基于激光点云数据的管道三维建模方法研究.doc

基于激光点云数据的管道三维建模方法研究 摘要：选取某高层建筑地下停车场管道为研究对象，利用徕卡C10扫描管道获取点云数据，并利用Cyclone软件进行拼接、去噪等预处理，利用Cyclone软件分割管道点云数据并进行模型创建，对点云数据缺失或质量不高的管道利用软件相关功能补救创建，组合成完整管网模型，与真实管道对模型进行对比分析。研究结果表明：基于Cyclone软件的地下停车场管道三维建模方法研究具有较高的精度与实用性，拥有广阔的运用前景。??????? 关键词：管道；三维激光扫描；点云数据；建模；Cyclone??????? 近年来一些学者进行了三维激光扫描技术相关研究，取得了一定的研究成果，主要有：胡春梅等[1]利用三维激光扫描仪对石化厂管道进行扫描，获取点云数据，并针对直管和弯管在点云模型数据量不同的情况下提出了具体的建模方法。李智临等[2]对点云完整的地方提出区域增长法建模，对点云不完整的部位使用了区域拟合法来得到相应的三维表面模型。赵威成等[3]使用AutoPLANT对管道数据进行了2维绘制，并成功将其转换为3维管道模型。Lee[4]利用激光扫描数据，提出了一种对直管和弯头进行自动化建模的方法，建模过程由确定管道的位置和方向、确定管道半径、校正部件位置三个步骤组成。F.H.Sanders[5]在管道建模中通过使用霍夫变换，找到直管的位置，并估测管道的半径。在建模过程中，Ahmed认为大多数直管应沿着与建筑设施的主轴正交的方向构建。??????? 1 激光点云数据获取与预处理??????? 1.1数据获取方法??????? 选择某高层建筑的地下停车场顶部管道为研究对象。停车场面积较大，顶部管道密集分布，有消防、给水、排污等各种管道。管道直径不一，阀门、三通、法兰等结构均有所呈现。??????? 综合考虑扫描区域及目标管道概况，本次扫描决定共设立6站，即从6个不同的方向对目标进行扫描。由于各站扫描数据是相互独立的，为满足后续的点云拼接，本次扫描共设立4个标靶。标靶的放置在一个稳定的位置，以防止标靶晃动[6]，同时确保这4个标靶每站可视。为了能够获取管道的完整点云数据，扫描站点与目标管道之间避开物体遮挡，扫描距离适中，避免超过仪器的有效扫描距离。??????? 1.2点云数据预处理??????? 本次使用徕卡C10配套的数据处理软件Cyclone8.0。将扫描数据导入Cyclone软件完成拼接得到完整的管道点云。本次试验使用基于标靶的拼接模式，经去噪处理后获得管道的点云数据，拼接精度小于6mm。图1和图2为去噪后点云视图。 ?????????????? 图1 初步去噪后点云底部视图????? 图2 初步去噪后点云顶部视图??????? 2管道三维建模??????? 2.1 管道点云数据分割??????? 预处理后的点云数据基本上只剩下管道数据，但管道间纵横交错，为方便建模，还需对点云数据按管道进行分割[7]。分割应结合扫描现场草图及扫描时所采取的影像资料，确定各管线的走向及相互的位置关系。在Cyclone内调整模型空间，选取合适的角度，框选目标管道点云数据，复制框内点云，从而得到新的模型空间（图3）。 ?????????????? 图3新模型空间内点云??????? 2.2 直管建模??????? 首先全选点云，然后合并各测站点云，这样在一个空间视角下所有的点云都是可视可选的。使用多点选择按钮点选目标管道点云，然后点击Creat Object|Region Grow|Pipe Run。生成对话框。通过调整按钮，可以对区域生长形成的管道进行控制。Region Thickness点云控制生长成管道时所需要的点云厚度（对于直径较小的管道，在点云数据不理想的情况下减小厚度参数有助于计算）；Maximum Gap to Span这个参数可以控制越过间断的大小跨度，Angle Tolerance可以生成的管道模型所能允许的角度偏差；Region Size参与生长计算的点云的范围。从对话框内还可以获取模型的细节信息，从图4中可以得到隐藏点云后构建的直管模型。 ??????????????? （a）垂直视角下的直管模型???? （b）水平视角下的直管模型??????? 图4 直管模型图??????? 在使用区域生长法建立模型的时候，对种子点的选择有一定的原则。选点要体现出管道的长度和直径，也就是尽量在管道两端选两个点、在管道的同一横切面上也选两个点。通过这样的选点方式能提高建模的成功率，并且模型精度也较高。这个选点原则在对点云质量不高的管道建模时尤为有效。??????? 2.3 弯管建模??????? 通常情况下弯管建模和直管采取相同的方法，但针对点云数据不完整或质量不高的弯管部分（图5）建模效果并