CN112270750B - 一种溶洞水上水下一体化三维模型重建方法 - Google Patents

一种溶洞水上水下一体化三维模型重建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种溶洞水上水下一体化三维模型重建方法，属于电子信息学科学技术领域。本发明所述方法具体为：将仪器安置到机动船上，到合适位置上将船固定后开始扫描测量，前后两站扫描范围有一定重叠，通过重叠部分进行两站数据配准，整体配准后进行数据检验，检验合格后进行三维建模，利用模型上的洞内特征点连线确定水下地形点平面位置，用测深仪在断面点上测量水深，水面高程减去水深得到水下点高程，获取水下点三维坐标后建立水下三维模型，再利用水边线作为共同边界将水上水下的模型融合为一个整体。本发明解决了常规方法无法进行水下三维坐标点的采集，且数据精度能够满足工程设计施工要求。

Description

一种溶洞水上水下一体化三维模型重建方法
技术领域
本发明涉及一种溶洞水上水下一体化三维模型重建方法，属于电子信息学科学领域。
背景技术
截止目前，有记录的国内旅游洞穴景区(点)达708个；传统的溶洞旅游存在同质化严重，个性缺失的特点，主要是通过LED灯渲染溶洞中的景观，手法单调、无设计感、无文化融入，对游客的吸引力下降，因此迫切需要一种新的表现形式使溶洞旅游焕发新的光彩。如何结合新媒体技术的投影技术，把溶洞景观作为投影的承载对象，将投影数字内容的艺术视觉特征融合到原生态的地质景观中，或利用溶洞景观和空间，采用全息3D技术将当地文化艺术展现出来，提升溶洞的旅游价值和审美体验，对开发具有创意色彩的溶洞体验模式具有十分重要的理论意义和实践价值。
传统的基础空间数据如大比例尺地形图及一定间距的溶洞剖面显然无法表达洞穴的整体空间状况及钟乳石等重要细节，难以满足这种全新的溶洞旅游开发模式，最基础的工作就是要对溶洞进行三维探测，进而重建满足各个学科专业需要的溶洞三维模型。国内外学者对三维激光扫描技术应用于大型溶洞的三维建模测绘进行了相关研究，针对的都是扫描设备可以安置在地面的溶洞，溶洞底面为全水面覆盖的扫描测量方法及水上水下一体化三维重建尚未涉及。
发明内容
本发明要解决的技术问题是溶洞内地面被水流全覆盖而无法布设控制点、无法在地面安置仪器设备的条件下如何进行扫描测量获取溶洞内部点云数据。
本发明的目的在于提供一种溶洞水上水下一体化三维模型重建方法，具体包括以下步骤：
(1)两端洞口外地面分别设置3个以上标靶，并在附近测量控制点上安置全站仪精确测量标靶点的在当地坐标系下的三维坐标(X,Y,H)。
(2)在洞口外地面安置三维激光扫描仪，使三维激光扫描仪同时能扫描到洞外设置的标靶点及部分溶洞内部。
(3)驾驶机动船进入溶洞内部选择合适位置靠边，将船固定，在船上安置三维激光扫描仪进行扫描测量，保证前后两站扫描范围的重叠度不低于30％。
(4)全部扫描完成后，利用专业软件Maptek I-Site Studio 6，以第一站扫描的独立坐标系下的三维点云数据为基准，将第二站数据配准到第一站上，第三站数据配准到第一、第二站配准好的整体数据上，以此类推，直至全部数据配准成为一个整体(即整体点云数据)，在整体点云数据上找到洞外布设的标靶点，根据点云拟合出标靶点的中心坐标(X′,Y′,H′)。
(5)在平面精度、高程精度满足相应规范要求的前提下，将在独立坐标系下配准好的整体点云数据转换到当地坐标系下。
(6)利用利用专业软件Maptek I-Site Studio 6复杂表面建模功能进行三维建模。
(7)分段导出溶洞点云及模型，现场对照特征点，垂直河流间距5米以内拉断面线，利用测深仪沿断面线按1-2米间距测水深，现场做好记录。
(8)在Maptek I-Site Studio 6软件里将野外记录的断面线及实测点位展到三维模型上，提取断面上点的平面坐标(X,Y)，点位的水面高程减去水深得到水下点高程H，获取水下点的三维坐标(X,Y,H)。
(9)将水下地形点三维坐标做成南方CASS的点文件格式，展点后转换为dxf格式，以点云格式储存并导入geomagic studio软件中从而生成水下地形模型；水上溶洞模型及水下模型构建完成后，提取出两个模型的边界线，以边界线为约束进行模型之间的三角网融合，从而实现模型的融合。
优选的，本发明步骤(5)中平面精度通过以下方法判断：
利用坐标反算边长(边长是指溶洞两端洞口外布设的标靶点，一端编号为ai，一端编号为bi，两端的标靶点两两间的距离)公式
Figure BDA0002726306630000031
根据两端洞口的标靶点拟合平面坐标(X′,Y′)分别计算边长D′a1-b1，D′a1-b2,…,D′a1-bn，D′a2-b1，D′a2-b2，…，D′a2-bn，D′an-b1，D′an-b2，…，D′an-bn；与在附近测量控制点上安置全站仪精确测量标靶点的平面坐标(X,Y)计算出的边长Da1-b1，Da1-b2,…,Da1-bn，Da2-b1，Da2-b2，…，Da2-bn，Dan-b1，Dan-b2，…，Dan-bn,并计算出平均边长
Figure BDA0002726306630000033
计算对应边长差ΔDi，得到：
ΔDa1-b1＝D′a1-b1-Da1-b1
ΔDa1-b2＝D′a1-b2-Da1-b2
ΔDan-bn＝D′an-bn-Dan-bn
根据中误差计算公式，计算出边长中误差mD
Figure BDA0002726306630000032
其中n为总的边长数；
边长相对中误差计算：
Figure BDA0002726306630000041
对照《工程测量规范》(GB50026-2007)，能否满足工程应用要求。
优选的，本发明步骤(5)中高程精度通过以下方法判断：
根据两端洞口的标靶点拟合高程Hi′及与在附近测量控制点上安置全站仪精确测量标靶点的高程(海拔高度)Hi，分别计算两端洞口标靶点间高差ΔHi，对比高差之差：
ΔH1＝(H′a1-H′b1)-(Ha1-Hb1)
ΔH2＝(H′a1-H′b2)-(Ha1-Hb2).
ΔHn＝(H′an-H′bn)-(Han-Hbn)
根据中误差计算公式，计算出高差中误差mD
Figure BDA0002726306630000042
对照《工程测量规范》(GB50026-2007)，能否满足工程应用要求；
优选的，本发明步骤(5)中将在独立坐标系下配准好的整体点云数据转换到当地坐标系下，具体过程如下：利用两套坐标系下标靶点的三维坐标(X,Y,H)与(X′,Y′,H′)，也就是同时具有当地坐标系坐标和独立坐标系坐标的点位，需要3个以上重合点，通过布尔莎模型或其他模型进行计算，得到从一个系统转换到另一个系统中的平移参数、旋转参数和比例因子。
本发明的有益效果：
(1)本发明解决了底面为全水覆盖的大型溶洞内无法布设测量控制点，无法安置地面测量仪器的三维数据的采集，设计了精度检测方法，数据精度能够满足工程设计施工要求。
(2)本发明通过先建立三维模型，在模型上对照实地寻找特征点连成特征线的方式实现对水下地形点的测量，解决了常规方法无法进行水下三维坐标点的采集。
(3)本发明以水边线为共同边界实现了基于多源测量数据的大型溶洞水上水下三维模型融合，完成大型溶洞水上水下一体化三维重建。
(4)本发明所述方法为为溶洞旅游开发中的规划设计、施工、管理提供完整的空间数据。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的扫描方案示意图；
图3为溶洞内水下地形测量示意图；
图4为水上水下模型图；
图5为水上水下融合模型示意图；
图6为洞内作业图；
图7为局部点云图。
具体实施方式
下面结合具体实施例本发明作进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例以云南省广南县坝美镇桃花源景区溶洞扫描测量项目为例，景区上游为汤纳洞(全长650米)，下游为桃源洞(全长850米)，洞内为河流穿过，无地面可以布设测量控制点，无法安置测量设备，具体包括以下步骤，如图1所示：
(1)两端洞口外地面分别设置3个标靶，并在附近测量控制点上安置全站仪精确测量标靶点的在当地坐标系下的三维坐标(X,Y,H)，如图2所示。
(2)在洞口外地面合适位置安置三维激光扫描仪同时能扫描到洞外设置的标靶点及部分溶洞内部；驾驶机动船进入溶洞内部选择合适位置靠边，船要方便固定，前后两站扫描范围重叠度足够，保证溶洞内部扫描数据尽量完整，在船上安置三维激光扫描仪进行扫描测量，保证前后两站扫描范围的重叠度不低于30％，如图6所示。
(3)全部扫描完成后，利用专业软件Maptek I-Site Studio 6，以第一站扫描的独立坐标系下的三维点云数据为基准，将第二站数据配准到第一站上，第三站数据配准到第一、第二站配准好的整体数据上，以此类推，直至全部数据配准成为一个整体，即为整体点云数据。
(4)在整体点云数据上找到洞外布设的标靶点，根据点云拟合出标靶点的中心坐标(X′,Y′,H′)。
平面精度检验方法：利用坐标反算边长公式
Figure BDA0002726306630000061
根据两端洞口的标靶点拟合平面坐标(X′,Y′)分别计算边长D′a1-b1，D′a1-b2,…,D′a1-bn，D′a2-b1，D′a2-b2，…，D′a2-bn，D′an-b1，D′an-b2，…，D′an-bn。与在附近测量控制点上安置全站仪精确测量标靶点的平面坐标(X,Y)计算出的边长Da1-b1，Da1-b2,…,Da1-bn，Da2-b1，Da2-b2，…，Da2-bn，Dan-b1，Dan-b2，…，Dan-bn,并计算出平均边长
Figure BDA0002726306630000073
计算对应边长差ΔDi，得到：
ΔDa1-b1＝D′a1-b1-Da1-b1
ΔDa1-b2＝D′a1-b2-Da1-b2
ΔDan-bn＝D′an-bn-Dan-bn
根据中误差计算公式，计算出边长中误差mD
Figure BDA0002726306630000071
其中n为总的边长数，本项目取值为9。
边长相对中误差计算：
Figure BDA0002726306630000072
对照《工程测量规范》(GB50026-2007)，能否满足工程应用要求。高程精度检验方法：根据两端洞口的标靶点拟合高程Hi′及与在附近测量控制点上安置全站仪精确测量标靶点的高程Hi，分别计算两端洞口标靶点间高差ΔHi，对比高差之差：
ΔH1＝(H′a1-H′b1)-(Ha1-Hb1)
ΔH2＝(H′a1-H′b2)-(Ha1-Hb2).
ΔHn＝(H′an-H′bn)-(Han-Hbn)
根据中误差计算公式，计算出高差中误差mD
Figure BDA0002726306630000081
对照《工程测量规范》(GB50026-2007)，能否满足工程应用要求。
(5)坐标系统转换：在平面精度、高程精度满足相应规范要求的前提下，将在独立坐标系下配准好的整体点云数据转换到当地坐标系下，操作步骤如下：利用两套坐标系下标靶点的三维坐标(X,Y,H)与(X′,Y′,H′)，也就是同时具有当地坐标系坐标和独立坐标系坐标的点位，一般需要3个以上重合点，通过布尔莎模型(或其他模型)进行计算，得到从一个系统转换到另一个系统中的平移参数、旋转参数和比例因子。对于三维转换方法，可以仅用3个公共点来计算转换参数，但使用4个以上点可得到更多的观测值并且可以计算残差，此过程可以借助商业软件完成。
(6)利用利用专业软件Maptek I-Site Studio 6复杂表面建模功能进行三维建模。
(7)分段导出溶洞点云及模型为PDF格式，现场对照特征点，垂直河流间距5米以内拉断面线，利用测深仪沿断面线按1-2米间距测水深，现场做好记录，如图2所示。
(8)在Maptek I-Site Studio 6软件里将野外记录的断面线及实测点位展到三维模型上，提取断面上点的平面坐标(X,Y)，点位的水面高程减去水深得到水下点高程H，获取水下点的三维坐标(X,Y,H)。
(9)将水下地形点三维坐标做成南方CASS的点文件格式，展点后转换为dxf格式，以点云格式储存并导入geomagic studio软件中从而生成水下地形三维模型。水上溶洞模型及水下模型构建完成后，如图3，提取出两个模型的边界线，以边界线为约束进行模型之间的三角网融合，从而实现模型的融合，如图4。
通过本实施例的技术方案实施，取得了理想的效果，上下游特标靶之间距离与实测距离偏差最大值为22cm，最小为9厘米，中误差为16厘米，相对中误差1/4100；高差之差最大12厘米，最小5厘米，中误差7厘米，对照《工程测量规范》(GB50026-2007)，达到图根级的精度，满足项目设计、施工要求；重现了溶洞内部结构复杂的特征，较好的完成了水下地形模型与溶洞表面模型的融合，在项目精度要求范围内完成了模型构建。

Claims (4)

1.一种溶洞水上水下一体化三维模型重建方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)两端洞口外地面分别设置3个以上标靶，并在附近测量控制点上安置全站仪精确测量标靶点的在当地坐标系下的三维坐标(X,Y,H)；
(2)在洞口外地面安置三维激光扫描仪，使三维激光扫描仪同时能扫描到洞外设置的标靶点及部分溶洞内部；
(3)驾驶机动船进入溶洞内部选择合适位置靠边，将船固定，在船上安置三维激光扫描仪进行扫描测量，保证前后两站扫描范围的重叠度不低于30％；
(4)全部扫描完成后，利用专业软件MaptekI-Site Studio 6，以第一站扫描的独立坐标系下的三维点云数据为基准，将第二站数据配准到第一站上，第三站数据配准到第一、第二站配准好的整体数据上，以此类推，直至全部数据配准成为一个整体，在整体点云数据上找到洞外布设的标靶点，根据点云拟合出标靶点的中心坐标(X′,Y′,H′)；
(5)在平面精度、高程精度满足相应规范要求的前提下，将在独立坐标系下配准好的整体点云数据转换到当地坐标系下；
(6)利用专业软件Maptek I-Site Studio 6复杂表面建模功能进行三维建模；
(7)分段导出溶洞点云及模型，现场对照特征点，垂直河流间距5米以内拉断面线，利用测深仪沿断面线按1-2米间距测水深，现场做好记录；
(8)在Maptek I-Site Studio 6软件里将野外记录的断面线及实测点位展到三维模型上，提取断面上点的平面坐标(X,Y)，点位的水面高程减去水深得到水下点高程H，获取水下点的三维坐标(X,Y,H)；
(9)将水下地形点三维坐标做成南方CASS的点文件格式，展点后转换为dxf格式，以点云格式储存并导入geomagic studio软件中从而生成水下地形模型；水上溶洞模型及水下模型构建完成后，提取出两个模型的边界线，以边界线为约束进行模型之间的三角网融合，从而实现模型的融合。
2.根据权利要求1所述溶洞水上水下一体化三维模型重建方法，其特征在于：步骤(5)中平面精度通过以下方法判断：
利用坐标反算边长公式
Figure FDA0002726306620000021
根据两端洞口的标靶点拟合平面坐标(X′,Y′)分别计算边长D′a1-b1，D′a1-b2,…,D′a1-bn，D′a2-b1，D′a2-b2，…，D′a2-bn，D′an-b1，D′an-b2，…，D′an-bn；与在附近测量控制点上安置全站仪精确测量标靶点的平面坐标(X,Y)计算出的边长Da1-b1，Da1-b2,…,Da1-bn，Da2-b1，Da2-b2，…，Da2-bn，Dan-b1，Dan-b2，…，Dan-bn,并计算出平均边长
Figure FDA0002726306620000022
计算对应边长差ΔDi，得到：
Figure FDA0002726306620000023
根据中误差计算公式，计算出边长中误差mD
Figure FDA0002726306620000024
其中n为总的边长数；
边长相对中误差计算：
Figure FDA0002726306620000031
对照《工程测量规范》(GB50026-2007)，能否满足工程应用要求。
3.根据权利要求1所述溶洞水上水下一体化三维模型重建方法，其特征在于：步骤(5)中高程精度通过以下方法判断：
根据两端洞口的标靶点拟合高程Hi′及与在附近测量控制点上安置全站仪精确测量标靶点的高程Hi，分别计算两端洞口标靶点间高差ΔHi，对比高差之差：
Figure FDA0002726306620000032
根据中误差计算公式，计算出高差中误差mD
Figure FDA0002726306620000033
对照《工程测量规范》(GB50026-2007)，能否满足工程应用要求。
4.根据权利要求1所述溶洞水上水下一体化三维模型重建方法，其特征在于：步骤(5)中将在独立坐标系下配准好的整体点云数据转换到当地坐标系下，具体过程如下：利用两套坐标系下标靶点的三维坐标(X,Y,H)与(X′,Y′,H′)，也就是同时具有当地坐标系坐标和独立坐标系坐标的点位，需要3个以上重合点，通过布尔莎模型或其他模型进行计算，得到从一个系统转换到另一个系统中的平移参数、旋转参数和比例因子。
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