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申请/专利权人：中国人民解放军陆军工程大学

摘要：本发明公开了一种基于点云、物联网的地下空间数字孪生体逆向构建方法，可以有效提高地下空间开发和管理的效率及精确度。该方法首先通过三维激光扫描仪获取地下空间的详细点云数据，然后利用先进的数据处理算法对点云进行预处理和特征提取，形成地下空间的精确三维几何模型。最后，通过物联网技术实时收集地下空间的环境和结构数据，并将这些数据与几何模型相结合，逆向构建出能够实时反映地下空间状态的数字孪生体。本发明提高了地下空间建模的效率和精度，提升了地下空间建模的自动化水平，为地下空间的开发、规划和管理提供了有力的技术支撑。

主权项：1.一种基于点云、物联网的地下空间数字孪生体逆向构建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，采集地下空间的三维点云数据；步骤2，剔除点云中的散列点、孤立点，简化点云数据，并将点云统一到同一坐标系下；步骤3，运用4PCS算法进行点云配准；步骤3具体包括：步骤3-1，根据两片点云的给定重叠率f，在源点云中随机选择三个点、，此三点所构成的三角形面积大于第一预设阈值；步骤3-2，遍历源点云中剩余点，选择一个点使其与三点组成的平面距离小于第二预设阈值，并且离此三点的距离处于预设范围内；步骤3-3，通过步骤3-2以此确定四点集；步骤3-4，在源点云中，通过步骤3-1至步骤3-3的方式随机选择一个四点集，其中确定线段，其中确定线段；计算不变量作为约束1： ；计算不变比作为约束2： 其中，点为线段和线段的交点，若两个线段不相交，则点为连接两个线段的最近点的中心点；步骤3-5，在目标点云中，遍历所有的点对，筛选出满足所述约束1的点对集合； 其中，为方差；步骤3-6，遍历集合中的所有点对元素，计算其所构成线段上满足不变比的目标交点，然后将所有计算结果存入搜索树ANNTree，并构建相应的映射；步骤3-7，遍历集合中的所有点对元素，计算其所构成线段上满足不变比的目标交点，并构建相应的映射；同时，在步骤3-6构建的ANNTree中搜索在预设接受误差范围内的重合点，若搜索到则表明能在中找到一个对应的近似全等四点集，以此求得所有的近似全等四点集；步骤3-8，遍历所有近似全等四点集，对每一个，结合四点集，计算源点云与目标点云的最优变换矩阵并保留；步骤3-9，不断迭代步骤3-5至步骤3-8，迭代结束后得到的最优变换矩阵即为最终的最优变换矩阵；步骤3-10，基于最终的最优变换矩阵对点云数据进行配准；步骤4，去除点云中的噪声；步骤5，去除冗余数据并进行抽稀，实现点云数据简化；步骤6，对点云数据进行分割；步骤7，利用FPFH算法对分割后的点云数据进行特征提取；具体包括：步骤7-1，在半径值间逐个计算每个点的点云特征描述子PFH；设在半径上计算了每个点的PFH特征，通过下式量化每个点的特征直方图与整个点云数据集的直方图之间的差异即相似性： 式中，表示第j个桶的点特征直方图；表示整个点云数据集在第j个桶上的平均直方图值，M表示对于PFH特征中每个几何特征进行特征值范围细分得到的直方图桶数，PFH包括四个几何特征，其中表示两个点法线之间的偏差，表示两点之间的欧式距离；步骤7-2，统计相似性的均值和方差，在以外的点为可能特征点，令所有可能特征点为；当一个特征点至少在两个连续半径上被观测到，则选其为最终特征点，即： 步骤7-2，对于每个最终特征点，计算其与每个邻域点之间的三元组，并统计得到一个简化的点特征直方图，即SPFH；步骤7-3，重新确定每个最终特征点的k邻域，并通过邻域内点的SPFH计算快速点特征直方图FPFH，计算公式为： 其中，为点与其第k个邻域点之间的距离加权因子，分别为点对应的SPFH、FPFH；步骤7-4，将快速点特征直方图FPFH的频数归一化，从而得到最终的FPFH特征描述子，进行特征提取；步骤8，基于隐式曲面的隐式方法进行三维重建；具体包括：步骤8-1，对每个采样数据点拟合一个切平面，所述切平面以中心点o和法线方向表示；选取采样数据点附近的k个点，则o取这k个点的重心，即： 取如下所示协方差矩阵式的最小特征值对应的特征向量： 步骤8-2，构建欧式最小生成树即EMST连接各切平面中心；步骤8-3，连接各切平面中心的k近邻，向EMST加入一些新的边，得到黎曼图；步骤8-4，为每个切平面任意选择一个朝向，根据欧式最小生成树将法线方向“传播”到黎曼图中的邻近平面；步骤8-5，获取与点距离最近的切平面中心，计算点在对应切平面上的投影点z；步骤8-6，若z与所有切平面中心之间的最小距离小于，则有符号距离函数；其中，为点云数据的采样密度，为噪声量级；步骤8-7，定义一个空间的立方体划分，每个立方体的边长应小于；步骤8-8，对于每个立方体，计算顶点处有符号距离函数的数值；步骤8-9，对于每条边，若连接的两个顶点的符号不同，则在该条边上插值，计算插值为0的位置，放置顶点；步骤8-10，在顶点间构造三角面片，完成地下空间三维重建；步骤8-11，对地下空间重建的三维表面进行可视化展示；步骤9，构建地下空间物联网进行地下空间数据的实时更新显示，逆向构建出实时反映地下空间状态的数字孪生体。

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