基于北斗導(dǎo)航信息的洞穴三維地圖機械繪圖軟件建模研究

李峰 金永喆 范文捷 張巍

摘要：傳統(tǒng)地圖為二維地圖，三維地圖建立比較困難，特別是自然界實物三維地圖，尺寸變換規(guī)則度不高。為克服自然界實物三維地圖信息建立比較困難的問題，以自然界洞穴為例，提出了通過國產(chǎn)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進行地理位置信息采集，同時利用激光測距儀進行斷面形狀尺寸信息采集，利用機械類三維繪圖軟件SolidWorks建立洞穴三維地圖模型的方法。首先建立了河南省鄭州市某地洞穴的三維地圖模型，然后以地圖模型及場景對比分析驗證了方法的合理性、正確性，為后期其他自然界實物三維地圖的建立提供了參考。

關(guān)鍵詞：三維地圖；自然界；洞穴；北斗導(dǎo)航；場景

中圖分類號：P237? 文獻標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）11-0026-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.007

基金項目：河南省科技攻關(guān)項目“基于北斗導(dǎo)航的人形機器人群航道智能規(guī)劃位姿自動生成技術(shù)研究”（222102210307）；鄭州經(jīng)貿(mào)學(xué)院 虛擬實驗課程建設(shè)項目；鄭州經(jīng)貿(mào)學(xué)院? 創(chuàng)客空間建設(shè)資助項目

0? ? 引言

地圖在人類社會生產(chǎn)生活、工作學(xué)習(xí)中發(fā)揮著重要作用。隨著CAD技術(shù)的飛速發(fā)展以及測試技術(shù)的不斷進步，電子地圖技術(shù)也得到了長足的發(fā)展。電子地圖技術(shù)與地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)結(jié)合，能夠為人類生產(chǎn)生活、工作學(xué)習(xí)帶來更大的便利，因此現(xiàn)在越來越受到各個國家的重視，成為研究的重點[1]。北京時間2020年6月23日，我國北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，我國北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署全面完成[2]。北斗導(dǎo)航信息在電子地圖中的應(yīng)用已經(jīng)有了長足的發(fā)展，但現(xiàn)在主要集中在地圖信息的二維應(yīng)用上，三維電子地圖信息的應(yīng)用較少，而且主要集中在美國GPS導(dǎo)航系統(tǒng)與城市電子地圖結(jié)合的應(yīng)用上，如現(xiàn)在比較成熟的有美國Google公司的Google Earth軟件、MapInfo公司的MapInfo軟件、Bentley公司的MicroStation軟件、加拿大的CLRview軟件、瑞士的CyberCity Modeler軟件以及我國的Mablockquote GIS軟件、VRMablockquote軟件[3-4]。我國武漢市測繪研究院盧丹丹等人[5]將全景地圖應(yīng)用在了城市三維建模中；武漢大學(xué)朱欣焰等人[6]建立了室內(nèi)的地理環(huán)境；重慶郵電大學(xué)空間信息系統(tǒng)研究中心劉兆宏等人[7]制作了室內(nèi)矢量地圖；山東理工大學(xué)徐紅舉等人[8]利用激光與二維碼建立了貨物配送地圖；無錫學(xué)院宋仁波等人[9]提出了一種基于多源數(shù)據(jù)集成的城市建筑物三維建模方法；何潔等人[10]提出了一種適用于商業(yè)化地圖服務(wù)的三維實景建模技術(shù)；陸軍特種作戰(zhàn)學(xué)院廖章回等人[11]提出了用無人機進行傾斜攝影測量的城市戰(zhàn)場環(huán)境三維建模技術(shù)。雖然三維地圖建模信息已基本成熟，但可以發(fā)現(xiàn)，目前對自然界自然事物的三維地圖建模技術(shù)缺少研究。

因洞穴三維地圖信息難以采集，而且我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)剛剛趨于成熟，因此將洞穴三維地圖結(jié)合北斗信息的研究還未見報道。本文介紹了一種新的三維洞穴地圖建模方法，將洞穴空間信息結(jié)合我國北斗地理信息系統(tǒng)，使用國家2000坐標(biāo)系統(tǒng)，利用設(shè)計的山洞斷面尺坐標(biāo)采集裝置，運用激光探測系統(tǒng)，利用機械類三維實體造型軟件SolidWorks軟件，建立了河南省鄭州市某洞穴三維地圖，通過洞穴三維地圖不僅可以得到洞穴空間尺寸，還可以得到洞穴北斗導(dǎo)航地理位置信息。

1? ? 洞穴三維地圖建模原理

本洞穴三維地圖建模的原理是利用軟件繪出山洞斷面模型，利用激光測距儀收集山洞內(nèi)部斷面信息，利用北斗導(dǎo)航儀收集測量點位置信息；然后將收集到的山洞斷面信息分別輸入山洞斷面模型，通過軟件繪出，形成斷面草圖；接著根據(jù)收集到的測量點位置信息數(shù)據(jù)，通過軟件繪出測量路徑；最后把測量路徑和斷面草圖融合，繪出洞穴三維地圖。

2? ? 洞穴三維地圖建模過程

山洞地理形狀特殊，規(guī)則性較差，一般建筑特征的斷面設(shè)計難以應(yīng)用于山洞，因此要設(shè)計一種既能夠繪出山洞的斷面形狀，采集山洞的北斗定位信息，又能夠通用于不規(guī)則形狀繪制的方法。經(jīng)過實地走訪勘測、觀察，設(shè)計了一種通用方法。但同時由于山洞形狀特殊，因此尺寸參數(shù)涉及較多，將山洞等洞體地理信息分為兩部分，一部分為測量點所在的位置，另一部分為測量點所在位置的截面形狀、尺寸。一般山洞內(nèi)部的形狀如圖1所示。測量點所在的位置可通過北斗導(dǎo)航儀測得，以國家2000坐標(biāo)為例，表示為X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、海拔高度H，其中，X為北斗導(dǎo)航國家2000坐標(biāo)系X坐標(biāo)，Y為北斗導(dǎo)航國家2000坐標(biāo)系Y坐標(biāo)，H為北斗導(dǎo)航國家2000坐標(biāo)系海拔高度H坐標(biāo)，而測量點所在位置的截面形狀可通過圖1中山洞斷面尺寸確定，基本信息設(shè)計為：通過激光測距儀測出a、b、c、d、e、f、g、h，根據(jù)圖1得到的A、B、C、D、E、F、D、G、H、J點，連接AB、BC、CD、DE、EF、FG、GH、HJ、JA，即可得到山洞等洞體的通用截面圖形。

測量人員可以在洞內(nèi)一邊行走一邊測量，測量點之間位置越近，后面建模得到的三維地圖越準(zhǔn)確，但后期建模的勞動量也越大，測得的數(shù)據(jù)可用表格表示。由于地球尺寸巨大，為百萬級別，而軟件內(nèi)部所用尺寸最大為萬級別，為方便建模，坐標(biāo)需要根據(jù)測試結(jié)果及建模對象對導(dǎo)航坐標(biāo)取相應(yīng)數(shù)量級結(jié)果處理，具體見下面實驗。一般建立模型時取X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)的前5位，這樣建立出來的模型既不失真，又能反映地理坐標(biāo)，將x坐標(biāo)加上3 800 000，即可得X坐標(biāo)，y坐標(biāo)加上1 970 000，即可得Y坐標(biāo)。x為建模所取坐標(biāo)x，y為建模所取坐標(biāo)y，建模所取坐標(biāo)h為胸前中心至地面高度。假定各采集位置及截面尺寸信息已得，打開SolidWorks軟件平臺，新建零件，進入模型地圖建立截面。

先插入基準(zhǔn)面到3D草圖，然后繪制點，將繪制的1點現(xiàn)有幾何關(guān)系在平面上刪除，修改繪制點的坐標(biāo)為已知位置坐標(biāo)，繪制好1點，然后繪制2點，修改繪制2點的坐標(biāo)為已知位置坐標(biāo)；繼續(xù)重復(fù)，畫出余下空間點，本示例共有7個位置的信息，畫出7點，如圖2所示空間點。接著依次連接1點、2點、3點、4點……直至完成路徑繪制，如圖2所示路徑。過2點插入基準(zhǔn)面1，基準(zhǔn)面1與1點和2點連線垂直，如圖3所示。重復(fù)在3、4、5、6、7點插入基準(zhǔn)面2、3、4、5、6，如圖3所示其他基準(zhǔn)面。

在基準(zhǔn)面1上作2點處截面圖形d1，基準(zhǔn)面2上作3點處截面圖形d2，并依次作出其他截面d3～d6（圖4）；然后依次從截面1放樣到截面6（圖5），加入材質(zhì)，即可形成洞體三維模型（圖6）。各截面形狀如圖7（a）～（f）所示。

這種地圖模型建立方法簡單方便，使利用SolidWorks等機械類三維軟件對山洞等洞體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行三維建模成為可能，為后期使用機器人進入內(nèi)部采集數(shù)據(jù)后建立洞體地圖奠定了基礎(chǔ)。此種方法建立的地圖內(nèi)部不但有地形信息，更添加了國家2000坐標(biāo)系下的坐標(biāo)信息，為以后我國工程應(yīng)用提供了方便。

3? ? 實驗研究

3.1? ? 實驗設(shè)備

本文介紹的洞穴三維地圖建模方法所使用的山洞斷面尺寸坐標(biāo)采集裝置主要包括北斗導(dǎo)航定位設(shè)備和洞內(nèi)距離尺寸采集裝置。北斗導(dǎo)航定位設(shè)備為ICEGPS 610北斗衛(wèi)星導(dǎo)航儀（圖8），該導(dǎo)航儀15星定位，支持北京54、西安80、國家2000常用坐標(biāo)格式快速轉(zhuǎn)換；洞內(nèi)距離尺寸采集裝置采用SNDWAY激光測距儀（圖9）。

3.2? ? 實驗流程

根據(jù)圖10實驗流程，本實驗首先需要實驗員進入山洞，熟悉所測山洞環(huán)境，勘查山洞內(nèi)部具體情況，然后利用北斗導(dǎo)航儀進行位置信息采集，利用激光測距儀采集山洞橫截面信息，并對一些特殊斷面進行標(biāo)記、處理，再通過三維建模軟件進行地圖建模，得到三維地圖模型。

圖11為根據(jù)實驗流程所設(shè)計的山洞斷面尺寸及坐標(biāo)采集盒，該采集盒已申請并授權(quán)專利，專利號：CN201921858441.X。

3.3? ? 實驗研究對象

為了驗證所提基于北斗導(dǎo)航的洞穴三維地圖建模方法的合理性和有效性，對鄭州市尖崗村某洞穴進行勘測與建模，勘測場景如圖12所示。

從圖12明顯可以看出，洞穴與城市環(huán)境信息不同，洞穴截面的不規(guī)則性導(dǎo)致其三維地圖的建立更加困難，要建立一種既能表達洞穴等復(fù)雜環(huán)境，又能展示地理位置信息的地圖更加繁雜。

3.4? ? 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)圖10中的實驗流程，勘測出洞穴內(nèi)部環(huán)境，通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航儀、激光測距儀得到參數(shù)如表1所示。

表1中，X、Y、K表示采集斷面位置X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、海拔高度H，x、y是X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)的最后三位，a、b、c、d、e、f、g、h分別為圖3所示采集位置距離洞壁面各個方位的距離。據(jù)表1建立模型如圖13所示。

圖13分別為各界面定位信息，因為使用軟件單位為毫米，但導(dǎo)航系統(tǒng)單位為米，如為米級繪制，則模型極大，因此可用毫米級別表示。圖14為實時采集各信息時山洞內(nèi)部各處環(huán)境，經(jīng)對比可以看出，通過勘測出洞穴內(nèi)部信息，結(jié)合勘測環(huán)境建立的尖崗村某洞穴三維地圖，不僅很好地與實際洞穴內(nèi)部環(huán)境融合，而且還能展示洞穴某些特殊位置的特殊信息。該地圖基于我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，采用國家2000坐標(biāo)系建立，直觀、形象地展示了所處位置的環(huán)境地理信息，體現(xiàn)了地理環(huán)境勘測與三維地圖構(gòu)建的有效性、合理性。

4? ? 結(jié)論與展望

本文介紹了一種利用機械類三維建模軟件SolidWorks建立洞穴三維地圖的方法，將北斗地理信息系統(tǒng)和三維建模技術(shù)結(jié)合，建立了一種包含洞穴空間尺寸和洞穴北斗導(dǎo)航地理位置信息的三維地圖。實驗結(jié)果表明，采用該方法建立的洞穴三維地圖信息更加豐富全面，能夠勝任洞穴復(fù)雜場景下的三維地圖構(gòu)建，能夠應(yīng)用于洞穴等復(fù)雜環(huán)境的地圖導(dǎo)引，后期如與機器人技術(shù)結(jié)合，可以實現(xiàn)洞穴三維地圖自動采集、自動生成，對于推動空間地圖技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

[參考文獻]

[1] 安林芳，宋圓圓.多傳感器融合的自動泊車建圖定位研究[J].機電信息，2022（9）：21-23.

[2] 北斗網(wǎng).我國北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署提前半年全面完成[EB/OL].（2020-06-23）[2023-01-03].http：//www.beidou.gov.cn/yw/xwzx/202006/t20200623_20685.html.

[3] 王青山，王家耀.GIS數(shù)據(jù)模型研究與實踐[J].解放軍測繪學(xué)院學(xué)報，1998（4）：296-299.

[4] 百度經(jīng)驗.圖解常見的三維GIS軟件[EB/OL].（2015-12-11）[2023-01-03].https：//jingyan.baidu.com/article/9158e0003428a6a25412281e.html.

[5] 盧丹丹，譚仁春，李維，等.全景地圖在城市三維建模中的應(yīng)用[J].地理空間信息，2016，14（10）：56-58.

[6] 朱欣焰，楊龍龍，咼維，等.面向全息位置地圖的室內(nèi)空間本體建模[J].地理信息世界，2015，22（2）：1-7.

[7] 劉兆宏，王科，豐江帆，等.矢量室內(nèi)地圖建模與制作方法[J].數(shù)字通信，2012，39（4）：77-80.

[8] 徐紅舉，魯力群，孫萌，等.激光與二維碼相融合的AGV自主導(dǎo)引建模與仿真分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，36（10）：256-263.

[9] 宋仁波，朱瑜馨，郭仁杰，等.基于多源數(shù)據(jù)集成的城市建筑物三維建模方法[J].自然資源遙感，2022，34（1）：93-105.

[10] 何潔，王悅，董愷.多源數(shù)據(jù)融合的城市三維實景建模技術(shù)應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息，2021，44（12）：121-124.

[11] 廖章回，朱偉，韋敏杰.傾斜攝影測量的城市戰(zhàn)場環(huán)境三維建模及可視化[J].火力與指揮控制，2021，46（10）：131-135.

收稿日期：2023-03-24

作者簡介：李峰（1981—），男，河南南陽人，博士研究生在讀，副教授，研究方向：北斗導(dǎo)航應(yīng)用及機器人導(dǎo)航控制。

通信作者：金永喆（1966—），男，韓國全羅北道群山人，博士，教授，研究方向：機器人路徑規(guī)劃、人工智能與自動駕駛汽車。