基于激光传感器点云数据的开挖地貌三维重建与显示

摘要

气压沉箱作为地下工程中广泛使用的一种技术，在建设资源节约型城市的趋势下，对繁华城市地下空间的二次开发具有突出优势。使用激光三维扫描技术对开挖地貌实时监测，是一种很有前景的沉箱遥控挖掘辅助技术，然而当前应用于实际工程中的沉箱激光扫描监测技术还处在以点云模型显示的阶段，工作人员肉眼辨识图像比较困难，迫切需要提高地貌模型的可视化程度。作为监测手段，地貌模型的重建必须能够对点云进行实时自动处理，但由于沉箱工作区域条件恶劣，数据采集设备安装受限较大，场景存在动态变化等因素，地貌点云的重建还存在很多难点。本文对此提出了一种开挖地貌的三维可视化建模方法，可以不需人工干预的对沉箱激光扫描点云进行实时处理，生成具有监测功能的可视化模型。文中主要研究了三维场景重建过程中采集配准，数据融合，建网和三角剖分流程，根据沉箱工艺特点和建模对可视化，自适应和实时性的要求提出遮挡物的提取，点云空洞填补，和已知设备的合理显示等方法，完成对沉箱地貌的三维可视化建模。针对遮挡扫描路径的设备点因沉箱地表的无规则和设备的移动难于快速识别的问题，文中提出一种基于扫描线分段的特征识别方法对遮挡物进行提取，其中使用对跳跃点和由计算点到直线的偏离位置极值求取的折点算法对激光扫描线分段识别，避免了采用曲面分割法计算量大过程繁琐等问题。根据以上方法开发了沉箱开挖地貌三维模型显示软件，并针对工作人员的实际应用需求添加了等高显示，深度测量等辅助功能。整个地貌重建过程都是自动的，可满足实时性要求，实验证明能够为远程挖掘机械的操作人员提供可视化程度高，使用便捷的地貌实时监测模型。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 研究背景

1.3 本文的研究意义

1.4 国内外研究现状

1.5 激光三维场景的一般重建过程

1.6 地貌重建中存在的问题

1.7 本文工作

1.8 章节安排

1.9 本章小结

第二章 地貌点云的采集和匹配

2.1 点云数据获取

2.1.1 激光扫描仪原理

2.1.2 点云数据采集系统

2.2 沉箱地貌点云数据的双机位匹配

2.2.1 点云坐标建立

2.2.2 双机位的配准

2.3 点云滤波

2.4 本章小结

第三章 遮挡物的提取分离

3.1 遮挡物的通用处理技术

3.2 几种简化识别思路比较

3.3 基于扫描线分段和特征识别的遮挡物提取算法

3.3.1 扫描线的分段

3.3.2 子段的特征识别

3.4 本章小结

第四章 地貌数据的融合与建网

4.1 散乱点云的建网方法

4.2 点云数据的精简融合

4.3 网格的三角剖分

4.3.1 Delaunay三角形

4.3.2 四边形网格生成

4.3.3 三角剖分

4.4 缺失区域的推断与增补

4.4.1 三维重建中的空洞补充

4.4.2 开挖地貌的空洞增补算法

4.4.3 空洞增补结果

4.5 本章小结

第五章 沉箱地貌建模系统的软件实现

5.1 系统功能描述

5.2 开发流程

5.3 用户界面

5.4 自动建模模块

5.5 工程设备的参照显示模块

5.5.1 设备的位置提取

5.5.2 建立已知设备的STL模型文件

5.5.3 STL文件的读入

5.5.4 设备模型重绘

5.6 辅助功能模块

5.6.1 挖掘深度测量

5.6.2 等高色彩显示

5.6.3 模型显示模式切换

5.7 系统结果分析

5.8 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文