公路設(shè)計(jì)中逆向工程技術(shù)的應(yīng)用

【摘 要】隨著CAD技術(shù)以及計(jì)算機(jī)等高速發(fā)展的時(shí)代，逆向工程技術(shù)被廣泛的應(yīng)用到公路的設(shè)計(jì)領(lǐng)域之中。文章介紹了逆向工程技術(shù)，闡述了逆向工程技術(shù)的數(shù)據(jù)處理流程，最后舉例說(shuō)明逆向工程技術(shù)在公路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】公路設(shè)計(jì)；逆向工程技術(shù)

1、逆向工程技術(shù)的概述

逆向工程技術(shù)在公路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，主要是對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行的數(shù)據(jù)采集和建立數(shù)字模型這兩個(gè)方面。逆向工程技術(shù)是未來(lái)公路設(shè)計(jì)的趨勢(shì)和發(fā)展方向，對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集利用的是激光測(cè)繪設(shè)備，然后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，建立相應(yīng)的地形數(shù)模，通過(guò)這種方式來(lái)進(jìn)行公路的設(shè)計(jì)將更加精確、高效而且直觀。[1]

逆向工程技術(shù)中首要的環(huán)節(jié)就是對(duì)數(shù)據(jù)的采集，也為建模反求提供了理論依據(jù)。建模的開(kāi)發(fā)效率和質(zhì)量受到了所采集數(shù)據(jù)的速度以及精度的影響。逆向工程中一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)就是能夠快速、準(zhǔn)確地采集三維點(diǎn)數(shù)據(jù)。逆向工程在各大領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集技術(shù)也在突飛猛進(jìn)的發(fā)展，從一開(kāi)始的接觸式的測(cè)量方法，逐漸發(fā)展為以磁學(xué)、光學(xué)等為媒介的非接觸式的測(cè)量方法，然后到最新研發(fā)的組合式的測(cè)量等。對(duì)不同類型的模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，所選取的測(cè)量方法也不同，要合理利用現(xiàn)有的資源，通過(guò)最低的采集成本完成精確、高效的數(shù)據(jù)采集。

2、逆向工程技術(shù)的數(shù)據(jù)處理流程

在逆向工程技術(shù)中，一個(gè)重要的環(huán)節(jié)就是數(shù)據(jù)的處理。數(shù)據(jù)的處理直接關(guān)系到數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確、方便地完成模型的重建。利用激光測(cè)量設(shè)備對(duì)模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，將沒(méi)有用的噪聲數(shù)據(jù)和有用的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的處理，最后生成DEM。數(shù)據(jù)的處理過(guò)程由數(shù)據(jù)的濾波、數(shù)據(jù)的平滑、數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)、數(shù)據(jù)的分割以及多視點(diǎn)云對(duì)齊等構(gòu)成。[2]

2.1數(shù)據(jù)濾波 數(shù)據(jù)的濾波是對(duì)行人、汽車經(jīng)過(guò)之后留下的足跡等噪聲進(jìn)行消除。噪聲是雜亂、稀疏的，這是與模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)最大的不同。抓住這一特點(diǎn)，可以使路面的面和點(diǎn)云相互垂直，實(shí)現(xiàn)投影效果，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的劃分要通過(guò)正方形的格網(wǎng)進(jìn)行，對(duì)格網(wǎng)點(diǎn)的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，依據(jù)掃描間距進(jìn)行閾值的設(shè)定，把閾值小于密度的格網(wǎng)中的點(diǎn)云進(jìn)行保留，刪除其它的點(diǎn)云，將格網(wǎng)的邊長(zhǎng)不斷縮小，依次進(jìn)行以上步驟將點(diǎn)云刪除，通過(guò)這樣的操作大部分的噪聲將被消除。

2.2數(shù)據(jù)平滑 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的高斯濾波算法或者是平均濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的平滑。所謂高斯濾波算法就是利用高斯濾波器設(shè)置高斯分布，濾波的平均效果相對(duì)比較小，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波的同時(shí)能夠在不損壞原數(shù)據(jù)形貌的前提下完成數(shù)據(jù)的濾波。而平均濾波算法指的是將模型采樣點(diǎn)的值換成平均濾波器中各數(shù)據(jù)點(diǎn)相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)值，這樣可以很好的將數(shù)據(jù)的毛刺消除。

2.3數(shù)據(jù)精簡(jiǎn) 在逆向工程技術(shù)的重構(gòu)曲面環(huán)節(jié)，如果存在點(diǎn)云過(guò)于密集的情況，不僅會(huì)影響計(jì)算機(jī)的操作、存儲(chǔ)以及運(yùn)行的效率，而且還會(huì)影響到曲面模型的生成時(shí)間和光順性。對(duì)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，就是為了防止這一問(wèn)題的發(fā)生。而針對(duì)點(diǎn)云的類型，所選取的精簡(jiǎn)方式也是不一樣的。例如，對(duì)于比較散亂的點(diǎn)云，往往是選擇隨機(jī)采樣的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)的；網(wǎng)格式的點(diǎn)云，進(jìn)行數(shù)據(jù)的縮減主要采用的是最小包圍區(qū)域的方法或者是等分布密度的方法。

2.4數(shù)據(jù)分割 以模型外形曲面相應(yīng)子曲面的不同類型作為數(shù)據(jù)分割的依據(jù)，把類型相同的子曲面數(shù)據(jù)分成一組，形成互不重疊、特征比較單一的數(shù)據(jù)區(qū)域，給曲面模型的重建提供了便利。對(duì)電云數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域分割的方法有兩種，即自動(dòng)分割法和測(cè)量分割法。自動(dòng)分割法又包括基于邊和基于面的兩種方法。基于邊的分割方法把測(cè)量點(diǎn)的曲率的變化作為是兩個(gè)區(qū)域的邊界，最終分割的區(qū)域結(jié)果是封閉的邊界區(qū)域；基于面的分割方法是把幾何特征比較相似的點(diǎn)作為同一個(gè)區(qū)域。而通過(guò)測(cè)量的分割方法是在進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量的過(guò)程中，依據(jù)模型的外形特征進(jìn)行分子曲面的劃分，再對(duì)各不相同的特征區(qū)域進(jìn)行標(biāo)注，然后對(duì)測(cè)量的路徑進(jìn)行規(guī)劃，按照曲面的不同特征將測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)CAD軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和分成顯示。

2.5多視點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)對(duì)齊 由于模型的外形數(shù)據(jù)不是通過(guò)一次測(cè)量來(lái)得到的結(jié)果，所以需要把零亂的數(shù)據(jù)放到同一個(gè)坐標(biāo)系里，要完成這一個(gè)過(guò)程就需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的對(duì)齊或者是拼合。目前，數(shù)據(jù)的對(duì)齊方法有兩種，即直接對(duì)齊法圖形對(duì)齊法。直接對(duì)齊法就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接的操作，完成數(shù)據(jù)的對(duì)齊，最終使得數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一致以及數(shù)據(jù)信息完整化。圖像對(duì)齊法，首先對(duì)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行局部造型，然后拼合對(duì)齊視圖數(shù)據(jù)相應(yīng)的幾何圖形，這種方法雖然簡(jiǎn)單、快捷而且結(jié)果非常準(zhǔn)確，但是在分割后不同的視圖中，由于特征信息和拓?fù)洳皇呛芡瓿?，局部造型很困難。

3、逆向工程技術(shù)在公路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

對(duì)舊路進(jìn)行改建是公路設(shè)計(jì)的一大難題，因?yàn)樵诟慕ㄟ^(guò)程中需要保護(hù)周邊的環(huán)境以及還原區(qū)域?qū)嵕暗?，文章以某一平交口的改造為例，講述公路設(shè)計(jì)中逆向工程技術(shù)的應(yīng)用。

3.1對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理 利用激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，激光掃描儀主要由測(cè)距系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)構(gòu)成。激光的測(cè)距系統(tǒng)是一種非接觸式的測(cè)量，激光束的發(fā)射和接收的時(shí)差來(lái)測(cè)量掃描議和掃描點(diǎn)之間的距離。激光的掃描系統(tǒng)是將激光束在反射鏡的作用下均勻的旋轉(zhuǎn)，并以等角的速度進(jìn)行發(fā)射，然后對(duì)豎直和水平方向的激光束進(jìn)行測(cè)量。測(cè)距系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)相互結(jié)合，可以計(jì)算出掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

利用ImgeWare軟件可以對(duì)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。該軟件將采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、平滑、分割、拼合等處理，最后得出完整的帶有點(diǎn)號(hào)的點(diǎn)云文本數(shù)據(jù)和三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.2建立模型 把三維點(diǎn)數(shù)據(jù)的文本輸入到CARD/1軟件中，進(jìn)行地形圖的處理，導(dǎo)出高精度的DEM，采樣之間的間距為0.2m，等高線之間的間距為1m。再次，將軟件中導(dǎo)入DEM文件進(jìn)行數(shù)模的疊加，最后得到帶顏色的DEM文件。

3.3根據(jù)點(diǎn)云地形圖進(jìn)行平面設(shè)計(jì) DEM模型是帶有顏色的，設(shè)計(jì)人員對(duì)舊路中心線以及邊緣線的確定會(huì)變得更精確和直觀，最終使實(shí)景還原度得到提高，更有效的完成道路的優(yōu)化處理。選取最佳的角度，對(duì)三維狀態(tài)的模型方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.4根據(jù)點(diǎn)云的地面線數(shù)據(jù)進(jìn)行縱斷面和橫斷面的設(shè)計(jì) 在點(diǎn)云DEM模型的基礎(chǔ)上，對(duì)縱斷面的插值進(jìn)行計(jì)算，得出帶有顏色的關(guān)于地面線的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云DEM模型可以通過(guò)對(duì)景深進(jìn)行設(shè)置，直觀地看到中線法線方向的地面上實(shí)際的情況。

通過(guò)點(diǎn)云DEM模型，可以將帶有視景深度橫斷方向的點(diǎn)云數(shù)據(jù)切出，然后對(duì)舊路橫斷方向的原有構(gòu)造物、拆遷情況等有詳細(xì)的了解，有把握地進(jìn)行橫斷面的設(shè)計(jì)。

4、結(jié)語(yǔ)

逆向工程技術(shù)為公路的設(shè)計(jì)提供了很多的方便，尤其是對(duì)舊路的重建方面，所以在公路的設(shè)計(jì)中一定要充分利用逆向工程技術(shù)，使公路設(shè)計(jì)更加精準(zhǔn)、快捷。

參考文獻(xiàn)

[1]童琳，顏廷山，葛思尚.逆向工程技術(shù)在公路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].交通世界(運(yùn)輸.車輛)，2011，(08).

[2]謝元媛，孫文磊，楊杰.逆向工程技術(shù)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化， 2008，(04).