CN114863033A - 一种基于点云数模的断面提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于点云数模的断面提取方法。现有利用激光点云提取横断面方式自动化处理程度低，效率不高。本发明利用点云数据构建PLY格式的数字高程模型；将获取的断面节点坐标沿断面前进方向通过指定的间距内插，得到加密后的节点坐标，设置断面提取选项及参数，利用重心坐标平滑插值算法在数字高程模型三角面上内插出加密后的节点高程，获得断面；利用中桩数据对断面数据检核，断面节点抽稀；最后对断面数据进行格式转换，绘制断面图。本发明所研软件在CAD下利用点云数模提取断面，在必要的数据准备及选项参数设置后，可一键完成断面数据提取、检核、抽稀、格式转换等操作。

Description

一种基于点云数模的断面提取方法

技术领域

本发明属于测绘技术领域，具体涉及一种基于点云数模的断面提取方法。

背景技术

现阶段断面数据获取主要采用野外现场人工实测、内业航摄立体采集以及激光雷达点云提取三种方式。外业人工实测需要在断面经过的特征位置跑点，工作效率低、劳动强度大，复杂艰险地区安全风险高甚至特征位置不能到达。内业航摄立体采集依靠作业人员在数字测量工作站上目视测量采集特征点，航摄立体像对的平面精度无法通过外业中桩修正，还存在工作量大、自动化程度低、植被覆盖区域精度差、处理效率不高等问题。激光雷达点云提取作为一项新兴技术，具有高效、无接触、易实现自动化处理等优点，近年来得到了广泛应用。

铁路行业常见的激光雷达点云提取横断面方式为利用LiDAR数据处理软件完成点云分类，筛选出地面点后构建数字高程模型，然后导入线路中线及横断面线，通过人工点选横断面，输入断面名称、左右偏距、断面节点步长等信息逐桩输出断面文件。提取纵断面时根据设计专业提供的中桩点坐标，基于LiDAR点云地面点内插出对应中桩高程，从而获得纵断面三维坐标点集。上述方式虽能提取横纵断面，但没有考虑提取断面与中桩不符的问题，且因常用的LiDAR数据处理软件为通用软件，没有开放编程接口，无法与线路工程断面提取业务深度融合，自动化处理程度低，效率不高。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种基于点云数模的断面提取方法，使铁路设计专业能通过测绘专业提供的点云数模，自主获取所需的横纵断面，实现勘测成果快速迭代，加快设计进程。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于点云数模的断面提取方法，具体包括以下步骤：

S1：利用点云数据构建数字高程模型；

S2：获取断面名称及节点平面坐标；

S3：利用数字高程模型提取断面；

S4：断面数据检核；

S5：断面节点抽稀；

S6：断面数据格式转换；

S7：绘制断面图。

进一步，所述步骤S1具体为：

点云数据选取经过分类处理的机载LiDAR地面点，数据格式为LAS；利用计算几何算法库CGAL中提供的二维狄洛尼三角剖分算法构建数模，并输出格式为PLY的三角网数字高程模型。

进一步，所述步骤S3具体为：

将步骤S2获取的断面节点坐标沿断面前进方向通过指定的间距内插，得到加密后的节点坐标，设置断面提取选项及参数，利用重心坐标平滑插值算法在数字高程模型三角面上内插出加密后的节点高程，获得断面。

进一步，所述步骤S4具体为：

S4.1：当目标区域已有外业实测的中桩水平单时，将提取的断面交点与水平单同一桩号的中桩数据进行比较，指定平距和高差限差，当断面交点和外业中桩点距离在平距限差内认定为同一点位，若此时两者高差又在限差内，则用外业中桩高程替换内插的节点高程，否则保留内插高程并标记为高差超限；

S4.2：输出中桩替换情况表，列出同一点位内插高程和外业实测高程差值，标记替换和超限桩号，反馈超限桩号给点云数模制作部门查找原因，若无问题，再反馈外业核查中桩数据，最终获得检核无误的断面数据。

进一步，所述步骤S5具体为：

设置某一断面节点与其前后节点间的平距和高程差值限差，控制抽稀范围；只有当该点与前后点的平距差值、高差值都在限差内且不为横纵交点时，从断面数据成果中移除该节点，否则保留该节点。

本发明的有益效果：

1)本发明所研软件在AutoCAD平台下利用点云数模提取断面，使用者在完成必要的数据准备及选项参数设置后，可一键完成断面数据提取、检核、抽稀、格式转换等操作，提高了断面提取效率；

2)本发明可与线路专业设计软件平台融合，线路平纵设计成果直接用于断面提取模块恢复线路设计模型，实现横纵断面的参数化提取；断面提取成果输出为线路设计所需横断面、地面线格式，辅助线路设计；

3)本发明实现了横纵断面平面坐标多种方式输入，满足铁路勘察设计不同专业使用需求，使其在获得测绘专业提供的点云成果后，能独立提取所需的断面成果，减少资料互提，实现快速迭代，加快设计进程。

附图说明

图1为本发明的流程框图：

图2为CGAL生成数模使用的关键数据结构图；

图3为本发明提取断面采用的重心坐标平滑插值算法示意图；

图4为本发明所述线路专业所需地面线格式；

图5为本发明所述线路专业所需横断面格式；

图6为本发明所述隧道专业所需断面格式。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

如图1所示，本发明具体包括以下步骤：

S1：选取经过检校、解算、滤波、分类等数据处理环节后得到的地面点云数据，数据格式为LAS，所需点云数据范围可通过点云结合图检索确定。利用计算几何算法库CGAL中提供的二维狄洛尼三角剖分算法构建数模，并输出格式为PLY的三角网数字高程模型。CGAL是一个基于C++的大型几何数据结构和算法库，点云构建数模时通过读取地面点云存入CGAL::Point_set_3<Point_3>点集，以TIN结构遍历点集并构建二维Delaunay三角网，最后以二进制文件流将三角网写出为PLY格式。CGAL使用的关键数据结构如图2所示。

S2：获取断面名称及节点平面坐标，三种方式分别为：

1)图形方式：通过选择平面图中绘制的线条和文本标注提取其信息获得；

2)参数方式：设置线路起点里程、终点里程、断面间距、断面左右偏距等参数，通过线路设计模型计算得到断面节点坐标及桩号名称标注；

3)文本方式：使用含有指定里程桩号名称、断面左右偏距的文本文件，通过线路设计模型计算得到里程桩号对应的断面节点坐标。

图形方式中的线条和文本由设计人员根据专业需求，结合平面图绘制，当辅助线路设计或专业所需断面与线路模型无法关联时采用该方式，常见如桥纵、涵轴、隧道斜井、调查不良地质情况的泥石流沟纵等断面。线条节点坐标和文本标注通过调用ObjectARX软件包Autodesk.AutoCAD.DatabaseServices命名空间下的函数获得：直线Line类型可以直接通过可读写属性StartPoint、EndPoint获取起、终点坐标；多段线Polyline类型可通过GetPoint3dAt函数获得指定序号的节点坐标；单行文本通过其可读写属性TextString、多行文本通过其只读属性Text获得。

参数方式和文本方式中线路设计模型通过导入线路设计成果中的曲线表、断链表(若存在断链)数据直接恢复，恢复模型后通过所研软件进行线路里程坐标转换，解算出目标里程桩号断面的各节点坐标。线路设计模型成果为一个Access数据库文件(*.mdb格式)或一组文本文件(*.txt格式)。参数方式适用于在需要连续获得指定里程段落内固定间距的断面时，可通过参数选项控制是否在断链处加桩；文本方式适用于当需要提取多个、非连续的里程段落桩号时。

三种输入方式统一定义线路前进方向为从小里程至大里程方向，定义横断面在线路前进方向左侧段落偏距为负值，右侧段落偏距为正值。

S3：利用数字高程模型提取断面，首先拷贝所需点云数模文件至项目工程文件夹下，利用步骤2获得的断面节点以固定间距分割加密，逐次以加密的断面节点作为待求点P，在二维平面内以P点所在三角形顶点ABC的二维坐标解算出对应于该点的重心坐标(α，β，γ)，再以该重心坐标和三角形顶点高程解算出P点高程，具体算法如图3所示。将获得的加密断面节点三维坐标及该点距横纵交点的偏距一并输出，得到横断面数据。若是提取纵断面，则将加密断面节点三维坐标及该点沿线路方向距起点的平距一并输出，得到纵断面数据。在本实施例中，固定间距为0.1m。

S4：断面数据检核

在铁路线路定测阶段要在现场采用全站仪极坐标法、GPS RTK法等人工实测的方式完成中线测量，得到含中桩平面坐标和高程的水平单文件，将水平单文件整理为只含桩号和高程两项数据的文本文件。

S4.1：提取横断面时设置一个平距限差，本实施例中该限差设置为0.3m，当断面节点与中桩点平距在限差以内时，认定为同一点位，此时用水平单对应中桩点位的外业实测高程数据与断面节点利用数地模提取的高程数据做差值比较，当在设置的限差内时，以水平单高程替换点云提取高程值，若差值大于0.5m，按照《铁路工程卫星定位与遥感测量技术规程》要求，反馈外业核查。对替换高程和需反馈核查的桩号、差值做出标记，输出到中桩替换情况文本文件以备查阅；

S4.2：列出同一点位内插高程和外业实测高程差值，标记出替换和超限桩号，反馈超限桩号给点云数模制作部门查找原因，若无问题，再反馈外业核查中桩数据，最终获得检核无误的断面数据。

S5：为了尽量保留所有地形特征点，步骤S3所述加密断面节点的固定间距设置为0.1m，提取的断面数据冗余点较多，设计专业使用时不便于处理，需要对断面节点进行抽稀；

另外，某些设计专业上对断面节点最大距离有限制要求，因此本实例中抽稀时设置平距限差5m和高程限差0.2m。具体的算法为以某一断面节点与前后节点间的平距和高程差值控制抽稀范围，只有当该点与前后点的平距差值、高差值都在限差内且不为横纵交点时，从断面数据成果中移除该节点。当提取纵断面时若存在横纵交点，为保证交点不被抽稀，可通过输入一个含交点桩号的文本文件，抽稀时通过计算目标点与起点沿断面方向的距离是否与交点至起点里程差相等进行判断，强制保留指定桩号的断面节点。抽稀后得到的横断面数据，保留了左右端点及交点，包含按线路前进方向从左侧端点至右侧端点的所有节点偏距与三维坐标值(以交点为中心，左侧偏距为负右侧为正)；纵断面数据则为以起点为基准，包含所有节点沿断面线至起点的偏距及节点三维坐标值。

S6：对经前述步骤处理后的断面中间成果，按专业设计软件接口进行格式转换。线路设计所用交通选线CAD***软件，其地面线格式如图4所示：第一行标记2表示断面数据为两列，第二、三行表示两条横断面数据的桩号和交点高程，最后一行即文本数据结束标记。其横断面格式如图5所示：第一行标记1表示断面数据为绝对距离、绝对高程，随后依次记录每一条横断面的交点桩号和高程、断面左侧交点和高程、左侧断面节点结束标记“0 0”、断面右侧交点和高程，右侧断面节点结束标记“0 0”，最后以“0 0 0 0”标识文件结束。隧道专业所需横断面格式如图6所示，所有断面数据整理存储为一个名为“地面线”的Excel工作表，每条断面包含两行记录，第一行记录存储断面名称和各节点偏距，第二行记录存储各节点高程值。道路专业需要的数据接口为纬地道路交通辅助设计***软件(HintCAD)所定义的横断面和地面线格式。各类专业接口在文本格式间转换主要通过算术运算后的格式整理完成，而文本格式转Excel表主要通过调用Microsoft.Office.Interop.Excel.dll中的API处理Excel工作表，依行列对其单元格Cells按照格式要求填充数值。

S7：将抽稀后的横、纵断面成果数据以文本文件的格式分别存储到指定文件夹下，然后利用基于AutoCAD平台下开发的绘图工具软件，设置绘图数据目录、绘图比例尺、表格宽高度、断面图横竖版式及图层、颜色、文字样式等参数绘制断面图。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种基于点云数模的断面提取方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

S1：利用点云数据构建数字高程模型；

S2：获取断面名称及节点平面坐标；

S3：利用数字高程模型提取断面；

S4：断面数据检核；

S5：断面节点抽稀；

S6：断面数据格式转换；

S7：绘制断面图。

2.根据权利要求1所述的一种基于点云数模的断面提取方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：

点云数据选取经过分类处理的机载LiDAR地面点，数据格式为LAS；利用计算几何算法库CGAL中提供的二维狄洛尼三角剖分算法构建数模，并输出格式为PLY的三角网数字高程模型。

3.根据权利要求2所述的一种基于点云数模的断面提取方法，其特征在于：所述步骤S3具体为：

将步骤S2获取的断面节点坐标沿断面前进方向通过指定的间距内插，得到加密后的节点坐标，设置断面提取选项及参数，利用重心坐标平滑插值算法在数字高程模型三角面上内插出加密后的节点高程，获得断面。

4.根据权利要求3所述的一种基于点云数模的断面提取方法，其特征在于：所述步骤S4具体为：

S4.1：当目标区域已有外业实测的中桩水平单时，将提取的断面交点与水平单同一桩号的中桩数据进行比较，指定平距和高差限差，当断面交点和外业中桩点距离在平距限差内认定为同一点位，若此时两者高差又在限差内，则用外业中桩高程替换内插的节点高程，否则保留内插高程并标记为高差超限；

S4.2：输出中桩替换情况表，列出同一点位内插高程和外业实测高程差值，标记替换和超限桩号，反馈超限桩号给点云数模制作部门查找原因，若无问题，再反馈外业核查中桩数据，最终获得检核无误的断面数据。

5.根据权利要求4所述的一种基于点云数模的断面提取方法，其特征在于：所述步骤S5具体为：

设置某一断面节点与其前后节点间的平距和高程差值限差，控制抽稀范围；只有当该点与前后点的平距差值、高差值都在限差内且不为横纵交点时，从断面数据成果中移除该节点，否则保留该节点。

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