顾及三维拓扑的地下工井设施建模方法技术

本发明专利技术提供了顾及三维拓扑的地下工井设施建模方法，步骤包括：点云精简；提取出工井点云主轴；将原始点云旋转，使得原始点云沿着主轴方向正立与三维空间中；构建三角面片实现工井模型的简易化建模步骤包括：a)工井顶面点云提取并进行平面拟合；b)工井底面点云提取并进行平面拟合；c)依据顶面边界线、底面边界线和顶面和底面之间的高度构建三角面片以进行贴合点云数据的简易化建模；工井模型部件构建。本发明专利技术能够适应多种点云类型，算法适应性强；本发明专利技术模型贴合实际点云，构建的模型质量好；本发明专利技术对比常用的曲面重建算法本发明专利技术构建模型速度快，实用性较强本发明专利技术实现内部管线与外部点云的有机统一，很好的满足实际场景的重现。

【技术实现步骤摘要】
顾及三维拓扑的地下工井设施建模方法
本专利技术属于空间信息
，特别涉及一种顾及三维拓扑的地下工井设施建模方法。
技术介绍
三维激光扫描技术早期兴起于工业领域的逆向工程中，主要用于工艺品设计、汽车、飞机以及船舶等工业制造业领域，后来逐渐被应用到测绘行业领域。而在城镇地下管线的发展中，随着城镇地下管线信息化建设水平的提高，地下管线信息表达形式已由传统二维符号逐步提升为三维立体。管线在地下的分布纵横交错，二维图形无法表现管线之间的空间关系。有些管线上下起伏，与地面垂直的一段管线在平面图上只能以一个点及相应注记来表示，视觉效果不直观。因此，在国内外竞相研制三维数码城市、三维数字小区的氛围下，研究地下三维管线及地下工井模型势在必行，因此利用地下工井高精度的点云数据信息进行地下工井及电缆模型的构建很好的符合现在的研究趋势。地下管线结构复杂、信息量大，管线三维可视化表达对管道及工井三维建模的效率和精度要求较高。国外学者Burger与Ermes以近景摄影测量(close-range-photogrammetry)技术与结构实体(constructivesolidgeometry，CSG)重建三维管线模型。他们的研究对于显示化学工厂等地上错综复杂的管线很有效，但是难以重建地下工井模型。朱良峰等针对城市地下空间信息三维建模、可视化分析的特点和要求，设计了面向空间结构信息和空间属性信息建模与可视化的三维空间数据模型；琚娟等研究了基于B.Rep进行地下空间一体化建模，并给出了基于预分块技术的城市地下空间对象空间索引方法。但是地下空间建模研究目前大多还集中在地下管线三维建模、地层建模，对地下工井以及工井之间管线拓扑关系考虑较少，扈震等提出管件设施曲面动态套合和模型动态变换两种三维模拟方法进行地下管线模型构建，但是构建的模型与实际有一定误差。唐相桢通过交互实现二维模型的三维转化，但是由于需要二维数据，以及交互化操作，因此有一定局限性。李清泉提出了分段渐次推算的模型计算方法，但是该文章只介绍了圆形管线的生成，缺少对工井模型的研究。
技术实现思路
本专利技术的目的利用三维激光点云数据特点在充分考虑其空间拓扑关系的情况下进行地下电缆设施的三维模型构建。本专利技术提供了一种顾及三维拓扑的地下工井设施建模方法，步骤包括：1)点云精简；2)提取出工井点云主轴；3)将原始点云旋转，使得原始点云沿着主轴方向正立与三维空间中；4)构建三角面片实现工井模型的简易化建模a)工井顶面点云提取并进行平面拟合；b)工井底面点云提取并进行平面拟合；c)依据顶面边界线、底面边界线和顶面和底面之间的高度构建三角面片以进行贴合点云数据的简易化建模；5)工井模型部件构建。优选方案是：所述点云精简的步骤包括：1)将点云模型进行空间网格划分；2)在每个网格内依据给定距离阈值对点云模型沿着空间三个方向划分成多个小网格；3)所述小网格按照其对应编码值按升序或降序排列。优选方案是：利用OBB包围盒方法获取轴向，并将最长边的方向作为几何体的主方向，对于主轴选取错误的情况根据精度信息进行主轴调整。优选方案是：按照四元数旋转方法将原始点云旋转，使得原始点云沿着主轴方向正立与三维空间中。优选方案是：通过计算点云的最高点zmax，以及最低点zmin，设置分层个数N，则每层距离为(zmax-zmin)/N，依次从顶层往下提取点云直到满足一定个数的点云为止。优选方案是：采取多次平面拟合的方式进行顶部点云提取，具体方法如下：1)通过Ransac算法进行平面拟合，在参数提取时通过重心化点云坐标，实现平面拟合的优化；2)根据拟合参数再在整体点云中提取与该平面一定距离阈值的点云，并逐渐缩小阈值进行多次迭代处理得到最终没有缺失的顶面点云数据。优选方案是：所述构建三角面片以进行贴合点云数据的精细化简易模型建模步骤包括：1)首先在边集合中找到一条邻接三角形数量为1的边，该边的两个端点分别作为多边形边界的前一点与当前点；2)在当前点的邻接三角形中寻找邻接三角形数量为1的边且该边的两个端点有且只有一点与当前点或前一点重合；3)端点中非重合端点作为多边形边界的后续点，通过递归方法依次寻找边界其他后续点，直到与第一点重合时结束此次边界提取；4)进入下一次循环提取下一条边界直至所有边界提取完毕。优选方案是：采用Ransac算法进行空间圆拟合，通过设置半径阈值提取井口参数。优选方案是：所述工井模型部件构建包括工井管孔构建和工井内部电缆构建，所述工井管孔构建的步骤包括：1)依据原始点云数据与生成模型参数进行点云与模型的平面分离，2)对于分离出的点云平面通过旋转投影，提取边界线，从而拟合管孔中心及半径；3)根据上述步骤提取出的圆心及半径构建球，使球与模型平面进行拓扑重构以及剖分构建带有管孔的模型。优选方案是：所述工井内部电缆构建方法为采用两个节点的三次Hermite插值实现电缆途经点的插值从而优化电缆模型。本专利技术的有益效果如下：1)本专利技术提出的算法充分考虑工井模型的拓扑关系，较一般建模有明显改进；2)本专利技术能够适应多种点云类型，算法适应性强；3)本专利技术模型贴合实际点云，构建的模型质量好；4)本专利技术对比常用的曲面重建算法本专利技术构建模型速度快，实用性较强；5)本专利技术与以往管线建模相比，本专利技术实现内部管线与外部点云的有机统一，很好的满足实际场景的重现。附图说明图1为点云精简消耗的时间折现图；图2为提取工井点云主轴效果图；图3为提取工井点云主轴效果图；图4为点云分层效果图；图5为顶部点云平面拟合图；图6为点云边界及关键点提取；图7为构建三角面片生成模型过程图；图8为工井管孔构建过程图；图9为模型管孔生成过程图；图10为空间实体求交点流程图；图11为直线电缆生成图；图12为电缆模型三角面片构建图；图13为电缆模型生成图；图14为不同精简方法效果图；图15为不同工井模型构建效果图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。应当理解，本专利技术所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。本专利技术提供了一种顾及三维拓扑的地下工井设施建模方法，步骤包括：1)点云精简由于通过扫描获取的点云数据具有冗余量大特点，直接将原始点云用于建模将会耗费大量的时间和资源，因此一般在进行点云数据配准之前都要进行点云数据精简过滤工作。点云数据精简过滤最初的一些方法只是简单基于点之间距离、曲率、法向等原则，而目前点云精简的方法主要集中在以下几种典型方法：包围盒法、几何图像精简法、曲率精简法、法向精度精简法。基于以上已有算法的分析总结，本专利技术采用一种可移动网格划分的点云精简过滤算法，该算法主要通过空间网格对点云进行精简，精简速度优势较明显，能够达到预期效果，且该算法其中二次网格精简准则能够将上述算法的精简准则纳入其中。针对大数据量点云精简而言，如果直接依据给定距离阈值对点云模型进行空间网格划分，即将点云整个包围盒沿着空间三个方向划分成无数个小网格，分别在小网格内进行点云的筛选精简，通常为方便小网格的二分查找，小网格整体应按照其对应编码值按升序或降序排列，因此在进行每次二分插入时，通过二分查找找到相应位置后，所有该位置后的小网格数据都要往后推，涉及到大量数据的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.顾及三维拓扑的地下工井设施建模方法，其特征在于，步骤包括：1)点云精简；2)提取出工井点云主轴；3)将原始点云旋转，使得原始点云沿着主轴方向正立三维空间中；4)构建三角面片实现工井模型的简易化建模a)工井顶面点云提取并进行平面拟合；b)工井底面点云提取并进行平面拟合；c)依据顶面边界线、底面边界线和顶面和底面之间的高度构建三角面片以进行贴合点云数据的简易化建模；5)工井模型部件构建。

【技术特征摘要】
1.顾及三维拓扑的地下工井设施建模方法，其特征在于，步骤包括：1)点云精简；2)提取出工井点云主轴；3)将原始点云旋转，使得原始点云沿着主轴方向正立三维空间中；4)构建三角面片实现工井模型的简易化建模a)工井顶面点云提取并进行平面拟合；b)工井底面点云提取并进行平面拟合；c)依据顶面边界线、底面边界线和顶面和底面之间的高度构建三角面片以进行贴合点云数据的简易化建模；5)工井模型部件构建。2.根据权利要求1所述的维拓扑的地下工井设施建模方法，其特征在于，所述点云精简的步骤包括：21)将点云模型进行空间网格划分；22)在每个网格内依据给定距离阈值对点云模型沿着空间三个方向划分成多个小网格；23)所述小网格按照其对应编码值按升序或降序排列。3.根据权利要求1所述的维拓扑的地下工井设施建模方法，其特征在于，利用OBB包围盒方法获取轴向，并将最长边的方向作为几何体的主方向，对于主轴选取错误的情况根据精度信息进行主轴调整。4.根据权利要求1所述的维拓扑的地下工井设施建模方法，其特征在于，按照四元数旋转方法将原始点云旋转，使得原始点云沿着主轴方向正立与三维空间中。5.根据权利要求1所述的维拓扑的地下工井设施建模方法，其特征在于，通过计算点云的最高点zmax，以及最低点zmin，设置分层个数N，则每层距离为(zmax-zmin)/N，依次从顶层往下提取点云直到满足一定个数的点云为止。6.根据权利要求1所述的维拓扑的地下工井设施建模方法，其特征在于，采取多次平面拟合的方式进行顶部点云提取，具体方法如下：61)通过Ransac算法进行平面拟合，在参数提取时通...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄明，朱培源，贾嘉楠，
申请(专利权)人：北京建筑大学，
类型：发明
国别省市：北京,11