基于点云数据的水电工程建模

2015-03-18 11:22:41    来源:中国地理信息产业协会

摘要:本文以某水电工程为例,通过实例数据,探讨利用点云数据在水电站三维化建模过程中相关技术路线及难点。

0 引 言

  三维激光扫描(3D Laser Scanning)是一种先进的高精度立体扫描技术。激光扫描仪通过短时间内发射大量的激光束,采用非接触式主动测量方式,快速获取物体表面采样点的三维坐标,极大的克服了传统测量的局限性,在建筑物建模方面有着巨大的优势,另一方面,水电工程多出于地形复杂,地貌高差较大的区域,水电工程建筑物结构往往较为复杂,在水电站三维数字化过程中,若采用传统测量方式,因条件限制,数据采集效率较低。在水电站的三维数字化工作中引入激光雷达扫描系统,可快速获取水电工程各部位详细点云数据,在点云数据的基础上,可以提取相关的构筑物体型模型。极大的提高了数字化采集效率,消除了高坝,高边坡等区域人工采集数据所存在的风险,是水电站三维数字化工作中数据采集的一种全新手段。


1 三维激光扫描仪工作原理

  在水电工程点云数据采集中,地面三维激光扫描仪高速连续发射出单点激光,同时记录激光的回波信号,通过计算得到激光点位的(x,y,z)坐标,记录目标物体表面的大量离散点及相对应的颜色信息,从而获取目标表面的点云数据。


2 点云数据建模技术路线

  在水电工程的三维扫描测量工作中,根据实际需要,先设计最佳的设站位置与数量,从而获取高质量、高精度的点云数据,在获取点云数据的基础上,对点云进行加工,进而提取建筑物轮廓信息,之后,在提取轮廓信息的基础上,构建相应的水电工程模型,其技术路线如图1所示。


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图1 点云建模技术路线


3 点云数据获取

  通过现场实地考察,综合考虑外业数据获取中的各个影像因子,包括:测区面积、水电工程建筑轮廓特征、架站位置与数量、扫描精度等,本次工程共设计4个站次共5次观测,避免了扫描盲区并针对重要建筑区域进行高密度扫描。


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图2 观测测站位置示意图


  在数据采集完成之后,点云数据的处理主要包括配准、去噪等,相邻点云模型的配准是以其中一幅点云坐标系为基准,将相邻的点云数据转换到基准坐标系下,形成,完整,连续的点云模型,将需要配准的点云通过选取标靶点的方式,计算3个平移参数,3个旋转参数及1个尺度参数,通过旋转移动后,得到完整点云模型。

  在测量过程中,根据测区现场情况的不同,会产生数量不等的噪声点,此外,在建筑物表面也会形成大量冗余数据,需要对点云数据进行整理滤波或者通过手动的方式剔除噪音点。对点云数据处理完成之后,得到水电工程建筑物点云数据。


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图3 水电工程点云数据


4 建模过程中关键技术论述

4.1 水电工程建筑轮廓提取

  点云数据中具有目标建筑物的完整拓扑关系,但由于在采集过程中存在噪声点及大量冗余数据,在数据过滤之后,通过点云数据提取水电工程建筑物轮廓信息。


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图4 水电工程建筑轮廓提取


  在轮廓的提取中,首先采用抽稀点云的方法,利用长度阈值,检测水电工程建筑物边缘信息,将次重要的点进行删除,保留和建筑轮廓相关的有效信息点,首先只能得到建筑物的粗糙轮廓边缘,之后在此基础上继续进行提取,删除等操作,直到得到较为满意的轮廓粗糙模型。


4.2 水电工程模型构建

  在完成水工建筑精细轮廓提取之后,利用点云数据构建三角网导入专业建模软件中,基于水电工程建筑各个面进行建模,严格按照建筑尺寸进行。


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图5 水电工程建筑精细建模


  在水电工程精细建模的过程中,需要对照相关的现场图片,结合轮廓信息进行制作,以保证不遗漏水电工程的细节信息。


4.3 模型纹理恢复

  在水电工程模型构建完成之后,为了保证模型的真实感,将模型放置于三维场景之前,需要利用现场采集的照片,素材等内容,对模型进行纹理的恢复,以保持模型的现实性和逼真度。


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图6 水电工程建筑纹理恢复


  不同的工程部位具有不同构造信息及外观特性,此外,由于使用年代较久,建筑本身暴露在自然环境下,遭受风化等侵蚀后,其本身材质已发生变化,根据现场照片,分别制作纹理信息并贴图。


5 结束语

  三维激光扫描技术为水电工程三维模型建立提供了强有力的手段。地面三维激光扫描仪具有数据获取速度快、外业工作时间短、自动化程度高、操作方面等优点。

  本文通过实际工程实例,获取了高质量的水电工程模型,为三维激光扫描技术在水电工程数字化中的应用进行了探索,值得注意的是,目前在三维激光扫描应用过程中,在提取建筑物轮廓特征之后,采用的是手工建立模型,随着应用的广泛,如何利用点云数据进行建筑物边缘特征的自动提取、自动建模是今后点云数据建模需要研究的目标。


参考文献:

  [1] 谢武强,宋杨,王峰,等 三维激光扫描仪在建筑物里面测量中的应用[J].城市勘测,2013(2):12-14

  [2] 李巧丽 基于点云数据的塑像三维建模[D],2009 同济大学

  [3] 王果,崔西民,俞世伟,等 应用扫描光线重建法的建筑立面遮挡点云恢复[J].测绘通报,2014(5):32-37

  [4] 王俊,朱利 基于图像匹配-点云融合的建筑物里面三维重建[J].计算机学报,2012(10):12-15


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