CN112598781A - 一种电缆工井三维激光点云数据的建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电缆工井三维激光点云数据的建模方法，该方法包括以下步骤：点云数据的预处理步骤，用于从点云数据中去除非工井和管道数据；点云模型的几何属性分析步骤，用于从点云数据中获取点云模型的几何属性；点云模型的几何构造步骤，用于根据点云模型的几何属性，构建工井或管道模型；模型拓扑结构的生成步骤，用于连接各工井模型和管道模型。与现有技术相比，本发明具有建模效率高、质量高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及地下电缆工井领域，尤其是涉及一种电缆工井三维激光点云数据的建模方法。
背景技术
传统的通过拍照测量的方式获取电缆工井管道数据进行设备三维建模的方法存在采集工作量大、建模时间长、建模成本高等问题。相比传统的建模方法，使用三维激光扫描技术能够不受环境条件限制，快速、精准的获取电缆管网数据。随着科技的不断发展与进步，三维激光扫描技术的应用范围也越来越广泛。
三维激光扫描系统能够在较短的时间内获取到海量的高精度的点云数据，点云数据大小为几十GB至上百GB，甚至能够达到TB级别，因此如何高效、快速、精准的处理采集到的点云数据成了三维激光扫描技术发展和应用的关键。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高效、快速、精准的处理采集到的点云数据的电缆工井三维激光点云数据的建模方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种电缆工井三维激光点云数据的建模方法，该方法包括以下步骤：
点云数据的预处理步骤，用于从点云数据中去除非工井和管道数据；
点云模型的几何属性分析步骤，用于从点云数据中获取点云模型的几何属性；
点云模型的几何构造步骤，用于根据点云模型的几何属性，构建工井或管道模型；
模型拓扑结构的生成步骤，用于连接各工井模型和管道模型。
进一步地，所述点云数据的预处理步骤包括点云数据的配准、点云数据的修复、点云数据的化简和点云数据的分离与拼接。
进一步地，采用ICP算法进行所述点云数据的配准，所述ICP算法的主要原理为：分别在待匹配的目标点云P和源点云Q中，按照一定的约束条件，找到最邻近点(Pi,Qi),然后计算出最优匹配参数R和T,使得误差函数最小。。
进一步地，所述点云数据的修复用于获取曲面平顺无孔洞的三维点云数据。
进一步地，采用基于曲面拟合的简化方法进行所述点云数据的化简，所述基于曲面拟合的简化方法可以根据法向量和曲率的变化去适应采样的密度，使得模型重建后的效果较好。
进一步地，所述点云数据的分离与拼接，用于将点云数据中的特征信息与背景数据分离开，并保证模型数据的完整性。
进一步地，所述点云模型的几何属性分析步骤包括法向量估算、特征点提取和数据骨架线提取。
进一步地，采用主成分分析法进行所述法向量估算，所述主成分分析法是一种降维的统计方法，借助正交变换，将多维变量系统进行降维处理，使之能以一个较高的精度转换成低维变量系统，再通过构造适当的价值函数，进一步把低维系统转化成一维系统。
进一步地，采用基于面域的特征点提取算法进行所述特征点提取，所述基于面域的特征点提取算法是在点云数据中寻找具有相同属性点的集合，通过构造生长区域来实现点云数据的分割和特征点的提取。。
进一步地，采用L1-中心骨架提取方法进行所述数据骨架线提取。所述L1-中心骨架提取方法是从原始点云中随机取一组样本点作为初始的中心点，然后比较点云数据中各个点到中心点的距离，使得每个点划分到预期距离最近的类中，形成初始类，然后通过迭代和重新分配，使得每个点都分配在离器最近的中心邻域内。通过逐渐增加领域的大小来处理一些不同级别的细节，便可得到清晰并且连接效果良好的骨架线。
进一步地，所述点云模型的几何构造步骤中，采用四面体网格剖分算法进行工井模型的构建，所述四面体网格剖分算法包括以下步骤：
S1：读取点云坐标数据，根据点云数据坐标信息建立初始三角网络；
S2：遍历存放四面体的链表，找到插入点影响的四面体；
S3：确定核腔，重构网格。
进一步地，所述点云模型的几何构造步骤中，采用降维的Delaunay剖分法进行管道模型的构建，所述降维的Delaunay剖分法是以局部拟合的平面作为参考面，采用投影的方法将三维点云降至二维，然后使用二维Delaunay剖分法建立网格模型。
进一步地，所述模型拓扑结构的生成步骤中，利用管孔节点进行各工井模型和管道模型，具体为，根据所述点云模型的几何属性分析步骤中，获取的工井中管孔面的法向量，对工井面上的管孔进行编号，井间电缆可根据工井的方向和逻辑关系，通过管孔的对应关系，生成工井之间的电缆段，通过此方法可生成整条电缆线路的拓扑结构。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过点云数据的预处理步骤去除非工井和管道数据，并且采用首先针对单个工井和管道进行参数化建模，单后进行各模型的拼接的方法，将复杂的管网模型建模简化为单个工井、管道的建模，有效降低了建模的复杂度，提高了三维激光点云数据的建模效率。
(2)本发明在点云数据的预处理步骤中，分别采用ICP算法进行数据配准，匹配多次测量的数据；采用基于曲面拟合的简化方法进行数据简化，去除冗余数据；对点云数据进行分割和拼接，分离出背景数据，且保证了数据的完整性，充分减少了点云数据的数据量，提升了建模效果和效率。
(3)本发明在点云模型的几何属性分析步骤中，分别采用主成分分析法估算法向量，提高法向量的准确性；采用基于面域的特征点提取算法提取特征点，提高特征点的准确性；采用L1-中心骨架提取技术提取数据骨架线，具有抗噪声干扰的优点，提高了对骨架线的提取效率，法向量、特征点和骨架线均为电缆工井建模的重要数据，提高了建模的准确性。
(4)本发明在点云模型的几何构造步骤中，根据工井和电缆设备类型的不同，分别采用四面体网格剖分算法对工井模型进行几何重建、采用降维的Delaunay剖分法对电缆管道模型进行曲面重建，保证了建模质量和运行效率。
(5)本发明根据管孔节点进行电缆与管道模型的连接，将部件化的电缆和管道元素整体化，实现了具有拓扑一致性的庞大空间网络系统的构建。
附图说明
图1为本发明电缆工井三维激光点云数据的建模方法的流程图；
图2为本发明实施例中进行点云数据配准时的坐标平移和定向过程示意图；
图3为本发明实施例中再用ICP算法进行点云数据配准的示意图；
图4为本发明实施例工井模型的几何重建示意图；
图5为本发明实施例电缆工井三维激光点云数据的建模结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例为一种电缆工井三维激光点云数据的建模方法，主要分为四个步骤：工井点云数据的预处理、点云模型的几何属性分析、点云模型的几何构造、工井管道模型拓扑结构的生成。本实施例根据电缆管道表面点特征相似的特点，提出基于点云数据局部特征约束进行空间分割单个管道点云数据，去除非工井、管道数据，将复杂的管网模型建模简化为单个工井、管道的建模，有效降低了建模的复杂度，针对单个工井、管道建模，根据点云数据的特点进行参数化的建模。
下面对本实施例各步骤进行详细描述：
1、工井点云数据的预处理
三维激光点云模型数据的预处理包含如下几个方面：点云数据的采集、点云数据的配准、点云数据的修复、点云数据的化简、点云数据的分离与拼接。本实施例中完成的工井点云的数据处理主要包括：点云数据的配准、修复、简化、分离与拼接。
1.1、点云数据的配准及修复
如图3所示，在工井点云的测量过程中，有可能受到环境条件和设备的限制，获取到的完整的三维信息可能需要通过多次测量，这时需要对这些局部点云数据进行整合和配准，本发明中点云数据的精准配准采用了ICP算法。ICP算法的主要原理为：分别在待匹配的目标点云P和源点云Q中，按照一定的约束条件，找到最邻近点(Pi,Qi),然后计算出最优匹配参数R和T,使得误差函数最小。
由于三维激光扫描得到的数据中不可避免的会包含有噪点、外点数据或因模型表面被遮挡等原因，使得扫描后获得的点云数据可能存在孔洞，因此要在模型重建之前进行点云数据的修复，得到曲面平顺无孔洞的三维点云数据。
1.2、点云数据的简化
由于三维激光扫描获取到的三维点云数据非常密集，并且包含了大量的冗余数据，因此在模型重建前需要对点云数据进行简化。对于点云数据的简化，本发明中采用了基于曲面拟合的简化方法，这种方法可以根据法向量和曲率的变化去适应采样的密度，使得模型重建后的效果较好。
1.3、点云数据的分割与拼接
点云数据的分割和拼接，对点云模型特征重建、目标识别都有直接的影响，分割技术能够将三维点云数据中的特征信息与背景数据分离开，点云的拼接保证了模型数据的完整性，为快速完成目标物特征的提取和识别工作提供了重要的技术支持。
2、点云模型的几何属性分析
在三维工井、电缆管网的建模过程中，对三维激光点云模型的几何属性分析主要包含如下几个方面：法向量估算、特征点提取、数据骨架线提取。
2.1、法向量估算
法向量作为点云数据建模必不可少的属性之一，许多模型的表面重建算法需要使用准确的法向量来得到精确的重建结果。本实施例中使用了主成分分析(PCA)方法来进行法向量的估算。主成分分析法是一种降维的统计方法，借助正交变换，将多维变量系统进行降维处理，使之能以一个较高的精度转换成低维变量系统，再通过构造适当的价值函数，进一步把低维系统转化成一维系统。
2.2、特征点提取
特征点在三维数字几何处理中对模型的精确表达及模型的理解和分析等方面都起着重要的作用。本次发明中采用基于面域的特征点提取算法，该算法是在点云数据中寻找具有相同属性点的集合，通过构造生长区域来实现点云数据的分割和特征点的提取。
2.3、数据骨架线提取
线性骨架作为三维几何模型的一维拓扑结构的描述方法，能够直观的反映出三维模型的拓扑信息和形状信息，是二三维空间中描述物体基本拓扑结构的有力抽象手段。提取电缆管道骨架线可以很好的表达电缆管道的走势和走向，据此进行电缆管道切片，实现电缆管道的参数化建模。
本实施例中数据骨架线的提取采用了L1-中心骨架提取方法，该技术是通过一维空间曲线表示三维点云几何结构的算法，它具有抗噪声干扰的优点，对于输入点云数据质量没有严格的要求，提高了对骨架线的提取效率。该方法是从原始点云中随机取一组样本点作为初始的中心点，然后比较点云数据中各个点到中心点的距离，使得每个点划分到预期距离最近的类中，形成初始类，然后通过迭代和重新分配，使得每个点都分配在离器最近的中心邻域内。通过逐渐增加领域的大小来处理一些不同级别的细节，便可得到清晰并且连接效果良好的骨架线。
3、点云模型的几何构造
通过对三维激光点云数据的预处理和点云数据模型的几何属性分析后，可得到工井、电缆管线的法向量信息、特征点数据及数据骨架信息。根据工井、电缆管线设备类型的不同，可将点云模型的构造分为：工井模型的几何重建和电缆管线的曲面重建。
3.1、工井模型的几何重建
对于工井的三维激光点云建模采取了四面体网格剖分算法。
根据四面体网格剖分算法原理，对于工井点云构建模型步骤主要为：
1)读取点云坐标数据，根据点云数据坐标信息建立初始三角网络；
2)遍历存放四面体的链表，找到插入点影响的四面体；
3)确定核腔，重构网格。
3.2、电缆管线的曲面重建
通过曲面重新构建电缆管线模型时，选择使用降维的Delaunay剖分法，该方法是以局部拟合的平面作为参考面，采用投影的方法将三维点云降至二维，然后使用二维Delaunay剖分法建立网格模型。这种算法能够保证重建曲面的质量，得到的曲面网格拓扑正确，并且思想简单容易实现，运行效率较高。
4、工井管道模型拓扑结构的生成
在拓扑关系构建方面，本实施例中利用管孔节点来进行电缆与管道的连接。根据工井中管孔面的法向量，对工井面上的管孔进行编号，井间电缆可根据工井的方向和逻辑关系，通过管孔的对应关系，生成工井之间的电缆段，通过此方法可生成整条电缆线路的拓扑结构。拓扑连接将部件化的电缆和管道元素整体化,实现了满足局部查询监测的庞大空间网络系统。
针对目前地下电缆工井管道的建模技术多基于手动或使用标准部件的半自动建模，存在建模过程繁琐、建模速度慢、模型质量无法保证等问题。
可将本实施例电缆工井三维激光点云数据的建模方法集成在自动建模软件中，实现对电缆工井三维激光点云数据的自动建模。该自动建模软件以三维激光点云为数据基础，融合了正逆向精细建模技术，面向地下电缆及附属设施，建立具有拓扑一致性的三维精细模型，提高了地下电缆、工井模型的建模效率和质量，可直接输出三维电缆管理应用使用的FBX格式的三维模型数据文件。
如图2所示，本实施例在模型构建过程中，对点云数据的配准包括以下步骤：根据采集设备获取的地理坐标信息，完成对点云进行坐标位置的平移，使用设备获取到的方向信息，完成对点云方向的调整，从而实现点云数据的配准。
如图3所示，本实施例在模型构建过程中，通过多次测量量获取电缆工井三维激光点云数据，因此对点云数据的配准还包括采用ICP算法进行数据配准，图中，P0,P1为采集设备上辅助定位定向点的位置，该位置与双天线位置对应。
如图4和图5所示，为本实施例的模型构建过程及效果，图5中，构建出的工井管道模型包括工井1、电缆2和环网柜3。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种电缆工井三维激光点云数据的建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
点云数据的预处理步骤，用于从点云数据中去除非工井和管道数据；
点云模型的几何属性分析步骤，用于从点云数据中获取点云模型的几何属性；
点云模型的几何构造步骤，用于根据点云模型的几何属性，构建工井或管道模型；
模型拓扑结构的生成步骤，用于连接各工井模型和管道模型。
2.根据权利要求1所述的一种电缆工井三维激光点云数据的建模方法，其特征在于，所述点云数据的预处理步骤包括点云数据的配准、点云数据的修复、点云数据的化简和点云数据的分离与拼接。
3.根据权利要求2所述的一种电缆工井三维激光点云数据的建模方法，其特征在于，采用ICP算法进行所述点云数据的配准。
4.根据权利要求2所述的一种电缆工井三维激光点云数据的建模方法，其特征在于，采用基于曲面拟合的简化方法进行所述点云数据的化简。
5.根据权利要求1所述的一种电缆工井三维激光点云数据的建模方法，其特征在于，所述点云模型的几何属性分析步骤包括法向量估算、特征点提取和数据骨架线提取。
6.根据权利要求5所述的一种电缆工井三维激光点云数据的建模方法，其特征在于，采用主成分分析法进行所述法向量估算。
7.根据权利要求5所述的一种电缆工井三维激光点云数据的建模方法，其特征在于，采用L1-中心骨架提取方法进行所述数据骨架线提取。
8.根据权利要求1所述的一种电缆工井三维激光点云数据的建模方法，其特征在于，所述点云模型的几何构造步骤中，采用四面体网格剖分算法进行工井模型的构建。
9.根据权利要求1所述的一种电缆工井三维激光点云数据的建模方法，其特征在于，所述点云模型的几何构造步骤中，采用降维的Delaunay剖分法进行管道模型的构建。
10.根据权利要求1所述的一种电缆工井三维激光点云数据的建模方法，其特征在于，所述模型拓扑结构的生成步骤中，利用管孔节点进行各工井模型和管道模型。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210402 |