[發明專利]基于三維成像聲納點云的海底地形三維模型自動建模方法

在審

• 申請號: 202010128881.0
• 申請日: 2020-02-28
• 公開（公告）號: CN113327321A
• 公開（公告）日: 2021-08-31
• 發明（設計）人: 肖路昊;陳錚;劉凌宇;張曉天;陳罡
• 申請（專利權）人: 北京創奇視界科技有限公司
• 主分類號: G06T17/05
• 分類號: G06T17/05;G06T17/20;G06T5/00;G06T5/20;G01S15/89
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本發明涉及一種基于三維成像聲納點云的海底地形三維模型自動建模方法，包括以下步驟：1)預處理，基于海底管道路由數據生成三維建模范圍，裁剪原始點云；2)柵格化，將點云頂點劃分到平面映射矩陣的柵格中，并通過計算加權平均高度和的方式形成柵格化點云；3)迭代插值，通過多輪插值填補點云中的空隙；4)平滑處理，對點云進行濾波處理；5)地形采樣，根據頂點對地形的貢獻值進行采樣；6)表面重建，形成地形三維網格模型。優點在于：本方法實現基于三維成像聲納點云的地形三維模型自動建模，無須頻繁的手動交互，建模結果直觀、良好，在減少原始數據噪聲影響的同時以網格形式展現海底地形，提高海底管道巡檢數據分析的速度和準確度。

技術領域

本發明涉及點云處理技術和三維建模技術，具體來說是一種基于三維成像聲納點云的海底地形三維模型自動建模方法。

背景技術

海上油田所在海域的地質情況復雜，容易發生水下滑坡、塌陷、地形強烈起伏等現象。這些地質現象對海底石油管道構成重大威脅，可能導致管道的裸露，甚至導致大范圍的管道懸空現象，從而給環境保護和安全生產帶來嚴重的隱患。

為了及時發現裸露、懸空的海底管道，海底管道巡檢往往采用三維成像聲納作為海底地形數據的采集傳感器。三維成像聲納一般安裝于海底管道巡檢船的舷側，在巡檢船行進過程中不斷地采集海底地形三維數據，形成地形三維點云數據。數據分析人員通過對海底地形三維點云數據進行處理和分析，可對具有裸露或懸空風險的管道段進行識別和定位，并基于識別定位結果進行進一步的檢測，制定相應的維護措施，達到風險控制的目的。

在三維成像聲納點云數據的處理和分析上，傳統方法主要依靠數據分析人員大量的人工數據處理操作，以及憑借經驗對數據處理結果的人工識別和判斷。這種方法不僅給巡檢工作帶來巨大的工作量，也對巡檢質量產生不利影響，具體包括以下三點：

(1)三維成像聲納所采集到的海底地形三維點云數據有嚴重的噪聲，數據分析人員需要通過繁瑣的人工交互操作，例如濾波、裁剪、參數調整等，才能得到質量較高的、便于分析評估的點云數據；

(2)海底管道往往綿延幾公里甚至幾十公里，因此管道巡檢工作可以產生數據量非常龐大的點云數據。數據分析人員需要對每一段管道的數據都進行處理和分析，以免忽略了具有風險的管道段；

(3)經過處理后的海底管道數據依然是離散的三維點云，而點云在地形的可視化呈現效果上不夠直觀，數據分析人員需要依靠豐富的個人經驗以及敏銳的觀察力，才能根據點云數據實現風險管道段的準確識別和判斷。

基于上述問題，研究基于三維成像聲納點云的海底地形三維模型自動建模技術越來越重要，通過自動化的點云數據處理技術實現批量化的大規模海底地形點云數據處理，同時避免繁復的人工交互操作，并在點云的基礎上形成更直觀的地形三維模型，便于識別和定位風險管道段，這是現階段海底地形三維可視化技術的趨勢所向。

對于海底地形三維可視化的需求，科研人員尋求通過多波束數據實現海底地形三維建模與三維渲染。如王宏健等人在發明專利《基于多波束聲納海底測量數據構建三維地形矢量模型的方法》(申請號201110278195.2)中所公開的一種基于多波束數據的海底地形三維矢量模型建模方法，其特征在于：通過對多波束數據進行處理，構建掃描區域的海底地形高程數據，并基于Delaunay算法實現數據三角化，形成海底地形網格模型。顧晨等人在發明專利《基于多波束聲納數據的水下三維地形重建方法》(申請號201010126587.2)中公開了一種基于多波束數據的水下三維地形建模方法，其特征在于：通過多波束測深數據進行內插、迭代估算回波等處理，重建海底三維模型。上述研究中以多波束測深系統所采集的數據為基礎進行地形建模，多波束系統相比于三維成像聲納，成像質量較低，在掃描的時刻只能獲得深度和單個水平方向上的數據，采集到的信息相對較少。