一种井下受限空间三维测绘方法及系统与流程

本技术涉及三维测绘的，尤其是涉及一种井下受限空间三维测绘方法及系统。

背景技术：

1、地下管网、窨井及密闭矿井等受限空间在工程巡检与隐患排查中需要持续进行实景三维建模与空间数据采集。此类物理环境呈现狭长密闭特征，不仅缺乏全球定位系统信号，且内部常伴有高湿度水雾与粉尘。常规的三维测绘作业多依赖作业人员直接下井观测或使用地面大型固定式激光扫描仪。面对出入口狭小且内部存在大量探测盲区的地下空间，传统大型设备无法实现灵活的近距离空间覆盖，人员直接下井则面临安全风险，移动测绘装备逐渐被引入有限空间的实景重建工况中。

2、中国发明专利申请cn115329922a公开了一种煤矿井下多功能四足机器人数字孪生系统及其运行方法。该方案在物理实体的自主感知模块中集成了三维激光雷达、单目相机与机身姿态传感器，设备在煤矿井下利用惯性、视觉与激光雷达组合的slam算法构建带颜色信息的稠密三维地图，并利用无线通信模块将地图与设备实时状态同步至采用三维引擎开发的上位机虚拟空间。系统利用虚拟规划子系统完成路径规划，并在虚拟监控子系统中呈现机器人运行状态与周边环境的三维可视化监测画面。

3、上述方案在长时程的封闭受限空间作业工况下，由于极度依赖算法的增量式位姿递推，在缺乏外部全局坐标约束和绝对锚点校正的环境中，设备里程计的递推误差会持续累积，导致模型在长距离连续扫描分支中产生严重的位姿发散与累积错层。单目相机在移动采集过程中受环境光源变化影响，会触发成像系统曝光参数的剧烈波动，该方案将不同亮度特征的图像直接映射至稠密地图，使得最终模型表面呈现突兀的色彩断层与亮度拼接痕迹。在持续增量扫描状态下，累积的带颜色稠密三维点云数据量呈线性增长，设备在执行全局实时三维可视化渲染时，图形计算资源受限于硬件架构被庞大的持续输入数据迅速耗尽，直接引发渲染帧率衰减与监测画面严重卡顿，造成移动扫描场景下空间几何拓扑、表面纹理质量与系统渲染性能的整体劣化。

技术实现思路

1、为了解决扫描错层、色差与卡顿，实现精准三维测绘，本技术提供一种井下受限空间三维测绘方法及系统。

2、第一方面，本技术提供的一种井下受限空间三维测绘方法，采用如下的技术方案：一种井下受限空间三维测绘方法，包括：

3、获取受限空间的几何数据、图像帧与定位数据；

4、将所述几何数据转换至统一坐标系并存入活跃块，于局部哈希表已登记历史数据时进行去重平滑，并在所述活跃块达到预设阈值时生成三角面片以提取网格快照；

5、以包含最多顶点的所述网格快照作为基准帧，基于其包围盒交集构建配准生成树；

6、依据所述配准生成树的父子节点关系提取父子快照对，利用父节点的全局位姿漂移补偿矩阵对子节点进行空间粗对齐并同步转换所述父节点，再对转换后的所述父节点与粗对齐后的所述子节点进行单向配准，配准后融合生成网格模型；

7、依据所述网格模型在所述图像帧的投影及亮度选定目标帧并生成纹理块，校正亮度后对相邻纹理块的重叠区融合生成彩色纹理；

8、将所述定位数据转换为平面坐标并关联至具有所述彩色纹理的所述网格模型。

9、可选的，所述进行去重平滑包括：

10、构建局部体素网格并依其将空间坐标量化为体素索引以寻址至所述局部哈希表的哈希桶；

11、若所述哈希桶未登记历史数据，则将所述几何数据存入所述活跃块，并登记所述体素索引及内存指针；

12、若已登记所述历史数据，则阻断存入，以所述空间坐标对所述历史数据进行加权平均并依所述内存指针回写覆盖。

13、可选的，所述基于其包围盒交集构建配准生成树，包括：

14、对各所述网格快照的包围盒进行边界扩展，于扩展后的两包围盒具有空间交集时建立无向边，并以两包围盒中心距作为边权重构建无向拓扑图；

15、自所述基准帧对所述无向拓扑图进行广度优先遍历，依所述边权重的升序访问同层节点，并记录遍历路径上各节点的父节点连接关系以构建所述配准生成树。

16、可选的，所述再对转换后的所述父节点与粗对齐后的所述子节点进行单向配准，包括：

17、提取所述父子快照对中的两所述网格快照，分别记为参考快照与目标快照；

18、保持处于新全局坐标系下的所述参考快照固定，构建其哈希索引以获取所述目标快照在其中的对应点；

19、根据各所述对应点间的点对面距离求解变换矩阵，以更新所述目标快照的位姿。

20、可选的，所述根据各所述对应点间的点对面距离求解变换矩阵，以更新所述目标快照的所述位姿，包括：

21、于单次迭代中基于所述点对面距离构建雅可比矩阵，结合阻尼系数建立增量方程求解旋转与平移增量并进行裁剪；

22、由裁剪后的增量构建临时矩阵并计算当前误差；若当前误差大于历史误差，则撤销所述临时矩阵并增大所述阻尼系数；若当前误差不大于历史误差，则以所述临时矩阵更新所述位姿并减小所述阻尼系数。

23、可选的，所述配准后融合生成网格模型包括：

24、依据配准后的位姿将各所述网格快照的顶点统一至所述基准帧对应的坐标系中，并依全局体素网格归至对应体素；

25、依各所述网格快照的捕获时间对同一体素内的顶点进行加权平均得到加权质心；

26、将各所述网格快照原包含的三角面片的局部顶点索引重映射至对应所述加权质心以构建初步网格，并剔除面积低于预设阈值或发生退化的三角面片。

27、可选的，构建所述初步网格后，包括：

28、构建所述加权质心的哈希索引，获取源自不同所述网格快照且距离低于预设值的两所述加权质心作为邻近对；

29、将具有传递匹配关系的各所述邻近对归并至连通集；

30、取所述连通集内各所述加权质心的坐标均值生成代表点；

31、将原关联于所述邻近对的三角面片顶点索引重映射至所述代表点。

32、可选的，所述选定目标帧并生成纹理块包括：

33、获取静态外参矩阵，并取各所述图像帧的亮度中位数作为参考亮度；对图像帧采集时间戳相邻的前后递推位姿插值得到瞬时局部位姿，左乘对应所述网格快照的全局位姿漂移补偿矩阵得到同步全局位姿矩阵；

34、将两矩阵相乘取逆作为对应外参矩阵，结合相机内参求投影坐标以计算覆盖率与边界裕度；

35、结合基于所述参考亮度的曝光评分加权得到综合评分，选最高者作为所述目标帧。

36、可选的，所述校正亮度后对相邻纹理块的重叠区融合生成彩色纹理，包括：

37、计算各所述纹理块的亮度均值与所述参考亮度的偏差，并依小于一的系数缩放所述偏差完成亮度校正；

38、于相邻两所述纹理块的重叠区内沿垂直边界方向构建透明度渐变，并依所述透明度渐变对所述重叠区像素进行加权融合以得出所述彩色纹理。

39、第二方面，本技术提供的一种井下受限空间三维测绘系统，采用如下的技术方案：一种井下受限空间三维测绘系统，包括：

40、数据获取模块，用于获取受限空间的几何数据、图像帧与定位数据；

41、数据分块模块，用于将所述几何数据转换至统一坐标系并存入活跃块，于局部哈希表已登记历史数据时进行去重平滑，并在所述活跃块达预设阈值时生成三角面片以提取网格快照；

42、配准融合模块，用于以包含最多顶点的所述网格快照作为基准帧并基于其包围盒交集构建配准生成树，进而提取父子快照对进行粗对齐、同步转换与单向配准，配准后融合生成网格模型；

43、纹理处理模块，用于依所述网格模型在所述图像帧的投影及亮度选定目标帧并生成纹理块，校正亮度后对相邻纹理块的重叠区融合生成彩色纹理；

44、坐标转换模块，用于将所述定位数据转换为平面坐标并关联至具有所述彩色纹理的所述网格模型。

45、综上所述，本技术包括以下有益技术效果：

46、1、通过构建配准生成树并利用父节点的全局位姿漂移补偿矩阵对子节点进行空间粗对齐，同时对父节点顶点进行同步坐标转换，再执行单向配准，改变了传统增量式位姿递推中误差逐级单向累积的状态，有效抑制了长距离扫描中因缺乏全局约束产生的位姿发散与错层现象。

47、2、通过计算各纹理块的亮度均值与参考亮度的偏差并依小于一的系数缩放该偏差完成亮度校正，再于相邻纹理块的重叠区内沿垂直边界方向构建透明度渐变进行加权融合，改变了不同图像帧因曝光差异直接映射至模型表面的亮度突变状态，实现了纹理过渡的自然连续。

48、3、通过将几何数据存入活跃块并在活跃块达到预设阈值时生成三角面片提取网格快照，将连续点云流转化为静态渲染节点，改变了图形管线需实时处理持续增长的稠密点云数据的逻辑，降低了渲染计算资源的消耗，避免了监测画面的卡顿。