CN109344533A - 地下工井电缆网络模型的建立方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地下工井电缆网络模型的建立方法，该方法即先采集地下工井的三维点云并进行预处理后，提取顶面点云边界点组成壳或体，以得到单体工井CSG‑BREP模型，再由多个单体工井CSG‑BREP模型进行叠加，以拓扑重构生成具有管孔节点的CSG‑BREP模型，从具有管孔节点的CSG‑BREP模型中选取管孔节点，并依据管孔节点生成井内电缆轨迹线，对井内电缆轨迹线建模后生成电缆管线模型，然后依据管孔节点及电缆管线模型连接井外管道及电缆，建立地下工井电缆网络模型。本发明将部件化的电缆和管道元素整体化，实现了一个满足局部查询监测的庞大空间网络系统，具有实用性，能很好的满足实际生产需求。

Description

地下工井电缆网络模型的建立方法
技术领域
本发明涉及地下电缆工井领域。更具体地说，本发明涉及一种地下工井电缆网络模型的建立方法。
背景技术
城市地下管网设施是发挥城市功能和确保城市快速协调发展的重要基础设施。地下管线结构复杂信息量大，三维显示、管理与分析具有一定的难度。目前地下管网三维GIS系统多依赖于面向通用目的设计的商业化GIS软件进行建模，建模时间长且交互性操作差。而Arc/Info等软件提供了物体三维显示，但是缺乏对现实世界的复杂三维的描述与分析能力，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。随着我国加大市政基础设施信息化建设的力度，传统的城市地下管网依赖施工设计图以及CAD图纸的二维表达形式已经不能满足设备监控查询的需要。市政管网的规划、设计以及建设需要从粗放式、被动式、二维图纸化模式转变为精细化、数字化、三维可视化来满足建设智慧城市的需要。故提出一套可以对地下管网及其附属设施进行精细化建模表达的建模方法成为实现智慧管理地下管网的必要措施。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明的一个目的是提供一种地下工井电缆网络模型的建立方法，该方法即先采集地下工井的三维点云并进行预处理后，提取顶面点云边界点组成壳或体，以得到单体工井CSG-BREP模型，再由多个单体工井CSG-BREP模型进行叠加，以拓扑重构生成具有管孔节点的CSG-BREP模型，从具有管孔节点的CSG-BREP模型中选取管孔节点，并依据管孔节点生成井内电缆轨迹线，对井内电缆轨迹线建模后生成电缆管线模型，然后依据管孔节点及电缆管线模型连接井外管道及电缆，建立地下工井电缆网络模型。本发明将部件化的电缆和管道元素整体化，实现了一个满足局部查询监测的庞大空间网络系统，具有实用性，能很好的满足实际生产需求。
为了实现根据本发明的目的和其它优点，提供了一种地下工井电缆网络模型的建立方法，包括：
步骤一、采用三维激光扫描的方法采集地下工井的三维点云，对采集的三维点云进行预处理后，提取顶面点云边界点，由边界点组成边、边组成环、环构成面，面再进一步组成壳或体，得到以面为单位的单体工井CSG-BREP模型；
步骤二、将单体工井CSG-BREP模型进行叠加后，拓扑重构生成具有管孔节点的CSG-BREP模型；
步骤三、选取具有管孔节点的CSG-BREP模型中的管孔节点，依据管孔节点生成井内电缆轨迹线，对井内电缆轨迹线建模后生成电缆管线模型，再运用Delaunay三角剖分对电缆管线模型进行三角化，然后依据管孔节点及电缆管线模型连接井外管道及电缆，建立地下工井电缆网络模型。
优选的是，所述的地下工井电缆网络模型的建立方法，步骤一中，三维点云的预处理采用可移动网格划分的点云精简过滤算法，以通过空间网格对点云进行精简。
优选的是，所述的地下工井电缆网络模型的建立方法，步骤二中，将单体工井CSG-BREP模型进行叠加后，按叠加后的单体工井CSG-BREP模型的几何面将预处理过的三维点云分割成多个面点云，再从每个面点云提取其上每个孔洞的边界关键点，将这些边界关键点连成线后形成环形边界，以得到每个孔洞的半径和孔洞中心，将每个孔洞中心投影到CSG-BREP模型上，得到每个孔洞在CSG-BREP模型上对应的面上的位置，然后根据每个孔洞的半径大小在对应的面上进行拓扑剪裁，得到具有管孔节点的工井CSG-BREP模型。
优选的是，所述的地下工井电缆网络模型的建立方法，步骤三中，电缆轨迹线包括连续B样条曲线、折线和螺旋线形电缆盘余三种类型。
优选的是，所述的地下工井电缆网络模型的建立方法，连续B样条曲线形成电缆管线模型的方法为：在电缆点云上手动选择电缆途径点作为Sweep曲面的路径曲线点后，拟合形成符合电缆实际走向的B样条曲线轨迹线，在该轨迹线上以Frenet标架形式分别建立具有副法矢、主法矢和切矢三个坐标轴的坐标系，再在Frenet标架下自起始点沿曲线轨迹线进行Sweep放样，生成符合电缆实际走向的电缆管线模型。
优选的是，所述的地下工井电缆网络模型的建立方法，折线采用广义平移标架的Sweep放样方法形成电缆管线模型，即以折线轨迹线作为路径曲线，再依据该路径曲线，利用广义平移标架法建立具有副法矢、主法矢和切矢三个坐标轴的坐标系，其中，设该坐标系形成的曲线r＝r(s)处法平面上的主法矢NG总是平行于初始切矢T0和初始主法矢N0所张成的平面，再在该坐标系下沿着折线轨迹线进行Sweep放样获得电缆管线模型，在该电缆管线模型中对折线拐点处进行自相交处理并生成自相交填充模型，以获得光滑的折线型电缆管线模型，该自相交填充模型分为直角和圆角两种。
优选的是，所述的地下工井电缆网络模型的建立方法，螺旋线形电缆盘余形成电缆管线模型的方法为：将螺旋线设定为一条附在展开圆柱面上的直线，并设定该圆柱面高度为电缆盘余的绝对距离，通过改变展开的圆柱平面上直线的斜率来控制盘余的疏密，沿U轴以1/12π为步长在该直线上获取螺旋线的中心点，将该中心点旋转平移至两个管孔节点中间并与管孔节点相连接成曲线，再运用Sweep放样方法对该曲线进行拟合以获得完整的螺旋线型电缆管线模型。
本发明至少包括以下有益效果：本发明提出一种针对地下管网进行真实化模拟的精细数字化表达方法，并且设计出适用于电缆-工井的拓扑数据结构，可以实现井内以及井间电缆的无缝连接。工井内部的地下电缆连接依赖于工井墙壁上的特征点-管孔，同时，多口工井间的电缆连接也离不开管孔。通过管孔连接成管段，管段连接成管线，管线连接成管网，形成一个庞大的空间网络系统。本文的方法突破管线电缆传统单一化的点线化建模方式，采用不同标架的Sweep算法，在轨迹线不满足G2连续的情况下，也可对井内电缆进行抽象并对其形状及走向进行实际模拟；利用管孔节点来进行电缆与管道的连接，将部件化的电缆和管道元素整体化，实现了一个满足局部查询监测的庞大空间网络系统。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明在一个实施例中地下工井模型拓扑重构算法流程图；
图2为本发明在另一个实施例中的顶面点云及边界线关键点示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明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。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1-2所示，本发明提供一种地下工井电缆网络模型的建立方法，包括：
步骤一、采用三维激光扫描的方法采集地下工井的三维点云，对采集的三维点云进行预处理后，提取顶面点云边界点，由边界点组成边、边组成环、环构成面，面再进一步组成壳或体，得到以面为单位的单体工井CSG-BREP模型；
步骤二、将单体工井CSG-BREP模型进行叠加后，拓扑重构生成具有管孔节点的CSG-BREP模型；
步骤三、选取具有管孔节点的CSG-BREP模型中的管孔节点，依据管孔节点生成井内电缆轨迹线，对井内电缆轨迹线建模后生成电缆管线模型，再运用Delaunay三角剖分对电缆管线模型进行三角化，然后依据管孔节点及电缆管线模型连接井外管道及电缆，建立地下工井电缆网络模型。
在上述技术方案中，所述的地下工井电缆网络模型的建立方法，在逆向工程中通过测量仪器得到的产品外观表面的点数据集合也称之为点云。激光雷达技术具有快速性，不接触性，穿透性，实时、动态、主动性，高密度、高精度，数字化、自动化等特性。故地下电缆工井依赖于三维激光点云的逆向重建成为当今的发展趋势。激光雷达点云可以反应大型、复杂、不规则的场景信息，不仅包含目标的空间信息同时可以记录目标的反射强度信息和色彩灰度信息。但是直接获取的三维激光点云含有大量冗余信息，难以应用到实际的情况，所以需要对点云进行精简去噪等点云预处理工作。本发明采取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，由于工井点云是形状较为规则的点云，通过投影获取模型顶部点云，采用RANSAC算法拟合点云边界关键点，获取点云参数来进行参数化建模，如图2所述示，通过拟合点云模型平面以及边界提取，构建CSG-BREP模型，CSG-BREP模型是一种由较低层级的对象逐级构建成较高层级的对象，中间不可跨级组建。对于工井墙壁严格遵守由顶点组成边、边组成环、环构成面的顺序。
而三维点云是以点的形式记录现实物体的结构，每一个点包含有三维坐标，有些可能含有颜色信息(RGB)或反射强度信息(Intensity)，可以反映现实物体的结构，但是对于一些含有孔洞的现实物体，点云并不能完整表达其内部情况，如果单纯使用点云拟合三角网进行逆向重建会导致墙面缺失或无法重建出孔洞。故得到工井的CSG-BREP模型后，还要在CSG-BREP模型上重构管孔，使其与工井本身的管孔个数、管孔位置、管孔大小等各项参数均相匹配，因此，将工井的三维点云按照CSG-BREP模型的几何面进行分割，得到各个面的面点云，这些面点云分别记录了各个面的管孔信息，采用同样的方法得到每个管孔的边界关键点，然后将这些边界关键点连成线，得到每个管孔的边界线，即得到了每个管孔的环形的边界，如此也就能得到每个管孔的半径和管孔中心，对管孔中心向CSG-BREP模型进行投影，可以得到每个管孔在CSG-BREP模型上对应的面上的位置，然后根据每个管孔的半径大小在对应的面上进行拓扑剪裁，就得到了具有管孔的CSG-BREP模型，如此可以使工井本身具有的管孔信息完整的逆向重构到CSG-BREP模型上，避免了管孔的缺失，为电缆的重构垫定基础。再选取具有管孔节点的CSG-BREP模型中的管孔节点，采用Sweep方法依据管孔节点生成电缆，采用Delaunay三角剖分对轨迹线管线进行三角化，再结合管孔节点及管网类型连接管线。由此，通过管孔点连接管段、管段连成管线、管线连成管网，连接成一个庞大的空间网络系统，从而完成对地下管网完的精细三维数字化表达。
在另一种技术方案中，所述的地下工井电缆网络模型的建立方法，步骤一中，三维点云的预处理采用可移动网格划分的点云精简过滤算法，以通过空间网格对点云进行精简，直接获取的三维激光点云数据含有大量冗余信息，难以应用到实际的逆向重建工程中，所以需要对点云数据进行精简去噪等点云预处理工作，以对繁多的点云数据进行处理简化。
在另一种技术方案中，所述的地下工井电缆网络模型的建立方法，步骤二中，将单体工井CSG-BREP模型进行叠加后，按叠加后的单体工井CSG-BREP模型的几何面将预处理过的三维点云分割成多个面点云，再从每个面点云提取其上每个孔洞的边界关键点，将这些边界关键点连成线后形成环形边界，以得到每个孔洞的半径和孔洞中心，将每个孔洞中心投影到CSG-BREP模型上，得到每个孔洞在CSG-BREP模型上对应的面上的位置，然后根据每个孔洞的半径大小在对应的面上进行拓扑剪裁，得到具有管孔节点的工井CSG-BREP模型。
在另一种技术方案中，所述的地下工井电缆网络模型的建立方法，步骤三中，电缆轨迹线包括连续B样条曲线、折线和螺旋线形电缆盘余三种类型，以对复杂的电缆轨迹线实际形态进行划分，并依据不同的Sweep放样方法进行拟合以获得完整的螺旋线型电缆管线模型。经典的Sweep放样方法原理是需要确定一条轨迹线和一个截面，沿轨迹线对截面进行扫描形成几何模型，将一条管线看作是整张连续的曲面，再采用Delaunay三角剖分对其三角化便于显示。Sweep曲面上任意一点ps通常可以用公式(1)来进行表达：
S(u，v)＝C(v)+c1(u，v)N+c2(u，v)B (1)
其中，C(v)表示管线中心轨迹线，c1(u，v)+c2(u，v)表示平面截面，可沿三维轨迹线进行扭转，N、B与轨迹线参数曲线的切线方向T组成了Sweep放样中截面的活动标架(即局部坐标系)，用于对运动物体定位或进行姿态调整。
在另一种技术方案中，所述的地下工井电缆网络模型的建立方法，连续B样条曲线形成电缆管线模型的方法为：在电缆点云上手动选择电缆途径点作为Sweep曲面的路径曲线点后，拟合形成符合电缆实际走向的B样条曲线轨迹线，在该轨迹线上以Frenet标架形式分别建立具有副法矢、主法矢和切矢三个坐标轴的坐标系，再在Frenet标架下自起始点沿曲线轨迹线进行Sweep放样，生成符合电缆实际走向的电缆管线模型。Frenet标架是经典Sweep放样方法中常见的一种活动标架，具有自然、运动不变性等良好性质。从工井墙壁上选取需要电缆连接的两个管孔节点，采用Hermit插值方式获得中间途径点，对途径点拟合可以得到B样条曲线轨迹线。
B样条曲线的定义为：
其中，Pi表示控制顶点，Ni，p(u)表示定义在非周期节点矢量上的第i个p次B样条基函数。
在另一种技术方案中，所述的地下工井电缆网络模型的建立方法，折线采用广义平移标架的Sweep放样方法形成电缆管线模型。在一般的CAD造型系统中，不能够保证所有轨迹中心线都复合G2连续。当轨迹线是具有尖点的折线线段或G1连续的曲线时，标架不能确定并会在拐点处出现跳跃。采用传统Frenet标架的Sweep放样方法会出现扭曲或扁平管线，针对这种情况，本发明以折线轨迹线作为路径曲线，利用广义平移标架法建立具有副法矢、主法矢和切矢三个坐标轴的坐标系，其中，设该坐标系形成的曲线r＝r(s)处法平面上的主法矢NG总是平行于初始切矢T0和初始主法矢N0所张成的平面，即该标架相对于初始点切向的转动量为0，使得曲面扭动仅由曲线的切向量变动来进行控制，优化曲面因曲线曲率不连续而发生的扭曲情况。再在该坐标系下沿着折线轨迹线进行Sweep放样获得电缆管线模型，在该电缆管线模型中对折线拐点处进行自相交处理并生成自相交填充模型，以获得光滑的折线型电缆管线模型，该自相交填充模型分为直角和圆角两种。
在另一种技术方案中，所述的地下工井电缆网络模型的建立方法，因为积水淤泥等原因，工井内会存在被掩埋的电缆，称之为电缆盘余。为了对这种管线进行表达，本发明选择利用螺旋线型电缆对其进行抽象表示。
比较空间中的螺旋线参数方程：
及圆柱面参数方程：
S(u，v)＝P+r·(cos(u)·Dx+sin(u)·Dy)+v·Dv (4)
螺旋线形电缆盘余形成电缆管线模型的方法为：将螺旋线设定为一条附在展开圆柱面上的直线，并设定该圆柱面高度为电缆盘余的绝对距离，通过改变展开的圆柱平面上直线的斜率来控制盘余的疏密，沿U轴以1/12π为步长在该直线上获取螺旋线的中心点，将该中心点旋转平移至两个管孔节点中间并与管孔节点相连接成曲线，再运用Sweep放样方法对该曲线进行拟合以获得完整的螺旋线型电缆管线模型。
地下管网中，工井建筑、附属设施及管孔之间通过电缆或者管道的连接具有物理和逻辑上的关系。为了实现地下管网三维数据的组织、空间查询和空间分析等目的，需要建立一个可以有效描述网络系统的三维模型，从而对空间关系进行完备和形式化的表达。
本发明综合了CSG与BREP模型特点的复合拓扑模型类型：CSG-BREP模型。该模型综合CSG模型的宏观组合性以及BREP模型的微观表达性，可以对复杂的空间目标进行几何抽象，将复杂物体分解成CSG基本体素，从中提取对应轴线或边的参数值，从而便于进一步计算。CSG-BREP模型的拓扑结构是顶点组成边，边组成环，环组成面，面再进一步组成壳或者体，由较低层级的拓扑对象逐级构建较高层级的拓扑对象，中间不可跨级构建。该模型可以全面细致地记录模型内部的拓扑关系。
地下工井电缆网络的总体设计以管孔节点为中心，将管孔作为拓扑连接关系的驱动点进行自动耦合并匹配其连接电缆的方向。单口工井内部通过管孔节点生成电缆，同时，多口工井之间依靠管孔节点维系电缆网络的拓扑联系。管孔依附于工井墙面，单个工井模型以墙面为单位，由多个面构成工井主体，再叠加井筒等元素，组成地下工井三维模型。多个工井模型之间须通过管孔节点进行管道连接。对于实际的生产、应用以及查询监管，单纯生成地下电缆几何模型是缺乏实际意义的。本发明提出的地下工井电缆网络精细化数字表达方法在满足三维模型精细化表达的前提下，使电缆段、工井和管线之间具有空间拓扑关系，可满足管理者对电缆网络的查询和管理等需求。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.地下工井电缆网络模型的建立方法，其特征在于，包括：
步骤一、采用三维激光扫描的方法采集地下工井的三维点云，对采集的三维点云进行预处理后，提取顶面点云边界点，由边界点组成边、边组成环、环构成面，面再进一步组成壳或体，得到以面为单位的单体工井CSG-BREP模型；
步骤二、将单体工井CSG-BREP模型进行叠加后，拓扑重构生成具有管孔节点的CSG-BREP模型；
步骤三、选取具有管孔节点的CSG-BREP模型中的管孔节点，依据管孔节点生成井内电缆轨迹线，对井内电缆轨迹线建模后生成电缆管线模型，再运用Delaunay三角剖分对电缆管线模型进行三角化，然后依据管孔节点及电缆管线模型连接井外管道及电缆，建立地下工井电缆网络模型。
2.如权利要求书1所述的地下工井电缆网络模型的建立方法，其特征在于，步骤一中，三维点云的预处理采用可移动网格划分的点云精简过滤算法，以通过空间网格对点云进行精简。
3.如权利要求书1所述的地下工井电缆网络模型的建立方法，其特征在于，步骤二中，将单体工井CSG-BREP模型进行叠加后，按叠加后的单体工井CSG-BREP模型的几何面将预处理过的三维点云分割成多个面点云，再从每个面点云提取其上每个孔洞的边界关键点，将这些边界关键点连成线后形成环形边界，以得到每个孔洞的半径和孔洞中心，将每个孔洞中心投影到CSG-BREP模型上，得到每个孔洞在CSG-BREP模型上对应的面上的位置，然后根据每个孔洞的半径大小在对应的面上进行拓扑剪裁，得到具有管孔节点的工井CSG-BREP模型。
4.如权利要求书1所述的地下工井电缆网络模型的建立方法，其特征在于，步骤三中，电缆轨迹线包括连续B样条曲线、折线和螺旋线形电缆盘余三种类型。
5.如权利要求书4所述的地下工井电缆网络模型的建立方法，其特征在于，连续B样条曲线形成电缆管线模型的方法为：在电缆点云上手动选择电缆途径点作为Sweep曲面的路径曲线点后，拟合形成符合电缆实际走向的B样条曲线轨迹线，在该轨迹线上以Frenet标架形式分别建立具有副法矢、主法矢和切矢三个坐标轴的坐标系，再在Frenet标架下自起始点沿曲线轨迹线进行Sweep放样，生成符合电缆实际走向的电缆管线模型。
6.如权利要求书4所述的地下工井电缆网络模型的建立方法，其特征在于，折线采用广义平移标架的Sweep放样方法形成电缆管线模型，即以折线轨迹线作为路径曲线，再依据该路径曲线，利用广义平移标架法建立具有副法矢、主法矢和切矢三个坐标轴的坐标系，其中，设该坐标系形成的曲线r＝r(s)处法平面上的主法矢NG总是平行于初始切矢T0和初始主法矢N0所张成的平面，再在该坐标系下沿着折线轨迹线进行Sweep放样获得电缆管线模型，在该电缆管线模型中对折线拐点处进行自相交处理并生成自相交填充模型，以获得光滑的折线型电缆管线模型，该自相交填充模型分为直角和圆角两种。
7.如权利要求书4所述的地下工井电缆网络模型的建立方法，其特征在于，螺旋线形电缆盘余形成电缆管线模型的方法为：将螺旋线设定为一条附在展开圆柱面上的直线，并设定该圆柱面高度为电缆盘余的绝对距离，通过改变展开的圆柱平面上直线的斜率来控制盘余的疏密，沿U轴以1/12π为步长在该直线上获取螺旋线的中心点，将该中心点旋转平移至两个管孔节点中间并与管孔节点相连接成曲线，再运用Sweep放样方法对该曲线进行拟合以获得完整的螺旋线型电缆管线模型。
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