基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的地下空間模型構(gòu)建技術(shù)研究

熊長喜侯岳時(shí)亞東焦賀軍

（1.河南省基礎(chǔ)地理信息中心，河南鄭州 450003；2.河南省測(cè)繪工程院，河南鄭州 450003；3.禹州市泓瑞測(cè)繪有限公司，河南禹州 461670）

基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的地下空間模型構(gòu)建技術(shù)研究

熊長喜1侯岳2時(shí)亞東3焦賀軍2

（1.河南省基礎(chǔ)地理信息中心，河南鄭州 450003；2.河南省測(cè)繪工程院，河南鄭州 450003；3.禹州市泓瑞測(cè)繪有限公司，河南禹州 461670）

本文在已有獲取的地下空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)精細(xì)隧道三維建模技術(shù)路線和處理流程進(jìn)行研究，本次研究成果將進(jìn)一步豐富三維數(shù)字城市建設(shè)的成果，對(duì)其進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用提供一定的技術(shù)參考。

地下空間；精細(xì)建模；激光掃描；數(shù)據(jù)預(yù)處理

地下空間精細(xì)三維建模是數(shù)字三維城市建設(shè)的重要內(nèi)容，以導(dǎo)線和斷面數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建的地下空間三維模型難以滿足三維數(shù)字城市的長遠(yuǎn)發(fā)展，也無法成為地下高精度導(dǎo)航定位的空間參照依據(jù)。本項(xiàng)目面向未來三維數(shù)字城市管理的需要，以高精度、高密度激光點(diǎn)云為主要數(shù)據(jù)源，研究地下隧道三維模型的構(gòu)建思想。本文研究成果將進(jìn)一步豐富三維數(shù)字城市的發(fā)展，對(duì)地下工程（地鐵、隧道、人防工程等）精細(xì)三維場(chǎng)景建設(shè)也具有重要的參考作用。

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 精細(xì)隧道三維空間概念模型構(gòu)建方法

研究隧道的空間形態(tài)及其在高密度空間點(diǎn)云中的表現(xiàn)特征，抽象、簡(jiǎn)化并確立精細(xì)隧道三維空間數(shù)據(jù)模型基本組成元素，定義各基本元素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；研究由基本元素構(gòu)建三維隧道空間模型的組合法則、拓?fù)潢P(guān)系及相應(yīng)的操作算法［1-3］。

1.2 精細(xì)隧道三維空間模型生成的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

針對(duì)精細(xì)隧道三維空間概念模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，研究點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間濾波、投影變換、誤差分析、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化和空間差值等數(shù)據(jù)處理方法，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理。

1.3 精細(xì)隧道三維空間實(shí)體模型構(gòu)建方法

通過對(duì)空間構(gòu)網(wǎng)算法及LOD技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)基本元素對(duì)象、隧道實(shí)體對(duì)象的動(dòng)態(tài)快速構(gòu)建；通過對(duì)面向?qū)ο蠓椒翱臻g數(shù)據(jù)庫技術(shù)的研究，并結(jié)合精細(xì)隧道三維模型的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)隧道空間數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)、組織與管理［4］。

2 技術(shù)路線

通過對(duì)隧道結(jié)構(gòu)及其在激光掃描點(diǎn)云表達(dá)特點(diǎn)的深入研究，提出一種全新的、面向未來地下空間的精細(xì)隧道三維模型，該模型能滿足地下空間三維精細(xì)建模的需要；通過對(duì)基本理論和方法的深入研究，探討出較為完善的模型構(gòu)建理論體系，該模型要求具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活、可擴(kuò)

本項(xiàng)目擬采用以下技術(shù)路線，包括數(shù)據(jù)獲取、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、精細(xì)隧道模型構(gòu)建、可視化表達(dá)四部分。

2.1 數(shù)據(jù)獲取

本項(xiàng)目以地形三維激光掃描儀為主要傳感器，選擇地鐵隧道為研究對(duì)象。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理的主要任務(wù)是通過對(duì)原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的一系列操作，獲得能為空間模型構(gòu)建直接使用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。先按照構(gòu)建對(duì)象的不同，對(duì)原始對(duì)象進(jìn)行分塊操作，然后以數(shù)據(jù)塊為單位分別處理，采用空間濾波、投影變換、誤差分析、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化和空間插值等數(shù)據(jù)處理方法，得到空間對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)［8］。

2.3 精細(xì)隧道模型構(gòu)建

數(shù)據(jù)預(yù)處理后得到三類數(shù)據(jù)：隧道體點(diǎn)云、結(jié)點(diǎn)體點(diǎn)云和硐室體點(diǎn)云，分別采用不同的對(duì)象建模方法構(gòu)建三類對(duì)象：隧道體對(duì)象、結(jié)點(diǎn)體對(duì)象和硐室體對(duì)象，每個(gè)對(duì)象都是獨(dú)立的，由自身的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作方法，通過組合法則以及構(gòu)建對(duì)象間的拓?fù)潢P(guān)系，組合成完整的精細(xì)隧道三維空間模型［9］。

3 處理流程

3.1 數(shù)據(jù)的采集

目前有多種數(shù)據(jù)可用于本研究，主要包括某大型地下人防工程激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)、某大型公路隧道激光掃描數(shù)據(jù)、某地鐵隧道激光掃描數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可為本研究提供數(shù)據(jù)支持。

通過改進(jìn)和優(yōu)化地下空間標(biāo)靶布設(shè)方案提高了數(shù)據(jù)整體精度，可快速獲取精細(xì)準(zhǔn)確的地下空間數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型與建筑信息模型庫的快速匹配以及地下建（構(gòu)）筑物與多類設(shè)施數(shù)據(jù)的碰撞檢測(cè)功能。

3.2 三維建模

空間形態(tài)上隧道與水管具有相似之處：水管主要由管道、接頭和閥門構(gòu)成，地鐵隧道可以抽象為隧道體、結(jié)點(diǎn)體和硐室體，分別與上述水管組件相對(duì)應(yīng)。

組成隧道的每個(gè)元素都可以看作獨(dú)立的對(duì)象，有獨(dú)立的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、屬性及操作算法等。隧道是連接結(jié)點(diǎn)體和閥門的紐帶，只要處理好隧道與結(jié)點(diǎn)體、隧道與閥門對(duì)象之間的銜接關(guān)系，就可由以上三類基本元素構(gòu)建隧道空間模型。

隧道體在空間形態(tài)上呈線狀延伸分布，在局部細(xì)節(jié)上存在差異，在整體上相似，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。通過對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，獲取隧道體一系列的斷面數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的點(diǎn)構(gòu)成，呈閉合環(huán)狀分布，相鄰兩個(gè)斷面數(shù)據(jù)在空間形態(tài)上非常接近，對(duì)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)按照一定法則構(gòu)建空間格網(wǎng)，這個(gè)格網(wǎng)為一個(gè)空間環(huán)帶，能準(zhǔn)確地描述其所在區(qū)域隧道的局部細(xì)節(jié)特征。對(duì)隧道體上所有相鄰斷面數(shù)據(jù)按照相同的方式構(gòu)建空間格網(wǎng)，則能構(gòu)建該隧道體的空間表面模型。也就是說，隧道體空間表面模型構(gòu)建的過程，就是對(duì)相鄰兩個(gè)斷面線數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)并不斷重復(fù)的過程。

結(jié)點(diǎn)體是隧道交叉區(qū)域，內(nèi)部連通且呈不規(guī)則形狀，在與隧道體相連的部分與隧道體有相似的斷面。數(shù)據(jù)處理時(shí)，把內(nèi)部按照精度要求處理為離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，與隧道體連接部分保留一個(gè)斷面數(shù)據(jù)，對(duì)所有數(shù)據(jù)按照一定規(guī)則構(gòu)建空間格網(wǎng)。硐室體與結(jié)點(diǎn)體有相似的性質(zhì)。

由基本組件構(gòu)建隧道模型時(shí)，只需要處理結(jié)點(diǎn)體或硐室體與隧道體的銜接問題，由于每個(gè)基本元素在接口部位都是一個(gè)斷面數(shù)據(jù)，對(duì)這兩個(gè)斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的構(gòu)網(wǎng)就能將相鄰元素連接起來。

3.3 軟件系統(tǒng)的開發(fā)與功能實(shí)現(xiàn)

在精細(xì)三維建模基本思想的支持下，作者以VC++. NET和OpenGL為開發(fā)工具，建立了隧道的三維模型效果圖。

［1］盛德新，楊振球.基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的古建筑BIM幾何模型構(gòu)建［J］.測(cè)繪工程，2015（7）：76-80.

［2］鄧林建，程效軍，程小龍，等.一種基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建筑物BIM模型重建方法［J］.地礦測(cè)繪，2016（4）：14-16.

［3］李樂林.基于等高線族的機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)建筑物三維模型重建方法研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2012.

［4］潘中華.基于LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像融合的建筑物提取［D］.北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2012.

［5］吳波.基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維數(shù)字校園模型重建與漫游系統(tǒng)［D］.西安：西安科技大學(xué)，2015.

［6］汪禹芹.機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建筑物提取和模型規(guī)范化研究［D］.南京：南京大學(xué)，2013.

［7］吳蒙.基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物建模研究［D］.撫州：東華理工大學(xué)，2015.

［8］何原榮，鄭淵茂，潘火平，等.基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的復(fù)雜建筑體真三維建模與應(yīng)用［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2016（6）：1091-1099.

［9］丁延輝，邱冬煒，王鳳利，等.基于地面三維激光掃描數(shù)據(jù)的建筑物三維模型重建［J］.測(cè)繪通報(bào)，2010（3）：55-57.

Research on the Construction of Underground Space Model Based on Point Cloud Data

Xiong Changxi1Hou Yue2Shi Yadong3Jiao Hejun2
（1.Henan Basic Geographic Information Center，Zhengzhou Henan 450003；2.Surveying&Mapping Engineering Institute of Henan Province，Zhengzhou Henan 450003；3.Yuzhou Hongrui Mapping Ltd.，Yuzhou Henan 461670)

In this paper,based on the existing data of underground space point cloud,the technology and process of 3D modeling of fine tunnel were studied,the results of this study will further enrich the three-dimensional digital city construction achievements,to provide technical reference for its further development and application.

underground space；fine modeling；laser scanning；data preprocessing

TP391.4

A

1003-5168（2017）04-0029-02

2017-03-15

熊長喜（1963-），男，本科，副高級(jí)工程師，研究方向：測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)。展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；在理論研究的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)編程，由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)所提出的理論模型，并逐漸對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)［5-7］。