利用Hough变换和稳健估计计算道路线形参数

第32卷,第6期2007年12月

公路工程H ighway Engi n eering

V o.l 32,N o .6D ec.,2007

[收稿日期]2007 01 16

[项目基金]现代工程测量国家测绘局重点实验室开放基金资助项目(ES SBS M (06) 09)

[作者简介]康传利(1979 ),男,山东郓城人,博士研究生。主要从事地理信息系统、 3S 集成技术理论与应用研究。

利用Hough 变换和稳健估计计算道路线形参数

康传利1

,姚连璧

1,2

(1.同济大学测量与国土信息工程系,上海 200092; 2.现代工程测量国家测绘局重点实验室,上海 200092)

[摘 要]道路线形参数计算对于公路现状调查、道路优化设计、道路信息管理、安全分析和建立公路的三维空间模型均具有重要意义。根据道路线形的特点,利用基于H ough 变换的直线和圆曲线提取算法对数据进行分组,然后利用稳健估计对数据进行迭代平差,计算出道路各段线形参数,从而实现道路线形识别的目的。算法由V i sua l C++语言实现,在实践中证明是很有效的。

[关键词]线形参数;H ough 变换;稳健估计;选权迭代法

[中图分类号]U 412.32 [文献标识码]A [文章编号]1002 1205(2007)06 0007 03

Co m puti ng Road Line Type Para m eters wit h Hough

Transfor m and Robust Estim ation

KANG Chuanli 1,YAO L ianbi 1,2

(1.Depart m ent of Survey i n g and Geo -I nfor m atics ,Tong jiU niversity ,Shangha i200092,Ch i n a ; 2.Key

Labo ratory of Advanced Eng i n eering o f SBS M,Shanghai 200092,Chi n a) [A bstract]I n the investiga ti o n of China present road state ,the co m puting of road li n e type para m -eters are very i m portan.t A fter the positions of road centerli n es are acqu ired ,acco r d i n g to r oad li n e types ,the first step is g r ouping to coordi n ates data o f road centerlines by ex tracting stra i g ht lines a l g o -rithm and detecting circle a l g orithm based on Rough Transfor m ,t h en the second step is ad j u sting by m ethod for Se lecti n g W e i g ht Iteration w ith robust esti m ation .So t h e goa l o f road li n e i d entificati o n is a-t ta i n ed after t h e r oad li n e type para m eters have been kno wn .Th ism et h od o f road line type identificati o n has proved its ava il a bility by V isual C ++progra mm ing fina ll y .

[K ey words]Line Type Para m eters ;H ough Transfor m ;RobustE sti m ati o n ;SelectingW eigh t Itera -tion

随着国民经济和社会的发展,交通运输发挥了越来越大的作用,道路基础设施和信息化建设已经成为经济生活中最活跃的方面之一,公路是交通运输重要的基础设施,随着近些年的经济高速增长,对基础设施的建设、管理和充分利用提出了更高的要求。在公路的扩建改造、维修工作中需要有线形参数的支持。在建立公路管理系统时,线形数据是必不可少的,线形参数还可以为道路的行车安全分析、环境影响分析、车载导航等方面的应用提供支持。目前我国已经对已有公路进行了的大量的普查工作,其中的一项工作是提供道路的线形参数。因此公路几何线形数据的采集与计算是一项基础且非常重要的工作,对公路的建设、维修和管理以及安全性

能分析等具有重要意义。

在道路设计过程中,主要采用直线、圆曲线和缓和曲线三种线形,基于这一特点,首先利用随机H ough 变换,把直线数据和圆曲线数据分离出来。然后利用稳健估计对各组数据进行迭代平差,进而计算不同组线形的交点,该点的里程即为不同线形要素交点的里程,从而计算出线形参数,达到线形识别的目的。

1 利用H ough 变换进行数据分组

H ough 变换是将图像空间中的检测问题转换到参数空间,将图像空间内具有一定关系的像元进行聚类,寻找能把这些像元用某一解析形式联系起来

公路工程32卷

的参数空间累积对应点。在参数空间不超过二维的情况下,这种变换具有比较理想的效果。但是当参数空间超过二维时,这种变换就会出现计算量大和占用内存大的问题,在实际应用中是非常不理想的。因此,Xu等提出了RHT(R ando m ized H ough Trans-f o r m)方法[1,2],基本思想是把图象空间的点组成一个数据空间,随机选取三点映射成参数空间的一个点。本文根据道路线形分为直线、圆曲线和缓和曲线,对RH T方法进行改进,从而把直线和圆曲线数据从大量的道路中心线坐标原始数据中提取出来。

1.1 初步分组

设l为某一长度,l最好不大于为道路的缓和曲线最小长度,按照l把道路中心线的坐标原始数据分组。从第一个坐标数据P1(x1,y1)开始,按照顺序搜寻后面的点,直至找到第一个符合条件: (x i+1-x1)2-(y i+1-y1)2 l的点P i+1(x i+1, y i+1),把点P1(x1,y1),P2(x2,y2), ,P i(x i,y i)归为一组数据L1。依次用同样的方法进行数据分组,直至把所有数据分为按顺序排列的数据组L1,L2, ,L n。这样,数据组按照线形划分,只有三种情况:只包含直线数据的数据组,只包含圆曲线数据的数据组,混合数据组(包含直线、缓和曲线,或者包含圆曲线、缓和曲线,或者只包含缓和曲线)。

1.2 检测直线

经过对原数据初步分组之后,首先利用基于RHT的直线提取算法对各组数据进行判断,如果是直线,就记下组号,并且把属性定为直线。具体步骤如下:

初始化计数器S=0,最大判断次数S

m ax

,失败次数f=0,允许失败最大次数f m ax,允许误差为 。

如果S>S m ax,判断该组数据为非直线,结束程序;否则从数据组中随机选取两点P i,P j,得出一条直线L。

在数据组内顺序查找点P,求出P到直线L 的距离d。如果d ,f=f+1。如果f>f m ax,循环结束,S=S+1,f=0,进行(2);否则继续查找下一点。

在遍历完数据组内所有点之后,判定如果S S m ax,则该组数据为直线。记下组号。

1.3 检测圆曲线

利用基于RHT的检测圆曲线算法对非直线数据组进行判断,如果是圆曲线,则记下组号,并且把属性定为圆曲线。具体步骤如下:

初始化计数器S=0,最大判断次数S m ax,失败次数f=0,允许失败最大次数f m ax,允许误差为 。

如果S>S m ax,判断该组数据为混合数据,结束程序;否则从数据组中随机选取3个点P i,P j, P k。根据圆的任意两条弦的中垂线交点为圆心这一性质求得圆的参数a,b,r,其中(a,b)为圆心坐标,r为半径。

在数据组内顺序查找点P,求出P到圆心(a,b)的距离d,如果d ,f=f+1。如果f>f m ax,循环结束,S=S+1,f=0,进行(2);否则继续进行循环。

在遍历完数据组内所有点之后,判定如果S S m ax,则该组数据为圆曲线,并记下组号。

1.4 数据重组

把直线数据组和圆曲线数据组都提取出来之后,就剩下混合数据组。把混合数据组中的数据按照线形分离出来,具体步骤为:

将按组分好的数据重新组合起来,相邻的相同性质的数据组合并为一组。

对直线数据组和圆曲线数据组用最小二乘法进行平差,得出最优的直线和圆曲线。

根据得出的直线,向两端相邻的混合数据组中依次搜索,如果点到直线的距离d ,则把此点划到这个直线数据组中;如果d> ,则停止搜索。圆曲线也采取类似的方法。

所有的数据组经过处理后,直线、圆曲线上的数据就被提取出来,剩下的就是缓和曲线数据。最后把相邻的相同性质的数据全部划分到同一个数据组中,这样就完全把道路中心线的原始坐标数据按照线形分离出来了。

2 利用稳健估计进行迭代平差

首先利用把平面坐标数据转化到里程-曲率数据,然后利用稳健估计对得出的数据进行迭代平差处理,得出道路各段线形参数,从而实现道路线形识别的目的。

2.1 数据转换

直线的曲率K=0;圆曲线的曲率为设计半径R 的倒数:K=1/R;缓和曲线 l=A2( 为任意一点的曲率半径,l为该点到缓和曲线起点的里程,A为常数)的曲率K=1/ =l/A2。因此,曲率K可为里程l 的函数:K=f(l)。根据道路平面线形设计原理,可以把道路中心线的平面坐标数据转化成里程-曲率

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