隧道三維點(diǎn)云孔洞修復(fù)方法

錢伯至，藍(lán)秋萍

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

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隧道三維點(diǎn)云孔洞修復(fù)方法

錢伯至，藍(lán)秋萍

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

針對(duì)隧道三維激光掃描點(diǎn)云中的孔洞，設(shè)計(jì)一種基于斷面輪廓的孔洞修復(fù)方法。隧道具有深長(zhǎng)性與截面恒定性兩大特征，文中基于這兩大特征，利用間鄰穩(wěn)定輪廓擬合完整隧道修復(fù)孔洞。該方法能夠?qū)θS激光掃描點(diǎn)云進(jìn)行圓柱投影，利用Delaunay三角構(gòu)網(wǎng)，提出基于隧道表面三角網(wǎng)的孔洞識(shí)別方法，最后根據(jù)相鄰隧道輪廓相似的特點(diǎn)，利用相鄰的輪廓對(duì)孔洞進(jìn)行修復(fù)。該方法能很好的修復(fù)孔洞并保留隧道結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，并以真實(shí)的隧道掃描數(shù)據(jù)驗(yàn)證算法的有效性和可靠性。

三維點(diǎn)云；Delaunay 三角構(gòu)網(wǎng)；孔洞識(shí)別；孔洞修補(bǔ)

近年來(lái)，隨著交通建設(shè)發(fā)展，隧道得到人們關(guān)注，而隧道的變形監(jiān)測(cè)是隧道建設(shè)中必不可少的一項(xiàng)環(huán)節(jié)。由于隧道存在光線不足、狹長(zhǎng)等問(wèn)題，常規(guī)的測(cè)量難以適用于隧道，而三維激光掃描技術(shù)又稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，它具有非接觸、掃描速度快、獲取信息量大、精度高且對(duì)環(huán)境要求較低等優(yōu)點(diǎn)[1]。激光掃描通過(guò)自主發(fā)射光束，可以解決隧道光線不足的問(wèn)題，適合隧道參數(shù)的測(cè)量。

然而因?yàn)樗淼纼?nèi)交通不可中斷，且掃描儀的掃描垂直角存在一定的限度，致使隧道掃描點(diǎn)云中存在大量孔洞。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)可見，目前已有許多孔洞修復(fù)的方法：如多視圖立體三維重建孔洞修復(fù)算法[2]，該方法基于視圖重建得到的三維點(diǎn)云與可見外殼點(diǎn)云融合算法[3-4]，在點(diǎn)云的稀疏度約束和曲率約束下修復(fù)點(diǎn)云，然而該方法對(duì)部分凹型區(qū)域也進(jìn)行一定修復(fù)，對(duì)原有結(jié)構(gòu)造成一定破壞；晏海平等提出基于徑向基函數(shù)的散亂點(diǎn)云孔洞修復(fù)算法[5]，通過(guò)內(nèi)外邊界邊的識(shí)別進(jìn)行孔洞識(shí)別，然后基于徑向函數(shù)的隱式曲面插值修復(fù)孔洞[6-7]，但是對(duì)于邊緣這類突變棱角，利用連續(xù)光滑曲面的約束條件重建缺失數(shù)據(jù)顯然有違于原始對(duì)象的幾何特征。

本文基于隧道輪廓的特征，利用相鄰隧道斷面輪廓修復(fù)孔洞?；谒淼罃嗝孑喞€檢測(cè)的孔洞識(shí)別最優(yōu)截面模型，以中軸線為基礎(chǔ)復(fù)刻完整隧道，實(shí)現(xiàn)孔洞擬合修復(fù)。

1 截取斷面輪廓

1.1 中軸線計(jì)算及三角構(gòu)網(wǎng)

圖1 角度與軸線距離匹配

表1平均邊長(zhǎng)變化規(guī)律表

圖2 三角網(wǎng)網(wǎng)型

1.2 斷面輪廓截取及孔洞識(shí)別

基于隧道表面三角網(wǎng)，采用垂直于中軸線的截?cái)嗝媾c三角網(wǎng)進(jìn)行空間求交獲得交點(diǎn)。Delaunay三角構(gòu)網(wǎng)后所形成的隧道三角網(wǎng)網(wǎng)型較密且孔洞范圍內(nèi)也存在三角網(wǎng)，在截取斷面輪廓線時(shí)難以區(qū)別孔洞。根據(jù)隧道孔洞附近三角網(wǎng)特點(diǎn)打斷孔洞位置的三角網(wǎng)邊，顯現(xiàn)孔洞。

圖3 點(diǎn)云孔洞

圖4 斷面截取

2 輪廓線修復(fù)

從隧道的特征出發(fā)，利用相鄰?fù)暾臄嗝孑喞獙?duì)孔洞位置進(jìn)行修復(fù)。隧道內(nèi)壁上存在吊燈、通風(fēng)扇、管線等附屬物，使得隧道斷面輪廓有細(xì)微的差別，本文采用識(shí)別最優(yōu)輪廓的方式，甄別出與需要填補(bǔ)的斷面輪廓最相似的斷面，并以此斷面為基準(zhǔn)進(jìn)行平移修補(bǔ)。最后利用補(bǔ)充中點(diǎn)的方式對(duì)隧道檢修道進(jìn)行孔洞修復(fù)。

(1)

圖6中黑色點(diǎn)表示待修復(fù)斷面P，紅色點(diǎn)為某

圖5 孔洞修復(fù)

圖6 最優(yōu)輪廓面

由于三維激光掃描的特點(diǎn)，導(dǎo)致隧道內(nèi)檢修道面等曲率變化很小的結(jié)構(gòu)在每個(gè)截?cái)嗝嫔系狞c(diǎn)都比較少，經(jīng)過(guò)上述方法修復(fù)孔洞后該結(jié)構(gòu)依舊會(huì)存在小孔洞，在已經(jīng)保留隧道結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的前提下，對(duì)該結(jié)構(gòu)利用插入中點(diǎn)的方式修復(fù)孔洞，使得隧道所有孔洞均被修復(fù)，且保證隧道內(nèi)部的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)不被破壞。

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自寧杭高速梯子山隧道的三維激光掃描點(diǎn)云，本次實(shí)驗(yàn)采用該隧道其中某一測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云個(gè)數(shù)為187 568個(gè)，該段隧道長(zhǎng)度為108.785 m。隧道三維激光掃描過(guò)程中交通不可阻斷，所以隧道豎直墻面存在由汽車等物體遮擋所導(dǎo)致的孔洞，且由于掃描儀本身掃描垂直角存在一定限度，使得測(cè)站中心所在位置的拱頂與地面存在較大孔洞。實(shí)驗(yàn)利用上述方法對(duì)隧道孔洞進(jìn)行修復(fù)，并保留吊燈、通風(fēng)扇、管線等附屬物。

對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行三角構(gòu)網(wǎng)并截取斷面輪廓。依據(jù)斷面輪廓線的長(zhǎng)度可識(shí)別孔洞的存在。隨后利用相鄰斷面輪廓進(jìn)行孔洞修復(fù)(根據(jù)修復(fù)效果，可進(jìn)行多次修復(fù)，以保證孔洞修復(fù)點(diǎn)云均勻)。最后通過(guò)插入中點(diǎn)的方式進(jìn)行修復(fù)，完成孔洞的修復(fù)。

圖7(a)為隧道原始點(diǎn)云，(b)表示隧道拱頂存在的吊燈，(c)表示隧道拱頂和路面的孔洞，(d)表示隧道豎直墻面由于遮擋物遮擋導(dǎo)致的小孔洞。進(jìn)行輪廓線修復(fù)后，效果見圖8。

圖7 隧道點(diǎn)云孔洞

圖8 修復(fù)后的點(diǎn)云

圖8是修復(fù)后隧道三維激光掃描點(diǎn)云，其中紅色為原始點(diǎn)云，綠色為修復(fù)后的點(diǎn)云，(a)中可以看出道路和拱頂?shù)膬蓚€(gè)孔洞被修復(fù)，(b)表示隧道兩側(cè)的小孔洞已被修復(fù)，(c)表示隧道吊燈在修復(fù)孔洞時(shí)被保留，(d)為修復(fù)過(guò)后隧道三維激光掃描點(diǎn)云沿中軸線方向觀察的形狀結(jié)構(gòu)，圖中可以看出修復(fù)后隧道結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)依舊保持完整。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)隧道三維激光掃描點(diǎn)云孔洞提出一種可行的修復(fù)算法?；邳c(diǎn)云平面擬合所得的法向量，實(shí)現(xiàn)高精度中軸線的獲取，同時(shí)討論“在利用圓柱投影構(gòu)建隧道三角網(wǎng)過(guò)程中，投影后兩個(gè)坐標(biāo)尺度差異對(duì)三維構(gòu)網(wǎng)結(jié)果的影響”，并給出統(tǒng)一坐標(biāo)尺度的方法，通過(guò)計(jì)算一個(gè)合適的半徑，將圓柱投影所得的弧度值轉(zhuǎn)換成弧度所對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)，確保坐標(biāo)尺度一致。利用Delaunay平面構(gòu)網(wǎng)方式對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行三角構(gòu)網(wǎng)，最后利用殘缺斷面的非殘缺點(diǎn)到參考斷面輪廓線的距離，優(yōu)選出用于修復(fù)的參考斷面，并利用該斷面的截?cái)帱c(diǎn)修復(fù)孔洞，再加入插值孔洞修復(fù)法，以保證所有孔洞都已被修復(fù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的算法不僅能完美地修復(fù)隧道點(diǎn)云的孔洞，且能確保隧道細(xì)節(jié)不被破壞。然而該方法目前只適用于直線型隧道，對(duì)于彎曲型隧道，由于中軸線隨隧道方向的變化而改變[15]，從而導(dǎo)致截?cái)嗝嬷g點(diǎn)的互相填補(bǔ)不能靠簡(jiǎn)單的直線平移進(jìn)行修復(fù)，有待進(jìn)一步的研究。

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[責(zé)任編輯：張德福]

Repairing tunnel 3D point cloud hole

QIAN Bozhi, LAN Qiuping

(School of Earth Science and Engineering, Hohai University,Nanjing 211100，China)

Due to the hole in tunnel 3D laser scanning point cloud, this paper designs a hole-filling method based on cross-sections. Tunnel is narrow and the cross-sections are similar, so the nearby intact cross-sections can be used to repair the hole. First of all, this paper changes 3D laser scanning point cloud into 2D by cylindrical projections and then comes up with a method to recognize the hole after constructing the Delaunay triangles. Finally, because the nearby cross-sections are similar, the hole is repaired with the nearby cross-sections. This method can not only repair the hole effectively, but also keep tunnel detail structure without destroyed. The effectiveness and reliability of this method are verified with the scanning data form a real tunnel.

3D point cloud; Delaunay triangle construction; hole identification; hole repair

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.03.010

2016-05-18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41301406)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20130829)

錢伯至(1994-)，男，本科生.

P231

A

1006-7949(2017)03-0046-05

引用著錄：錢伯至，藍(lán)秋萍.隧道三維點(diǎn)云孔洞修復(fù)方法[J].測(cè)繪工程，2017，26(3)：46-50，55.