基于点云数据的地下空间模型构建技术研究

熊长喜侯岳时亚东焦贺军

（1.河南省基础地理信息中心，河南郑州 450003；2.河南省测绘工程院，河南郑州 450003；3.禹州市泓瑞测绘有限公司，河南禹州 461670）

基于点云数据的地下空间模型构建技术研究

熊长喜1侯岳2时亚东3焦贺军2

（1.河南省基础地理信息中心，河南郑州 450003；2.河南省测绘工程院，河南郑州 450003；3.禹州市泓瑞测绘有限公司，河南禹州 461670）

本文在已有获取的地下空间点云数据的基础上，针对精细隧道三维建模技术路线和处理流程进行研究，本次研究成果将进一步丰富三维数字城市建设的成果，对其进一步发展和应用提供一定的技术参考。

地下空间；精细建模；激光扫描；数据预处理

地下空间精细三维建模是数字三维城市建设的重要内容，以导线和断面数据为基础构建的地下空间三维模型难以满足三维数字城市的长远发展，也无法成为地下高精度导航定位的空间参照依据。本项目面向未来三维数字城市管理的需要，以高精度、高密度激光点云为主要数据源，研究地下隧道三维模型的构建思想。本文研究成果将进一步丰富三维数字城市的发展，对地下工程（地铁、隧道、人防工程等）精细三维场景建设也具有重要的参考作用。

1 研究内容

1.1 精细隧道三维空间概念模型构建方法

研究隧道的空间形态及其在高密度空间点云中的表现特征，抽象、简化并确立精细隧道三维空间数据模型基本组成元素，定义各基本元素的数据结构；研究由基本元素构建三维隧道空间模型的组合法则、拓扑关系及相应的操作算法［1-3］。

1.2 精细隧道三维空间模型生成的数据预处理方法

针对精细隧道三维空间概念模型的数据结构，研究点云数据的空间滤波、投影变换、误差分析、数据简化和空间差值等数据处理方法，实现点云数据预处理。

1.3 精细隧道三维空间实体模型构建方法

通过对空间构网算法及LOD技术的研究，实现基本元素对象、隧道实体对象的动态快速构建；通过对面向对象方法及空间数据库技术的研究，并结合精细隧道三维模型的特点，实现隧道空间数据的动态存储、组织与管理［4］。

2 技术路线

通过对隧道结构及其在激光扫描点云表达特点的深入研究，提出一种全新的、面向未来地下空间的精细隧道三维模型，该模型能满足地下空间三维精细建模的需要；通过对基本理论和方法的深入研究，探讨出较为完善的模型构建理论体系，该模型要求具有结构简单灵活、可扩

本项目拟采用以下技术路线，包括数据获取、点云数据预处理、精细隧道模型构建、可视化表达四部分。

2.1 数据获取

本项目以地形三维激光扫描仪为主要传感器，选择地铁隧道为研究对象。

2.2 点云数据预处理

数据预处理的主要任务是通过对原始激光点云数据的一系列操作，获得能为空间模型构建直接使用的点云数据。先按照构建对象的不同，对原始对象进行分块操作，然后以数据块为单位分别处理，采用空间滤波、投影变换、误差分析、数据简化和空间插值等数据处理方法，得到空间对象的点云数据［8］。

2.3 精细隧道模型构建

数据预处理后得到三类数据：隧道体点云、结点体点云和硐室体点云，分别采用不同的对象建模方法构建三类对象：隧道体对象、结点体对象和硐室体对象，每个对象都是独立的，由自身的数据结构和操作方法，通过组合法则以及构建对象间的拓扑关系，组合成完整的精细隧道三维空间模型［9］。

3 处理流程

3.1 数据的采集

目前有多种数据可用于本研究，主要包括某大型地下人防工程激光扫描点云数据、某大型公路隧道激光扫描数据、某地铁隧道激光扫描数据。这些数据可为本研究提供数据支持。

通过改进和优化地下空间标靶布设方案提高了数据整体精度，可快速获取精细准确的地下空间数据，实现了点云数据模型与建筑信息模型库的快速匹配以及地下建（构）筑物与多类设施数据的碰撞检测功能。

3.2 三维建模

空间形态上隧道与水管具有相似之处：水管主要由管道、接头和阀门构成，地铁隧道可以抽象为隧道体、结点体和硐室体，分别与上述水管组件相对应。

组成隧道的每个元素都可以看作独立的对象，有独立的数据结构、属性及操作算法等。隧道是连接结点体和阀门的纽带，只要处理好隧道与结点体、隧道与阀门对象之间的衔接关系，就可由以上三类基本元素构建隧道空间模型。

隧道体在空间形态上呈线状延伸分布，在局部细节上存在差异，在整体上相似，结构简单。通过对激光点云数据的处理，获取隧道体一系列的断面数据点，这些数据点由实测数据或接近实测数据的点构成，呈闭合环状分布，相邻两个断面数据在空间形态上非常接近，对这些数据点按照一定法则构建空间格网，这个格网为一个空间环带，能准确地描述其所在区域隧道的局部细节特征。对隧道体上所有相邻断面数据按照相同的方式构建空间格网，则能构建该隧道体的空间表面模型。也就是说，隧道体空间表面模型构建的过程，就是对相邻两个断面线数据进行构网并不断重复的过程。

结点体是隧道交叉区域，内部连通且呈不规则形状，在与隧道体相连的部分与隧道体有相似的断面。数据处理时，把内部按照精度要求处理为离散数据点，与隧道体连接部分保留一个断面数据，对所有数据按照一定规则构建空间格网。硐室体与结点体有相似的性质。

由基本组件构建隧道模型时，只需要处理结点体或硐室体与隧道体的衔接问题，由于每个基本元素在接口部位都是一个断面数据，对这两个断面数据进行简单的构网就能将相邻元素连接起来。

3.3 软件系统的开发与功能实现

在精细三维建模基本思想的支持下，作者以VC++. NET和OpenGL为开发工具，建立了隧道的三维模型效果图。

［1］盛德新，杨振球.基于激光点云数据的古建筑BIM几何模型构建［J］.测绘工程，2015（7）：76-80.

［2］邓林建，程效军，程小龙，等.一种基于点云数据的建筑物BIM模型重建方法［J］.地矿测绘，2016（4）：14-16.

［3］李乐林.基于等高线族的机载LiDAR数据建筑物三维模型重建方法研究［D］.武汉：武汉大学，2012.

［4］潘中华.基于LIDAR点云数据与影像融合的建筑物提取［D］.北京：中国地质大学，2012.

［5］吴波.基于点云数据的三维数字校园模型重建与漫游系统［D］.西安：西安科技大学，2015.

［6］汪禹芹.机载LiDAR点云数据的建筑物提取和模型规范化研究［D］.南京：南京大学，2013.

［7］吴蒙.基于三维激光扫描技术的建筑物建模研究［D］.抚州：东华理工大学，2015.

［8］何原荣，郑渊茂，潘火平，等.基于点云数据的复杂建筑体真三维建模与应用［J］.遥感技术与应用，2016（6）：1091-1099.

［9］丁延辉，邱冬炜，王凤利，等.基于地面三维激光扫描数据的建筑物三维模型重建［J］.测绘通报，2010（3）：55-57.

Research on the Construction of Underground Space Model Based on Point Cloud Data

Xiong Changxi1Hou Yue2Shi Yadong3Jiao Hejun2
（1.Henan Basic Geographic Information Center，Zhengzhou Henan 450003；2.Surveying&Mapping Engineering Institute of Henan Province，Zhengzhou Henan 450003；3.Yuzhou Hongrui Mapping Ltd.，Yuzhou Henan 461670)

In this paper,based on the existing data of underground space point cloud,the technology and process of 3D modeling of fine tunnel were studied,the results of this study will further enrich the three-dimensional digital city construction achievements,to provide technical reference for its further development and application.

underground space；fine modeling；laser scanning；data preprocessing

TP391.4

A

1003-5168（2017）04-0029-02

2017-03-15

熊长喜（1963-），男，本科，副高级工程师，研究方向：测绘科学与技术。展性强等优点；在理论研究的基础上，通过计算机编程，由计算机实现所提出的理论模型，并逐渐对模型进行改进［5-7］。