針對地下空間掃描點云成果數(shù)據(jù)的快速建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種針對地下空間掃描點云成果數(shù)據(jù)的快速建模方法，屬于三維激光掃描技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]三維激光掃描技術(shù)是近年來興起的一種新型精確掃描技術(shù)，以精度高、細(xì)節(jié)表現(xiàn)全面為主要技術(shù)突破點，廣泛應(yīng)用于影視、測量測繪、逆向工程等領(lǐng)域，是當(dāng)前最可靠的計算機讀取現(xiàn)實世界的技術(shù)途徑。但是激光掃描后的點云數(shù)據(jù)是一種離散數(shù)據(jù)對象，無法進(jìn)行精準(zhǔn)量測，因而需要在點云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)開展三維空間模型建模，使之變成完整模型對象，并加以應(yīng)用。
[0003]這個建模過程能夠在毫無關(guān)聯(lián)關(guān)系的點對象之間，以位置關(guān)系為主要線索，逐級創(chuàng)建連接，也即通常所說的“三角網(wǎng)”。一般來說，形成三角網(wǎng)構(gòu)成的三維模型能夠用于實景重現(xiàn)、外觀仿真等應(yīng)用場景，例如3D打印。
[0004]在三角網(wǎng)建模的基礎(chǔ)之上，對模型對象進(jìn)行數(shù)學(xué)化轉(zhuǎn)換，即以數(shù)學(xué)公式對某些點線面進(jìn)行取代表達(dá)，使對模型的描述脫離海量的點云數(shù)據(jù)，進(jìn)而使用數(shù)量極少的特征點和特征點之間的變化關(guān)系對模型進(jìn)行描述。通常而言，一個使用三角網(wǎng)描述的空間模型對象通常需要幾萬至幾千萬個點進(jìn)行描述，而進(jìn)行數(shù)學(xué)化轉(zhuǎn)換以后，通常只需要幾十至幾百個點就能完成描述，大大提升了單位數(shù)據(jù)中的信息含量。當(dāng)前測量測繪領(lǐng)域中的建筑物建模、地表三維建模等工作都采用了此類技術(shù)。
[0005]現(xiàn)有點云建模工具、算法主要是基于點對象三角網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)建的，優(yōu)點是能夠精確展現(xiàn)模型細(xì)節(jié)，但存在建模時間長、數(shù)據(jù)量大、易出錯等問題。對于大規(guī)模模型如建筑物、地下空間等大型相對規(guī)整對象進(jìn)行建模時，問題尤其突出，同時由于建模精度遠(yuǎn)高于建模對象的實際管理要求，因而會導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理、建模工作投入的大量浪費。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種針對地下空間掃描點云成果數(shù)據(jù)的快速建模方法，該方法針對建筑物、地下空間等大型相對規(guī)整對象建模需求而創(chuàng)造，對受測對象特征明確、結(jié)構(gòu)相對簡單的地下空間激光掃描點云數(shù)據(jù)進(jìn)行快速識別，并在加入簡單參數(shù)后，能夠自動創(chuàng)建符合分類要求的三維空間模型，并根據(jù)對象明顯特征進(jìn)行分類管理。該方法使用多種幾何立體對象(多邊形柱體、圓柱體、球體、多邊形梯形體、三角多面體、管形柱體等)進(jìn)行組合，在對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)算的基礎(chǔ)上，對建模對象的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動建模。整個建模過程放棄了過去三角網(wǎng)構(gòu)建過程中海量運算，直接采取擬合方式對建模對象進(jìn)行立面建模計算，大大節(jié)省了建模時間，節(jié)約了建模計算資源。
[0007]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:
[0008]—種針對地下空間掃描點云成果數(shù)據(jù)的快速建模方法，包括以下步驟:
[0009]S1:讀取地下空間對象的點云數(shù)據(jù)并刪除畸點數(shù)據(jù)，畸點數(shù)據(jù)是指在整體點云數(shù)據(jù)中，具有嚴(yán)重偏離、向外發(fā)散特征表現(xiàn)的點對象；
[0010]S2:預(yù)判形體參數(shù)，若形體參數(shù)可用，則進(jìn)行步驟S4，若形體參數(shù)不可用，則進(jìn)行步驟S3，所述形體參數(shù)可用是指創(chuàng)建出來的對象能夠與點云數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合；
[0011]S3:人為干預(yù)參數(shù)，對不可用的形體參數(shù)結(jié)果進(jìn)行修正；
[0012]S4:構(gòu)建邊際面模型，根據(jù)形體邊界以及邊界垂直方向點云延伸判斷，在各個相對垂直面中進(jìn)行邊際面模型的創(chuàng)建；
[0013]S5:以擬合方式拼合各邊際面模型，形成主體模型；
[0014]S6:判斷主體模型是否為封閉模型，若是，則進(jìn)行表面點云浮點差計算，并對超過浮點差范圍的群落點云數(shù)據(jù)進(jìn)行偏離值收斂糾正，若不是封閉模型，則轉(zhuǎn)入步驟S3。
[0015]進(jìn)一步，步驟S2中預(yù)判形體參數(shù)的方法為采用凸多邊形拼合方式對空間對象的形狀進(jìn)行分析，并計算空間對象分別在X、Y、Z軸方向的平面?zhèn)€數(shù)。
[0016]進(jìn)一步，步驟S4中所述的邊際面為一個平面四邊形，構(gòu)建邊際面模型的方法為:通過點云中點的連續(xù)性來確定平面四邊形每個邊的位置、長度及頂點。
[0017]進(jìn)一步，步驟S5中所述的以擬合方式拼合各邊際面模型的過程為:根據(jù)各相鄰邊際面的鄰接、交叉情況進(jìn)行邊與邊之間的對接，形成彎折曲面，將該彎折曲面與其影響范圍內(nèi)的點云數(shù)據(jù)形成的連接曲面進(jìn)行吻合度判斷，通過拉直連接曲面的方式對彎折曲面進(jìn)行調(diào)整，使彎折曲面與連接曲面近似吻合，形成主體模型。
[0018]進(jìn)一步，步驟S6中所述表面點云浮點差是指單一點云數(shù)據(jù)對象到鄰近面的垂直距離；所述浮點差范圍是指相鄰點云對象距離小于3倍點云平均鄰接距離且密度大于1/3點云平均密度的范圍；所述群落是指在浮點差范圍內(nèi)具有同一特征的點云數(shù)據(jù)對象構(gòu)成的
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[0019]再進(jìn)一步，步驟S6中對群落點云數(shù)據(jù)進(jìn)行偏離值收斂糾正的方法為:對于相鄰點云超過浮點差范圍的群落，根據(jù)該群落點云連接曲面進(jìn)行拉直處理，構(gòu)建吻合該群落點云對象的簡單多邊形曲面，并將該簡單多邊形曲面與既有模型進(jìn)行交叉連接，形成新的主體模型。
[0020]本發(fā)明最主要特點是:該方法使用多種幾何立體對象(多邊形柱體、圓柱體、球體、多邊形梯形體、三角多面體、管形柱體等)進(jìn)行組合，在對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)算的基礎(chǔ)上，對建模對象的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動建模。整個建模過程放棄了過去三角網(wǎng)構(gòu)建過程中海量運算，直接采取擬合方式對建模對象進(jìn)行立面建模計算，大大節(jié)省了建模時間，節(jié)約了建模計算資源。
[0021]上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本發(fā)明的較佳實施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。
【附圖說明】
[0022]圖1是比較典型的地下空間點云數(shù)據(jù)；
[0023]圖2是本發(fā)明的建模流程圖；
[0024]圖3是畸點數(shù)據(jù)示意圖，被圈的部分是畸點數(shù)據(jù)；
[0025]圖4是對空間對象形體以多邊形柱狀體集合進(jìn)行表示的示意圖；
[0026]圖5是對不可用的形體參數(shù)結(jié)果進(jìn)行人為干預(yù)修正的示意圖；
[0027]圖6是所構(gòu)建的邊際面模型示意圖；
[0028]圖7是表面點75Γ浮點差不意圖；
[0029]圖8是對主體模型進(jìn)行收斂的示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0031]—種針對地下空間掃描點云成果數(shù)據(jù)的快速建模方法，如圖2所示，包括以下步驟:
[0032]S1:讀取地下空間對象的點云數(shù)據(jù)并刪除畸點數(shù)據(jù)，畸點數(shù)據(jù)是指在整體點云數(shù)據(jù)中，具有嚴(yán)重偏離、向外發(fā)散特征表現(xiàn)的點對象，如圖3所示；在進(jìn)行空間對象形體判斷時，默認(rèn)對象形體是保持基本連續(xù)的，畸點數(shù)據(jù)會表現(xiàn)為少數(shù)的、獨立于整體數(shù)據(jù)之外的、無法連續(xù)形變的特征，因此可以根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中有關(guān)刪除的算法對其進(jìn)行去除。
[0033]S2:預(yù)判形體參數(shù)，若形體參數(shù)可用，則進(jìn)行步驟S4，若形體參數(shù)不可用，則進(jìn)行步驟S3。形體參數(shù)是空間對象在各個方向上(乂、￥、2軸方向)的平面?zhèn)€數(shù)，例如簡單的立方體，其形體參數(shù)為(2、2、2)，所述形體參數(shù)可用是指創(chuàng)建出來的對象能夠與點云數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，當(dāng)形體參數(shù)不正確時，創(chuàng)建出來的對象會無法與點云進(jìn)行較好的擬合，如矩形立方體就無法與L形狀的柱狀體擬合，因此可以判斷不可用。預(yù)判形體參數(shù)的方法為采用凸多邊形(多邊形柱體、圓柱體、球體、多邊形梯形體、三角多面體、管形柱體等)拼合方式對空間對象的形狀進(jìn)行分析，如圖4所示，并計算空間對象分別在X、Y、Z軸方向的平面?zhèn)€數(shù)。
[0034]S3:人為干預(yù)參數(shù)，對不可用的形體參數(shù)結(jié)果進(jìn)行修正，例如L形柱狀體可以看做是形體參數(shù)為(3、3、2)的柱狀體，通過目視來進(jìn)行判斷，如圖5所示，通過手動輸入方式或其他方式對參數(shù)進(jìn)行修正。
[0035]S4:構(gòu)建邊際面模型，根據(jù)形體邊界以及邊界垂直方向點云延伸判斷，在各個相對垂直面中進(jìn)行邊際面模型的創(chuàng)建，所述的邊際面應(yīng)當(dāng)為一個平面四邊形，如圖6所示。構(gòu)建邊際面模型的方法為:通過點云中點的連續(xù)性來確定平面四邊形每個邊的位置、長度及頂點。
[0036]S5:以擬合方式拼合各邊際面模型，形成主體模型。具體過程為:根據(jù)各相鄰邊際面的鄰接、交叉情況進(jìn)行邊與邊之間的對接，形成彎折曲面，將該彎折曲面與其影響范圍內(nèi)的點云數(shù)據(jù)形成的連接曲面進(jìn)行吻合度判斷，通過拉直點云曲面的方式對彎折曲面進(jìn)行調(diào)整，使彎折曲面與連接曲面近似吻合，形成主體模型。本步驟做說明如下:點云的連接面是一個非常復(fù)雜的面，在進(jìn)行吻合度判斷的時候很不利于計算，所以要對這個面進(jìn)行一定程度的拉直處理，然后判斷拉直后的點云曲面和初始生成的彎折曲面之間的吻合度，最終調(diào)整