基于三维点云数据的管网自动建模研究

发布时间：2017-04-06 13:13

  本文关键词：基于三维点云数据的管网自动建模研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：管道是城市建设中重要的基础设施,它承担着物质传送以及废物排泄的功能,是保证人民正常生活的经脉。管网系统的建设与完善为城市的规划、建设、管理提供有力的决策支持。传统的二维管网空间表现力差、空间查询分析能力缺乏,无法有效表达复杂管网模型,已经不能满足现代城市中工厂管理及城市的规划建设需要。因此,管道的三维真实模型重建是一种迫切需求。相比于传统点测量获取管道数据进行三维重建,基于三维激光扫描手段能够全天候、高精度的获取管道数据。三维激光技术是近几年来迅速发展起来的一项高新技术,已经成为一种获取真实三维坐标数据不可或缺的手段。激光雷达扫描系统能够在短时间获取高精度海量点云,数据量从几个G到几百G,甚至达到TB级大小。因此如何快速高精度的处理扫描的点数据成为激光雷达技术发展及应用的关键。然而点云数据的无序性增加了处理难点,本文以现代化工厂及城市建设应用为出发点,以扫描管道点云数据为研究对象,进行三维管网模型重建研究。目前,管网建模技术主要是基于手工或标准连接件的半手工建模,而三维管网的全自动建模存在建模过程复杂、效率低、模型质量差等不足,针对以上问题,本文提出了一种直接基于点云数据进行三维管网自动重建的一套流程。主要通过分割复杂管网数据进行管道参数估计,然后将建模后的单个管道进行综合管道拓扑重建。本文算法过程主要分为四个步骤:管道点云数据分割、单个管道参数化、管道间拓扑分析、管网参数模型的重建。首先,根据管道表面点特征相似的特点,本文提出了基于点云数据局部特征约束进行空间欧式聚类分割单个管道点云数据,去除非管道数据。将复杂管网模型建模简化为单个管道建模,有效的降低了建模的复杂度。单个管道参数化过程分为管道中心线特征点提取、管道参数拟合及突变检测。本文采用L1-中心骨架提取算法提取管道骨架线作为中心线特征点,沿着中心线方向做切片拟合管道数据,最后对于有突变的管道根据几何投影法进行突变检测。在提取单个管道参数后,需要进行必要的管道拓扑分析,主要包括同一管道检测和交叉管道检测。管网参数模型重建过程中,本文提出了一种基于管道路径扫略、形体放样及布尔运算的复杂三维管道模型自动生成算法。根据截面形状参数曲线,运用图形变换,沿路径确定内插截面法线实现管道路径扫略三维模型构建;形体放样则是以放样截面间以各自顶点组成三角形为基元的小平面,来构造管道表面,采用逼近方式拟合三维管道的整体形状;布尔运算的联合、交、差几何计算实现管网交叉贯通复杂模型的三维建模。本文的算法和技术构成了一个可自动利用管道系统的大量激光雷达点云数据,生成三维管网模型的完整处理流程。通过实例验证,表明了该方法具有一定的鲁棒性,能够准确、高效地实现复杂管网三维模型的构建。
【关键词】：三维管网 点云 模型重建
【学位授予单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU990.3;P237
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-12
• 1.3 研究内容及技术路线12-13
• 1.4 论文的组织和安排13-15
• 第2章 三维管网模型建模技术15-21
• 2.1 三维管网建模技术概述15-16
• 2.2 管道数据采集方式16-17
• 2.3 常用的三维管网建模技术17-20
• 2.3.1 基于传统测量手段三维管网建模技术17-18
• 2.3.2 基于现代激光雷达测量手段的三维管网建模技术18-19
• 2.3.3 常用的点云管网建模软件19-20
• 2.4 本章小结20-21
• 第3章 点云管道参数提取21-32
• 3.1 数据预处理21-26
• 3.1.1 管网点云数据滤波去噪21-23
• 3.1.2 管道点云数据的分割23-26
• 3.2 管道参数提取26-31
• 3.2.1 管道数据骨架线提取26-28
• 3.2.2 管道切片拟合半径与圆心28-30
• 3.2.3 突变检测30-31
• 3.3 本章小结31-32
• 第4章 管网全自动建模方法32-42
• 4.1 管网建模算法32-34
• 4.1.1 形体沿路径扫略算法32-33
• 4.1.2 形体放样算法33
• 4.1.3 布尔运算33-34
• 4.2 同一管道检测34
• 4.3 交叉管道检测34-35
• 4.4 管网模型重建35-40
• 4.4.1 直线管道建模35-36
• 4.4.2 弯曲管道建模36-38
• 4.4.3 交叉管道建模38-40
• 4.5 本章小结40-42
• 第5章 管网建模实验的设计与实现42-51
• 5.1 总体设计42
• 5.2 管网自动建模流程42-47
• 5.2.1 实验点云数据来源42-43
• 5.2.2 管道点云数据分割43-44
• 5.2.3 单个管道参数化44-46
• 5.2.4 管网模型自动重建46-47
• 5.3 实验结果分析与评价47-50
• 5.4 本章小结50-51
• 第6章 结论与展望51-53
• 6.1 结论51
• 6.2 展望51-53
• 参考文献53-58
• 附录58-59
• 致谢59

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