Z′)，因此待测点A满足关系式(3)：

根据以上三个关系式可以求解得到待测点A在载体坐标系下的坐标(X_A，Y_A，Z_A)，对步骤S31中提取的激光投影线上的各点按照上述过程计算在载体坐标系下的坐标，即得到激光投影线的位置信息；

S33、利用步骤S1中得到的载体在大地坐标系下的位置和姿态角，将步骤S32中的激光投影线相对于载体的位置信息转换至大地坐标系，即得到道路横断面信息。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：对平整道路的测量具有较好的效果，具体表现在：无需人工进行逐点测量，减少了人工干预也就避免了人为因素所造成的误差，运用车载系统，作业效率更高且连续性好；系统设备成本较低，构造简单，且后期维护成本较低；可靠的GNSS测量精度和有效的近景摄影测量算法能够使其具有较高的测量精度。在现今国家大力发展交通基础设施建设的环境下，该系统拥有广阔的市场前景。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于激光投影的快速道路横断面测量装置的右视图；

图2是本发明实施例提供的基于激光投影的快速道路横断面测量装置的俯视图；

图3是本发明实施例提供的激光发射点与待测点之间的关系示意图；

图4是本发明实施例提供的像空间坐标系与像空间辅助坐标系之间的关系示意图；

图5是本发明实施例提供的基于激光投影的快速道路横断面测量方法的流程框图；

图6是本发明实施例提供的摄像中心、像点与待测点共线的关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参阅图1和图2，本实施例提供了一种基于激光投影的快速道路横断面测量装置，其包括载体10、激光发射器11、高速广角摄像机12、GNSS系统13以及车载计算机14。本实施例中，载体10为一在待测道路上行驶的测量车，激光发射器11安装在载体10的前端，且与载体10的车轴平行，高速广角摄像机12安装在激光发射器11正下方，GNSS系统13安装在载体10的上端。

请参阅图3和图4，激光发射器11设有一激光发射点P，激光发射点P发射激光形成激光面F，并在道路上投影形成激光投影线L；高速广角摄像机12实时获取包含激光投影线L的道路图像，记录图像拍摄时刻，并将图像传输到车载计算机14储存；所述GNSS系统13包括GNSS高精度定位天线及与其连接的高精度定位定姿接收机，可以得到载体10工作时在大地坐标系下的位置和姿态角。

请参阅图4，为了获取道路横断面信息，用GNSS系统13获得的载体位置信息建立载体坐标系：以载体位置为原点，载体10的车轴为X轴或Y轴(图4所示为以载体的车轴为X轴)，垂直于载体10的车轴向上为Z轴，建立右手坐标系即为载体坐标系；以高速广角摄像机12的摄像中心S为原点，三个坐标轴分别与载体坐标系的三个坐标轴平行，建立像空间辅助坐标系；以高速广角摄像机12的摄像中心S为原点，摄像机的主光轴为z轴，x、y轴分别与像平面坐标系的x、y轴平行，建立像空间坐标系。

请参阅图5，上述基于激光投影的快速道路横断面测量装置进行测量的方法，包括以下步骤：

S1、载体10的位置及姿态测量：利用GNSS系统13的GNSS高精度定位天线及高精度定位定向板卡计算得到载体10在大地坐标系下的位置和姿态角；

S2、获取激光投影图像：激光发射器11的激光发射点P将激光线投射到待测路面，通过激光发射器11正下方的高速广角摄像机12实时地获取激光投影图像，记录图像拍摄时刻，并将图像传输到车载计算机14储存；

S3、利用车载计算机14进行数据处理：对步骤S2中获得的每一时刻的激光投影图像，通过数据图像处理算法提取激光投影线L，依据摄影测量原理计算激光投影线L相对于载体10的位置信息，再结合步骤S1得到的载体10在大地坐标系下的位置及姿态角计算并存储每一时刻的道路横断面信息。

请参阅图5，步骤S3包括如下具体步骤：

S31、提取激光投影线：对步骤S2中获得的每一时刻的激光投影图像，通过数字图像处理算法提取激光投影线L；

S32、依据摄影测量原理计算激光投影线L相对于载体10的位置信息；

具体地，请参阅图4，对于步骤S31提取的激光投影线L上的任一待测点A，在高速广角摄像机12所拍摄的激光投影图像上对应的像点a在像平面坐标系下的坐标为(x，y)，则该像点a在像空间坐标系中的坐标为(x，y，-f)，f为相机焦距，设定该像点a在像空间辅助坐标系中的坐标为(X，Y，Z)，两坐标存在以下关系式：

其中，R为两坐标系之间的旋转矩阵：

a_i，b_i，c_i(i＝1，2，3)为影像的空间姿态组成的9个方向余弦；

请参阅图6，对于步骤S31提取的激光投影线L上的任一待测点A，设定其在载体坐标系下的坐标为(X_A，Y_A，Z_A)，摄像中心S在载体坐标系下的坐标为(X_S，Y_S，Z_S)，由于摄像中心S、像点a以及待测点A共线，因此有：

其中λ为比例因子，变换之后得到：

根据式(1)、式(2)及式(4)可以得到：

请参阅图3，激光发射点P在载体坐标系下的坐标为(X_P，Y_P，Z_P)，激光面F的法向量为(X′，Y′，Z′)，待测点A满足：

根据式(5)和式(6)可以求解得到待测点A在载体坐标系下的坐标(X_A，Y_A，Z_A)；

对步骤S31中提取的激光投影线L上的各点按照上述过程计算在载体坐标系下的坐标，即得到激光投影线L相对于载体10的位置信息；

S33、利用步骤S1中得到的载体10在大地坐标系下的位置和姿态角，将步骤S32中的激光投影线L相对于载体10的位置信息转换至大地坐标系，即得到道路横断面信息。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于激光投影的快速道路横断面测量方法，其特征在于，包括步骤：

S1、载体位置及姿态测量：利用GNSS高精度定位天线及高精度定位定向接收机计算得到载体在大地坐标系下的位置和姿态角；

S2、获取激光投影图像：在载体的前端安装激光发射器，所述激光发射器的激光发射点P将激光线投射到待测路面，通过激光发射器正下方的高速广角摄像机实时地获取激光投影图像，记录激光投影图像的拍摄时刻；

S3、数据处理：提取步骤S2中获得的每一时刻的激光投影图像中的激光投影线，计算所述激光投影线相对于载体的位置信息，再结合步骤S1得到的载体在大地坐标系下的位置及姿态角，将激光投影线相对于载体的位置信息转换至大地坐标系，得到道路横断面信息；

激光投影线相对载体的位置信息的计算过程为：

以高速摄像机的摄像中心S建立像空间辅助坐标系以及像空间坐标系，对于提取的激光投影线上的任一待测点A，在激光投影图像上对应的像点a在像平面坐标系下的坐标为(x,y)，则该像点a在像空间坐标系中的坐标为(x,y,-f)，f为相机焦距，设定该像点a在像空间辅助坐标系中的坐标为(X,Y,Z)，两坐标存在关系式(1)：

其中，R为两坐标系之间的旋转矩阵：

a_i,b_i,c_i为影像的空间姿态组成的9个方向余弦，i＝1,2,3；

设定待测点A在载体坐标系下的坐标为(X_A,Y_A,Z_A)，摄像中心S在载体坐标系下的坐标为(X_S,Y_S,Z_S)，由于摄像中心S、像点a以及待测点A共线，因此有关系式(2)：

其中λ为比例因子；

激光发射器的激光发射点P在载体坐标系下的坐标(X_P,Y_P,Z_P)，激光面的法向量为(X',Y',Z')，因此待测点A满足关系式(3)：

根据以上三个关系式可以求解得到待测点A在载体坐标系下的坐标(X_A,Y_A,Z_A)，对于激光投影线上的各点按照上述过程计算在载体坐标系下的坐标，即得到激光投影线相对于载体的位置信息。

2.一种使用如权利要求1所述的基于激光投影的快速道路横断面测量方法的基于激光投影的快速道路横断面测量装置，其特征在于，包括载体、激光发射器、高速广角摄像机、GNSS系统以及车载计算机。

3.根据权利要求2所述的基于激光投影的快速道路横断面测量装置，其特征在于，所述载体为一行驶在待测道路上的测量车。

4.根据权利要求2所述的基于激光投影的快速道路横断面测量装置，其特征在于，所述激光发射器安装在载体的前端，且与载体的车轴平行，所述激光发射器设有一激光发射点，所述激光发射点发射激光形成激光面，并在道路上投影形成激光投影线。

5.根据权利要求2所述的基于激光投影的快速道路横断面测量装置，其特征在于，所述高速广角摄像机安装在所述激光发射器的正下方，用于实时获取激光投影图像。

6.根据权利要求2所述的基于激光投影的快速道路横断面测量装置，其特征在于，所述GNSS系统包含GNSS高精度定位天线及与其连接的高精度定位定姿接收机，其中所述GNSS高精度定位天线安装在载体的上端，所述GNSS系统用于测量载体在大地坐标系下的位置及姿态角。

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