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申请/专利权人：湖北珞珈实验室

摘要：本发明公开了基于种子引导的UAV激光点云铁路轨道线提取方法及系统。首先通过种子引导给定铁路轨道所在位置和延伸方向，通过铁轨高度及方向一致性约束进行初始轨道线追踪和平行轨道线生成；在此基础上，利用初始轨道线结合铁轨尺寸先验知识，生成铁轨缓冲区；然后，根据缓冲区所在位置和轨道线高程，对铁路场景点云进行缓冲分析，提取铁轨顶部点云；接着基于多项式函数分别构建铁轨线在XOY面和XOZ面的曲线方程，联立方程式，得到轨道线精确拟合结果。其中种子引导的初始轨道线追踪、基于缓冲区位置及高度的铁轨点提取以及轨道线精确拟合算为本发明的关键技术，本发明为铁路轨道线精确提取、免上轨检测、铁路建设和运营维护等提供了可靠的技术手段。

主权项：1.基于种子引导的UAV激光点云铁路轨道线提取方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，针对轨道场景UAV激光点云，结合轨道特征点通过种子引导方法获得初始轨道线；步骤1的具体实现方式如下；1a在铁轨所在位置相隔一定距离人工选取两个种子点，并以此确定铁轨初始位置和方向，然后进行轨道特征点筛选；1b设定轨道特征点高差阈值TΔz，方向阈值θT，搜索半径初值r0，搜索步长s，其中轨道线延伸方向的初值由种子点连线方向设定；1c根据人工给定的种子点位置，利用搜索半径r0搜索该位置邻近点云，并采用冒泡排序法对邻近点云进行高程排序，以高程中值作为基准，选取高差小于阈值TΔz的最大高程点作为起始轨道特征点；1d根据人工给定的种子点位置，利用搜索半径r0搜索该位置邻近点云，以上一个轨道特征点高程作为基准，选取高差小于阈值TΔz的最大高程点作为第二轨道特征点；1e利用得到的两个轨道特征点位置，计算轨道线平均高度z和延伸方向θ，并以第二个轨道特征点作为种子点位置，根据搜索步长s和方向θ，估计下一个轨道特征点位置；1f根据搜索步长s以及θT估计候选点搜索半径r；基于估计的轨道特征点位置以及候选点搜索半径r搜索邻域点云，并以z作为基准，选取高差小于阈值TΔz的最大高程点作为候选轨道特征点；重复步骤1e和1f，直到完成当前轨道所有轨道特征点的搜索，结束追踪，依次连接这些候选轨道特征点得到初始轨道线；步骤2，根据步骤1得到的初始轨道线，依据轨距先验知识，获得平行轨道线；步骤3，根据初始轨道线和平行轨道线，分别生成缓冲区域；步骤3中针对初始轨道线和平行轨道线中的任意一条轨道线，生成缓冲区域的具体实现方式如下；沿轨道线前进方向，分别在轨道线左右两侧，距离轨道线d处生成两个缓冲区特征点，简称缓冲点；具体步骤为：3a依次选取特征点p1和p2，坐标分别为x1,y1和x2,y2，即可得到p1p2所在直线方程，算得斜率k1和截距b1；3b在p1处，垂直于p1p2的直线方程，其斜率-1k1，将p1点坐标带入，即可算得截距b2；3c设待求缓冲点为x0,y0，则该缓冲点满足如下方程式： 根据以上方程，可算得两个缓冲区特征点结果；3d判断所生成的缓冲点位于直线p1p2的左侧还是右侧：S＝x1-x0×y2-y0-y1-y0×x2-x04若S0，则点x0,y0在直线p1p2左侧；若S0时，点x0,y0在直线p1p2右侧；若S＝0，则点x0,y0在直线p1p2上；3e当轨道线所有特征点所对应的缓冲点生成后，依次连接左侧缓冲点，再连接右侧缓冲点，即完成缓冲区域的生成；步骤4，对步骤3得到的缓冲区域进行铁轨点云提取，即搜索位于缓冲区域的点云，标记高度与初始轨道线高度符合要求的点云作为铁轨点云；步骤5，对步骤4得到的铁轨点云，采用多项式拟合算法进行轨道线拟合处理，从而得到轨道线精确提取结果；步骤5的具体实现方式如下；首先，利用铁轨点云在XOY面进行多项式拟合，对一条轨道线上的铁轨点云pk，其三维坐标为xk,yk,zk，k＝1,2…,m，m为铁轨点云的个数，则铁轨点云pk在XOY面满足如下关系式：yk＝a0+a1xk+…+anxkn6式中：a0,a1,…,an为多项式系数，n为多项式系数的个数；定义变量X、a以及Y，对应的计算公式如下式所示： a＝[a0,a1,…,an]T8Y＝[y1,y2,…,ym]T9进一步，得到轨道点云拟合表达式如下式所示：Xa＝Y10将步骤4得到的铁轨点云的坐标代入公式10解算出a，即得到多项式系数ai，从而得到轨道线的数学表达式；为了得到轨道线在高度方向的分布位置，采用同样方法构建轨道线在XOZ面的拟合多项式，Xb＝Z11式中，b＝[b0,b1,…,bn]T12Z＝[z1,z2,…,zm]T13采用同样方法解算得多项式系数后，得到轨道线关于XOZ的投影柱面，联立方程式10和11，即得到轨道线空间曲线。

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