[發(fā)明專(zhuān)利]一種三維三角網(wǎng)構(gòu)建填挖空間的圖割方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410154904.X
• 申請(qǐng)日: 2014-04-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103927783A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-07-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊建思;劉健辰;郭丙軒;李小龍
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06T17/00
• 分類(lèi)號(hào): G06T17/00
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 汪俊鋒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于三維建模領(lǐng)域，特別是涉及一種三維三角網(wǎng)構(gòu)建填挖空間的圖割方法。

背景技術(shù)

在巖土工程中，廣泛涉及對(duì)填挖空間土石方的測(cè)量。土石方的測(cè)量、計(jì)算是工程施工中工程量預(yù)算、編制施工設(shè)計(jì)和合理安排施工現(xiàn)場(chǎng)的重要依據(jù)。現(xiàn)有的土石方計(jì)算方法有斷面法、方格網(wǎng)法和DTM法。

斷面法計(jì)算精度與斷面間距的長(zhǎng)度有關(guān)，間距越小，精度就越高；斷面法計(jì)算土石方量時(shí)要注意橫斷面的選取，斷面的選取對(duì)精度有較大影響；但是這種方法計(jì)算量大，尤其是在范圍較大精度要求高的情況下更為明顯。

方格網(wǎng)法計(jì)算土石方量的精度取決于采集數(shù)據(jù)密度的大小，同時(shí)和方格網(wǎng)的大小有關(guān)，方格網(wǎng)越小，精度越高；一些地形起伏較小坡度變化平緩的場(chǎng)地適宜用方格網(wǎng)法。

DTM法能很好地適應(yīng)復(fù)雜不規(guī)則地形，從而能更好地表達(dá)真實(shí)的地面特征，采用投影法分別構(gòu)建原始地形TIN和現(xiàn)實(shí)模型TIN；用三棱柱法或柵格法填充開(kāi)挖方邊界內(nèi)的設(shè)計(jì)模型與現(xiàn)實(shí)模型之間的差異空間，之后計(jì)算土石方量。這種方法計(jì)算精度高，但也存在一些問(wèn)題：用投影法構(gòu)建TIN時(shí)，不同的投影面構(gòu)建的TIN存在差異（甚至錯(cuò)誤的TIN），對(duì)精度有較大影響；投影法不能構(gòu)建更為復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)模型（投影面上存在重疊）；用三棱柱法計(jì)算體積時(shí)會(huì)對(duì)三角面進(jìn)行分解，對(duì)精度有較大影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種三維三角網(wǎng)構(gòu)建填挖空間的圖割方法。通過(guò)該方法，可以對(duì)復(fù)雜的巖土工程構(gòu)建更準(zhǔn)確的三維模型，以得到更高精度的土石方數(shù)量。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明基于圖割法，將構(gòu)網(wǎng)問(wèn)題視為優(yōu)化標(biāo)記問(wèn)題。首先獲取原始地形散點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)地形散點(diǎn)，將其合并后估計(jì)各點(diǎn)法向量；對(duì)合并后的散點(diǎn)采用逐點(diǎn)插入算法構(gòu)建四面體對(duì)空間進(jìn)行分解，我們想要得到的三角網(wǎng)即包含在四面體中；依據(jù)各散點(diǎn)法向量與四面體的相交信息和四面體中各三角面面積信息，添加s-t圖中權(quán)值；用最小割-最大流算法求解最終表面，即得到填挖空間，將空間內(nèi)的各四面體體積相加即得到填挖的土石方數(shù)量。

具體地，本發(fā)明方法包括如下步驟：

（1）首先獲取待測(cè)填挖空間的現(xiàn)實(shí)地形散點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)實(shí)測(cè)量散點(diǎn)邊界裁剪并剖分原始地形三角網(wǎng)獲取原始地形散點(diǎn)；

（2）將現(xiàn)實(shí)測(cè)量散點(diǎn)和原始地形散點(diǎn)合并后估計(jì)各個(gè)散點(diǎn)法向量；

（3）對(duì)合并后的測(cè)量散點(diǎn)采用逐點(diǎn)插入算法構(gòu)建四面體對(duì)填挖填挖空間進(jìn)行分解；

（4）構(gòu)建s-t圖，包括法向量能量項(xiàng)和三角形面積能量項(xiàng)，依據(jù)各散點(diǎn)法向量與四面體的相交信息和四面體中各三角面面積信息，添加s-t圖中權(quán)值；

（5）用最小割-最大流算法求解最終表面，即得到填挖空間，將空間內(nèi)的各四面體體積相加即得到填挖的土石方數(shù)量。

本發(fā)明構(gòu)建能量函數(shù)的方法為：對(duì)填挖空間進(jìn)行Delaunay四面體剖分，將Delaunay四面體的對(duì)偶圖（即Voronoi圖）作為s-t圖的節(jié)點(diǎn)和有向邊，s-t圖包括法向量能量項(xiàng)和三角形面積能量項(xiàng)。

填挖空間表面能量函數(shù)E(S)＝λ_normalE_normal(S)+λ_areaE_area(S)；

S為填挖空間表面；

E_normal(S)為法向量的能量項(xiàng)；

E_area(S)為三角形面積的能量項(xiàng)；

λ_normal為法向量能量項(xiàng)權(quán)重；λ_area為面積項(xiàng)能量項(xiàng)權(quán)重。

本發(fā)明提出利用法向量與四面體的相交信息添加s-t圖的權(quán)值。利用四面體頂點(diǎn)P和平移值σ確定四面體，添加其t權(quán)值；與法向量相交的三角面對(duì)應(yīng)著s-t中的有向邊，添加邊權(quán)值；法向量穿過(guò)的最后一個(gè)四面體添加s權(quán)值。

本發(fā)明提出用最大流最小割算法重新標(biāo)記s-t圖中的節(jié)點(diǎn)后，將未被s和t標(biāo)記的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為t，保留t節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的四面體即為填挖空間。本發(fā)明方法對(duì)封閉場(chǎng)景直接三維三角網(wǎng)構(gòu)建，無(wú)需投影到二維平面，避免了二維投影法構(gòu)建三角網(wǎng)的不足；直接構(gòu)建出填挖空間，可以更直觀的展示出填挖的空間范圍；由四面體計(jì)算土石方量，避免了DTM方法中三角形的分解，精度更高。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)實(shí)測(cè)量散點(diǎn)圖。1為測(cè)量邊界點(diǎn)，2為表面散點(diǎn)，3為地形特征散點(diǎn)。

圖2為加密地形特征散點(diǎn)示意圖。1為測(cè)量散點(diǎn)，2為加密的點(diǎn)，3為加密前地形特征散點(diǎn)，4為加密后地形特征散點(diǎn)。