CN111275815B - 既有复杂管线的三维建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种既有复杂管线的三维建模方法，包括：进行三维激光扫描作业站点的确定；在三维激光扫描作业站点确定之后，采用三维激光扫描仪进行扫描作业，采集管线的三维点云数据；对扫描作业采集到的管线的三维点云数据进行拼接处理；对完成拼接处理的管线三维点云数据，输入到GEOMAGIC软件进行管线点云数据的逆向建模处理，完成管线点云数据的三维空间实体化建模；对完成逆向建模处理的管线三维模型，进行曲率三维自适应，对管线局部空缺的部分进行自动化的三维建模，完成管线三维模型的完整性处理。解决了单纯的采用三维扫描逆向建模的过程中，由于管线的重叠以及遮挡等原因造成的扫描数据不全，无法完成既有管线的三维建模的问题。

Description

既有复杂管线的三维建模方法

技术领域

本发明涉及建筑工程施工信息化技术领域，尤其涉及一种既有复杂管线的三维建模方法。

背景技术

随着信息化技术的进步，建筑施工信息化以及建筑运维的信息化程度逐步提高，对于已经建成的建筑物以及正在使用的建筑物，尤其是大型综合体建筑，超高层建筑，大型工业建筑，对于机电管线设备的信息化运维管理的要求程度逐步提高。对于建设过程中的机电管线，可以根据施工图纸等文件同步进行机电管线三维模型的创建，但是，对于正在使用的建筑的机电管线的三维建模，在没有图纸或者图纸无法真实反映建筑管线现状的情况下，要完成管线的三维建模比较困难。

目前，对于已有建筑的机电管线三维建模的方法，一般的，采用三维扫描进行逆向建模。但是，这种建模方法存在一定的缺陷，对于复杂的管线系统，以及局部有遮挡的管线，由于三维扫描建模，需要采集管线的表面数据，这种情况下，无法完成管线的三维建模。

发明内容

本发明主要是针对现有技术的不足，提供一种既有复杂管线的三维建模方法，可以有效的完成这种复杂管线、局部有遮挡的管线的三维建模过程。

本发明所采用的技术方案为：一种既有复杂管线的三维建模方法，包括步骤：

根据建筑物机电管线的布置形态以及系统分布情况，进行三维激光扫描作业站点的确定；

在三维激光扫描作业站点确定之后，采用三维激光扫描仪进行扫描作业，采集管线的三维点云数据；

对扫描作业采集到的管线的三维点云数据进行拼接处理；

对完成拼接处理的管线三维点云数据，输入到GEOMAGIC软件进行管线点云数据的逆向建模处理，完成管线点云数据的三维空间实体化建模；

对完成逆向建模处理的管线三维模型，进行曲率三维自适应，对管线局部空缺的部分进行自动化的三维建模，完成管线三维模型的完整性处理。

本发明既有复杂管线的三维建模方法的进一步改进在于，通过SCENE软件对多站点采集到的管线的三维点云数据进行拼接处理，完成多站点数据的拼接处理。

本发明既有复杂管线的三维建模方法的进一步改进在于，管线为圆柱体管道，通过检测管道的曲率，识别管道的大小，与圆柱体进行匹配实现所述自动化的三维建模，包括步骤：

将预处理的点云数据分组为单独的管道数据组；

通过所述管道数据组进行三维建模，利用圆柱体管道的曲率大小来确定不同类型的管道，测定曲面上任意一点的曲率的最大值、最小值以及方向，确定管道的方向；

将管道曲率的最大值定位为管道半径的倒数，通过对管道数据组的曲率进行三维分析，判定管道的半径大小，对于扫描不全的管道的三维点云数据进行自动化的三维建模。

本发明既有复杂管线的三维建模方法的进一步改进在于，将预处理的点云数据分组为单独的管道数据组的步骤进一步包括：

基于空间连通性和表面法相似性原理将单个管线从点云数据中分离出；

在点云边缘表面给定一个点a，把一个点a保存在每个管道数据组中，将点云表面的数据简化为一组点。

本发明既有复杂管线的三维建模方法的进一步改进在于，通过所述管道数据组进行三维建模，利用圆柱体管道的曲率大小来确定不同类型的管道的步骤进一步包括：

根据管道的主要方向合并管道数据集表示一种管道类型；

基于曲率计算的管道的三维中心线近似；

按照组成部分将单个管道进行分割。

本发明既有复杂管线的三维建模方法的进一步改进在于，根据管道的主要方向合并管道数据集表示一种管道类型的步骤进一步包括：通过三维点云数据的划分，确定管道的类型和位置。

本发明既有复杂管线的三维建模方法的进一步改进在于，基于曲率计算的管道的三维中心线近似的步骤进一步包括：把所有单一的管道整合成一个管道，并从数据集中计算管道的中心线，创建管道的几何形状。

本发明既有复杂管线的三维建模方法的进一步改进在于，对于变径管道的中心线的确定，管道的半径呈现出逐渐递减或者递增的趋势，变径的端点由管道的两端的半径来确定。

本发明既有复杂管线的三维建模方法的进一步改进在于，通过对管道数据组的曲率进行三维分析，判定管道的半径大小，对于扫描不全的管道的三维点云数据进行自动化的三维建模的步骤进一步包括：

随机选择一组点，对每个管道数据组的曲率进行三维分析，从单位向量与点夹角小于60度的点中选取相邻点的子集，计算曲率的最大值；

通过采用合理非均匀b样条曲面，将所选择的点拟合到所选相邻点的数据组中。

与现有技术相比，本发明提供了一种既有复杂管线的三维建模方法，解决了单纯的采用三维扫描逆向建模的过程中，由于管线的重叠以及遮挡等原因造成的扫描数据不全，无法完成既有管线的三维建模的问题。本发明对于既有管线的三维建模提供了一种新的方法，更加的有助于建筑物的信息化运维管理的发展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的既有复杂管线的三维建模方法的流程图。

图2为本发明实施例的既有复杂管线的三维建模方法的数据处理流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

参阅图1和图2所示，本发明实施例提供了一种既有复杂管线的三维建模方法。它具体包括以下步骤：

步骤(1)：根据建筑物机电管线的布置形态以及系统分布情况，进行三维激光扫描作业站点的确定，确定对管线扫描作业的站点分布，最大程度的采集管线的三维空间数据。

步骤(2)：基于步骤(1)，在三维扫描站点确定之后，采用三维激光扫描仪进行扫描作业，采集管线的三维空间数据，以点云数据的形式，保存于三维激光扫描仪内。

步骤(3)：基于步骤(2)，把扫描作业采集到的管线的三维点云数据，输入到计算机设备，通过SCENE软件，对多站点采集到的管线的点云数据进行拼接处理，完成多站点数据的拼接处理，由于管线的重叠以及局部被建筑物遮挡等原因，三维扫描采集到的三维点云数据并不是完整的管线的三维空间模型。

步骤(4)：基于步骤(3)，管线三维点云数据拼接处理之后，通过SCENE软件，导出XYZ数据格式的管线的三维模型，输入到GEOMAGIC软件进行管线点运数据的逆向建模以及三维空间完整性处理。

步骤(5)：基于步骤(4)，对拼接完成之后的管线三维点云数据输入到GEOMAGIC软件，在GEOMAGIC软件中，对管线的点云数据进行逆向建模，完成管线点云数据的三维空间实体化建模。

步骤(6)：基于步骤(5)，在GEOMAGIC软件，完成了管线的逆向建模处理之后，通过加载曲率三维自适应程序，对由于管线的重叠以及局部被建筑物遮挡等原因，造成的管线局部空缺的部分进行自动化的三维建模，完成管线三维模型的完整性处理，实现已有建筑复杂管线的三维建模方法。

与现有技术相比，本发明提供了一种既有复杂管线的三维建模方法，解决了单纯的采用三维扫描逆向建模的过程中，由于管线的重叠以及遮挡等原因造成的扫描数据不全，无法完成既有管线的三维建模的问题。本发明对于既有管线的三维建模提供了一种新的方法，更加的有助于建筑物的信息化运维管理的发展。

针对已建建筑的管道3D自动建模，本发明制定了详细的工作流程，详见下表1。该流程首先是对管道井检测，最主要的环节是通过检测管道的曲率识别管道的大小，与圆柱体进行匹配实现自动化的建模，该方法只需要管道圆周三分之一的点云数据，因此，一次扫描的数据可以满足建模的需求，利用该方法可以快速有效的确定扫描对象，并且可以有效地排除无效对象的干扰。管道扫描检测之后，进行管道的分割与建模。在建模的过程中，通过分割、利用管道的中心线的性质，确定管道的形状、位置、方向，以及其他参数。在分割阶段，提取出每个管道的中心线并计算出管道的参数，利用参数和中心线提供的数据，实现自动建模，生成整个管道的三维模型。

管道检测方法首先将预处理的扫描数据分组为单独的管道数据集。首先，基于空间连通性和表面法线相似性原理将单个管道从点云数据中分离出。为了保证交叉面的局部光滑性，法线之间不能存在差异，在点云边缘表面给定一个点a，把一个点a保存在每个数据组中，在这种情况下，点云表面的数据被简化为一组点，确保了管道参数的真实性。

对点云数据分组之后，通过管道的点云数据组进行三维建模。利用圆柱体管道的曲率大小来确定不同类型的管道，测定曲面上任意一点的曲率的最大值和最小值和方向，曲率最大值是半径的倒数，曲率最小值是零，通过确定最大曲率和最小曲率的方向，确定管道的方向。

本发明中的三维建模方法，管道曲率的最大值定义为管道半径的倒数，通过对数据组的曲率进行三维分析，判定管道的半径大小，对于扫描不全的管道的三维点云数据可以有效地进行建模。随机选择一组点，对每个数据组的曲率进行三维分析，从单位向量与点夹角小于60度的点中选取相邻点的子集，计算曲率的最大值。为了实现管道几何形状的完整建模，通过采用合理非均匀b样条曲面，将所选择的点拟合到所选相邻点的数据组中。在扫描的过程中，点云数据会存在噪点，通过合理非均匀b样条曲面参数化的建模，在存在噪点以及数据不全的情况下，对曲面进行局部拟合之后，可以计算出点的曲率值，实现精确的建模。

管道分类的方法包括三个步骤：(1)根据管道的主要方向合并数据集表示一种管道类型；(2)基于曲率计算的管道的三维中心线近似；(3)按照组成部分将单个管道进行分割。具体来说：

(1)管道合并：

通过三维点云数据的划分，确定管道的类型和位置。通过点的计算是对管道进行检测是建模的第一步，例如，P是由n个点组成的三维空间R³，

L_P是R³的点集，L_Q是L_P的相邻点集，将相邻的点集合并在一个管道中(用M代表)，M是由点集组成的集合，通过对点集曲率的计算，实现管道的合并。

表1管道合并的程序编码

(2)确定中心线：

把所有单一的管道整合成一个管道，并从数据集中计算管道的中心线，创建管道的几何形状，中心线确定的程序编码见下表2。从选定的每一个点中计算管道的最大曲率和最小曲率，确定两个正交的圆；所有半径较小的圆的圆心即组成管道的中心线。利用管道中心线，每隔一定的间距，选取表面80％的点，确定管道的半径。通过中心点之间的连通性，建立中心线节点集G，C_i定义为中心线的一个节点，C_j定义为G中的另外一个节点。

表2中心线确定的程序编码

对于变径管道的中心线的确定，它的半径呈现出逐渐递减或者递增的趋势，变径的端点可以由它两端的管道的半径来确定。

需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种既有复杂管线的三维建模方法，其特征在于，包括步骤：

根据建筑物机电管线的布置形态以及系统分布情况，进行三维激光扫描作业站点的确定；

在三维激光扫描作业站点确定之后，采用三维激光扫描仪进行扫描作业，采集管线的三维点云数据；

对扫描作业采集到的管线的三维点云数据进行拼接处理；

对完成拼接处理的管线三维点云数据，输入到GEOMAGIC软件进行管线点云数据的逆向建模处理，完成管线点云数据的三维空间实体化建模；

对完成逆向建模处理的管线三维模型，进行曲率三维自适应，对管线局部空缺的部分进行自动化的三维建模，完成管线三维模型的完整性处理；

管线为圆柱体管道，通过检测管道的曲率，识别管道的大小，与圆柱体进行匹配实现所述自动化的三维建模，包括步骤：

将预处理的点云数据分组为单独的管道数据组；

通过所述管道数据组进行三维建模，利用圆柱体管道的曲率大小来确定不同类型的管道，测定曲面上任意一点的曲率的最大值、最小值以及方向，确定管道的方向；

将管道曲率的最大值定位为管道半径的倒数，通过对管道数据组的曲率进行三维分析，判定管道的半径大小，对于扫描不全的管道的三维点云数据进行自动化的三维建模。

2.如权利要求1所述的既有复杂管线的三维建模方法，其特征在于，通过SCENE软件对多站点采集到的管线的三维点云数据进行拼接处理，完成多站点数据的拼接处理。

3.如权利要求1所述的既有复杂管线的三维建模方法，其特征在于，将预处理的点云数据分组为单独的管道数据组的步骤进一步包括：

基于空间连通性和表面法相似性原理将单个管线从点云数据中分离出；

在点云边缘表面给定一个点a，把一个点a保存在每个管道数据组中，将点云表面的数据简化为一组点。

4.如权利要求1所述的既有复杂管线的三维建模方法，其特征在于，通过所述管道数据组进行三维建模，利用圆柱体管道的曲率大小来确定不同类型的管道的步骤进一步包括：

根据管道的主要方向合并管道数据集表示一种管道类型；

基于曲率计算的管道的三维中心线近似；

按照组成部分将单个管道进行分割。

5.如权利要求4所述的既有复杂管线的三维建模方法，其特征在于，根据管道的主要方向合并管道数据集表示一种管道类型的步骤进一步包括：通过三维点云数据的划分，确定管道的类型和位置。

6.如权利要求4所述的既有复杂管线的三维建模方法，其特征在于，基于曲率计算的管道的三维中心线近似的步骤进一步包括：把所有单一的管道整合成一个管道，并从数据集中计算管道的中心线，创建管道的几何形状。

7.如权利要求6所述的既有复杂管线的三维建模方法，其特征在于，对于变径管道的中心线的确定，管道的半径呈现出逐渐递减或者递增的趋势，变径的端点由管道的两端的半径来确定。

8.如权利要求1所述的既有复杂管线的三维建模方法，其特征在于，通过对管道数据组的曲率进行三维分析，判定管道的半径大小，对于扫描不全的管道的三维点云数据进行自动化的三维建模的步骤进一步包括：

随机选择一组点，对每个管道数据组的曲率进行三维分析，从单位向量与点夹角小于60度的点中选取相邻点的子集，计算曲率的最大值；

通过采用合理非均匀b样条曲面，将所选择的点拟合到所选相邻点的数据组中。

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