基于激光点云数据的管道三维建模方法研究

基于激光点云数据的管道三维建模方法研究

徐大龙

北京久城测绘科技有限公司北京100107

摘要：选取某高层建筑地下停车场管道为研究对象，利用徕卡C10扫描管道获取点云数据，并利用Cyclone软件进行拼接、去噪等预处理，利用Cyclone软件分割管道点云数据并进行模型创建，对点云数据缺失或质量不高的管道利用软件相关功能补救创建，组合成完整管网模型，与真实管道对模型进行对比分析。研究结果表明：基于Cyclone软件的地下停车场管道三维建模方法研究具有较高的精度与实用性，拥有广阔的运用前景。

关键词：管道；三维激光扫描；点云数据；建模；Cyclone

近年来一些学者进行了三维激光扫描技术相关研究，取得了一定的研究成果，主要有：胡春梅等[1]利用三维激光扫描仪对石化厂管道进行扫描，获取点云数据，并针对直管和弯管在点云模型数据量不同的情况下提出了具体的建模方法。李智临等[2]对点云完整的地方提出区域增长法建模，对点云不完整的部位使用了区域拟合法来得到相应的三维表面模型。赵威成等[3]使用AutoPLANT对管道数据进行了2维绘制，并成功将其转换为3维管道模型。Lee[4]利用激光扫描数据，提出了一种对直管和弯头进行自动化建模的方法，建模过程由确定管道的位置和方向、确定管道半径、校正部件位置三个步骤组成。F.H.Sanders[5]在管道建模中通过使用霍夫变换，找到直管的位置，并估测管道的半径。在建模过程中，Ahmed认为大多数直管应沿着与建筑设施的主轴正交的方向构建。

1激光点云数据获取与预处理

1.1数据获取方法

选择某高层建筑的地下停车场顶部管道为研究对象。停车场面积较大，顶部管道密集分布，有消防、给水、排污等各种管道。管道直径不一，阀门、三通、法兰等结构均有所呈现。

综合考虑扫描区域及目标管道概况，本次扫描决定共设立6站，即从6个不同的方向对目标进行扫描。由于各站扫描数据是相互独立的，为满足后续的点云拼接，本次扫描共设立4个标靶。标靶的放置在一个稳定的位置，以防止标靶晃动[6]，同时确保这4个标靶每站可视。为了能够获取管道的完整点云数据，扫描站点与目标管道之间避开物体遮挡，扫描距离适中，避免超过仪器的有效扫描距离。

1.2点云数据预处理

本次使用徕卡C10配套的数据处理软件Cyclone8.0。将扫描数据导入Cyclone软件完成拼接得到完整的管道点云。本次试验使用基于标靶的拼接模式，经去噪处理后获得管道的点云数据，拼接精度小于6mm。图1和图2为去噪后点云视图。

图1初步去噪后点云底部视图图2初步去噪后点云顶部视图

2管道三维建模

2.1管道点云数据分割

预处理后的点云数据基本上只剩下管道数据，但管道间纵横交错，为方便建模，还需对点云数据按管道进行分割[7]。分割应结合扫描现场草图及扫描时所采取的影像资料，确定各管线的走向及相互的位置关系。在Cyclone内调整模型空间，选取合适的角度，框选目标管道点云数据，复制框内点云，从而得到新的模型空间（图3）。

图3新模型空间内点云

2.2直管建模

首先全选点云，然后合并各测站点云，这样在一个空间视角下所有的点云都是可视可选的。使用多点选择按钮点选目标管道点云，然后点击CreatObject|RegionGrow|PipeRun。生成对话框。通过调整按钮，可以对区域生长形成的管道进行控制。RegionThickness点云控制生长成管道时所需要的点云厚度（对于直径较小的管道，在点云数据不理想的情况下减小厚度参数有助于计算）；MaximumGaptoSpan这个参数可以控制越过间断的大小跨度，AngleTolerance可以生成的管道模型所能允许的角度偏差；RegionSize参与生长计算的点云的范围。从对话框内还可以获取模型的细节信息，从图4中可以得到隐藏点云后构建的直管模型。

（a）垂直视角下的直管模型（b）水平视角下的直管模型

图4直管模型图

在使用区域生长法建立模型的时候，对种子点的选择有一定的原则。选点要体现出管道的长度和直径，也就是尽量在管道两端选两个点、在管道的同一横切面上也选两个点。通过这样的选点方式能提高建模的成功率，并且模型精度也较高。这个选点原则在对点云质量不高的管道建模时尤为有效。

2.3弯管建模

通常情况下弯管建模和直管采取相同的方法，但针对点云数据不完整或质量不高的弯管部分（图5）建模效果并不理想，图6为直接使用区域生长命令生成的弯管模型。这种状况下可以使用Cyclone软件ElbowConnectors来实现建模。首先使用多点选择按钮点选要连接的两段直管，点击Tools|Piping|ElbowConnectors实现弯管的连接。根据管道真实情况设置不同的弯曲比，如图7设置弯曲比为2，图8为弯曲比为2的弯管模型。图9和图10为使用弯管连接的两段平行管道。

2.4管道部件建模

与弯管类似如果点云数据不能够自动生成其模型，可以通过Cyclone软件的模型插入功能进行建模。在Cyclone软件CreatObject|Insert菜单下有Tee（三通）、ReducingElbow（减速弯管）、WeldingNeckFlange（焊接法兰）、BlindFlange（盲板法兰）等模型。使用多点选择工具选择两侧管道端口，插入Tee，完成三通模型创建（图10）。法兰、阀门的模型创建方法与三通类似（图11与图12）。

2.5模型属性查看与编辑

在Cyclone内，对已建立好的模型右击选择ObjectInfo可查看模型的具体信息。同时使用PipingMode将管道组件信息以注释的形式添加到模型中，组件信息包括了管道规格、管道ID和符号标识符，这些信息可以随模型导出，并且可以看到模型的编号、直径、长度、两端点坐标值和颜色属性信息，还可得知建模时参与计算的点云个数以及各项误差值，用以来评价建模质量。通过这些信息对模型进行数字化的编辑与存储，方便后期管理需要。对模型还可进行颜色编辑（图13），获得更好的视觉效果。

图13模型着色

2.6建模过程中的特殊情况

上文对直管、弯管、三通连接等情况的模型建立分别进行了论述，但在建模过程中会发现有很多地方的点云数据质量较差，很难满足建模要求，部分直管也出现了这种情况。当初步建模过程中发现部分管道点云缺失，直接生成模型存在困难，这时可使用复制功能进行建模。点击与该处管道相同的某处管道选择，在对话框的CopyatOffset进行拷贝操作，CopyatAngle可进行环形阵列的拷贝。

在Cyclone内对模型可以进行的操作完全不止拷贝这一种，其他如移动、旋转、使平行、延伸等命令对管道建模都有很大的帮助。针对管道建模，Tools工具下的Piping|PipingModeling一项强有力工具。该功能可以对模型型号、标准尺寸进行编辑，与通用管道标准一致。最后该区域建立好的模型如图14。

图14建立好的模型视图

3模型成果分析评价

3.1效果比对

截取部分模型与真实物体比对，图15为弯管模型比对，图16为法兰模型比对。可以看出，所建模型能够真实反映出管道的分布状况及细节特征，管道间的相互位置关系能够充分体现，具有一定的逼真度。

图16法兰模型效果对比图

3.2精度分析

为验证所建管道模型的精度质量，本文选取四种不同管道对比其模型与实际的直径。结合现场获取设计资料，查阅《CECS125：2001建筑给水钢塑复合管管道工程技术规程》[8]获知现场管道外径（表1）。

表2中模型直径是模型空间内多条相同管道直径求得的平均值。由表2可以看出对管径较大的管道，外业扫描能充分获取其点云数据，后期所建立的模型也有较高的精度。随着管道管径变小，模型精度有所下降，但模型仍能保持较好的精度。如果在扫描时设定更高的分辨率，模型精度会有更好的保证。

通过以上模型效果与精度比对，发现所建模型有较好的逼真度与精度，真实反映了管道的分布与个体属性，因此本文所采用的管道建模方法是实际可行的，所建模型也满足一些实际工程应用的要求。

4结束语

本论文基于Cyclone软件的地下停车场管道三维建模方法研究，利用管道的点云数据，在Cyclone内使用区域增长的方法构建管道模型，对完整管网采取分步建模的方法。可以得出将三维激光扫描技术运用在管道建模上是切实可行的，得到的管道模型具有较高的还原度，模型能够充分体现管道的分布及相互间的位置关系，通过对管道模型直径与实际直径的对比，证明模型精度能够满足实际工程应用的需求，具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1]胡春梅，王延亮，夏国芳.基于三维激光扫描技术的石化企业管线三维建模及其碰撞检测研究[J].测绘通报，2012（增刊）：8-10.

[2]李智临，李磊，王春，等.三维激光扫描技术在数字化工厂建模中的应用[J].广东化工，2013，40（22）：73-74.

[3]赵威成.基于AutoPLANT软件下的三维激光扫描系统管线成图的研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2006.

[4]JoohyukLee，HyojooSon，ChangminKim.Skeleton-based3Dreconstructionofas-builtpipelinesfromlaser-scandata[J].AutomationinConstruction，35（2013）：199-207.

[5]F.H.Sanders.3Dlaserscanninghelpschevronrevampplatform[J].OilandGas，99（18）（2001）：92–98.

[6]王善伟.基于炼化企业三维空间信息系统的研究与开发[D].成都：电子科技大学，2012.

[7]樊琦，姚顽强，陈鹏.基于Cyclone的三维建模研究[J].测绘通报，2015（5）：76-79.

[8]CECS125：2001，《建筑给水钢塑复合管管道工程技术规程》[S].上海：中国工程建设标准化协会，2001.