CN112132956A - 解决工业管道桁架建构筑物实现逆向模型重构的方法 - Google Patents

Abstract

一种解决工业管道桁架建构筑物实现逆向模型重构的方法，属于冶金工业建筑技术领域。在对上述复杂的工业建筑进行测量工作时，为测绘成果统筹考虑，通过三维激光扫描技术手段获取整体点云，对获取的点云数据经过拼接去噪处理，利用软件剔除遮挡物点云，生成点云模型，并进行三维原始数据留存，使点云数据更直观用。可以真正做到直接从实物中进行快速的逆向三维数据采集及模型重构，无需进行任何实物表面处理。优点在于，突破了传统测量方式，能满足非接触式立体测量，实现远距离非接触测量，对于人员难以企及和十分危险的地段进行测量具有明显优势。能够完整保存和记录原始测绘数据，精度高、速度快、还原现场。

Description

解决工业管道桁架建构筑物实现逆向模型重构的方法

技术领域

本发明属于冶金工业建筑技术领域，特别涉及的虚拟现实、数字模型、三维仿真、冶金工业等方面。尤其涉及一种利用激光点云中的三维数据技术解决工业建构筑在数据管理领域中可以真正做到直接从实物中进行快速的逆向三维数据采集和模型重构。

背景技术

《地面三维激光扫描作业技术规程》(CH/Z3017-2015)

基于地面固定站的三维扫描技术：生产三维模型、DLG、DEM、平面图、立面图和剖面图，计算面积、体积和构件等。

三维激光扫描系统类似于传统测量中的全站仪，它是由一个激光扫描仪和一个内置或外置的数码相机，以及软件控制系统组成。二者的不同之处在于激光扫描仪采集的不是离散的单点三维坐标，而是阵列式“点云”数据。这些点云数据可以直接用来进行三维建模，而数码相机的功能就是提供对应模型的纹理信息。

例如‘首钢遗址公园’对工业建筑的主厂房及其附属设施(管线、管廊、支架、设备)现状复杂的情况而言，传统测量因现场、现状的特点，无法有效地将各附属设施完整的整合在一起。特别是对于复杂的工业建筑，在结合现状、规划、拆迁及复建分析时又往往会要求各成果材料具有位置、平面、立面、剖面等对应信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种解决工业管道桁架建构筑物实现逆向模型重构的方法，能满足非接触式立体测量。

本发明在对上述复杂的工业建筑进行测量工作时，为测绘成果统筹考虑，通过三维激光扫描技术手段获取整体点云，对获取的点云数据经过拼接去噪处理，利用软件剔除遮挡物点云，生成点云模型，并进行三维原始数据留存，使点云数据更直观用。可以真正做到直接从实物中进行快速的逆向三维数据采集及模型重构，无需进行任何实物表面处理，其激光点云中的每个三维数据都是直接采集目标的真实数据，使得后期处理的数据完全真实可靠。通过三维激光扫描技术手段对获取的点云数据经过SCENE拼接去噪处理，利用软件剔除遮挡物点云，生成高精度三角网模型，并进行三维原始数据留存，从而使点云数据更直观用。具体步骤如下：

1、在绿轴管廊及其周边建构筑物的范围内，根据周围现状进行现场踏勘，收集所需资料。

2、在绿轴管廊及其周边建构筑物的范围内，根据所需测设的构建物及周围现状通过传统仪器RTK结合全站仪布设控制点。

3、对绿轴管廊及其周边建构筑物范围内的地貌和建筑物及其附属设施进行扫描。扫描过程中，一般情况下保持扫描仪设置测站间隔控制在15-25米，如遇现场遮挡较多重复点云重叠不够40％以上的情况下，可依现场环境增加测站次数以保证测站精度。

4、将扫描后的原始数据分为原始照片和原始点云两个部分：

1)原始照片-处理后照片-彩色纹理贴图纸-三维实景，

2)原始点云-预处理后点云，

3)预处理后点云-局部点云数据-点云建模，

4)预处理后点云-整体点云数据-完整三维资料管理，

5、利用SCENE后处理软件配准点云数据可以采用三种方法，分别为基于目标、基于俯视图和云际。三维点云数据进行数据处理和计算，将配准好的数据进行精度分析统计得出整体点云。

在数据分析合格后对原始数据进行再加工，剔出无用噪点及数据后再检查数据的完整性及数据一致性，点云配准完成后坐标系为扫描仪测站自定义坐标系，在进行导出之前，需要进行坐标系转换，把点云坐标转换成北京地方坐标系北京地方高程系。导出时进行点云分割、抽稀等工作。

6、按照工程委托，提交高精度OBJ三维模型和CAD剖面图等测绘成果。

在先期对管廊基础定位以及转运站进行控制测量的基础上，采用传统测绘技术进行周边地形测绘，采用三维激光扫描技术为主传统测绘技术为辅的手段进行管道、基础、转运站的数据采集工作。地形成果进入首钢综合地理信息库，转运站成果以整体点云数据和影像数据呈现，通过对扫描数据的特征提取，整理得出一系列设计及施工使用的建、构筑物平、立、剖CAD成果，完整表现结构外观等相关建、构筑物的尺寸信息，进行三维原始数据留存；对管廊及其基础的点云成果进行数据再处理，采用EdgeWise合理化建模，模拟管道路线，贴合采集的点云数据建立管道模型，以及基础架构模型，导出模型文件，结合Revit的模型特点，利用revit整理出关键位置剖面，提供所有管径和基础尺寸数据，加工成二维线画图，以满足设计改造需要。

本发明的优点在于：实景复制，逾越传统的测量方式，将现场环境以360°全景及视频形式轻松展示，利用EdgeWise自动拾取管道点云拟合管径，将管道支架实体建模融入环境中。目前传统的测量方法应用更多地偏重于民用民建、市政管线、城市规划等方面，对于以复杂的工业建筑为主工业园区，三维激光扫描技术，能满足非接触式测量，具有高效性、安全性。更符合工业园区转型发展的需要，突破了传统测量方式，能满足非接触式立体测量，可以实现远距离非接触测量，从而对于人员难以企及和十分危险的地段进行测量具有明显优势。能够完整保存和记录原始测绘数据，其最大特点就是精度高、速度快、还原现场等。可以说，三维激光扫描技术，是安全测绘的一个全新发展领域，是传统测绘手段的有益补充，有着巨大的应用潜力。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

结合绿轴管廊实例，对本发明进行详细说明；一种解决工业管道桁架建构筑物实现逆向模型重构的方法。具体流程步骤方法如下：

1、控制测量

通过传统仪器RTK结合全站仪布设控制点从而对地形进行控制测量。

控制测量是工程建设中各项测量工作的基础，目的是精确测定控制点和部分关键点的三维坐标，保证测量坐标系的一致。工程采用北京地方坐标、高程系。

2、三维扫描原始数据采集

2.1测站布设

根据不同的复杂程度采取不同的测量路线，管道走向清晰、视野开阔的情况下可以适当调整测站间距，相邻测站数据通过标靶球拼接。部分管道拐点或者管廊之间有相互交错，测量难度较大，需要适当加密测站数量，通过不同管道之间的空隙尽量获取完整的管道点云数据，可以增加管道拟合的精确度，使管道追踪拟合更加连贯减少内业处理的工作量，扫面时尽量通过不同的角度获取较为完整的点云，保障内业数据的精确性。

2.2标靶布设

项目使用的标靶为高反射率的圆形标靶，共设有六站北京地方坐标和高程系的控制站点，在其周围每站均匀布设6个标靶点。为保证点云配准的精度，布设标靶时注意参考不同高度和平面位置的条件进行放置，满足标靶配准的约束条件。标靶点与控制测量联测配准精度均在3毫米内。

通过全站仪极坐标法，漫反射形式，测定靶纸坐标，以便于后期在点云预处理软件中将三维扫描点云转换到设定坐标系中。

3、数据处理

1)点云数据预处理

扫描外业获取了海量的点云数据，为了更好的处理和管理这些数据，实践中对原始数据进行了预处理，预处理包括数据的配准、去噪、抽稀、重采样、分割和导出等操作。

2)点云配准精度分析

本工程利用SCENE后处理软件配准点云数据基于目标拼接和强制对应点最后进行云拼接计算。三维点云数据进行数据处理和计算，将配准好的数据进行精度分析统计得出结果。

4、整体点云数据模型

在数据分析合格后对原始数据进行再加工，剔出无用噪点和数据，再检查数据的完整性及数据一致性，形成整体点云模型。并对模型数据进行存盘留档，完善三维资料管理。

5、三维建模

5.1、点云三角网处理

调整点云环境：设置点云动态运行记载密度，调整点云显示密度，以优化线图绘制运行速度。

5.2、管道支架点云提取

对管道及支架基础利用Edgewise生成数据模型，对比点云数据剔除识别错误的局部模型。经过提取处理的点云数据需要进行管道模拟建模，由于不同的管道半径存在差异，需要对不同管道逐个建模。根据扫描的管道点云数据进行管道半径模拟，然后根据同一半径进行管道模拟连接，直到变径或路线结束。

5.3、内部浏览

SCENE系统采用360°全景影像，使观看者亲临现场并可在内部浏览细节，量取任意尺寸等信息也可录取视频信息进行演示观摩。

Autodesk ReCap软件使用便捷，无需培训可以直观查看坐标、标高及尺寸等信息。

6、模型精细化建立

6.1、CAD平立剖面的制作

利用Edgewise提取的模型文件，转化成Revit可识别文件将三维模型；在revit中做出各个关键管径以及管廊支架基础的剖面，在CAD中完善细化二维图。

6.2、模型应用

将提取修正完成的数据模型导出.c3vrt格式文件，在revit中安坐标原点插入，数据文件的三维坐标自动加载到EdgeWise模块下。

将管道模型应用到Revit中；提取出各个关键管径以及管廊支架基础的剖面。

点云模型经过3DRESHAPER数据转化，导出rcp文件以点云模型的形式加载到Revit中形成三维场地进行前期的规划设计布置，结合模型达到前期的可视化。

7、成果形式

按照工程委托要求，提交CAD电子版内部结构平面图、剖面图、Autodesk ReCap格式整体点云、管廊Revit模型库一套。

8、成果检核

按照《测绘成果质量检查与验收》规定，以保证质量为中心，实行了二级检查一级验收制度，数据采集过程严谨,加工过程符合规范,内容取舍合理。数据要素全面完整，无遗漏，无冗余。在建筑物体内部漫游时，立面及屋顶结构和细节变化清晰可见，模型观感和原物体保持一致。模型基底与地形起伏相吻合，现势性良好。

绿轴管廊项目采用三维激光扫描技术，数据提取速度明显加快，清晰的反应目标的实时现状，提高了作业效率；三维激光扫描技术采集海量点云数据，点位精度较高，能够精确的采集目标表面的数据信息；三维激光扫描技术采用主动测量模式，可以全天候采集数据可获得管道表面点的三维空间坐标，能够完成复杂管道对的点线三维测量，改变了传统的测量模式，实现了无接触，大面积，全方位不同视角获取高密度高精度的三维点云数据，后期配合Edgewise等专业的数据模型处理软件，快速建立管道模型，实现管廊数字化模型。

通过本次工程的分析应用三维扫描系统具有明显优势，该方法突破了传统测量方式，能满足非接触式立体测量，在无光阴暗潮湿的环境里具有清晰、安全和高效性。后期处理软件功能强大具有二次开发功能，数据格式转换方便，与常用软件兼容性好，可以说，三维激光扫描技术在工业领域是安全测绘的一个全新发展，是传统测绘手段的衍生，在设计行业、测绘行业、工建行业和规划行业都有着广泛的用途和巨大的市场潜力。

Claims (2)

1.一种解决工业管道桁架建构筑物实现逆向模型重构的方法，其特征在于，通过三维激光扫描技术手段对获取的点云数据能够更直观的运用，具体步骤如下：

(1)在绿轴管廊及其周边建构筑物的范围内，根据周围现状进行现场踏勘，收集所需资料；

(2)在绿轴管廊及其周边建构筑物的范围内，根据所需测设的构建物及周围现状通过传统仪器RTK结合全站仪布设控制点；

(3)对绿轴管廊及其周边建构筑物范围内的地貌和建筑物及其附属设施进行扫描。扫描过程中，保持扫描仪设置测站间隔控制在15-25米，当遇现场遮挡较多重复点云重叠不够40％以上的情况下，依现场环境增加测站次数以保证测站精度；

(4)将扫描后的原始数据分为原始照片和原始点云两个部分：

1)原始照片-处理后照片-彩色纹理贴图纸-三维实景，

2)原始点云-预处理后点云，

3)预处理后点云-局部点云数据-点云建模，

4)预处理后点云-整体点云数据-完整三维资料管理，

(5)利用SCENE后处理软件配准点云数据可以采用三种方法，分别为基于目标、基于俯视图和云际；三维点云数据进行数据处理和计算，将配准好的数据进行精度分析统计得出整体点云；

在数据分析合格后对原始数据进行再加工，剔出无用噪点及数据后再检查数据的完整性及数据一致性，点云配准完成后坐标系为扫描仪测站自定义坐标系，在进行导出之前，需要进行坐标系转换，把点云坐标转换成北京地方坐标系北京地方高程系；导出时进行点云分割、抽稀等工作。

(6)按照工程委托，提交高精度OBJ三维模型和CAD剖面图测绘成果；

在先期对管廊基础定位以及转运站进行控制测量的基础上，采用传统测绘技术进行周边地形测绘，采用三维激光扫描技术为主传统测绘技术为辅的手段进行管道、基础、转运站的数据采集工作；地形成果进入首钢综合地理信息库，转运站成果以整体点云数据和影像数据呈现，通过对扫描数据的特征提取，整理得出一系列设计及施工使用的建、构筑物平、立、剖CAD成果，完整表现结构外观等相关建、构筑物的尺寸信息，进行三维原始数据留存；对管廊及其基础的点云成果进行数据再处理，采用EdgeWise合理化建模，模拟管道路线，贴合采集的点云数据建立管道模型，以及基础架构模型，导出模型文件，结合Revit的模型特点，利用revit整理出关键位置剖面，提供所有管径和基础尺寸数据，加工成二维线画图，以满足设计改造需要。

2.根据权利要求1所述的解决工业管道桁架建构筑物实现逆向模型重构的方法，其特征在于，步骤(4)中所述的原始照片和原始点云两个部分如下

原始照片-处理后照片-彩色纹理贴图纸-三维实景，

原始点云-预处理后点云，

预处理后点云-局部点云数据-点云建模，

预处理后点云-整体点云数据-完整三维资料管理。

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