[发明专利]基于三维成像声纳点云的海底地形三维模型自动建模方法

说明书

本发明涉及一种基于三维成像声纳点云的海底地形三维模型自动建模方法，包括以下步骤：1)预处理，基于海底管道路由数据生成三维建模范围，裁剪原始点云；2)栅格化，将点云顶点划分到平面映射矩阵的栅格中，并通过计算加权平均高度和的方式形成栅格化点云；3)迭代插值，通过多轮插值填补点云中的空隙；4)平滑处理，对点云进行滤波处理；5)地形采样，根据顶点对地形的贡献值进行采样；6)表面重建，形成地形三维网格模型。优点在于：本方法实现基于三维成像声纳点云的地形三维模型自动建模，无须频繁的手动交互，建模结果直观、良好，在减少原始数据噪声影响的同时以网格形式展现海底地形，提高海底管道巡检数据分析的速度和准确度。

技术领域

本发明涉及点云处理技术和三维建模技术，具体来说是一种基于三维成像声纳点云的海底地形三维模型自动建模方法。

背景技术

海上油田所在海域的地质情况复杂，容易发生水下滑坡、塌陷、地形强烈起伏等现象。这些地质现象对海底石油管道构成重大威胁，可能导致管道的裸露，甚至导致大范围的管道悬空现象，从而给环境保护和安全生产带来严重的隐患。

为了及时发现裸露、悬空的海底管道，海底管道巡检往往采用三维成像声纳作为海底地形数据的采集传感器。三维成像声纳一般安装于海底管道巡检船的舷侧，在巡检船行进过程中不断地采集海底地形三维数据，形成地形三维点云数据。数据分析人员通过对海底地形三维点云数据进行处理和分析，可对具有裸露或悬空风险的管道段进行识别和定位，并基于识别定位结果进行进一步的检测，制定相应的维护措施，达到风险控制的目的。

在三维成像声纳点云数据的处理和分析上，传统方法主要依靠数据分析人员大量的人工数据处理操作，以及凭借经验对数据处理结果的人工识别和判断。这种方法不仅给巡检工作带来巨大的工作量，也对巡检质量产生不利影响，具体包括以下三点：

(1)三维成像声纳所采集到的海底地形三维点云数据有严重的噪声，数据分析人员需要通过繁琐的人工交互操作，例如滤波、裁剪、参数调整等，才能得到质量较高的、便于分析评估的点云数据；

(2)海底管道往往绵延几公里甚至几十公里，因此管道巡检工作可以产生数据量非常庞大的点云数据。数据分析人员需要对每一段管道的数据都进行处理和分析，以免忽略了具有风险的管道段；

(3)经过处理后的海底管道数据依然是离散的三维点云，而点云在地形的可视化呈现效果上不够直观，数据分析人员需要依靠丰富的个人经验以及敏锐的观察力，才能根据点云数据实现风险管道段的准确识别和判断。

基于上述问题，研究基于三维成像声纳点云的海底地形三维模型自动建模技术越来越重要，通过自动化的点云数据处理技术实现批量化的大规模海底地形点云数据处理，同时避免繁复的人工交互操作，并在点云的基础上形成更直观的地形三维模型，便于识别和定位风险管道段，这是现阶段海底地形三维可视化技术的趋势所向。

对于海底地形三维可视化的需求，科研人员寻求通过多波束数据实现海底地形三维建模与三维渲染。如王宏健等人在发明专利《基于多波束声纳海底测量数据构建三维地形矢量模型的方法》(申请号201110278195.2)中所公开的一种基于多波束数据的海底地形三维矢量模型建模方法，其特征在于：通过对多波束数据进行处理，构建扫描区域的海底地形高程数据，并基于Delaunay算法实现数据三角化，形成海底地形网格模型。顾晨等人在发明专利《基于多波束声纳数据的水下三维地形重建方法》(申请号201010126587.2)中公开了一种基于多波束数据的水下三维地形建模方法，其特征在于：通过多波束测深数据进行内插、迭代估算回波等处理，重建海底三维模型。上述研究中以多波束测深系统所采集的数据为基础进行地形建模，多波束系统相比于三维成像声纳，成像质量较低，在扫描的时刻只能获得深度和单个水平方向上的数据，采集到的信息相对较少。