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據構網與管理方法研究

程寇

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300142)

激光雷達點云數據存在著數據存儲量大、數據構網困難、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據構網與管理方法便顯得很有必要。提出一種點云數據構網與管理方法，并通過系統(tǒng)開發(fā)，實現了高精度點云數據的空間構網與管理，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、地形圖生產提供可靠的保障。

機載激光雷達三角網構建數據管理點云

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據產品的市場也越來越大。

數字高程模型(Digital Elevation Model， DEM)作為描述地表信息的基礎數字產品，是地理信息系統(tǒng)(Geographical Information System， GIS)空間數據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據之一。

在DEM的各種表示方法中，不規(guī)則三角網(Triangulation Irregular Net， TIN)作為地表的數字化表現手段和分析工具，以其結構良好、數據存儲簡單、地表重構精度高及對不規(guī)則區(qū)域和數據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)，其構網原理與方法一直是國內外學者研究的重點。

LiDAR點云數據的數據量由點密度和數據覆蓋的地理范圍正相關，在工程應用中，數據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，數據量可達上百GB。目前，國內外使用較多的點數據構網與應用軟件(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)，在針對海量點云數據的處理時，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據處理方面，在針對海量數據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點云數據的特點，提出一種點云數據構網與管理方法，并通過系統(tǒng)開發(fā)，實現了高精度點云數據的空間構網與管理，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、地形圖生產提供可靠的保障。

2　構網與管理流程

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

圖1為本方案流程圖及介紹說明。

圖1　Lidar點云數據構網與管理流程

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據所共有，同時點云數據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)的三角網構網、分塊數據管理增加了復雜度。

本文提出的激光雷達點云數據的分塊，區(qū)別于常規(guī)的數據分塊方法，需考慮如下因素：①單塊的數據量；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的構建時，則需根據三角網分塊管理的特點，對點云分塊提出新的要求，否則數據構網過程中容易出現漏洞和區(qū)域構網不一致的情況。

為了簡化過程，實現點云數據分塊和三角網構網完全獨立，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構網算法構網，各三角網數據在重疊區(qū)的中心部分構網結果一致，重疊區(qū)的邊緣部分構網結果不一致。只要確保中線附近不同塊數據的三角網一致，即可實現分塊三角網的接邊。

圖2為點云數據分塊處理流程。

圖2　Lidar點云數據分塊流程

3.2特征約束下的不規(guī)則三角網構建

Delaunay三角網可以很好地擬合現實地形地貌，構網過程具備唯一性，因此在地形表達上是最常用的方法。Delaunay三角網生成方法中最常用的是逐點插入法，該算法雖然實現過程相對簡單，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，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，三角網中新增2個三角形；

②調整三角網鄰邊關系；

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

在海量三角網中，快速查找定位三角形是最常用的方法。由于三角網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；初始三角形離目標點越近，則查找次數越少。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)則格網對三角網進行分塊編號，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號，通過格網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。

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

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，借助于visual studio 2008 開發(fā)平臺，開發(fā)了一套LiDAR數據構網與管理系統(tǒng)，并在赤峰接京沈聯絡線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據文件。

圖6　赤峰接京沈聯絡線LiDAR項目應用示意

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

圖7為采用Lidar數據構網與管理系統(tǒng)接口進行路基橫斷面生產和線路縱斷面生產的示意。

圖7　利用分塊數據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、構網困難以及數據傳輸不便等問題開展了基于海量點云構網和管理方面的研究，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。

目前，該實驗成果已應用于相關項目生產中并發(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的效率。同時，軟件系統(tǒng)的成果開發(fā)也為LiDAR點云數據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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