隧道点云中心线自动提取和三角网构建方法与流程

技术特征：
1.一种隧道点云中心线自动提取和三角网构建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤100：通过三维激光扫描，采集目标区域的点云数据；步骤200：根据采集的目标区域的点云数据，计算隧道中心线坐标；步骤300：将点云沿着隧道中心线进行重投影；步骤400：对坐标投影后的点云进行去噪；步骤500：将去噪后的点云沿着中心线展开；步骤600：构建三角网模型。2.根据权利要求1所述的隧道点云中心线自动提取和三角网构建方法，其特征在于，步骤100中，采集目标区域的点云数据，具体方法是：通过三维激光雷达扫描周围环境，采集周围环境的点云数据。3.根据权利要求2所述的隧道点云中心线自动提取和三角网构建方法，其特征在于，步骤200中，根据采集的目标区域的点云数据，计算隧道中心线坐标，具体方法是：根据步骤100获得的已知点云数据，给出隧道上一点以及隧道初始方向，可根据一定的步长对隧道点云进行切分，并自动计算出整条隧道的中心线，包括如下步骤：步骤210：在隧道点云上指定一点pt
origion
以及初始方向，初始方向需要沿着隧道方向定义为xdir
origion
，垂直于初始方向定义为ydir
origion
；步骤220：对pt
origion
的位置进行重新计算，沿着xdir
origion
取得一定宽度d的剖面点云，计算该点云的凸包点，然后对凸包上的点均匀采样，然后计算所有采样点的中心，以此中心的位置重新作为pt
origion
；步骤230：从pt
origion
沿着xdir
origion
方向按照给定的步长step，找到下一个中心点，此中心点的位置计算方法为：pt
new
＝pt
origion
xdir
origion
*step取得pt
new
后，按照步骤220所述方法对pt
new
的位置进行优化，输出优化后的中心点pt
new
，并求得新的前进方向xdir
new
，最后以pt
new
作为pt
origion
，以xdir
new
作为xdir
origion
，重复此步骤，直到，序终止；步骤240：进入步骤210，将所给定的初始方向反向，其它条件不变，以处理隧道的另一个方向，即可求得整条隧道的中心线。4.根据权利要求3所述的隧道点云中心线自动提取和三角网构建方法，其特征在于，步骤300中，将点云沿着隧道中心线进行重投影，具体步骤是：步骤310：计算各个隧道中心线的顺线路方向以及横线路方向；步骤320：对每一段中心线点之间的点云进行重投影。5.根据权利要求4所述的隧道点云中心线自动提取和三角网构建方法，其特征在于，步骤310中，计算各个隧道中心线的顺线路方向，具体计算方法是：假设各个隧道中心点的坐标为p
i
，以p1为起点的向量为p
01
，以p2为起点的向量为p
12
；p
01
＝p0‑
p1，p
12
＝p1‑
p2，以p1为起点的向量p
1final
为中心线点p1最终的顺线路方向，p
1final
＝(p
01
p
12
)/2，对每一个中心点都可以求出相应的p
ifinal
，以各个中心线点为平面上一点，p
ifinal
为各个平面的法向，可以构成若干平面plane
i
，可将隧道点云按照这些平面划分为若干块，根据各个隧道中心点计算出的顺线路方向。6.根据权利要求5所述的隧道点云中心线自动提取和三角网构建方法，其特征在于，步
骤320中，对每一段中心线点之间的点云进行重投影，具体步骤是：首先计算隧道点云到中心线的距离proj
xdir
，然后以proj
xdir
为距离做一条平行于中心线的辅助线，则plane1和plane2将分别与该辅助线交于p
11
和p
22
，p
11
和p
22
之间的距离为d
help
；p点到p
11
的垂直距离为proj
ydir
，proj
ydir
与p点到p1点的垂直距离的差值为d
diff
；那么p点的真实投影距离proj
real
将采用以下公式进行计算：proj
real
＝(proj
ydir
‑
d
diff
)/d
help
*d
line
其中，proj
real
表示p点的真实投影距离；proj
ydir
表示p点到p
11
的垂直距离；d
diff
表示proj
ydir
与p点到p1点的垂直距离的差值；d
help
表示p
11
和p
22
之间的距离；d
line
表示中心线与辅助线之间的垂直距离；然后建立以点云在中心线顺线路方向上的投影距离为x轴，横线路方向投影为y轴，天顶方向为z轴的空间直角坐标系，经过此坐标投影后，全部的隧道点云的xy平面上的变化就被消除了。7.根据权利要求6所述的隧道点云中心线自动提取和三角网构建方法，其特征在于，步骤400中，对坐标投影后的点云进行去噪，具体步骤是；步骤410：沿着中心线，以一定步长对点云按照一定厚度进行切分；步骤420：将每块点云的x轴压平，即只保留横线路方向的y轴坐标以及天顶方向的z轴坐标；接下来求取点云的凹包，求出凹包点后，求解每一个隧道点到凹包最近连线的垂直距离d，连线的垂直距离d小于预设的经济阈值时，认为是隧道上的点，否则认为是噪点予以去除。8.根据权利要求7所述的隧道点云中心线自动提取和三角网构建方法，其特征在于，步骤500中，将去噪后的点云沿着中心线展开，具体步骤是；点云经过去噪之后，隧道边缘的点予以保留，内部的噪点或异物点已全部被去除，此时可以求出隧道上每一个点的方位角β，那么建立以点云在中心线顺线路方向上的投影距离为x轴，点云方位角angle为y轴的二维空间直角坐标系，这样全部的隧道点云将被展平到二维平面，用于后续操作。9.根据权利要求8所述的隧道点云中心线自动提取和三角网构建方法，其特征在于，步骤600中，构建三角网模型，具体步骤是：将展平到二维平面的点云构建delaunay三角网，构建好delaunay三角网后，所有点的空间拓扑结构已经构建完毕，即已经知道每个点和哪些点相连以构成三角网，然后按照每个点与原始三维空间中的点云的一一对应关系，即可成功构建出原始点云的三角网模型了。10.根据权利要求7所述的隧道点云中心线自动提取和三角网构建方法，其特征在于，所述凹包的求法使用alpha
‑
shape算法，alpha值为0.2
‑
0.5。

技术总结
本申请涉及隧道点云中心线自动提取和三角网构建方法，包括如下步骤：通过三维激光扫描，采集目标区域的点云数据；根据采集的目标区域的点云数据，计算隧道中心线坐标；将点云沿着隧道中心线进行重投影；对坐标投影后的点云进行去噪；将去噪后的点云沿着中心线展开；构建三角网模型。本方法解决了盾构隧道、矿山巷道的点云自动mesh重建问题，此类问题难度大、解决方案较少。易于编写为计算机程序，自动化程度高。将三维mesh构建问题转化为二维构建问题。降低了三角网构建的难度。效果好，贴近实际情况。最终构建的隧道表面三角网基于原始的点云数据，反映的是真实的隧道状况，保留了隧道的全部细节。无需对隧道形态进行拟合或匹配等操作。等操作。等操作。


技术研发人员：吴芳芳 郭庆华
受保护的技术使用者：广州绿土智信科技有限公司
技术研发日：2021.07.28
技术公布日：2021/11/2