基于地面激光掃描的輸電線路走廊三維建模方法

盛金馬 鄧清軍 常江

（1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 合肥 230022 2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院有限公司 合肥 230601）

基于地面激光掃描的輸電線路走廊三維建模方法

盛金馬1鄧清軍2常江1

（1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 合肥 230022 2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院有限公司 合肥 230601）

本文研究了地面三維激光掃描測(cè)量基本原理、數(shù)據(jù)采集流程、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理及三維建模等，并結(jié)合具體工程驗(yàn)證其用于輸電線路走廊三維建模的可行性，研究結(jié)論為三維激光掃描進(jìn)一步應(yīng)用推廣提供借鑒和經(jīng)驗(yàn)。

地面三維激光掃描；數(shù)據(jù)采集；三維建模；紋理映射

1 引言

輸電線路長(zhǎng)距離、走廊復(fù)雜、交叉跨越多、地域氣候差異大且數(shù)量逐年增加與線路運(yùn)行維護(hù)人員數(shù)量相對(duì)不足的矛盾日趨突出，迫切需要能夠直觀反映輸電線路實(shí)際走向、交叉跨越關(guān)系及距離的三維走廊，以提供輸電線路走廊的清晰、完整、可讀取量測(cè)的全面數(shù)據(jù)，三維實(shí)景化展示現(xiàn)場(chǎng)通道情況，實(shí)現(xiàn)任意空間距離的精確三維測(cè)量，開(kāi)展線路運(yùn)維危險(xiǎn)點(diǎn)的智能化監(jiān)測(cè)分析與預(yù)警。

地面三維激光掃描技術(shù)是一種不需接觸測(cè)量目標(biāo)而能快速獲取物體表面三維坐標(biāo)的測(cè)量技術(shù)，又稱(chēng)“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。與傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)不同，它的出現(xiàn)使三維數(shù)據(jù)獲取方式向連續(xù)、海量的自動(dòng)化方向轉(zhuǎn)變，海量點(diǎn)云影像數(shù)據(jù)為三維建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，拓寬了測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，其重要應(yīng)用方面是三維建模，為輸電線路走廊建模提供了技術(shù)支撐。

2 地面三維激光掃描測(cè)量原理

地面三維激光掃描儀是一種集成多種高新技術(shù)的新型測(cè)繪儀器，利用非接觸式高速激光測(cè)量模式，以點(diǎn)云形式獲取地形及復(fù)雜物體三維表面的陣列式幾何圖形數(shù)據(jù)。在掃描儀器內(nèi)，掃描控制模塊控制和測(cè)量每個(gè)脈沖激光的角度，針對(duì)每一個(gè)掃描點(diǎn)可測(cè)得測(cè)站至掃描點(diǎn)的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點(diǎn)與測(cè)站的空間相對(duì)坐標(biāo)[2]，原理如圖 1。

3 數(shù)據(jù)采集

地面三維激光掃描外業(yè)數(shù)據(jù)采集主要包括以下幾部分：

（1）控制測(cè)量：控制點(diǎn)應(yīng)根據(jù)地形地貌布設(shè)并組成相關(guān)網(wǎng)形，控制測(cè)量應(yīng)符合現(xiàn)行規(guī)程i規(guī)范精度要求。

（2）掃描站布測(cè)：站點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在視野開(kāi)闊、安全穩(wěn)定區(qū)域，掃描范圍覆蓋整個(gè)掃描目標(biāo)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相應(yīng)增加掃描站點(diǎn)。坐標(biāo)測(cè)量時(shí)嚴(yán)格根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行。

圖1 地面三維激光掃描儀測(cè)量原理

（3）標(biāo)靶布測(cè)：標(biāo)靶或特征點(diǎn)選擇應(yīng)均勻分布且有高低錯(cuò)落，相鄰掃描站公共標(biāo)靶或特征點(diǎn)不少于3個(gè)；測(cè)量標(biāo)靶或特征點(diǎn)三維坐標(biāo)時(shí)，注意較差和校核。

（4）采集掃描：通過(guò)設(shè)置采樣分辨率、掃描距離以及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，采集過(guò)程中注意實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢查，外業(yè)結(jié)束導(dǎo)出數(shù)據(jù)并備份。

（5）紋理圖像采集：選擇合適的像元和有利的拍攝環(huán)境，并保證不少于30%的重疊區(qū)域，紋理影像數(shù)據(jù)由掃描系統(tǒng)自帶數(shù)碼相機(jī)獲取。

4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于地面三維激光儀掃描所獲得的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有密度大、冗余、辨別難度大等缺點(diǎn)，所以三維建模前必須對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要工作有去噪平滑、匹配拼接、轉(zhuǎn)標(biāo)轉(zhuǎn)換、壓縮抽稀等。

4.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪平滑

在實(shí)際掃描過(guò)程中受到各種人為或隨機(jī)誤差因素的影響，所獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)不可避免地存在噪聲點(diǎn)，所以在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理前需要進(jìn)行去噪。判斷一數(shù)據(jù)是否是噪聲點(diǎn)，根據(jù)判定方式不同常用判斷辦法：有人為判定法、弦長(zhǎng)閾值判定法、角度閾值判定法和曲線檢查法。

由于測(cè)量系統(tǒng)本身存在機(jī)械誤差和測(cè)量時(shí)的振動(dòng)誤差，以及外界光、熱等因素對(duì)系統(tǒng)造成的影響，會(huì)給點(diǎn)云數(shù)據(jù)帶來(lái)微小的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，為減少對(duì)后續(xù)建模質(zhì)量的影響，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，常用數(shù)據(jù)平滑方法有：中值法、平均值法、高斯濾波法。

4.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

由于目標(biāo)物、掃描儀自身視角及周邊環(huán)境等影響，各測(cè)站獲取的數(shù)據(jù)只是目標(biāo)物的一部分，點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)目的是解決不同測(cè)站數(shù)據(jù)拼接的問(wèn)題，將不同測(cè)站的三維點(diǎn)云影像資料經(jīng)過(guò)加工處理，提取到同一基準(zhǔn)線下構(gòu)成的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合。根據(jù)不同的作業(yè)方法，通常利用相鄰掃描區(qū)域內(nèi)3個(gè)及以上控制點(diǎn)、同名點(diǎn)或控制標(biāo)靶進(jìn)行匹配，常用算法：四元數(shù)配準(zhǔn)算法、七參數(shù)配準(zhǔn)算法、迭代最近點(diǎn)算法（ICP）及其改進(jìn)算法。

4.3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

為滿足工程測(cè)量、地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)等生產(chǎn)應(yīng)用需要，需將掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系或地理坐標(biāo)系下，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)精確的地理位置坐標(biāo)。不同掃描儀設(shè)計(jì)性能不同，所采用的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方式不同，通常采用兩種轉(zhuǎn)換方式：一種轉(zhuǎn)換方式：通過(guò)計(jì)算已知測(cè)站點(diǎn)和后視點(diǎn)的空間坐標(biāo)將掃描點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到空間直角坐標(biāo)下。另一種轉(zhuǎn)換方式：已知3個(gè)參考點(diǎn)在掃描坐標(biāo)和空間直角坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到空間直角坐標(biāo)系下。

4.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀

三維激光掃描具有速度快、采樣率高、非接觸性等特點(diǎn)，在短時(shí)間內(nèi)可獲得海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)、操作、輸出、顯示等方面都會(huì)占用大量?jī)?nèi)存空間，使得數(shù)據(jù)處理速度緩慢、效率低下，因而需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)作抽稀處理。在保證精度的情況下，需要對(duì)海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和抽稀。目前，點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀有多重方法，較為常用的方法有基于曲線擬合與采樣的點(diǎn)云壓縮方法、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的區(qū)域重心壓縮方法和基于最小二乘配置的點(diǎn)云壓縮。

5 三維建模

三維建模就是利用三維數(shù)據(jù)將現(xiàn)實(shí)中的三維物體或場(chǎng)景在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行重建，最終實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上模擬出真實(shí)的三維物體或場(chǎng)景。三維建模是地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要方面，三維激光掃描數(shù)據(jù)的模型重建技術(shù)是根據(jù)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)加工處理，提取建模所需要的重要數(shù)據(jù)，對(duì)物體進(jìn)行實(shí)體建模，以得到三維模型。根據(jù)存儲(chǔ)方法和在計(jì)算機(jī)處理過(guò)程可分為：點(diǎn)云模型、三維線框模型、三維表面模型、三維實(shí)體模型。

5.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模

根據(jù)三維數(shù)學(xué)模型的表達(dá)方式不同，點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建模型有兩種方法：一種是利用三維點(diǎn)云的點(diǎn)陣模型進(jìn)行建模，對(duì)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝構(gòu)造網(wǎng)格，再通過(guò)曲面擬合生成點(diǎn)云模型；一種是規(guī)則網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建，對(duì)區(qū)域空間劃分為規(guī)則的格網(wǎng)單元，每一個(gè)格網(wǎng)對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)，把點(diǎn)云按照高程點(diǎn)分布在格網(wǎng)中，一種高程不同給予不同的顏色，生成直觀的數(shù)學(xué)模型。

5.2 紋理映射

紋理映射是把紋理圖像值映射到三維物體的表面技術(shù)，以便于使用簡(jiǎn)單的幾何圖產(chǎn)生豐富逼真的視覺(jué)效果圖像，其意義在于：用圖像技術(shù)替代物體模型中的細(xì)節(jié)，提高模擬逼真度和系統(tǒng)顯示的速度。點(diǎn)云模型建立后，為增加模型的逼真性，通常需要在三維模型上增加紋理，使其成為具有真實(shí)紋理的三維模型。

多數(shù)目標(biāo)物并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的表面，而是具有復(fù)雜圖案表面，如果每一個(gè)模型細(xì)節(jié)都用三維模型表示將大大增加數(shù)據(jù)量以及模型的復(fù)雜程度，也會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行速度，通過(guò)紋理映射的方法模擬出這些細(xì)節(jié)，則會(huì)解決這個(gè)問(wèn)題。

我們采用獲取的點(diǎn)云強(qiáng)度信息和同步外置相機(jī)獲取的影像信息對(duì)已建立的三維模型進(jìn)行紋理映射，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的三維可視化顯示[3]。首先，對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行三維模型投影轉(zhuǎn)換，選取對(duì)應(yīng)點(diǎn)，將二維紋理圖像的像素信息賦予對(duì)應(yīng)的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后通過(guò)計(jì)算，將三個(gè)頂點(diǎn)的顏色平均值賦予此三角面片，于是得到了具有真實(shí)紋理的三維彩色模型。

6 應(yīng)用實(shí)例

6.1 工程概況

實(shí)驗(yàn)工程為某輸電線路工程，全長(zhǎng)約49km。線路經(jīng)過(guò)地區(qū)以平原為主，高程起伏較小，建筑物、交叉跨越較多，具有較強(qiáng)的代表性。三維激光掃描儀為拓普康GLS-2000，儀器內(nèi)置全站儀的作業(yè)模式，能夠進(jìn)行360°水平掃描和270°垂直掃描，測(cè)量距離350m。

6.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)踏勘，收集到相關(guān)輸電線路資料，編制野外作業(yè)方案，采用網(wǎng)絡(luò)CORS-RTK技術(shù)進(jìn)行測(cè)站點(diǎn)、標(biāo)靶或特征點(diǎn)三維控制坐標(biāo)采集，高程成果采用似大地水準(zhǔn)面成果進(jìn)行高程改化計(jì)算。點(diǎn)云數(shù)據(jù)和紋理圖像數(shù)據(jù)則利用掃描自帶裝置進(jìn)行信息采集，采集時(shí)注意觀察儀器工作狀態(tài)。

6.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理軟件采用拓普康隨機(jī)軟件Topcon McanMaster，處理流程：導(dǎo)入數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)拼接→獲取影像色彩→制作彩色點(diǎn)云→導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

6.4 三維建模

Kubit公司PointCloud軟件為繪圖、建模、分析處理提供了大量高效工具，直接支持Faro、Riegl、Leica、Trimble等掃描工程文件，通過(guò)點(diǎn)云走勢(shì)自動(dòng)得到適配線，提交平、立面圖成果，自動(dòng)計(jì)算點(diǎn)云擬合3D模型，通過(guò)照片與點(diǎn)云匹配進(jìn)行3D建模，快速進(jìn)行彩色切片，對(duì)點(diǎn)云及模型進(jìn)行沖突檢測(cè)等等。將處理后的拼接數(shù)據(jù)導(dǎo)出，通過(guò)PointCloud軟件快速制作模型。

圖2 三維通道

7 結(jié)語(yǔ)

同常規(guī)三維建模數(shù)據(jù)獲取方法相比，利用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描技術(shù)進(jìn)行建模，具有非常突出的優(yōu)點(diǎn)，是目前獲取地面形狀和構(gòu)筑物等真實(shí)場(chǎng)景3D模型的理想解決方案。本文將地面三維激光掃描技術(shù)用于輸電線路三維通道建模，做了一次應(yīng)用實(shí)踐研究，獲得相應(yīng)的工作經(jīng)驗(yàn)并驗(yàn)證其可行性，為地面三維激光掃描技術(shù)推廣應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)，將其應(yīng)用于電力行業(yè)具有廣闊發(fā)展前景與應(yīng)用空間。

[1]謝宏全，侯坤.地面三維激光技術(shù)與工程應(yīng)用.武漢大學(xué)出版社，2013.[2]施貴剛.地面三維激光掃描數(shù)據(jù)處理技術(shù)與作業(yè)方法研究[D].2007：10～15.

[3]張會(huì)霞，朱文博.三維激光掃描數(shù)據(jù)處理理論及應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，2015.

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1004-7344（2016）01-0085-02

2015-12-1