鐵路工程中海量機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)構(gòu)網(wǎng)與管理方法研究

程　寇

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300142)

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鐵路工程中海量機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)構(gòu)網(wǎng)與管理方法研究

程寇

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300142)

激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在著數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、數(shù)據(jù)構(gòu)網(wǎng)困難、文件傳輸不便等缺點(diǎn)，如何形成一種有效的海量激光雷達(dá)數(shù)據(jù)構(gòu)網(wǎng)與管理方法便顯得很有必要。提出一種點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)網(wǎng)與管理方法，并通過(guò)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間構(gòu)網(wǎng)與管理，能準(zhǔn)確的對(duì)復(fù)雜地表進(jìn)行三維重建，還原地形細(xì)節(jié)，為正射影像加工、斷面制作、地形圖生產(chǎn)提供可靠的保障。

機(jī)載激光雷達(dá)三角網(wǎng)構(gòu)建數(shù)據(jù)管理點(diǎn)云

1　概述

機(jī)載激光雷達(dá)(Light Detection and Ranging，簡(jiǎn)稱(chēng)LiDAR)是一種集成了激光測(cè)距、全球定位、慣性導(dǎo)航等技術(shù)的新型遙感設(shè)備。LiDAR使遙感技術(shù)在三維空間信息的快速和精確獲取方面取得了重大突破，代表了對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展方向之一，為快速高效獲取地表三維信息提供了強(qiáng)有力的支持。隨著電子科技水平和制作工藝的不斷提升，各種先進(jìn)的新型傳感器在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的份額逐年增加，采集、加工激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)產(chǎn)品的市場(chǎng)也越來(lái)越大。

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model， DEM)作為描述地表信息的基礎(chǔ)數(shù)字產(chǎn)品，是地理信息系統(tǒng)(Geographical Information System， GIS)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的核心和地學(xué)分析的基礎(chǔ)，也是工程建設(shè)、仿真分析、三維可視化等諸多領(lǐng)域的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一。

在DEM的各種表示方法中，不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulation Irregular Net， TIN)作為地表的數(shù)字化表現(xiàn)手段和分析工具，以其結(jié)構(gòu)良好、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)簡(jiǎn)單、地表重構(gòu)精度高及對(duì)不規(guī)則區(qū)域和數(shù)據(jù)點(diǎn)分布密度使用能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在鐵路、公路勘測(cè)設(shè)計(jì)一體化，GIS領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。不規(guī)則三角網(wǎng)能用更少的空間和時(shí)間更加精確的表示復(fù)雜表面，還原地形細(xì)節(jié)，其構(gòu)網(wǎng)原理與方法一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。

LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量由點(diǎn)密度和數(shù)據(jù)覆蓋的地理范圍正相關(guān)，在工程應(yīng)用中，數(shù)據(jù)覆蓋范圍很容易達(dá)到上千平方公里，按照0.5～1 m的點(diǎn)間距，數(shù)據(jù)量可達(dá)上百GB。目前，國(guó)內(nèi)外使用較多的點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)網(wǎng)與應(yīng)用軟件(如基于Microstation平臺(tái)的Terrasolid軟件，國(guó)內(nèi)武漢大學(xué)自主研發(fā)的TINModel軟件等)，在針對(duì)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理時(shí)，其效率和準(zhǔn)確性往往無(wú)法保證工程應(yīng)用需要。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外已有的各類(lèi)成熟軟件研究重點(diǎn)是在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方面，在針對(duì)海量數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用方面的研究相對(duì)較少。

結(jié)合鐵路工程線性分布與LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出一種點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)網(wǎng)與管理方法，并通過(guò)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間構(gòu)網(wǎng)與管理，能準(zhǔn)確的對(duì)復(fù)雜地表進(jìn)行三維重建，還原地形細(xì)節(jié)，為正射影像加工、斷面制作、地形圖生產(chǎn)提供可靠的保障。

2　構(gòu)網(wǎng)與管理流程

本文提出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)網(wǎng)與管理方法，其主要流程是：①通過(guò)其獲取到的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行基于數(shù)據(jù)重疊的點(diǎn)云分塊；②對(duì)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，結(jié)合分塊數(shù)據(jù)進(jìn)行基于特征約束條件下的Delaunay三角形構(gòu)網(wǎng)，并對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化；③構(gòu)建塊數(shù)據(jù)的空間索引和拓?fù)潢P(guān)系；④建立三角網(wǎng)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)度機(jī)制。之后，系統(tǒng)會(huì)提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口，以便進(jìn)行正射影像加工、斷面制作、地形圖生產(chǎn)等。

圖1為本方案流程圖及介紹說(shuō)明。

圖1　Lidar點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)網(wǎng)與管理流程

3　關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1點(diǎn)云分塊

目前常用的點(diǎn)云分塊方法是對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行嚴(yán)格劃分，塊與塊之間具有嚴(yán)格分界線，分界線上的點(diǎn)為相鄰兩塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)所共有，同時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件中還需記錄邊界線信息。但采用該種方法給點(diǎn)云分塊和后續(xù)的三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)、分塊數(shù)據(jù)管理增加了復(fù)雜度。

本文提出的激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分塊，區(qū)別于常規(guī)的數(shù)據(jù)分塊方法，需考慮如下因素：①單塊的數(shù)據(jù)量；②分塊編號(hào)和查找；③重疊區(qū)與接邊。當(dāng)分塊點(diǎn)云用于分塊三角網(wǎng)的構(gòu)建時(shí)，則需根據(jù)三角網(wǎng)分塊管理的特點(diǎn)，對(duì)點(diǎn)云分塊提出新的要求，否則數(shù)據(jù)構(gòu)網(wǎng)過(guò)程中容易出現(xiàn)漏洞和區(qū)域構(gòu)網(wǎng)不一致的情況。

為了簡(jiǎn)化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊和三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)完全獨(dú)立，采用具有較大重疊度的點(diǎn)云分塊方法。當(dāng)重疊區(qū)足夠?qū)挄r(shí)，采用具有唯一性的三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)算法構(gòu)網(wǎng)，各三角網(wǎng)數(shù)據(jù)在重疊區(qū)的中心部分構(gòu)網(wǎng)結(jié)果一致，重疊區(qū)的邊緣部分構(gòu)網(wǎng)結(jié)果不一致。只要確保中線附近不同塊數(shù)據(jù)的三角網(wǎng)一致，即可實(shí)現(xiàn)分塊三角網(wǎng)的接邊。

圖2為點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊處理流程。

圖2　Lidar點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊流程

3.2特征約束下的不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建

Delaunay三角網(wǎng)可以很好地?cái)M合現(xiàn)實(shí)地形地貌，構(gòu)網(wǎng)過(guò)程具備唯一性，因此在地形表達(dá)上是最常用的方法。Delaunay三角網(wǎng)生成方法中最常用的是逐點(diǎn)插入法，該算法雖然實(shí)現(xiàn)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，所需內(nèi)存較小，但計(jì)算復(fù)雜度高，運(yùn)算速度較慢。

在地形模型構(gòu)建中，特征線也是常見(jiàn)的地形表達(dá)因素。在溝坎等地形突變地區(qū)，激光點(diǎn)云受點(diǎn)間距限制，對(duì)地形的表達(dá)存在較大失真，一般采用特征線來(lái)約束三角網(wǎng)，提高局部地形的表達(dá)精細(xì)度。

綜上分析，提出一種基于特征約束下的Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)建方法。該方法是對(duì)傳統(tǒng)逐點(diǎn)插入法的改進(jìn)算法，其基本思想和步驟如下：

①將點(diǎn)落入的三角形分裂成3個(gè)新三角形，三角網(wǎng)中新增2個(gè)三角形；

②調(diào)整三角網(wǎng)鄰邊關(guān)系；

③取原三角形的某一條邊，取該條邊兩側(cè)的兩個(gè)三角形，其中一個(gè)三角形以新插入點(diǎn)為頂點(diǎn)

④判斷新插入點(diǎn)是否落入鄰邊三角形的外接圓；如果落入，則對(duì)這兩個(gè)三角形重構(gòu)。

該方法結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3　逐點(diǎn)插入算法示意

3.3空間索引構(gòu)建

在海量三角網(wǎng)中，快速查找定位三角形是最常用的方法。由于三角網(wǎng)中記錄了三角形的鄰邊關(guān)系，在小范圍內(nèi)，通過(guò)一個(gè)初始三角形，可以通過(guò)鄰邊查找定位到目標(biāo)三角形。初始三角形的選擇決定了查找的次數(shù)；初始三角形離目標(biāo)點(diǎn)越近，則查找次數(shù)越少。圖4所示為基于三角形鄰邊拓?fù)潢P(guān)系的快速檢索方法。

圖4　三角形快速檢索方法示意

按照平面規(guī)則格網(wǎng)對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行分塊編號(hào)，在每一塊中取一個(gè)三角形作為該塊的初始三角形。對(duì)于任意查詢(xún)點(diǎn)，可通過(guò)坐標(biāo)確定格網(wǎng)號(hào)，通過(guò)格網(wǎng)號(hào)找到當(dāng)前塊的初始三角形，然后通過(guò)鄰邊查找，定位到當(dāng)前點(diǎn)所在的三角形。

三角形格網(wǎng)分塊索引的建立方法如下：①確定格網(wǎng)大??；②遍歷點(diǎn)，獲得三角網(wǎng)最大外接矩形圍；③計(jì)算橫縱方向格網(wǎng)個(gè)數(shù)，并依次對(duì)格網(wǎng)編號(hào)；④遍歷三角形，判斷當(dāng)前三角形重心落入哪個(gè)格網(wǎng)內(nèi)，將該格網(wǎng)的三角形索引號(hào)設(shè)置為當(dāng)前三角形號(hào)；⑤如果當(dāng)前格網(wǎng)內(nèi)的三角形索引已經(jīng)賦值，則跳過(guò)；⑥完成三角形遍歷后，檢查每一個(gè)格網(wǎng)的三角形索引是否有空值，若有，則取離當(dāng)前格網(wǎng)最近格網(wǎng)的三角形索引號(hào)，作為當(dāng)前格網(wǎng)的三角形索引號(hào)。

其結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖5　三角形分塊快速檢索示意

4　項(xiàng)目應(yīng)用

為了更好的結(jié)合項(xiàng)目生產(chǎn)，借助于visual studio 2008 開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了一套LiDAR數(shù)據(jù)構(gòu)網(wǎng)與管理系統(tǒng)，并在赤峰接京沈聯(lián)絡(luò)線LiDAR項(xiàng)目中開(kāi)展應(yīng)用。

圖6從左到右分別為系統(tǒng)主界面和分塊后的數(shù)據(jù)文件。

圖6　赤峰接京沈聯(lián)絡(luò)線LiDAR項(xiàng)目應(yīng)用示意

赤峰接京沈聯(lián)絡(luò)線正線長(zhǎng)186 km，采用機(jī)載Lidar設(shè)備對(duì)全線進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，點(diǎn)云成果數(shù)據(jù)量為52 GB左右。通過(guò)在該項(xiàng)目中實(shí)施點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊構(gòu)網(wǎng)及空間索引建立，大大提高了縱斷面繪制、橫斷面生產(chǎn)、工點(diǎn)地形圖制作等工序的生產(chǎn)效率。

圖7為采用Lidar數(shù)據(jù)構(gòu)網(wǎng)與管理系統(tǒng)接口進(jìn)行路基橫斷面生產(chǎn)和線路縱斷面生產(chǎn)的示意。

圖7　利用分塊數(shù)據(jù)進(jìn)行縱斷面和橫斷面批量切繪

5　結(jié)論

針對(duì)鐵路工程中LiDAR點(diǎn)云成果存儲(chǔ)量大、構(gòu)網(wǎng)困難以及數(shù)據(jù)傳輸不便等問(wèn)題開(kāi)展了基于海量點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)和管理方面的研究，并在點(diǎn)云分塊、特征約束下的不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建、空間索引建立等關(guān)鍵技術(shù)上提出了自己的思想，并通過(guò)程序予以實(shí)現(xiàn)。

目前，該實(shí)驗(yàn)成果已應(yīng)用于相關(guān)項(xiàng)目生產(chǎn)中并發(fā)揮了較大作用，一定程度上提高了斷面制作和工點(diǎn)地形生產(chǎn)的效率。同時(shí)，軟件系統(tǒng)的成果開(kāi)發(fā)也為L(zhǎng)iDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的深化應(yīng)用提供了借鑒和參考。

[1]王晏明，郭明.大規(guī)模點(diǎn)云數(shù)據(jù)的二維與三位混合索引方法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2012(8)

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The Method for TIN Construction and Management with Massive Airborne Lidar Data in the Application of Railway Engineering

CHENG Kou

2016-03-22

程寇(1985—)，男，2009年畢業(yè)于武漢大學(xué)攝影測(cè)量與遙感專(zhuān)業(yè)，碩士，工程師。

1672-7479(2016)04-0027-03

P225.2

A