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【摘 要】随着CAD技术以及计算机等高速发展的时代，逆向工程技术被广泛的应用到公路的设计领域之中。文章介绍了逆向工程技术，阐述了逆向工程技术的数据处理流程，最后举例说明逆向工程技术在公路设计中的应用。
【关键词】公路设计；逆向工程技术
1、逆向工程技术的概述
逆向工程技术在公路设计中的应用，主要是对实物模型进行的数据采集和建立数字模型这两个方面。逆向工程技术是未来公路设计的趋势和发展方向，对三维点云数据的采集利用的是激光测绘设备，然后对采集的数据进行优化处理，建立相应的地形数模，通过这种方式来进行公路的设计将更加精确、高效而且直观。[1]
逆向工程技术中首要的环节就是对数据的采集，也为建模反求提供了理论依据。建模的开发效率和质量受到了所采集数据的速度以及精度的影响。逆向工程中一个关键的技术就是能够快速、准确地采集三维点数据。逆向工程在各大领域的广泛应用，数据采集技术也在突飞猛进的发展，从一开始的接触式的测量方法，逐渐发展为以磁学、光学等为媒介的非接触式的测量方法，然后到最新研发的组合式的测量等。对不同类型的模型进行数据采集时，所选取的测量方法也不同，要合理利用现有的资源，通过最低的采集成本完成精确、高效的数据采集。
2、逆向工程技术的数据处理流程
在逆向工程技术中，一个重要的环节就是数据的处理。数据的处理直接关系到数据能够准确、方便地完成模型的重建。利用激光测量设备对模型的点云数据进行准确的测量，将没有用的噪声数据和有用的数据结合在一起，经过数据的处理，最后生成DEM。数据的处理过程由数据的滤波、数据的平滑、数据的精简、数据的分割以及多视点云对齐等构成。[2]
2.1数据滤波 数据的滤波是对行人、汽车经过之后留下的足迹等噪声进行消除。噪声是杂乱、稀疏的，这是与模型的点云数据最大的不同。抓住这一特点，可以使路面的面和点云相互垂直，实现投影效果，对点云数据的划分要通过正方形的格网进行，对格网点的数量进行统计，依据扫描间距进行阈值的设定,把阈值小于密度的格网中的点云进行保留，删除其它的点云,将格网的边长不断缩小，依次进行以上步骤将点云删除，通过这样的操作大部分的噪声将被消除。
2.2数据平滑 通过标准的高斯滤波算法或者是平均滤波算法进行数据的平滑。所谓高斯滤波算法就是利用高斯滤波器设置高斯分布，滤波的平均效果相对比较小，所以在进行数据滤波的同时能够在不损坏原数据形貌的前提下完成数据的滤波。而平均滤波算法指的是将模型采样点的值换成平均滤波器中各数据点相应的统计值，这样可以很好的将数据的毛刺消除。
2.3数据精简 在逆向工程技术的重构曲面环节，如果存在点云过于密集的情况，不仅会影响计算机的操作、存储以及运行的效率，而且还会影响到曲面模型的生成时间和光顺性。对采集的点云数据进行精简，就是为了防止这一问题的发生。而针对点云的类型，所选取的精简方式也是不一样的。例如，对于比较散乱的点云，往往是选择随机采样的方式进行数据的精简的；网格式的点云，进行数据的缩减主要采用的是最小包围区域的方法或者是等分布密度的方法。
2.4数据分割 以模型外形曲面相应子曲面的不同类型作为数据分割的依据，把类型相同的子曲面数据分成一组，形成互不重叠、特征比较单一的数据区域，给曲面模型的重建提供了便利。对电云数据进行区域分割的方法有两种，即自动分割法和测量分割法。自动分割法又包括基于边和基于面的两种方法。基于边的分割方法把测量点的曲率的变化作为是两个区域的边界，最终分割的区域结果是封闭的边界区域；基于面的分割方法是把几何特征比较相似的点作为同一个区域。而通过测量的分割方法是在进行数据测量的过程中，依据模型的外形特征进行分子曲面的划分，再对各不相同的特征区域进行标注，然后对测量的路径进行规划，按照曲面的不同特征将测量的数据通过CAD软件实现数据的处理和分成显示。
2.5多视点云实现对齐 由于模型的外形数据不是通过一次测量来得到的结果，所以需要把零乱的数据放到同一个坐标系里，要完成这一个过程就需要进行数据的对齐或者是拼合。目前，数据的对齐方法有两种，即直接对齐法图形对齐法。直接对齐法就是对数据进行直接的操作，完成数据的对齐，最终使得数据结构实现一致以及数据信息完整化。图像对齐法，首先对数据需要进行局部造型，然后拼合对齐视图数据相应的几何图形，这种方法虽然简单、快捷而且结果非常准确，但是在分割后不同的视图中，由于特征信息和拓扑不是很完成，局部造型很困难。
3、逆向工程技术在公路设计中的应用
对旧路进行改建是公路设计的一大难题，因为在改建过程中需要保护周边的环境以及还原区域实景等，文章以某一平交口的改造为例，讲述公路设计中逆向工程技术的应用。
3.1对地形数据进行采集和处理 利用激光扫描仪进行数据的采集，激光扫描仪主要由测距系统和扫描系统构成。激光的测距系統是一种非接触式的测量，激光束的发射和接收的时差来测量扫描议和扫描点之间的距离。激光的扫描系统是将激光束在反射镜的作用下均匀的旋转，并以等角的速度进行发射，然后对竖直和水平方向的激光束进行测量。测距系统和扫描系统相互结合，可以计算出扫描点的三维坐标。
利用ImgeWare软件可以对采集的点云数据进行处理。该软件将采集的三维点云数据进行去噪、平滑、分割、拼合等处理，最后得出完整的带有点号的点云文本数据和三维坐标数据。
3.2建立模型 把三维点数据的文本输入到CARD/1软件中，进行地形图的处理，导出高精度的DEM，采样之间的间距为0.2m，等高线之间的间距为1m。再次，将软件中导入DEM文件进行数模的叠加，最后得到带颜色的DEM文件。
3.3根据点云地形图进行平面设计 DEM模型是带有颜色的，设计人员对旧路中心线以及边缘线的确定会变得更精确和直观，最终使实景还原度得到提高，更有效的完成道路的优化处理。选取最佳的角度，对三维状态的模型方案进行设计。
3.4根据点云的地面线数据进行纵断面和横断面的设计 在点云DEM模型的基础上，对纵断面的插值进行计算，得出带有颜色的关于地面线的三维点云数据。点云DEM模型可以通过对景深进行设置，直观地看到中线法线方向的地面上实际的情况。
通过点云DEM模型，可以将带有视景深度横断方向的点云数据切出，然后对旧路横断方向的原有构造物、拆迁情况等有详细的了解，有把握地进行横断面的设计。
4、结语
逆向工程技术为公路的设计提供了很多的方便，尤其是对旧路的重建方面，所以在公路的设计中一定要充分利用逆向工程技术，使公路设计更加精准、快捷。
参考文献
[1]童琳,颜廷山,葛思尚.逆向工程技术在公路设计领域的应用[J].交通世界(运输.车辆),2011,(08).
[2]谢元媛,孙文磊,杨杰.逆向工程技术在产品开发中的应用[J].机械工程与自动化, 2008,(04).
【关键词】公路设计；逆向工程技术
1、逆向工程技术的概述
逆向工程技术在公路设计中的应用，主要是对实物模型进行的数据采集和建立数字模型这两个方面。逆向工程技术是未来公路设计的趋势和发展方向，对三维点云数据的采集利用的是激光测绘设备，然后对采集的数据进行优化处理，建立相应的地形数模，通过这种方式来进行公路的设计将更加精确、高效而且直观。[1]
逆向工程技术中首要的环节就是对数据的采集，也为建模反求提供了理论依据。建模的开发效率和质量受到了所采集数据的速度以及精度的影响。逆向工程中一个关键的技术就是能够快速、准确地采集三维点数据。逆向工程在各大领域的广泛应用，数据采集技术也在突飞猛进的发展，从一开始的接触式的测量方法，逐渐发展为以磁学、光学等为媒介的非接触式的测量方法，然后到最新研发的组合式的测量等。对不同类型的模型进行数据采集时，所选取的测量方法也不同，要合理利用现有的资源，通过最低的采集成本完成精确、高效的数据采集。
2、逆向工程技术的数据处理流程
在逆向工程技术中，一个重要的环节就是数据的处理。数据的处理直接关系到数据能够准确、方便地完成模型的重建。利用激光测量设备对模型的点云数据进行准确的测量，将没有用的噪声数据和有用的数据结合在一起，经过数据的处理，最后生成DEM。数据的处理过程由数据的滤波、数据的平滑、数据的精简、数据的分割以及多视点云对齐等构成。[2]
2.1数据滤波 数据的滤波是对行人、汽车经过之后留下的足迹等噪声进行消除。噪声是杂乱、稀疏的，这是与模型的点云数据最大的不同。抓住这一特点，可以使路面的面和点云相互垂直，实现投影效果，对点云数据的划分要通过正方形的格网进行，对格网点的数量进行统计，依据扫描间距进行阈值的设定,把阈值小于密度的格网中的点云进行保留，删除其它的点云,将格网的边长不断缩小，依次进行以上步骤将点云删除，通过这样的操作大部分的噪声将被消除。
2.2数据平滑 通过标准的高斯滤波算法或者是平均滤波算法进行数据的平滑。所谓高斯滤波算法就是利用高斯滤波器设置高斯分布，滤波的平均效果相对比较小，所以在进行数据滤波的同时能够在不损坏原数据形貌的前提下完成数据的滤波。而平均滤波算法指的是将模型采样点的值换成平均滤波器中各数据点相应的统计值，这样可以很好的将数据的毛刺消除。
2.3数据精简 在逆向工程技术的重构曲面环节，如果存在点云过于密集的情况，不仅会影响计算机的操作、存储以及运行的效率，而且还会影响到曲面模型的生成时间和光顺性。对采集的点云数据进行精简，就是为了防止这一问题的发生。而针对点云的类型，所选取的精简方式也是不一样的。例如，对于比较散乱的点云，往往是选择随机采样的方式进行数据的精简的；网格式的点云，进行数据的缩减主要采用的是最小包围区域的方法或者是等分布密度的方法。
2.4数据分割 以模型外形曲面相应子曲面的不同类型作为数据分割的依据，把类型相同的子曲面数据分成一组，形成互不重叠、特征比较单一的数据区域，给曲面模型的重建提供了便利。对电云数据进行区域分割的方法有两种，即自动分割法和测量分割法。自动分割法又包括基于边和基于面的两种方法。基于边的分割方法把测量点的曲率的变化作为是两个区域的边界，最终分割的区域结果是封闭的边界区域；基于面的分割方法是把几何特征比较相似的点作为同一个区域。而通过测量的分割方法是在进行数据测量的过程中，依据模型的外形特征进行分子曲面的划分，再对各不相同的特征区域进行标注，然后对测量的路径进行规划，按照曲面的不同特征将测量的数据通过CAD软件实现数据的处理和分成显示。
2.5多视点云实现对齐 由于模型的外形数据不是通过一次测量来得到的结果，所以需要把零乱的数据放到同一个坐标系里，要完成这一个过程就需要进行数据的对齐或者是拼合。目前，数据的对齐方法有两种，即直接对齐法图形对齐法。直接对齐法就是对数据进行直接的操作，完成数据的对齐，最终使得数据结构实现一致以及数据信息完整化。图像对齐法，首先对数据需要进行局部造型，然后拼合对齐视图数据相应的几何图形，这种方法虽然简单、快捷而且结果非常准确，但是在分割后不同的视图中，由于特征信息和拓扑不是很完成，局部造型很困难。
3、逆向工程技术在公路设计中的应用
对旧路进行改建是公路设计的一大难题，因为在改建过程中需要保护周边的环境以及还原区域实景等，文章以某一平交口的改造为例，讲述公路设计中逆向工程技术的应用。
3.1对地形数据进行采集和处理 利用激光扫描仪进行数据的采集，激光扫描仪主要由测距系统和扫描系统构成。激光的测距系統是一种非接触式的测量，激光束的发射和接收的时差来测量扫描议和扫描点之间的距离。激光的扫描系统是将激光束在反射镜的作用下均匀的旋转，并以等角的速度进行发射，然后对竖直和水平方向的激光束进行测量。测距系统和扫描系统相互结合，可以计算出扫描点的三维坐标。
利用ImgeWare软件可以对采集的点云数据进行处理。该软件将采集的三维点云数据进行去噪、平滑、分割、拼合等处理，最后得出完整的带有点号的点云文本数据和三维坐标数据。
3.2建立模型 把三维点数据的文本输入到CARD/1软件中，进行地形图的处理，导出高精度的DEM，采样之间的间距为0.2m，等高线之间的间距为1m。再次，将软件中导入DEM文件进行数模的叠加，最后得到带颜色的DEM文件。
3.3根据点云地形图进行平面设计 DEM模型是带有颜色的，设计人员对旧路中心线以及边缘线的确定会变得更精确和直观，最终使实景还原度得到提高，更有效的完成道路的优化处理。选取最佳的角度，对三维状态的模型方案进行设计。
3.4根据点云的地面线数据进行纵断面和横断面的设计 在点云DEM模型的基础上，对纵断面的插值进行计算，得出带有颜色的关于地面线的三维点云数据。点云DEM模型可以通过对景深进行设置，直观地看到中线法线方向的地面上实际的情况。
通过点云DEM模型，可以将带有视景深度横断方向的点云数据切出，然后对旧路横断方向的原有构造物、拆迁情况等有详细的了解，有把握地进行横断面的设计。
4、结语
逆向工程技术为公路的设计提供了很多的方便，尤其是对旧路的重建方面，所以在公路的设计中一定要充分利用逆向工程技术，使公路设计更加精准、快捷。
参考文献
[1]童琳,颜廷山,葛思尚.逆向工程技术在公路设计领域的应用[J].交通世界(运输.车辆),2011,(08).
[2]谢元媛,孙文磊,杨杰.逆向工程技术在产品开发中的应用[J].机械工程与自动化, 2008,(04).