多级索引框及移动向量联合的接触网提取方法

林凯伦,杨元维,2,高贤君,2,3,谭美淋,张 跃

(1. 长江大学地球科学学院,湖北 武汉 430100; 2. 湖南科技大学测绘遥感信息工程湖南省重点试验室,湖南 湘潭 411201; 3.东华理工大学自然资源部环鄱阳湖区域矿山环境监测与治理重点试验室,江西 南昌330013; 4. 内蒙古自治区测绘地理信息中心,内蒙古 呼和浩特 010050)

接触网为电气化铁道的重要供电系统,是沿铁路上空架设的一条特殊形式的输电线路[1],对电气化铁道的安全通行起到至关重要的作用。接触网几何参数情况对受电弓的使用寿命与正常供电具有决定性影响。由于接触网露天工作,承受各种外力的作用和剧烈的负荷变化,导致重要的几何参数产生不合理偏差或设备破损[2]。因此,接触网检测工作具有重要意义,检测工作的开展需要大量精确接触网数据的支持[3]。目前,电气化铁道设施检测数据主要有接触测量数据[4]、二维图像数据[5]和三维点云数据[6]等。接触测量数据通过与接触网直接接触进行获取,但该方法对铁道正常运行造成干扰,存在安全隐患。二维图像则受制于拍摄环境,数据质量难以保障。三维点云数据拥有丰富的铁道场景信息,但信息过于复杂导致难以实现接触网的高精度提取。因此,探索基于三维点云数据的非接触式接触网提取方法具有重要意义。

国内外对基于激光点云数据提取接触网部件的非接触式方法进行了大量研究。文献[7—9]将轨道上方点云密度与高程进行融合来选定候选区域,再进行极点条件判断[10]提取牵引杆。文献[11]提出协方差矩阵分类法,使用邻域高等标准偏差[12]与向量角度选定候选区域,再通过主成分分析(principal component analysis,PCA)[13]与点邻域中向量的横纵分量对点进行分类,得到直线对象与悬臂对象。文献[14]提出数据走廊提取法,利用高铁的空间几何结构直接在轨道上方构建数据走廊提取侵入其中的接触网,但该方法通过立体块构成数据走廊,但由于立体块之间存在缝隙,导致精度下降。

综上,三维点云数据中的接触网提取仍旧存在提取精度不高的问题。基于此,本文针对接触网特有的空间关系,提出多级索引及移动向量联合的接触网提取方法。首先利用多级索引框简化铁道场景数据;然后通过轨迹线构建提取通道获取支柱底部中心点集,以计算沿轨移动向量;最后进行二级索引框的姿态调整,以实现接触网的准确提取。

1 多级索引框及移动向量联合的接触网提取算法

1.1 接触网多级索引框的定义

由于整个场景庞大且接触网与其他设施贴近,接触网姿态各异且难以提取。因此,本文提出一级索引框对接触网预选区域进行初步框定,简化场景。结合贴合接触网的二级索引框,进一步实现接触网的精确提取。一、二级索引框定义如下。

定义1一级索引框:三维场景中框定接触网预选区域的立体框。以点C(xC,yC,zC)为中心,同时框边分别与x、y、z轴平行,长、宽和高分别为L、W、H。以此框为约束范围套选出满足条件的三维点云。其满足以下公式

(1)

(2)

(3)

定义2二级索引框:三维场景中贴合接触网的立体框。通过设置中心点与长、宽、高分别为c(xc,yc,zc)、l、w、h,即可确定。以此框获取沿轨接触网点云。其满足以下公式

(4)

(5)

(6)

1.2 多级索引框的沿轨移动向量

由于在铁道场景中存在弯道和上下坡等情况,并且多级索引框单次移动距离大,导致多级索引框在移动过程中存在偏离轨道与偏离提取目标的问题。因此,本文选取确定多级索引框的偏移距离为两对相邻支柱底部中心点之间距离,移动向量起点为一级索引框中心点,且移动向量终点为起点后续轨迹线中的点。移动向量的计算分两步进行:首先计算偏移距离,然后根据偏移距离和起点确定移动向量终点,以此得出移动向量,计算公式为

(7)

1.2.1 偏移距离

为保持二级索引框中心点始终位于当前提取接触网的中心,将相邻两对支柱位置作为移动向量大小的设定依据,又因铁路轨道会根据地形起伏的变化而变化,导致将支柱投影到水平面上点之间距离作为移动向量大小存在二级索引框中心点偏移目标的问题,因此选取支柱底部中心点作为距离计算点。偏移距离计算的具体流程如下。

输入:一级索引框裁出的铁路激光点云数据PtC、POS轨迹点数据TrackPtSet。

图1 立柱信息提取

(2)遍历点云,以一个固定的小范围立体框拾取点,将拾起的点云团Npole加入点云集合PtSet。

(3)遍历PtSet对点密度进行判断,若Npole>β,视为支柱点云;若Npole<β,从点云集合中删除,为支柱点云团的数量约在220,故设β为170。

(4)求取支柱点云的中心点poleCenPt,公式为

(8)

(5)遍历PtC,直至找到点poleBotPt,满足该点大致在poleCenPt的正下方且所在水平面的四方向上均存在与该点距离比支柱横截面半径r大的点,根据得出的点构建支柱底部中心点集合PBSet。

(6)求PBSet中各支柱底部中心点间距离的dis候选集合DisSet。取m=sizePBSet,候选dis如图2所示,故m=2、3、4时,分别选取DisSet中第1、2、3大的距离为dis。

图2 偏移距离选取

(9)

输出:偏移距离dis

1.2.2 移动向量的确定

为了防止移动后产生偏移,本文规定移动向量起点与终点均为轨迹点,以一级索引框中心点为起点,将该点后续轨迹点构成预选轨迹点集合,如图3所示。

图3 预选向量集合示意

依次计算集合中的轨迹点与起点之间距离,并与偏移距离进行差异计算,选取差值最小的轨迹点作为末端端点,由始末端点得出移动向量,其中末端端点索引选取公式为

dis|)i∈(1,Nindex-indexStaPt)}

(10)

1.3 多级索引框移动、姿态调整与接触网设施的提取

在大场景的电气化铁道场景中,存在接触网姿态各异的问题,因此需要不断对二级索引框的姿态进行调整,而一级索引框只需根据式(10)对中心点进行调整。

二级索引框移动与姿态调整整体流程如图4所示。最初二级索引框中心点在坐标原点且以x轴作为主方向,使二级索引框贴合提取起始端的接触网,然后移动B2,i中心点,再通过B2,i的主方向与B1,i+1提供的待裁剪区的主方向构成的夹角θ推算的旋转矩阵调整姿态,最后直到多级索引框搜索不到点云数据便停止搜索。

图4 二级索引框移动与姿态调整示意

(11)

(12)

FitB=TMatrix·B2

(13)

(14)

式(14)可以变换为式(15),其中RMatrix是根据式(16)由姿态调整前后二级索引框主方向u[u1u2u3]、v[v1v2v3]计算的夹角θ与垂直于u和v的旋转轴a[a1a2a3]推算的旋转矩阵,公式分别为

TMatrix·B2=RMatrix·B2+T

(15)

θ=arccos(u·v/(|u|·|v|))

(16)

(17)

式中,T=[xtrytrztr]T表示中心点平移向量。

当多级索引框移动且调整姿态后,对场景中的三维点云进行裁剪操作,满足公式为

(18)

式中,pj为一级索引框包含的任意三维点;PCi为提取的接触网点云。

2 试验与分析

为评价本文算法的有效性与适应性,本文对试验数据的采集进行描述,设计参数设置,并与同类算法做对比试验。同类算法对比主要在各类接触网场景中,以基于协方差矩阵点云分类法[12]与数据走廊提取法[14]作为参照,与本文方法进行对比。

2.1 数据采集

采用中国铁路设计集团有限公司自主研发轻型铁路移动测量扫描系统,该系统主要由在轨测量轻型轮车和高精度的激光扫描设备Z+F Profile 9012组成,测量系统具体参数见表1。本文选取南通西至盐城的高速铁路共计170 km中的部分铁路场景进行测试。

表1 Z+F Profiler 9012测量系统具体参数

2.2 精度评价指标与参数设置

为了评价提取精度与速度,采用准确率(P)、召回率(R)、F1分数评价指标[15]。本文参数根据中国铁道规范或数据集中观察到的特征进行设置。参数设置见表2。

表2 参数设置

2.3 接触网提取试验结果与分析

对试验数据中4处不同特点的场景进行结果展示,如图5所示。A为带有钢架的三车道目标接触网, B为双侧目标接触网,C为支柱上方拥有支撑结构的接触网,D为带有棘轮的接触网。本文算法及参照方法的接触网提取结果见表3。可知:①A的钢架中间用于固定悬臂的垂杆与接触网在距离上极为接近,极易影响到接触网的提取精度;B场景简单,目标接触网提取难度较低;C中立柱支撑结构牵引的线性物体直接搭在导线上,对利用空间结构、邻域点间关系的算法都有影响;D中的棘轮在一定程度上改变了支撑物的特点,使利用立柱杆状结构的算法精度受损。②数据走廊提取方法能较好地排除数据走廊外部结构特征变化所产生的干扰。如A中接触网上方支撑结构与两侧支柱能被很好地排除,但对于存在于接触网范围内的物体难以与接触网进行区分,并且数据走廊块之间存在空隙,导致提取数据缺失。③基于协方差矩阵的邻域点分析方法对于立柱及支撑结构的改变会有大量的错分。如D中支柱附加的轮子、杆子与A中支撑结构。④本文利用多级索引框移动搜索方法,精确提取接触网,相较于数据走廊提取方法,避免块间间隔出现在点云密集处,使得接触网提取更加完整。综上所述,本文提出的接触网提取方法,能够单次输入大场景数据,与两种参照方法相比,整体提取精度得到有效提高。

表3 接触网提取精度与效率对比

图5 不同方法下不同特点接触网点云数据接触网提取结果对比

3 结 论

本文针对接触网各部件间难以区分的问题,提出了一种顾及空间关系的铁道接触网部件自动提取算法。

(1)结合一级索引框与采用邻域搜索获得的支柱底部中心点,构建索引框移动向量,达到自动化搜索接触网。

(2)结合二级索引框与旋转矩阵,实现了精确提取接触网。

通过试验证明本文算法能够适应复杂的接触网场景并保证接触网提取的精度,相较于同类算法表现出明显的优越性。