針對地下空間掃描點云成果數據的快速建模方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種針對地下空間掃描點云成果數據的快速建模方法，屬于三維激光掃描技術領域。
【背景技術】
[0002]三維激光掃描技術是近年來興起的一種新型精確掃描技術，以精度高、細節表現全面為主要技術突破點，廣泛應用于影視、測量測繪、逆向工程等領域，是當前最可靠的計算機讀取現實世界的技術途徑。但是激光掃描后的點云數據是一種離散數據對象，無法進行精準量測，因而需要在點云數據基礎開展三維空間模型建模，使之變成完整模型對象，并加以應用。
[0003]這個建模過程能夠在毫無關聯關系的點對象之間，以位置關系為主要線索，逐級創建連接，也即通常所說的“三角網”。一般來說，形成三角網構成的三維模型能夠用于實景重現、外觀仿真等應用場景，例如3D打印。
[0004]在三角網建模的基礎之上，對模型對象進行數學化轉換，即以數學公式對某些點線面進行取代表達，使對模型的描述脫離海量的點云數據，進而使用數量極少的特征點和特征點之間的變化關系對模型進行描述。通常而言，一個使用三角網描述的空間模型對象通常需要幾萬至幾千萬個點進行描述，而進行數學化轉換以后，通常只需要幾十至幾百個點就能完成描述，大大提升了單位數據中的信息含量。當前測量測繪領域中的建筑物建模、地表三維建模等工作都采用了此類技術。
[0005]現有點云建模工具、算法主要是基于點對象三角網技術創建的，優點是能夠精確展現模型細節，但存在建模時間長、數據量大、易出錯等問題。對于大規模模型如建筑物、地下空間等大型相對規整對象進行建模時，問題尤其突出，同時由于建模精度遠高于建模對象的實際管理要求，因而會導致數據處理、建模工作投入的大量浪費。
【發明內容】
[0006]本發明為現有技術中存在的問題，提供一種針對地下空間掃描點云成果數據的快速建模方法，該方法針對建筑物、地下空間等大型相對規整對象建模需求而創造，對受測對象特征明確、結構相對簡單的地下空間激光掃描點云數據進行快速識別，并在加入簡單參數后，能夠自動創建符合分類要求的三維空間模型，并根據對象明顯特征進行分類管理。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)進行組合，在對點云數據進行結算的基礎上，對建模對象的主體結構進行自動建模。整個建模過程放棄了過去三角網構建過程中海量運算，直接采取擬合方式對建模對象進行立面建模計算，大大節省了建模時間，節約了建模計算資源。
[0007]本發明為解決上述技術問題所采用的技術方案如下:
[0008]—種針對地下空間掃描點云成果數據的快速建模方法，包括以下步驟:
[0009]S1:讀取地下空間對象的點云數據并刪除畸點數據，畸點數據是指在整體點云數據中，具有嚴重偏離、向外發散特征表現的點對象；
[0010]S2:預判形體參數，若形體參數可用，則進行步驟S4，若形體參數不可用，則進行步驟S3，所述形體參數可用是指創建出來的對象能夠與點云數據進行擬合；
[0011]S3:人為干預參數，對不可用的形體參數結果進行修正；
[0012]S4:構建邊際面模型，根據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行邊際面模型的創建；
[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據進行偏離值收斂糾正，若不是封閉模型，則轉入步驟S3。
[0015]進一步，步驟S2中預判形體參數的方法為采用凸多邊形拼合方式對空間對象的形狀進行分析，并計算空間對象分別在X、Y、Z軸方向的平面個數。
[0016]進一步，步驟S4中所述的邊際面為一個平面四邊形，構建邊際面模型的方法為:通過點云中點的連續性來確定平面四邊形每個邊的位置、長度及頂點。
[0017]進一步，步驟S5中所述的以擬合方式拼合各邊際面模型的過程為:根據各相鄰邊際面的鄰接、交叉情況進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的點云數據形成的連接曲面進行吻合度判斷，通過拉直連接曲面的方式對彎折曲面進行調整，使彎折曲面與連接曲面近似吻合，形成主體模型。
[0018]進一步，步驟S6中所述表面點云浮點差是指單一點云數據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具有同一特征的點云數據對象構成的
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[0019]再進一步，步驟S6中對群落點云數據進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，根據該群落點云連接曲面進行拉直處理，構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行交叉連接，形成新的主體模型。
[0020]本發明最主要特點是: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)進行組合，在對點云數據進行結算的基礎上，對建模對象的主體結構進行自動建模。整個建模過程放棄了過去三角網構建過程中海量運算，直接采取擬合方式對建模對象進行立面建模計算，大大節省了建模時間，節約了建模計算資源。
[0021]上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，并可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。
【附圖說明】
[0022]圖1是比較典型的地下空間點云數據；
[0023]圖2是本發明的建模流程圖；
[0024]圖3是畸點數據示意圖，被圈的部分是畸點數據；
[0025]圖4是對空間對象形體以多邊形柱狀體集合進行表示的示意圖；
[0026]圖5是對不可用的形體參數結果進行人為干預修正的示意圖；
[0027]圖6是所構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是對主體模型進行收斂的示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖和實施例，對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。
[0031]—種針對地下空間掃描點云成果數據的快速建模方法，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據并刪除畸點數據，畸點數據是指在整體點云數據中，具有嚴重偏離、向外發散特征表現的點對象，如圖3所示；在進行空間對象形體判斷時，默認對象形體是保持基本連續的，畸點數據會表現為少數的、獨立于整體數據之外的、無法連續形變的特征，因此可以根據現有技術中有關刪除的算法對其進行去除。
[0033]S2:預判形體參數，若形體參數可用，則進行步驟S4，若形體參數不可用，則進行步驟S3。形體參數是空間對象在各個方向上(乂、￥、2軸方向)的平面個數，例如簡單的立方體，其形體參數為(2、2、2)，所述形體參數可用是指創建出來的對象能夠與點云數據進行擬合，當形體參數不正確時，創建出來的對象會無法與點云進行較好的擬合，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。預判形體參數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軸方向的平面個數。
[0034]S3:人為干預參數，對不可用的形體參數結果進行修正，例如L形柱狀體可以看做是形體參數為(3、3、2)的柱狀體，通過目視來進行判斷，如圖5所示，通過手動輸入方式或其他方式對參數進行修正。
[0035]S4:構建邊際面模型，根據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行邊際面模型的創建，所述的邊際面應當為一個平面四邊形，如圖6所示。構建邊際面模型的方法為:通過點云中點的連續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:根據各相鄰邊際面的鄰接、交叉情況進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的點云數據形成的連接曲面進行吻合度判斷，通過拉直點云曲面的方式對彎折曲面進行調整，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雜的面，在進行吻合度判斷的時候很不利于計算，所以要對這個面進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，最終調整