基于三維激光點云的道路參數(shù)化建模方法

祖帥

(福州市勘測院有限公司,福建 福州 350108)

0 引 言

近年來,眾多城市開始推進(jìn)新型城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),實施智能化市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和改造。道路三維模型結(jié)合屬性信息可以在規(guī)、建、管全生命周期管理中發(fā)揮重要作用,是新城建的重要建設(shè)內(nèi)容,也是數(shù)字孿生城市和智慧交通建設(shè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。

傳統(tǒng)道路三維建模主要是根據(jù)道路平面、縱斷面、橫斷面等資料,利用計算機(jī)手工構(gòu)建道路三維模型。隨著道路數(shù)據(jù)信息不斷豐富,道路三維建模方法也發(fā)生變化。李曉麗[1]等利用高精度矢量數(shù)據(jù)自動構(gòu)建路面三維模型;湯圣君[2]等提出利用三維GIS數(shù)據(jù)實現(xiàn)道路參數(shù)化建模方法;高陽[3]等通過點云掃描強(qiáng)度值與強(qiáng)度差值提取道路標(biāo)志線信息,創(chuàng)建道路三維模型;張慧智等[4]提出基于車載激光點云的三維道路精細(xì)化建模。

本文通過分析道路空間特征和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),根據(jù)三維激光點云提取道路矢量和參數(shù)信息,對路面和地物建模進(jìn)行算法設(shè)計,實現(xiàn)基于點云數(shù)據(jù)的道路路面和地物參數(shù)化三維建模。

1 道路三維模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

從道路空間分布特征角度,道路由路面、標(biāo)線、設(shè)施、景觀綠化等要素構(gòu)成?？紤]道路要素空間結(jié)構(gòu)、拓?fù)潢P(guān)系和幾何特征,本文將道路三維模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為點狀物和體狀物兩類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):空間體、空間點,如圖1所示。

圖1 道路三維模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2 道路參數(shù)化建模原理

參數(shù)化建模是將三維模型不同構(gòu)件通過合理方式分離出來,將幾何特征、位置特征等映射為變化量參數(shù)[5],通過控制參數(shù)實現(xiàn)模型大小、位置的變化。道路參數(shù)化建?？梢酝ㄟ^建立道路模型庫,用參數(shù)和算法驅(qū)動模型庫自動建模[6]。該方法借鑒了3DGIS和BIM兩類數(shù)據(jù)模型的幾何、語義信息融合和數(shù)據(jù)集成[7]。

道路模型庫是參照BIM族庫的理念,采用構(gòu)件承載各類幾何和非幾何信息的常用模型單元,如燈桿、樹木、支擋防護(hù)等地物,通過定義構(gòu)件參數(shù)信息建立起可用算法驅(qū)動變化的道路模型庫[8-9]。

道路參數(shù)信息是通過提取道路的類別信息、幾何信息、坐標(biāo)信息等,作為道路參數(shù)化建模的參數(shù)信息。例如,可根據(jù)道路直線、曲線要素提取關(guān)鍵位置參數(shù),用于路面平面參數(shù)化建模,結(jié)合道路表面高程信息、道路厚度信息,實現(xiàn)參數(shù)信息驅(qū)動道路面層三維建模。同理,樹木、路燈、信號燈等點設(shè)施,可以直接根據(jù)類別參數(shù)、幾何參數(shù)、坐標(biāo)參數(shù)等自動化建模。

3 道路三維模型參數(shù)化建模實現(xiàn)

道路參數(shù)化三維建模流程如圖2所示。

圖2 道路參數(shù)化三維建模流程

3.1 道路參數(shù)信息獲取

道路參數(shù)信息采集可以利用傳統(tǒng)的測量技術(shù),如全站儀、GNSS+RTK等方式,也可以采用如無人機(jī)傾斜攝影測量、三維激光掃描等技術(shù)。相比其他測量手段,車載移動三維激光掃描以全息采集的方式,有精度高、速度快、可視化效果好、易于解析等優(yōu)點,是新型基礎(chǔ)測繪典型的數(shù)據(jù)采集技術(shù)手段。車載激光移動測量系統(tǒng)是以小型汽車/摩托車為載體、多傳感器集成的測量系統(tǒng)。一般由三維激光掃描儀、全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)、CCD相機(jī)、里程計(DMI)、時間同步控制器等傳感器組合構(gòu)成[3]。

面向三維建模的道路參數(shù)信息獲取,首先需要對點云數(shù)據(jù)經(jīng)過點云數(shù)據(jù)解析、導(dǎo)航數(shù)據(jù)結(jié)算、點云濾波、去噪、抽稀、分類、渲染等步驟,獲取三維真彩點云[10],之后在采集軟件中實現(xiàn)半自動化提取道路矢量信息、位置參數(shù)、幾何參數(shù)、紋理等信息。

3.2 道路模型庫建設(shè)

道路模型庫是通過一系列參數(shù)定義三維模型,參數(shù)保存了地物類別信息、幾何信息和坐標(biāo)信息[11]。因此,在制作地物模型庫時,需要針對模型相應(yīng)的使用目標(biāo),在制作過程中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)信息,以便在之后建模過程中實現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動建模,從而提高建模和應(yīng)用的效率[12]。

根據(jù)上述道路地物建模規(guī)則和建模對象的實際形狀,利用Revit軟件和二次開發(fā)工具設(shè)計并創(chuàng)建了道路常用地物標(biāo)準(zhǔn)模型庫,模型的長、寬、高、位置和方向受控于所創(chuàng)建的幾何參數(shù),可根據(jù)實際情況改變;模型紋理采用自制貼圖,可在常用三維建模軟件和平臺中無丟失流轉(zhuǎn),如圖3、圖4所示。

圖3 典型地物模型庫示意

圖4 典型地物模型參數(shù)示意

3.3 路面參數(shù)化建模算法

道路路面是由一系列關(guān)鍵節(jié)點連接而成的連續(xù)實體,關(guān)鍵節(jié)點直接控制著道路的形狀、位置,是三維重建和空間分析的基本要素[13-14],通過提取道路邊線關(guān)鍵節(jié)點,設(shè)計連續(xù)規(guī)則的三角網(wǎng)算法,可以滿足路面快速建模。根據(jù)三維激光點云數(shù)據(jù)可以提取道路直線、曲線要素,并且在直/曲線要素的基礎(chǔ)上按照規(guī)則的間距加密三維特征點。在Microstation V8軟件中通過約定三角網(wǎng)底邊關(guān)鍵點參數(shù)、設(shè)計規(guī)則三角網(wǎng)算法,自動構(gòu)建連續(xù)規(guī)則三角網(wǎng),在此基礎(chǔ)上利用3DMAX/Revit軟件生成表面模型,紋理貼圖后生成路面三維模型。

例如,Z(1)、Z(2)…Z(n)點連接成道路直線,直緩點ZH、緩曲點HQ、曲中點QZ、曲緩點QH、緩直點HZ等參數(shù)構(gòu)成道路的曲線要素,根據(jù)定義規(guī)則間隔的直線要素和曲線要素,在Microstation V8軟件中利用三角網(wǎng)算法,自動構(gòu)建底邊長相同的連續(xù)規(guī)則三角網(wǎng)、生成DSM,進(jìn)而在3DMAX/Revit軟件中經(jīng)紋理參數(shù)識別、紋理映射后快速實現(xiàn)道路路面的三維建模,如圖5所示。

圖5 連續(xù)規(guī)則三角網(wǎng)算法三維建模示意

3.4 地物參數(shù)化建模算法

道路標(biāo)線為面狀矢量數(shù)據(jù),包括長標(biāo)線、短標(biāo)線及方向指示線[15]。在二維平面中,路面長標(biāo)線、短標(biāo)線及方向指示線為幾何圖形,中心點為圖形幾何中心,可以根據(jù)點云數(shù)據(jù)獲取的標(biāo)線幾何中心坐標(biāo)信息、方向信息、類別信息,利用放樣算法實現(xiàn)批量自動建模[16],并運用投影原理將道路標(biāo)線投射到路面模型上。

道路路燈、樹木等點狀地物,可以根據(jù)點云數(shù)據(jù)獲取的其地面三維坐標(biāo)、幾何信息、類別信息等,利用放樣算法讀取模型庫實現(xiàn)批量自動建模,并運用投影原理將模型投射到路面模型上。

4 試驗及精度分析

本文選取某路段長約1 km車載三維激光點云數(shù)據(jù)進(jìn)行實驗,驗證基于三維激光點云道路參數(shù)化三維建模的效果和精度。

首先利用點云信息采集軟件,獲取道路矢量數(shù)據(jù)和參數(shù)信息;其次利用Revit軟件建立道路參數(shù)化模型庫;然后利用連續(xù)規(guī)則三角網(wǎng)算法結(jié)合參數(shù)信息構(gòu)建路面三維模型、利用放樣算法結(jié)合參數(shù)信息批量放置點狀地物模型;最后將重建后的點狀地物模型利用投影原理映射到路面,實現(xiàn)道路三維模型的參數(shù)化建模,局部效果如圖6所示。

圖6 試驗成果局部效果

在精度分析上,分別從點云和模型成果上選取地面關(guān)鍵位置平面坐標(biāo)和高程,例如分車帶、人行道、車行道特征點,開展誤差分析評定。從表1中可以看出:在構(gòu)建路面模型三角網(wǎng)底邊參數(shù)取 1.5 m時,特征點處模型成果平面坐標(biāo)中誤差約 13 cm,高程中誤差約 10 cm,可以表明基于三維激光點云的道路參數(shù)化建模精度很高,滿足厘米級工程應(yīng)用需要。

表1 試驗成果精度分析

5 結(jié) 論

通過對道路數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)化建模規(guī)則的研究,設(shè)計并創(chuàng)建了帶參數(shù)的模型庫、連續(xù)規(guī)則三角網(wǎng)算法、模型放樣算法,結(jié)合建模軟件,形成了一套點云數(shù)據(jù)的道路參數(shù)化三維建模技術(shù)工藝。試驗表明,該方法可以基于三維激光點云數(shù)據(jù),實現(xiàn)道路的高精度、參數(shù)化建模。本文所設(shè)計的道路建模方法結(jié)合了BIM建模的理念,能實現(xiàn)模型與屬性合一的建模效果,可以根據(jù)需要,在道路工程規(guī)、建、管全生命周期管理中做進(jìn)一步應(yīng)用。