CN105512287B - 一种建立综合管廊信息数据库的方法 - Google Patents

Abstract

一种建立综合管廊信息数据库的方法，包括步骤：S1，利用激光扫描仪采集地下管线网络的点云数据；S2，数据配准转；S3，剔除噪点数据；S4，对步骤S3中剔除噪点数据的点云数据进行抽稀处理；S5，建立管线表面模型；S6，绘制管线模型；S7，提取管线信息；S8，读取系统配置参数对提取的管点，管线数据进行检查，并将检查结果按照错误类型列表；S9，绘制管线二维平面图，标注管线种类、材质以及管径信息，最终得到管线成果图；S10，将管线成果图，管线模型的三维图，管线二维平面图保存至数据库中。它能够快速完成地下管线的建库，使管廊数据矢量化。

Description

一种建立综合管廊信息数据库的方法

技术领域

本发明涉及管网数据建库领域，尤其涉及一种建立综合管廊信息数据库的方法。

背景技术

地下管线被视为城市的生命线，随着城市的不断发展，管线数量迅速增加。目前许多城市、企业地下管网分布不清，档案资料管理不够规范，城市地下管线种类越来越多，材质越来越丰富，给地下管线探测带来不少困难。这客观上也要求探测设备采用新技术，从而实现快速、准确、便捷的探测。目前，地下管线探测自动化或半自动化作业程度低，探测管线主要采用电磁管线探测仪，根据探测原理主要分两类：(1)电磁感应原理探测金属管线、电、光缆以及一些带金属标志线的分金属管线，探测非金属干线时必须借助非金属探头，这种方法使用起来比较费劲，需要侵入管线内部；(2)电磁波探测所有材料的地下管线，俗称管线雷达，这种方法对环境要求较高，测深能力较差，对操作者要求较高。管线坐标数据采用GPS、全站仪等测绘仪器辅助测量，管线坐标数据和管线特征要素需要分别获取，外业探测工作需要投入大量的人力财力，外业工作强度大，工作效率对低。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种建立综合管廊信息数据库的方法，它能够快速完成地下管线的建库，使管廊数据矢量化。

为了实现上述目的，本发明采用的方案是：

一种建立综合管廊信息数据库的方法，包括步骤：

S1，利用激光扫描仪采集地下管线网络的点云数据；

S2，将步骤S1中所获得的点云数据通过数据配准转到同一个坐标系统中；

S3，剔除同一个坐标系统下的点云数据中的噪点数据；

S4，对步骤S3中剔除噪点数据的点云数据进行抽稀处理；

S5，根据步骤S4处理后的点云数据建立管线表面模型；

S6，根据步骤S5生成的管线表面模型绘制管线模型；

S7，根据步骤S6绘制的管线模型，提取管线信息；

S8，根据步骤S7提取的管线信息，读取系统配置参数对提取的管点，管线数据进行检查，并将检查结果按照错误类型列表；

S9，根据步骤S6绘制的管线模型绘制管线二维平面图，根据步骤S8提取的管线信息标注管线种类、材质以及管径信息，最终得到管线成果图；

S10，将管线成果图，管线模型的三维图，管线二维平面图保存至数据库中。

所述步骤S1包括步骤：

S11，在地形图上绘制管廊走向，将待测量区域划分为若干个网格；

S12，每个网格内包括一个测站和至少三个标靶点；

A13，对待测量范围内的所有网格，逐一架设三维激光扫描仪；

S14，每个网格内，以激光扫描仪为原点建立三维直角坐标系：其中，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直；利用激光扫描仪测量激光扫描仪所在网格内的一个测站和三个标靶点的坐标；

S15，重复步骤S12至步骤S14，直至所有网格均被测量完毕。

所述步骤S2中的数据配准利用布尔沙七参数法进行数据配准。

所述步骤S3中利用直观检查法进行噪点剔除。

所述步骤S3中利用曲线检查法进行噪点剔除。

所述步骤S3中利用弦高差法进行噪点剔除。

所述步骤S4中的抽稀处理的抽稀距离为5cm。

所述步骤S5中建立管线表面模型利用的方法为狄罗尼三角网生长法。

本发明的有益效果为：采取三维激光扫描技术采集复杂管廊数据，提高了办公自动化程度，提高了工作效率，减轻了工作人员作业负担；三维环境下进行管线建模，提高了数据可识别度，降低了人为错误的频率；通过可配置的管线数据表自动提取管线信息数据，减轻了工作人员数据处理的复杂程度；通过配置检查项目内容提高检查准确度，一次性检查所有内容，避免重复检查，节约项目成本。

附图说明

图1点云数据处理流程示意图。

图2曲线检查点剔除示意图。

图3弦高法剔除示意图。

图4平均值滤波法示意图。

图5高斯滤波法示意图。

图6激光扫描示意图。

图7数据配准过程示意图。

图8噪点删除过程示意图。

图9三角网增长法示意图。

图10坐标系转换示意图。

图11管线模型编辑示意图。

图12管线信息提取过程示意图。

图13数据检查过程示意图。

图14二维平面图生成过程示意图。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种建立综合管廊信息数据库的方法，其步骤流程如图1所示。

步骤一、数据采集：对测区进行勘察了解测区(带测量范围)情况，并进行数据采集。

通过机载激光扫描仪或地面激光扫描仪获取具有影像真实感的高精度点云数据,点云数据是实际物体的真实尺寸的复原，是目前最完整、最精细和快捷的对物体现状进行档案保存的手段。每个扫描站点数据放置在以仪器为中心的独立坐标系统(以仪器为原点，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直)。目标点P坐标公式：

Xp＝ScosθCosφ

Yp＝Scosθsinφ

Zp＝Ssinθ

其中,S为测点与扫描仪的距离；φ为激光脉冲的横向扫描角度观测值；纵向角度扫描观测值θ；P为观测以及三位坐标(Xp，Yp,Zp)，如图6所示。

在数据采集之前需要对采集现场进行实际勘察，了解测区范围，管廊走向，管廊类型，管廊宽度信息,在地形图上绘制管廊走向，对测量范围内，分别在横向与纵向上进行等间距的行和列划分，其中行间距与列间距不必等同，定义相邻的两行与相邻的两列交叉形成的区域为网格，每个网格内包括一个测站和至少3个标靶点，每一行作为一个测量带，保证各扫描站最终获取的数据能代表完整的测量区域。在网格内设置测站并编号，编号规则采用：测区编号(XXXX)+行号(XX)+编号(XX)，尽量在测量带中心线上设置测站，以减少测站数量。在每个网格内设置标靶，标靶设置在测量带中心线上以及两侧，相邻3个标靶不要在同一直线上，并对标靶统一编号，命名规则采用：测区编号(XXXX)+行号(XX)+列号(XX)+编号(XX)。根据以上实际踏勘情况进行资料采集和分析,资料采集包括掌握测区的范围，管廊走向，管廊长度，管廊类型，管线模型的种类，设备的功能，设备的各种工作状态，设备的操作方式，根据管线成果图比例尺收集对应比例尺的测区地形图，收集到测区清晰的影像图。

通过实际勘察分析的在预先设置的测站上逐一架设三维激光扫描仪对测区进行扫描，获取测区点云数据。在控制标靶中心和测站点安装GPS接收机或者通过全站仪获取控制标靶中心和测站点的三维坐标(x,y,z),记录保存，为数据配准提供控制点信息。同时对扫描测站所在区域内管线转折点、管线压盖处、管线交叉处以及地形起伏大于20厘米的地方拍照，照片命名规则为：测站编号(如：XXXXX2)+类型(转折点，01；压盖,02；交叉03；起伏，04；其他，11)+编号(XXX1)。

扫描点云数据格式如表1所示：

X坐标	Y坐标	Z坐标
			1.268	-1.925	-1.982
-2.924	-1.385	-5.799

表1

步骤二、数据配准：相邻测站数据分别处以不同的坐标系，通过数据配准转到同一个坐标系统。

任意相邻两个测站点扫描得到的点云数据，没有经过匹配，但是每个网格内具有至少3个以上的标靶点，根据这些相同的参考点进行坐标转换，统一到同一个坐标系统。本处采用布尔莎七参数方法进行数据配准，如图10所示,，三个坐标平移量(△X，△Y，△Z)，即两个空间坐标系的坐标原点之间坐标差值；三个坐标轴的旋转角度(ω_x，ω_y，ω_z)，通过按顺序旋转三个坐标轴到指定角度，可以使两个空间直角坐标系的X1Y1Z1轴重合在一起；尺度因子m，即两个空间坐标系内的同一段直线的长度比值，实现尺度的比例转换。

如图7所示数据配准过程：

①在每个网格范围内由已知的3个标靶控制点根据以下公式计算七参数：

其中

把(2)(3)(4)代入(1)，由于一般情况下ω_x，ω_y,ω_z为微小旋转角，可以取：

因此有上边的条件简化(1)，可以得到下面公式：

②计算测区内七参数平均值，即每个网格计算的七参数的均值，防止因局部误差造成精度不均匀，

③根据以上计算的七参数代入公式(6)，计算每个测站点扫描点云数据的在目标坐标系中的新坐标，从而实现数据配准。

表1中配准后点云数据格式如表2所示：

X坐标	Y坐标	Z坐标
			3700001.268	250998.1	196.268
3699997.076	250998.6	192.451

表2

步骤三、噪点删除：在非接触三维扫描测量过程中,受测量方式、被测量物体材料性质、外界干扰等因素的影响,不可避免地会产生误差很大的噪声点和失真点。因此在数据处理中，查找噪声点和可能存在的失真点,对其进行处理。

噪点删除分为3种方法:①直观检查法：通过图形显示终端,用肉眼直接存在于屏幕上的孤点进行删除。②曲线检查法：如图2所示，通过截面的首末数据点,用最小二乘法拟合得到一条样条曲线,曲线的阶次可根据曲面截面的形状决定,通常为3-4阶,然后分别计算中间数据点pi到样条曲线的距离e,如果e大于等于ε(ε为给定的允差),则认为pi是坏点,应予以剔除；③弦高差方法：如图3所示，连接检查点的前后2点,计算中间数据点pi到弦的距离e,如果e≥ε(ε为给定的允差),则认为pi是坏点,应予以剔除。

如图8所示，噪音点删除步骤,⑴打开点云数据和测区影像图，以影像图作为参照，通过肉眼对比观察点云数据中不在管廊范围内的孤立点，进行删除,⑵通过弦高自动计算遍历点云数据依次噪点删除，即对点云数据中检查点逐次连接检查点的前后两点,计算当前检查点P到前后两点连线的距离d,如果d≥ε(ε为给定的最大限差),则认为P是坏点,应予以剔除。

步骤四、数据简化处理：点云扫描数据中，点与点的间隔较小，只有毫米级别，数量较大，在数据处理中速度较慢，造成不必要的麻烦，为了提高数据处理速度，在满足测绘精度要求的前提下对点云数据进行简化处理，提高工作效率。

点云数据是很多具有X、Y、Z坐标的坐标点的集合，相邻两点的坐标数据相差固定数值只有毫米级别。作为管线数据这些点都是多余的，所以对点云数据进行抽稀处理，减少数据量，提高处处理速度。点云数据设定抽稀的间隔点数或抽稀距离(默认抽稀距离5cm)，根据《城市地下管线探测规程》中探测管线点解析坐标中误差I级精度要求为±(5+0.02h)cm，在满足数据精度的前提下默认为5cm，其中h为管线埋深，当h≤70cm时，默认70cm。

数据抽稀过程如下：①在打开点云数据txt文件；②在数据处理模块中设置抽稀距离或设置抽稀点数n(间隔点数(n)＝抽稀距离(Δl)/点云间隔(d))；③根据抽稀距离或者间隔点数n从数据文件的第1条记录开始读取直到最后一条，逐次删除第1条记录到第n+1条记录之间的数据，依次类推，直到最后一条记录。

步骤五、管线表面建模：通过狄罗尼三角网法建立TIN(Triangulated IrregularNetwork)管线表面模型。

经过数据抽稀后点云数据中相邻2点的最小间隔Δl，相邻2点之间的最大间隔为(√2)Δl，在建立狄罗尼三角网时，如果相邻2点的距离大于(√2)Δl,则放弃构建三角网，以防止相邻管线上的点连接构成错误的表面模型，根据实际情况如果相邻管线的间距小于(√2)Δl,则相应减小抽稀间距，使得最大抽稀距离不大于相邻管线间距的最小值。

如图9所示,三角网建立步骤：①在所采集的离散点中任意找一点，然后查找距此点最近的点，连接后作为初始基线。②在初始基线右侧运用Delaunay法则搜寻第三点，即在初始基线右侧的离散点中查找距此基线距离最短的点，作为第三点。③生成Delaunay三角形，再以三角形的两条新边(从基线起始点到第三点以及第三点到基线终止点)作为新的基线。④重复步骤②，③直至所有的基线处理完毕。

步骤六、管线建模：根据生成的表面模型，从图形库中选择图形绘制管线模型。

系统图形库提供超过25种的图形库，包括对焊法兰、平焊法兰、螺纹法兰、松套法兰、盲板、法兰盖、等径三通、异径、三通、四通、六通、同心异径管、偏心异径管、管帽、翻边、封头、管台、堵头、45°弯头、90°弯头、变径弯头、圆形管、方直管、弯管、灯杆。用图形界面及参数化的设计，绘制管线模型，可以修改设备的位置及管口的位置，也可以修改设备尺寸、材质、位置。在绘制管线3D模型时可以随时切换到二维视图检查选择的模型管线、管件是否正确。

如图11所示，管线模型编辑流程：①从管线表面模型中选择一条，作为待编辑的管线；②在图形库中手动选择需要添加的模型；③在数据编辑窗口内，管线模型指定特征点(一般把表面模型两端的中间最高点作为模型的起点和终点)；④打开已有的影像图、照片、施工图资料检查特征点是否正确，如果不正确，则删除，重新绘制管件；⑤选择输入的管线模型，选择修改属性，在参数设置窗体内，修改模型参数(管线种类、管径、材质、附属物、颜色，其中管线种类为必填项)；⑥保存编辑的管线模型。

步骤七、提取管线信息：根据测区所包含的管线种类设置系统配置项，根据配置项管线种类配置提取管线信息，保存到管线数据表中。

根据步骤六中的三维管线模型,读取上述管线表配置的参数，按管线种类提取管点、管线分别保存到不同mdb格式管点数据表中(管点表命名规则：XXPOINT，如给水管点表JSPOINT)和管线数据表(管线表命名规则：XXLINE，如给水管线表:JSLINE)中，其中管线种类按照国家《管线要素分类代码与符号表达》CH/T1036-2015，分为9个大类电力(DL)，电信(DX)，给水(JS)，排水(PS)，燃气(RQ)，热力(RL)，工业(GY)，综合管沟(ZH)，其他(QT)。管线小类根据测区实际情况进行分类，并以分类的首字母缩写作为管线小类编码。

管线分类如下表：

如图12所示，管线信息提取流程,①根据测区所包含的管线种类设置数据表配置。

数据表配置项如下格式：

根据上表所示，管线大类编码，小类编码采用中文名称首字母缩写，数据表名称采用：管线小类编码+实体类型(LINE为线类型；POINT为点类型；Mark为点注记类型；M为线注记类型)。

②根据数据表配置项，配置数据表字段信息，字段配置如下格式：

③根据以上配置项创建一个空的mdb格式的管线数据库文件。

④根据管线建模中输入的管线种类提取管线信息到对应数据表中，保存到已创建的mdb数据库中。

步骤八、数据检查：根据步骤七中生成的管线分层数据，读取系统检查配置参数对提取的管点、管线数据进检查,检查结果按照错误类型列表。根据检查结果对不符合逻辑或者存在明显错误的数据进行修改。

如图13所示，管线检查流程：

①在数据检查项配置中，数据检查内容包括如下：

编号	检查项
		0	数值范围检查
1	管线连通性检查
		2	特征附属物一致性检查
3	管线超长检查
		4	线点对应检查
5	排水流向检查
		6	点线对应检查
8	数据结构检查
		9	固定项输入检查
10	数据唯一性检查1

②根据以上检查项，为检查内容设置检查规范值。

a.结构检查：根据定义的各管线表结构，对表中的字段数量、字段名称、类型、长度、精度进行检查，同时检查非空字段的内容是否存在空属性的情况。

b.数据唯一性检查：主要是检查管点管线表唯一值字段中是否存在相同记录，检查出的错误信息以报表的形式表现；

c.范围检查，对管点管线数值的最大最小值进行设置。

d.管线连通性检查：根据设置的连通性检查表(记录不允许连通的管点特征及附属物，如排水口、进水口)检查提交的数据是否存在在不允许连通的地方出现连通的情况。

e.唯一性检查设置管点和管线表中要求数据唯一的字段。

f.固定项输入检查：主要是检查在管点管线表规定字段中的填写内容是否按固定输入项内容进行填写，如果没有按规定填写则在错误窗口进行显示，比如：排水的特征字段中只允许填写(窨井材质：砼、砖石、塑料等)如果填写不在之内，则报错；

g.点线对应检查：根据点表中的管点编号字段中编号去检查线表中的起点管线点号字段和终点管线点号字段中是否存在，如果不存在则提示检查数据库有误；

h.线点对应检查：根据线表中的起点管线点号字段和终点管线点号字段内容去检查点表中的管点编号字段中编号中是否存在，如果不存在则提示缺少某物探点号的点属性记录；

i.排水流向检查：主要是检查排水类管线中的水流方向是否合理(一般假设排水从管线井底标高较大的一端流向较小的一端)，首先输入最大标高容限(即流向终点标高-流向起点标高的最大容限)，然后根据管线中两点的井底标高差值判断线表中“流向”字段内容的合理性，检查出不合理的信息(记录实体ID,所在的信息表，警告信息描述)以报表的形式表现；

j.管线超长检查：指定管线允许的最大长度，检查管线的管段长度是否超过设定的最大管线长度，检查出的超长管线以报表的形式表现；

k.特征附属物地物构建筑物编码检查：主要检查管点表中的“特征”、“附属物”字段中是否出现了矛盾性的属性值，比如：如果在“特征”填写“变径”，而在“附属物”填写“阀门井”，同时进行编码检查，主要检查各个管类，管点管线表中的管线对象编码是否与管线普查规程中规定的一致(包括线编码、点编码、管点命名规则是否于管类一致)；

③根据上述检查配置项中设定的参数遍历管线数据，对数据表中的记录进行检查，并记录错误结果。

④根据检查结果对错误信息逐条修改，修改完成后再次检查，直到没有错误记录。

步骤九、生成管线图：读取管线数据库生成管线生成二维管线平面图，根据成图要求标注管线种类、材质、管径等信息，生成管线图。

二维平面图生成过程，如图14所示。

①根据mdb数据库中的管线种类创建成图图层。图层名称与数据表表名相同(如：排水(PS)类型，创建线PSLINE,点PSPOINT,管点注记PSMark,管线注记PSM四个图层)。

②管点图形根据数据表中的X，Y坐标添加实体点，点图形符号根据特征或者附属物字段中类型添加符号样式。

③管线图形根据数据表中的起点编号和终点编号，分别读取点表中对应编号的点作为管线起点和终点绘制管线图，管线的样式、颜色为管线分类表中定义的颜色。

管线样式配置表：

④根据注记配置字段中设置的标注内容在管点管线附近添加标注文本。

标注字段配置表：

步骤十、成果输出：根据工程要求提交输出成果包括管线电子平面图、管线三维图以及管线数据库必要成果。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种建立综合管廊信息数据库的方法，其特征是，包括步骤：

S1，利用激光扫描仪采集地下管线网络的点云数据；

S2，将步骤S1中所获得的点云数据通过数据配准转到同一个坐标系统中；

S3，剔除同一个坐标系统下的点云数据中的噪点数据；

S4，对步骤S3中剔除噪点数据的点云数据进行抽稀处理；

S5，根据步骤S4处理后的点云数据建立管线表面模型；

S6，根据步骤S5生成的管线表面模型绘制管线模型；所述管线模型包括管线3D模型；

S7，根据步骤S6绘制的管线模型，提取管线信息；所述提取管线信息流程为：S71，根据测区所包含的管线种类设置数据表配置，数据表配置项包括：表名，实体类型，小类编码，大类编码，小类名称以及大类名称；S72，根据数据表配置项，配置数据表字段信息，字段信息配置项包括：实体类型，字段名称，字段中文名，字段类型，字段长度，小位数，顺序，字段信息是否必须以及字段信息是否为空；S73，根据所述步骤S71中的数据表配置项与S72中的字段信息配置项创建一个空的mdb格式的管线数据库文件；S74，根据管线建模中输入的管线种类提取管线信息到对应数据表中，保存到已创建的mdb数据库中；

S8，根据步骤S7提取的管线信息，读取管线的数据表配置项，按管线种类提取管点，读取系统配置参数对提取的管点，管线数据进行检查，并将检查结果按照错误类型列表；所述系统配置参数包括管线数据表配置项以及字段信息配置项；

S9，根据步骤S6绘制的管线模型绘制管线二维平面图，根据步骤S7提取的管线信息标注管线种类、材质以及管径信息，最终得到管线成果图；

S10，将管线成果图，管线3D模型，管线二维平面图保存至数据库中。

2.根据权利要求1所述的一种建立综合管廊信息数据库的方法，其特征是，所述步骤S1包括步骤：

S11，在地形图上绘制管廊走向，将待测量区域划分为若干个网格；

S12，每个网格内包括一个测站和至少三个标靶点；

S13，对待测量范围内的所有网格，逐一架设三维激光扫描仪；

S14，每个网格内，以激光扫描仪为原点建立三维直角坐标系：其中，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直；利用激光扫描仪测量激光扫描仪所在网格内的一个测站和三个标靶点的坐标；

S15，重复步骤S12至步骤S14，直至所有网格均被测量完毕。

3.根据权利要求2所述的一种建立综合管廊信息数据库的方法，其特征是，所述步骤S2中的数据配准利用布尔沙七参数法进行数据配准。

4.根据权利要求3所述的一种建立综合管廊信息数据库的方法，其特征是，所述步骤S3中利用直观检查法进行噪点剔除。

5.根据权利要求3所述的一种建立综合管廊信息数据库的方法，其特征是，所述步骤S3中利用曲线检查法进行噪点剔除。

6.根据权利要求3所述的一种建立综合管廊信息数据库的方法，其特征是，所述步骤S3中利用弦高差法进行噪点剔除。

7.根据权利要求4-6任一所述的一种建立综合管廊信息数据库的方法，其特征是，所述步骤S4中的抽稀处理的抽稀距离为5cm。

8.根据权利要求7所述的一种建立综合管廊信息数据库的方法，其特征是，所述步骤S5中建立管线表面模型利用的方法为狄罗尼三角网生长法。