［關(guān)鍵詞］點云數(shù)據(jù)；三維建模；露天采場；聚類算法；貪心算法

露天采場道路的設(shè)計、建設(shè)及維護對于提高露天礦山采場的生產(chǎn)效率和安全性具有重要意義。然而，通過感知來穩(wěn)定獲取路沿信息較為困難。因此，尋求一種快速、高效、精確的三維建模技術(shù)，對于露天采場道路的管理和優(yōu)化具有重要價值。

基于深度學習的道路標志檢測是一種用隱性特征神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理和分類圖像的方法，能夠顯著提升道路標志提取的精度和算法的魯棒性，相比傳統(tǒng)方法有很大的優(yōu)勢。景輝[1]主要運用全局特征的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測道路標志，該方法的執(zhí)行步驟如下：①增強道路標志特征；②基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對道路標志進行分塊，快速獲取局部道路標志；③基于K-means算法對其局部進行分割，并通過軟件計算得到局部區(qū)域的道路標志。其最終結(jié)果能夠?qū)崿F(xiàn)對道路標志位置的精確修正。

近年來，無人機傾斜攝影測量技術(shù)有了很大飛躍，已經(jīng)可以更高精度地對地物三維模型進行重建，但對于比較復雜的建筑物建模精度仍有不足[2]。激光雷達點云可以直接獲取地物的三維坐標等信息，可以更加直觀精確地展示地物的三維信息[3]，為建筑物三維重建提供了更精確的數(shù)據(jù)支持。

1 數(shù)據(jù)獲取及預處理

1.1 點云數(shù)據(jù)的獲取

文章應用的是大疆（DJI）M300RTK無人機搭載三維激光掃描儀禪思L1，一體化度集成激光雷達、測繪相機與慣導，每次作業(yè)能覆蓋2km2的面積，精度達到5cm/10cm。外業(yè)數(shù)據(jù)采集主要包括現(xiàn)場踏勘、航線設(shè)計、設(shè)備組裝、設(shè)備檢查與調(diào)試、飛行采集、設(shè)備回收、系統(tǒng)狀態(tài)及數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查等步驟。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要由由Acute3D公司的ContextCapture軟件完成，同時利用Pix4d進行正射影像的生成，具體如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)預處理包含以下內(nèi)容：①將所得正射影像導出的點云數(shù)據(jù)進行降采樣處理；②采用高斯濾波對降采樣后的點云數(shù)據(jù)進行處理；③采用歐式聚類算法進行地面點與非地面點分割，并進行坡度濾波；④采用K-means算法將使用歐式算法得到的地面點云進行聚類，如圖2所示。

2 點云數(shù)據(jù)三維建模

文章所用到的三維建模技術(shù)主要包括曲面重建、網(wǎng)格優(yōu)化及實體生成3個步驟。GeomagicStudio是一款高效的逆向工具，有助于快速、精細地構(gòu)造出各種復雜的三維結(jié)構(gòu)，并可根據(jù)曲面擬合、曲面修復、特征提取等功能，從點云數(shù)據(jù)中提取道路的幾何形狀和曲率特征，生成高質(zhì)量的道路模型。

2.1 曲面重建

在曲面重建時采用網(wǎng)格醫(yī)生，網(wǎng)格醫(yī)生的原理是基于對網(wǎng)格的拓撲和幾何屬性進行分析，找出不符合預設(shè)條件的網(wǎng)格元素，并根據(jù)不同的修復策略進行修改或刪除，如圖3所示。

2.2 曲面化及網(wǎng)格優(yōu)化

為了實現(xiàn)道路的高質(zhì)量重建，需要對無人機點云數(shù)據(jù)進行曲面化處理，即將多邊形網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為NURBS曲面的過程。曲面化可以提高模型的精度和光滑度，以及與CAD/CAM/CAE系統(tǒng)的兼容性，結(jié)果如圖4所示。

2.3 柵格化

柵格化是指將曲面片轉(zhuǎn)換為由四邊形或三角形組成的網(wǎng)格的過程。柵格化的原理是基于對曲面片進行曲面分析，根據(jù)不同的曲面片類型（如四邊域、三邊域、五邊域等），構(gòu)造相應的格柵，并利用最小二乘法或其他優(yōu)化算法擬合出NURBS曲面。柵格化可以控制曲面的形狀和質(zhì)量，以及與多邊形網(wǎng)格的比較和分析，如圖5所示。

2.4 擬合曲面實體生成

擬合曲面的方法是先劃分曲面片，然后構(gòu)造格柵，最后擬合曲面。在進行曲面模型建模的過程中，最重要的一步便是確保各個部件的曲率變化都在一定范圍內(nèi)，以便于準確描述點云的特征，并且減少模型的失真，如圖6所示。

2.5 貪心算法處理

上述結(jié)果所得到的三維道路模型在顏色、紋理等方面并不能滿足預期要求，并且模型存在粘連，故需要進行進一步的操作與改進。貪心算法是一種基于局部最優(yōu)解的優(yōu)化方法，其在每一步都選擇當前最優(yōu)的方案，以達到全局最優(yōu)或近似最優(yōu)的目標。

貪心投影三角化算法的基本原理是將點云轉(zhuǎn)換為三角形，并將其轉(zhuǎn)換為三維網(wǎng)格模型。具體包括以下流程：通過法線將點云投影到一個二維坐標系中，以便進行分析和計算→通過Delaunay三角剖分的空間區(qū)域增長算法→將投影后的點云轉(zhuǎn)換為平面三角形，從而獲取每個點之間的拓撲關(guān)系→將這些關(guān)系轉(zhuǎn)換為曲面模型，以此來實現(xiàn)點云的重建，如圖7所示。

3 結(jié)束語

文章基于無人機點云數(shù)據(jù)對露天采場道路三維建模技術(shù)進行了研究，采用的建模流程包括數(shù)據(jù)預處理、道路特征提取、道路網(wǎng)構(gòu)建及道路模型建立4個步驟。這一流程能夠充分利用無人機點云數(shù)據(jù)的高精度、高密度及高靈活性等優(yōu)點，實現(xiàn)對復雜露天采場道路結(jié)構(gòu)的可視化表示。試驗結(jié)果表明，該方法能夠有效地從無人機點云數(shù)據(jù)中提取并生成露天采場道路三維模型，為露天采場的規(guī)劃、設(shè)計、管理及監(jiān)測提供了有力的技術(shù)支持。