三維激光掃描系統點云數據向AutoCAD數據格式的轉換

趙威成

(黑龍江科技學院 資源與環境工程學院,黑龍江 哈爾濱 150027)

三維激光掃描系統點云數據向AutoCAD數據格式的轉換

趙威成

(黑龍江科技學院 資源與環境工程學院,黑龍江 哈爾濱 150027)

Cyra三維激光掃描系統是一種先進的測繪儀器,但由于它所采集的數據量過于巨大,當需要將它采集的點云數據在AutoCAD平臺進行處理時,普通的個人電腦還無法運行如此海量的數據,以在遼寧省阜新市熱電廠采集的管線數據為例,采用數據分割、稀化等手段,解決點云數據在AutoCAD平臺上無法正常應用的問題,總結出一種切實可行的技術方法。

三維激光掃描系統;點云數據;AutoCAD;數據格式轉換

Cyra三維激光掃描系統由Cyrax三維激光掃描儀和Cyclone掃描軟件組成。在Cyrax三維激光掃描儀內,有1個激光脈沖發射體,2個反光鏡快速而有序地旋轉,將發射體發出的窄束激光脈沖依次掃過被測區域。測量每個激光脈沖從發出到被測物表面再返回儀器所經過的時間來計算距離,同時編碼器測量每個脈沖的角度,可以得到被測物體的三維真實坐標。將每個點實時顯示在電腦顯示屏上,就形成了被測物體的點云圖。利用Cyclone軟件可快速將點云圖部分或全部轉換成三維模型、二維平面圖、等高線圖或斷面圖等,數據可在A utoCAD軟件平臺上直接使用,也可用Cyclone軟件在點云圖內直接完成三維交互式可視化檢測及概念設計。

雖然Cyra三維激光掃描系統采集的點云數據可以在A utoCAD軟件平臺上直接使用,但存在點云數據量巨大,普通的個人電腦無法運行如此海量數據的問題。本文以作者在阜新熱電廠采集的點云數據為例,研究點云數據向AutoCAD數據格式轉換的方法。外業采集到的點云數據經配準處理后得到的效果圖如圖1所示。

由于掃描時使用的點行距為8 mm,列距為6 mm,所以經過匹配后的誤差最大不超過8 mm。經過驗證此次的匹配誤差最大為1 mm,符合要求。

1 點云數據轉換為AutoCAD格式

在Cyclone軟件下對點云數據做一些特殊的處理不是很方便,例如,管線建模,所以需要對點云數據進行處理使之轉換成為AutoCAD格式,在CAD平臺上進行進一步的處理工作。

圖1 經過匹配的點云

轉換方法:首先把剔除干擾點后的點云數據轉換成為純文本(.txt)格式(見圖2),然后再轉換成CAD格式(見圖3)。

2 點云數據的處理

轉換成為AutoCAD格式的點云數據由100多萬個點組成,對個人用戶而言,這些數據量實在是太大,影響到用戶對點云數據進行建模,所以要對數據進行處理。

要對點云數據進行操作,在AutoCAD肯定是不合適的,海量的數據使得CAD的操作變得十分緩慢,所以要處理這些點云數據,依然要在Cyclone軟件下進行。

本文采取的對點云數據進行處理的方法如下:

2.1 對點云數據進行分塊化處理

把點云數據分塊就是把整個的點云數據分成一個一個的小模塊。在分塊的時候要注意的是最好按照一根完整的管線把點云數據分成小模塊,不要按照網格進行分塊(見圖4)。

圖4 分成小模塊后的點云數據的一部分

2.2 模塊間的拼接

本文采取的方法是將分成小模塊的管線分別進行建模,所以這就要涉及到這些模塊在建模后進行拼接,合成一幅完整的管線圖的問題。為解決這個問題,在將點云數據分成單獨的小模塊的時候,要對這些數據進行一些特殊的處理。

將點云數據分塊處理的時候,在分接處上要進行一些處理,簡單的說就是在分接處設立3～4個參考點,作為兩個相鄰模塊的公共點,當進行接圖的時候就利用這幾個參考點,如圖5～7所示。

圖7 點云模塊二

2.4 數據稀化處理

從圖2的數據表中可以看出,有很多點 X、Y、Z坐標相差有限,只在毫米級時有差別,作為管線數據這些點都是多余的,所以可以對點云數據進行稀化(篩選)處理,這樣就可以大量減少數據量。為了做到自動、高效地篩選有用的點云數據,本文使用VC++開發了一個簡易的點云數據稀化(篩選)工具,如圖10所示。

圖中的藍點代表的是3個參考點。

選擇參考點規則:

1)選取的參考點不能在一條直線上;

2)選取的參考點要盡量在顯眼位置或是管線的頂端;

3)參考點間距要在適當范圍內取最大值。

2.3 數據的進一步處理

在上面講述了對點云數據的處理,雖然將點云數據分成了模塊,減少了單個模塊的數據量,但是對用戶來說,數據量還是太大,如圖4所示的點云模塊有30多萬個點,影響到用戶對其操作,所以要對數據進行進一步的處理。

從圖5中可以看出,除去管線端點和彎頭等特殊部分,去掉其余的部分還是可以完成管線的建模操作的,可以大大減少點云數據的數據量,如圖8、圖9所示。

圖10 處理點云數據文件

此方法是根據坐標值(x,y,z)3個方向,將點云數據劃分為若干個小長方體。每個小長方體區域內的數據點的縮減準則是:通過分析和計算,確定出小長方體區域內的重心點,保留此重心點,刪除多余點。

確定小長方體區域的重心點的方法是:①對小長方體區域內的所有點進行計算,確定出這些點的中點位置;②計算所有點到中點的距離,距離最短的點就為重心點。

2.5 最終的AutoCAD格式成果圖

將處理后的管線點云數據導出,轉換成為AutoCAD格式的點云數據,如圖11所示。經過上述方法處理后的點云數據由最初整體的100多萬個點坐標,成為最終單模塊的3萬多個點坐標,完全可以在AutoCAD平臺上進行方便、快速的處理操作。

圖11 經過處理后AutoCAD格式的管線數

3 結束語

Cyra三維激光掃描系統是空間點陣掃描技術和激光無反射棱鏡長距離快速測距技術的發展而產生的一項新測繪技術。它可以快速高效地獲取測量目標的三維影像數據,使得測繪技術人員突破傳統測量數據處理方法,進行新的數據挖掘和開發研究。它是繼GPS空間定位技術后的又一項測繪技術革新,將使測繪數據的研究內容、研究方法進入新的發展階段。因此,Cyra三維激光掃描系統在測繪領域具有廣泛的應用前景。三維激光掃描測量成果的后處理及與A utoCAD的結合已形成新的研究方向。

[1]鄭德華.點云數據直接縮減方法及縮減效果研究[J].測繪工程,2006,15(4):27-30.

[2]范海英,楊 倫,邢志輝,等.Cyra三維激光掃描系統的工程應用研究[J].礦山測量,2004(3):16-18.

[3]黃承亮,吳 侃,向 娟.三維激光掃描點云數據壓縮方法[J].測繪科學,2009,34(2):142-144.

[4]張遠智,胡廣洋,劉玉彤,等.基于工程應用的3維激光掃描系統[J].測繪通報,2002(1):34-36.

[5]鄭德華,雷偉剛.地面三維激光影像掃描測量技術[J].鐵路航測,2003(3).

Study on the transformation of data format from point cloud data for 3D laser scanning system to Auto CAD

ZHAO Wei-cheng
(College of Resource and Environment Engineering,Heilongjiang Institute of Science and Technology,Harbin 150027,China)

Gyra-3D Laser Scanning System is an advanced mapping apparatusw hich is w idely used to collect data w hose amount is usually immense.W hen the point cloud data is required to be dealt w ith on the flat roof of Auto CAD,it is hard for ordinary personal computers to run such a large amount of data,w hich causes a big p roblem of data p rocessing.Ow ing to this,on the basis of the data of coup ling pumps collected at the thermoelectricity factory in Fuxin city of Laoning p rovince,the author of the paper solved the p roblem through data segmentation and data dilution,etc.and concluded a p ractical and feasible technic of the transformation of data format.

3D laser scanning system;point cloud data;Auto CAD;transfo rmation of data fo rmat

TP391

A

1006-7949(2010)01-0025-03

2009-05-07

趙威成(1981-),男,助教,碩士.

[責任編輯劉文霞]