鐵路工程中海量機載激光雷達數(shù)據(jù)構網(wǎng)與管理方法研究

程　寇

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300142)

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鐵路工程中海量機載激光雷達數(shù)據(jù)構網(wǎng)與管理方法研究

程寇

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300142)

激光雷達點云數(shù)據(jù)存在著數(shù)據(jù)存儲量大、數(shù)據(jù)構網(wǎng)困難、文件傳輸不便等缺點，如何形成一種有效的海量激光雷達數(shù)據(jù)構網(wǎng)與管理方法便顯得很有必要。提出一種點云數(shù)據(jù)構網(wǎng)與管理方法，并通過系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)了高精度點云數(shù)據(jù)的空間構網(wǎng)與管理，能準確的對復雜地表進行三維重建，還原地形細節(jié)，為正射影像加工、斷面制作、地形圖生產(chǎn)提供可靠的保障。

機載激光雷達三角網(wǎng)構建數(shù)據(jù)管理點云

1　概述

機載激光雷達(Light Detection and Ranging，簡稱LiDAR)是一種集成了激光測距、全球定位、慣性導航等技術的新型遙感設備。LiDAR使遙感技術在三維空間信息的快速和精確獲取方面取得了重大突破，代表了對地觀測領域的發(fā)展方向之一，為快速高效獲取地表三維信息提供了強有力的支持。隨著電子科技水平和制作工藝的不斷提升，各種先進的新型傳感器在國內市場的份額逐年增加，采集、加工激光雷達點云數(shù)據(jù)產(chǎn)品的市場也越來越大。

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model， DEM)作為描述地表信息的基礎數(shù)字產(chǎn)品，是地理信息系統(tǒng)(Geographical Information System， GIS)空間數(shù)據(jù)庫的核心和地學分析的基礎，也是工程建設、仿真分析、三維可視化等諸多領域的基礎數(shù)據(jù)之一。

在DEM的各種表示方法中，不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulation Irregular Net， TIN)作為地表的數(shù)字化表現(xiàn)手段和分析工具，以其結構良好、數(shù)據(jù)存儲簡單、地表重構精度高及對不規(guī)則區(qū)域和數(shù)據(jù)點分布密度使用能力強等特點，在鐵路、公路勘測設計一體化，GIS領域都得到了廣泛應用。不規(guī)則三角網(wǎng)能用更少的空間和時間更加精確的表示復雜表面，還原地形細節(jié)，其構網(wǎng)原理與方法一直是國內外學者研究的重點。

LiDAR點云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量由點密度和數(shù)據(jù)覆蓋的地理范圍正相關，在工程應用中，數(shù)據(jù)覆蓋范圍很容易達到上千平方公里，按照0.5～1 m的點間距，數(shù)據(jù)量可達上百GB。目前，國內外使用較多的點數(shù)據(jù)構網(wǎng)與應用軟件(如基于Microstation平臺的Terrasolid軟件，國內武漢大學自主研發(fā)的TINModel軟件等)，在針對海量點云數(shù)據(jù)的處理時，其效率和準確性往往無法保證工程應用需要。同時，國內外已有的各類成熟軟件研究重點是在點云數(shù)據(jù)處理方面，在針對海量數(shù)據(jù)的管理和應用方面的研究相對較少。

結合鐵路工程線性分布與LiDAR點云數(shù)據(jù)的特點，提出一種點云數(shù)據(jù)構網(wǎng)與管理方法，并通過系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)了高精度點云數(shù)據(jù)的空間構網(wǎng)與管理，能準確的對復雜地表進行三維重建，還原地形細節(jié)，為正射影像加工、斷面制作、地形圖生產(chǎn)提供可靠的保障。

2　構網(wǎng)與管理流程

本文提出的點云數(shù)據(jù)構網(wǎng)與管理方法，其主要流程是：①通過其獲取到的高精度點云數(shù)據(jù)進行基于數(shù)據(jù)重疊的點云分塊；②對特征數(shù)據(jù)進行解析，結合分塊數(shù)據(jù)進行基于特征約束條件下的Delaunay三角形構網(wǎng)，并對三角網(wǎng)進行簡化；③構建塊數(shù)據(jù)的空間索引和拓撲關系；④建立三角網(wǎng)數(shù)據(jù)動態(tài)調度機制。之后，系統(tǒng)會提供數(shù)據(jù)訪問接口，以便進行正射影像加工、斷面制作、地形圖生產(chǎn)等。

圖1為本方案流程圖及介紹說明。

圖1　Lidar點云數(shù)據(jù)構網(wǎng)與管理流程

3　關鍵技術研究

3.1點云分塊

目前常用的點云分塊方法是對點云進行嚴格劃分，塊與塊之間具有嚴格分界線，分界線上的點為相鄰兩塊點云數(shù)據(jù)所共有，同時點云數(shù)據(jù)文件中還需記錄邊界線信息。但采用該種方法給點云分塊和后續(xù)的三角網(wǎng)構網(wǎng)、分塊數(shù)據(jù)管理增加了復雜度。

本文提出的激光雷達點云數(shù)據(jù)的分塊，區(qū)別于常規(guī)的數(shù)據(jù)分塊方法，需考慮如下因素：①單塊的數(shù)據(jù)量；②分塊編號和查找；③重疊區(qū)與接邊。當分塊點云用于分塊三角網(wǎng)的構建時，則需根據(jù)三角網(wǎng)分塊管理的特點，對點云分塊提出新的要求，否則數(shù)據(jù)構網(wǎng)過程中容易出現(xiàn)漏洞和區(qū)域構網(wǎng)不一致的情況。

為了簡化過程，實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)分塊和三角網(wǎng)構網(wǎng)完全獨立，采用具有較大重疊度的點云分塊方法。當重疊區(qū)足夠寬時，采用具有唯一性的三角網(wǎng)構網(wǎng)算法構網(wǎng)，各三角網(wǎng)數(shù)據(jù)在重疊區(qū)的中心部分構網(wǎng)結果一致，重疊區(qū)的邊緣部分構網(wǎng)結果不一致。只要確保中線附近不同塊數(shù)據(jù)的三角網(wǎng)一致，即可實現(xiàn)分塊三角網(wǎng)的接邊。

圖2為點云數(shù)據(jù)分塊處理流程。

圖2　Lidar點云數(shù)據(jù)分塊流程

3.2特征約束下的不規(guī)則三角網(wǎng)構建

Delaunay三角網(wǎng)可以很好地擬合現(xiàn)實地形地貌，構網(wǎng)過程具備唯一性，因此在地形表達上是最常用的方法。Delaunay三角網(wǎng)生成方法中最常用的是逐點插入法，該算法雖然實現(xiàn)過程相對簡單，所需內存較小，但計算復雜度高，運算速度較慢。

在地形模型構建中，特征線也是常見的地形表達因素。在溝坎等地形突變地區(qū)，激光點云受點間距限制，對地形的表達存在較大失真，一般采用特征線來約束三角網(wǎng)，提高局部地形的表達精細度。

綜上分析，提出一種基于特征約束下的Delaunay三角網(wǎng)構建方法。該方法是對傳統(tǒng)逐點插入法的改進算法，其基本思想和步驟如下：

①將點落入的三角形分裂成3個新三角形，三角網(wǎng)中新增2個三角形；

②調整三角網(wǎng)鄰邊關系；

③取原三角形的某一條邊，取該條邊兩側的兩個三角形，其中一個三角形以新插入點為頂點

④判斷新插入點是否落入鄰邊三角形的外接圓；如果落入，則對這兩個三角形重構。

該方法結構示意如圖3所示。

圖3　逐點插入算法示意

3.3空間索引構建

在海量三角網(wǎng)中，快速查找定位三角形是最常用的方法。由于三角網(wǎng)中記錄了三角形的鄰邊關系，在小范圍內，通過一個初始三角形，可以通過鄰邊查找定位到目標三角形。初始三角形的選擇決定了查找的次數(shù)；初始三角形離目標點越近，則查找次數(shù)越少。圖4所示為基于三角形鄰邊拓撲關系的快速檢索方法。

圖4　三角形快速檢索方法示意

按照平面規(guī)則格網(wǎng)對三角網(wǎng)進行分塊編號，在每一塊中取一個三角形作為該塊的初始三角形。對于任意查詢點，可通過坐標確定格網(wǎng)號，通過格網(wǎng)號找到當前塊的初始三角形，然后通過鄰邊查找，定位到當前點所在的三角形。

三角形格網(wǎng)分塊索引的建立方法如下：①確定格網(wǎng)大小；②遍歷點，獲得三角網(wǎng)最大外接矩形圍；③計算橫縱方向格網(wǎng)個數(shù)，并依次對格網(wǎng)編號；④遍歷三角形，判斷當前三角形重心落入哪個格網(wǎng)內，將該格網(wǎng)的三角形索引號設置為當前三角形號；⑤如果當前格網(wǎng)內的三角形索引已經(jīng)賦值，則跳過；⑥完成三角形遍歷后，檢查每一個格網(wǎng)的三角形索引是否有空值，若有，則取離當前格網(wǎng)最近格網(wǎng)的三角形索引號，作為當前格網(wǎng)的三角形索引號。

其結構示意如圖5所示。

圖5　三角形分塊快速檢索示意

4　項目應用

為了更好的結合項目生產(chǎn)，借助于visual studio 2008 開發(fā)平臺，開發(fā)了一套LiDAR數(shù)據(jù)構網(wǎng)與管理系統(tǒng)，并在赤峰接京沈聯(lián)絡線LiDAR項目中開展應用。

圖6從左到右分別為系統(tǒng)主界面和分塊后的數(shù)據(jù)文件。

圖6　赤峰接京沈聯(lián)絡線LiDAR項目應用示意

赤峰接京沈聯(lián)絡線正線長186 km，采用機載Lidar設備對全線進行數(shù)據(jù)獲取，點云成果數(shù)據(jù)量為52 GB左右。通過在該項目中實施點云數(shù)據(jù)分塊構網(wǎng)及空間索引建立，大大提高了縱斷面繪制、橫斷面生產(chǎn)、工點地形圖制作等工序的生產(chǎn)效率。

圖7為采用Lidar數(shù)據(jù)構網(wǎng)與管理系統(tǒng)接口進行路基橫斷面生產(chǎn)和線路縱斷面生產(chǎn)的示意。

圖7　利用分塊數(shù)據(jù)進行縱斷面和橫斷面批量切繪

5　結論

針對鐵路工程中LiDAR點云成果存儲量大、構網(wǎng)困難以及數(shù)據(jù)傳輸不便等問題開展了基于海量點云構網(wǎng)和管理方面的研究，并在點云分塊、特征約束下的不規(guī)則三角網(wǎng)構建、空間索引建立等關鍵技術上提出了自己的思想，并通過程序予以實現(xiàn)。

目前，該實驗成果已應用于相關項目生產(chǎn)中并發(fā)揮了較大作用，一定程度上提高了斷面制作和工點地形生產(chǎn)的效率。同時，軟件系統(tǒng)的成果開發(fā)也為LiDAR點云數(shù)據(jù)的深化應用提供了借鑒和參考。

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The Method for TIN Construction and Management with Massive Airborne Lidar Data in the Application of Railway Engineering

CHENG Kou

2016-03-22

程寇(1985—)，男，2009年畢業(yè)于武漢大學攝影測量與遙感專業(yè)，碩士，工程師。

1672-7479(2016)04-0027-03

P225.2

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