一种基于三维激光点云的隧道壁建模方法及系统与流程

本发明属于三维激光点云数据处理，具体涉及一种基于三维激光点云的隧道壁建模方法及系统。

背景技术：

1、随着我国城市的加速发展，公路、铁路和地铁等公共交通运输设施在不断的完善，与此同时隧道工程的建设规模也在不断扩大。而传统的隧道测量工作受到隧道环境复杂、空间狭长等因素的影响，不仅导致隧道测量时间长、耗费过多人力物力，而且很难进一步提高测量效率。近几年三维激光扫描技术以其高精度、高效率和实时主动性强等多种优势，目前已被广泛应用在实际的工程测量中，用于变形监测、三维重建等领域。

2、然而，现阶段传统的隧道壁建模大多通过隧道的断面及其中轴线完成，随着三维激光点云技术的成熟，基于三维激光点云数据对隧道壁表面进行建模也逐渐成为了研究热点。因此，亟需找到一种高效、准确且自适应能力强的基于三维激光点云数据对隧道壁表面重建的方法。

技术实现思路

1、为解决背景技术中提出的问题，在本发明的第一方面提供了一种基于三维激光点云的隧道壁建模方法，包括：获取待隧道壁建模的三维激光点云数据，并对所述三维激光点云数据进行预处理，所述预处理包括对三维激光点云数据的补全、过滤、简化和平滑；基于kd树和网格法，将经过预处理后的三维激光点云数据进行重建。

2、在本发明的一些实施例中，所述对所述三维激光点云数据进行预处理包括：对点云数据中存在缺失的部分进行补全；基于预设距离，对点云数据中的一个或多个离群点进行剔除；基于预设的数据简化的一个或多个参数，对点云数据进行简化；对简化后的数据进行平滑处理。

3、进一步的，所述基于预设距离，对点云数据中的一个或多个离群点进行剔除包括：对点云数据中的每一个点的领域进行统计，计算每个点到所有邻近点的平均距离和标准差；基于所述平均距离和标准差，确定距离阈值；根据所述距离阈值，标记点云数据中的一个或多个离群点，并对所述离群点进行剔除。

4、更进一步的，所述平均距离以及距离的标准差的计算公式分别表示为：

5、，，

6、其中，为每个点到其 k邻域范围内的邻近点的距离，表示点云数据中点的序号， m为点云数据包含点的总数; j示点云数据中每个点的邻近点的序号， m为点云数据包含点的总数， j每个点的 k域范围内的邻近点的总数。

7、在本发明的一些实施例中，所述基于kd树和网格法，将经过预处理后的三维激光点云数据进行重建包括：基于kd树，确定每个点的局部邻域的大小；根据每个点的局部邻域的大小，通过加权组成分分析滤波器生成一个或多个层次空间；对每个层次空间进行网格划分，并创建平滑的网格曲面；将所述网格曲面映射进行连通性传播；将点集中包含的属性传播至重建的曲面上，同时处理重建表面的拓扑结构。

8、进一步的，所述对每个层次空间进行网格划分，并创建平滑的网格曲面包括：在最平滑的层次空间中使用阿尔法形状算法进行网格划分，用以创建平滑的网格曲面。

9、本发明的第二方面，提供了一种基于三维激光点云的隧道壁建模系统，包括：获取模块，用于获取待隧道壁建模的三维激光点云数据，并对所述三维激光点云数据进行预处理，所述预处理包括对三维激光点云数据的补全、过滤、简化和平滑；重建模块，用于基于kd树和网格法，将经过预处理后的三维激光点云数据进行重建。

10、进一步的，所述获取模块包括：补全单元，用于对点云数据中存在缺失的部分进行补全；剔除单元，用于基于预设距离，对点云数据中的离群点进行剔除；简化单元，用于基于预设的数据简化的一个或多个参数，对点云数据进行简化；平滑单元，用于对简化后的数据进行平滑处理。

11、本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明在第一方面提供的基于三维激光点云的隧道壁建模方法。

12、本发明的第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明在第一方面提供的基于三维激光点云的隧道壁建模方法。

13、本发明的有益效果是：

14、本发明涉及一种基于三维激光点云的隧道壁建模方法及系统，其方法包括：获取待隧道壁建模的三维激光点云数据，并对所述三维激光点云数据进行预处理，所述预处理包括对三维激光点云数据的补全、过滤、简化和平滑；基于kd树和网格法，将经过预处理后的三维激光点云数据进行重建。

15、可见，本发明相对于传统隧道建模技术具有优势：

16、1、提出了一种基于改进的最小角度补全算法对缺失的点云数据进行补全，提高了最终重建完成的隧道壁三角网模型的质量。

17、2、隧道壁表面重建的过程中，通过在不同层次下对点云进行平滑处理，不仅可以有效地抵抗来自传感器或其他采样过程中造成的影响，还可以同时提取点云数据不同层次的特征，以便于保留模型细节和整体形状，并使表面重建的更加全面。在实际使用过程中，这种重建方法在处理具有不同比例和密度的点云时也能有较好的自适应性。

技术特征：

1.一种基于三维激光点云的隧道壁建模方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于三维激光点云的隧道壁建模方法，其特征在于，所述对所述三维激光点云数据进行预处理包括：

3.根据权利要求2所述的基于三维激光点云的隧道壁建模方法，其特征在于，所述基于预设距离，对点云数据中的一个或多个离群点进行剔除包括：

4.根据权利要求3所述的基于三维激光点云的隧道壁建模方法，其特征在于，所述平均距离以及距离的标准差的计算公式分别表示为：

5.根据权利要求1所述的基于三维激光点云的隧道壁建模方法，其特征在于，所述基于kd树和网格法，将经过预处理后的三维激光点云数据进行重建包括：

6.根据权利要求5所述的基于三维激光点云的隧道壁建模方法，其特征在于，所述对每个层次空间进行网格划分，并创建平滑的网格曲面包括：

7.一种基于三维激光点云的隧道壁建模系统，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的基于三维激光点云的隧道壁建模系统，其特征在于，所述获取模块包括：

9.一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1至6任一项所述的基于三维激光点云的隧道壁建模方法。

10.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述的基于三维激光点云的隧道壁建模方法。

技术总结
本发明涉及一种基于三维激光点云的隧道壁建模方法及系统，其方法包括：获取待隧道壁建模的三维激光点云数据，并对所述三维激光点云数据进行预处理，所述预处理包括对三维激光点云数据的补全、过滤、简化和平滑；基于KD树和网格法，将经过预处理后的三维激光点云数据进行重建。本发明提出了一种基于改进的最小角度补全算法对缺失的点云数据进行补全，提高了最终重建完成的隧道壁三角网模型的质量，同时在处理具有不同比例和密度的点云时也能有较好的自适应性。

技术研发人员：吴信才,吴亮,徐江龙,黄波,黄胜辉,杜思雨,刘璐
受保护的技术使用者：武汉中地数码科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/8