地面三維激光掃描技術在變電站精細測量中的應用

彭 昊，徐敬海，倪紹強

(1. 南京工業大學,江蘇 南京211800； 2. 北京云測空間科技發展有限公司,北京 102600)

地面三維激光掃描技術在變電站精細測量中的應用

彭 昊1，徐敬海1，倪紹強2

(1. 南京工業大學,江蘇 南京211800； 2. 北京云測空間科技發展有限公司,北京 102600)

變電站是重要的電力設施，對其進行測繪采集是三維建模與可視化、運行維護、管理、異常監控等工作的基礎，但其中構筑物具有復雜、結構異形等特點。本文利用三維激光掃描技術獲取點云數據，對變電站進行精細測量。提出了基于空間區域復雜度的劃分(如將測區劃分為均勻分布區、緊密排列區、氣體絕緣封閉組合電器(GIS)區、過渡區)方法，并以新疆亞中變電站為例展示了該方法的應用，最終實現了變電站的三維建模與可視化。

三維激光掃描技術;點云數據;三維建模可視化;精細測量

隨著科技的發展，數字化變電站成為變電站自動化系統發展的新趨勢，變電站作為電力系統的重要環節，其日常監測與維護顯得尤為重要。電力系統的穩定性與社會發展息息相關，而變電站對配電網的安全運行的作用也越來越重要。因此，應用地面三維激光掃描技術，利用3ds Max等建模軟件，模擬出變電站實際情況，能夠直觀地展現出變電站的具體情況，讓工作人員清楚、直觀地了解變電站工程規劃布局、生產運行、設備參數、輔助設施等一系列三維數字化信息，為變電站工程檢修和電網線路規劃設計、生產指揮、模擬運行、智能管理等提供良好的信息支撐。已有文獻開展了許多該方面的研究與開發工作，如文獻[1]研究發現利用三維激光掃描技術可以快速建立三維空間可視化模型。文獻[2]對現有的變電站建模方法進行對比分析，采用了建模效率高、精度高、直觀性強的地面激光雷達建模法。文獻[3]將三維激光掃描技術應用于超高壓輸電線路的檢修與維護，實現了輸電線路各細節的部分檢測，有效保證了輸電線路的安全運行。由于變電站的儀器設備比較復雜，多是異形構筑物，而非建筑物。變電站內的構筑物的特點是形狀極其不規則，特征點、特征線、特征面復雜多樣。利用三維激光掃描儀將采集海量的點云數據，為后續點云配準的工作帶來難度。國內一些學者采用隨機采樣一致性(RANSAC)方法[4]、多視角三維激光點云整體配準算法[5]、閉合條件約束的全局最優多視點云配準方法[6]、改進后的ICP算法[7-9]、激光反射強度的點云自動配準方法[10]、特征點提取和匹配的方法[11]等解決海量點云數據的配準問題。

本文針對變電站測區面積大、測區儀器復雜多樣、三維激光掃描儀采集的點云數據量大、點云數據配準難度高等問題，以新疆亞中變電站工程項目為基礎，利用Trimble Realworks軟件，采用點云全自動配準和標靶球手動配準結合的方式處理點云數據的配準問題，深入討論如何利用地面三維激光掃描技術對變電站的精細測量，并利用3ds Max軟件進行三維點云數據紋理貼圖與建模，最終實現變電站的三維建模與可視化。

1 工程概況

國網新疆電力公司亞中750 kV變電站位于新疆維吾爾自治區烏魯木齊市烏魯木齊縣甘溝鄉境內，變電站站區內地勢平坦，除電力設備外無任何雜樹雜草等。亞中變電站東西長約350 m，南北長約400 m，總面積約12.96萬m2。站區內地面工程包括，750 kV主變2組，750 kV線路2回，一回接至鳳凰750 kV變電站，一回接至達坂城750 kV變電站。220 kV線路8回，66 kV電抗器3組，66 kV電容器2組。

變電站站區由變電站大門、圍墻，以及主控室、保護小室、地面、內部道路、樹木草坪、儀器設備等組成，因站區面積較大，站內儀器設備繁多且復雜，因而整體來說視線通透性較差，且分布不均勻，有些地方較稀疏，有些地方較緊密，前期準備工作顯得尤為重要。而站內儀器設備鏤空多(如圖1所示)，利用三維激光掃描儀進行掃描時，測量穿透性強，在一個測站上可以測量更多的點云要素，根據這一特點對建筑物可以減少測站數。站內的儀器設備一般較高大，尤其避雷針設備可高達60 m(如圖1所示)，在一個測站上所測量的避雷針頂部點云數據較稀疏，為了保證點云的精密度，為此要在其周圍多布設測站。

圖1 亞中變電站現場采集

2 變電站點云數據采集

2.1 工作流程

根據亞中變電站地形圖，在實地測量前，首先在變電站工作人員的陪同下進行現場勘探，了解變電站測區內儀器設備的基本情況及安全事項。其次，由于亞中變電站站區面積大，電力儀器設備復雜多樣，且區域分布存在差異，有的區域儀器設備分布較均勻，有的區域儀器設備分布較密集，有的區域儀器設備較高大，有的區域儀器設備較低矮，而且整個工程工作量較大，無法在短時間內完成測量工作，因此需要進行測區劃分。根據現場勘探的基本情況，進行方案布設，對整個測區劃分為4類，6個區域，分別為均勻分布區、緊密排列區、GIS區、過渡區。將均勻分布區內相鄰測站之間間隔設為25 m；緊密排列區內相鄰測站間無固定距離，最遠不超過20 m；GIS區設備較低矮導致通視效果較差，因此需將三維激光掃描儀架低，且相鄰測站間距離不超過15 m；過渡區是為保證測區之間的連貫性而設置的。然后，根據規劃方案，對劃分后的每個區域逐一進行測量。最后，利用Trimble Realworks軟件，進行坐標轉換與點云拼接，噪點的剔除等內業處理，形成完整的亞中變電站點云數據。利用3ds Max軟件進行建模，紋理貼圖及三維可視化等工作。如圖2所示。

圖2 亞中變電站工作流程

2.2 方案布設

根據現場勘探，亞中變電站測區環境較復雜，工程工作量很大，需耗費數周才能完整地獲取變電站全部點云數據。為了節省人力資源及有效利用時間，針對站區進行區域劃分具有十分重要的現實意義。在劃分測區的過程中，需要考慮如何完整獲取變電站的點云數據，以及儀器和測量人員的安全、變電站工作人員的時間安排等因素。因而，測區劃分具有一定難度。

由于亞中變電站獨特的分布特點，為能夠全面獲取整個變電站的點云數據，掃描基站的布設應滿足：各點的掃描視角應能涵蓋所有地形、地貌特征點；掃描基站應視野開闊，地面穩定；應分區域掃描后進行拼接，不同位置、不同視角的掃描區域重疊度不宜少于10%；掃描光線和地面的交角盡可能大，提高掃描能力，減少掃描漏[12]。因此，在項目施工前需要對其進行優化布局(如圖3所示)，現將整個亞中站區劃分為均勻分布區、緊密排列區、氣體絕緣封閉組合電器(gas insulated switchgear，GIS)區、過渡區。

圖3 亞中變電站方案布設

(1) 均勻分布區：包含220 kV線路8回，以及隔離開關、接地閘刀、龍門架、避雷針等。其特點是儀器設備較細高，排列較稀疏，也比較規則，鏤空多，通視效果較好。為能獲得高質量的點云數據，但又不至于數據冗余，根據其特點，在架設三維激光掃描儀時，將三腳架架設到最高，將站與站之間的距離設為25 m，并且對三維激光掃描儀作以下參數設置：掃描分辨率設為1/4，則點間距為6.136 mm/10 m(即距掃描站點10 m處掃描點距為6.136 mm)，同時開啟GPS定位。

(2) 緊密排列區：包含主變壓器2組、66 kV電容器2組、66 kV電抗器3組等。其特點是儀器設備較低矮、扁平，儀器設備間排列較緊密其復雜，通視效果較差，根據其特點，在測量時僅需正常架設三維激光掃描儀，無需架設過高或過低，測站間也無固定的距離，但測站間最遠距離不超過20 m，而且在變電站儀器設備較緊密復雜出，三維激光掃描儀無法在外圍測量到其內部時，需要將三維激光掃描儀搬至該區域內部進行掃描。為此對三維激光掃描儀進行如下參數設置：掃描分辨率設為1/8，則點間距為12.272 mm/10 m(即距掃描站點10 m處掃描點距為12.272 mm)，同時開啟GPS定位。

(3) GIS區：由輸電管道組成，其特點是管道架設在距地面1.5 m左右，為能測量其全貌，特將三維激光掃描儀架設到最低，并且還將儀器架設到其頂部和底部，由于其通視效果差，測站間距設置在15 m左右。根據其特點，對三維激光掃描儀進行一下參數設置：掃描分辨率設為1/8，則點間距為12.272 mm/10 m(即距掃描站點10 m處掃描點距為12.272 mm)，同時開啟GPS定位。

(4) 過渡區：由于工程不可能一天測完，為保證測區之間的連貫性，特設置過渡區。在過渡區內，測站在搬站時，需對標靶球的位置進行標記，以便下次能準確找到其位置。

2.3 野外三維測量

變電站三維模型的點云數據采集主要包括測區控制網的建立與三維激光掃描儀參數的設定。按照規劃方案，對不同的測區進行逐步掃描。對變電站野外三維測量要注意以下3個問題：①由于不同測區掃描對象與掃描環境的不同，需進行不同的參數設置。②由于不同的測區面積大小、電力設備緊密度、高度等的不同，因此不同測區架設測站次數、密度等也要不同。③要靈活選取標靶球的位置，因此，在作業過程中，在掃描儀的周圍(無遮擋，通視效果好)5～10 m處安放5個標靶球，為保證相鄰測站能夠觀察到3個相同的標靶球，每次搬站時僅挪動2個標靶球且任意3個標靶球不在同一條直線上。

3 內業處理與可視化

3.1 點云數據的配準

在內業處理過程中，首先根據項目工程對數據質量的要求，對數據質量進行檢查。檢查其原始數據的正確性，文件命名、數據組織和數據格式的正確性、規范性存儲數據的介質和規格的正確性、數據內容的完整性，以及點云密度、點云間距均勻度、點云精度、點云噪聲等[13]是否符合該工程項目數據質量要求。其次，利用野外數據采集的原始數據進行點云匹配。

由于掃描系統在不同位置掃描時其坐標系不一致，因此需要將多個測站掃描的點云數據進行拼接，并轉換到統一的坐標系，才能獲得物體表面完整的形狀信息，整個過程就是點云數據的配準[14]。點云數據的配準分有標靶配準和無標靶配準兩種。根據前期的方案布設及亞中變電站的特點，將原始數據全部導入Trimble Realworks軟件。首先根據相鄰測站間的點云重合度，利用軟件全自動匹配功能，進行點云數據拼接。全自動拼接完成后，由于小部分測站所采集的點云數據與其他相鄰測站的點云重合度較低，無法完成拼接，針對這一問題，采用手動匹配，即有標靶配準，利用前期現場布設的標靶球為公共點，以此作為控制點進行變換參數的解算，進行點云配準。其精度控制在0.005 m以內。圖4為通過配準后的亞中變電站完整點云數據。

3.2 點云數據去噪

由于在掃描過程中周邊環境會導致采集的數據不清晰，出現噪點，如果直接利用這些原始數據進行建模，計算機的處理難度會很大，也給后續三維建模與可視化工作增加不必要的工作量，因而要對其進行優化。本文采用自動和手動方式進行去噪。利用Trimble Realworks軟件進行點云數據拼接與匹配之后，利用自動剪切框功能將目標框入剪切框內，通過調整剪切框的大小將噪點剔除。局部少量噪點通過手動選擇剔除。

圖4 亞中變電站配準后點云數據

圖5 亞中變電站去噪后點云數據

3.3 三維建模可視化

由于國網新疆電力公司亞中750 kV變電站結構復雜，多是不規則構筑物。因而需要對不規則構筑物先進行點云切割，根據側視圖對不規則構筑物進行輪廓線提取與擬合建模。對于規則的圓柱形、管狀型構筑物，利用軟件直接進行自動擬合建模，無需對其進行光順處理。且對不規則構筑物，必須用Photoshop對圖片進行截取，然后分別對構筑物各個面貼圖，調整貼圖坐標，使圖片與構筑物表面相吻合，最后得到每個模型的紋理效果[15]。三維建模步驟為：①用Trimble Realworks軟件進行點云數據的配準和去噪，之后導出LAS文件；②利用Autodesk Recap打開LAS云數據，并將其轉化成RCP格式點云文件；③將RCP格式點云文件導入3ds Max軟件,根據現場采集的近景拍攝相片，采用參數化結合點云建模的方式，進行構筑物表面的紋理貼圖，并導出ASE文件；④將ASE文件導入750 kV變電站三維可視化平臺，實現三維可視化。

由于變電站內儀器的種類和數量非常多，因此需要對設備進行單個建模，才能逐步完成整個測區的三維建模可視化。圖6為亞中變電站三維建模可視化局部圖，圖7為亞中變電站三維建模可視化全局圖。

圖6 亞中變電站三維建模可視化局部

圖7 亞中變電站三維建模可視化全局

4 結 論

本文以國網新疆電力公司亞中750 kV變電站為例，詳細闡述了基于地面三維激光掃描技術的變電站精細測量，以數字化三維模型的形式全方位、多角度地展示了亞中變電站。通過三維場景漫游和交互式仿真操作,足不出戶便知悉電網設備的臺賬信息、分布和連接狀況，有利于工作人員更好地完成電力設備管理、設備巡視、生產培訓、安全教學等工作任務。

①在整個三維激光掃描點云數據采集過程中，方案布設是關鍵，通過劃分不同的掃描區及預設掃描路線，減少了設站次數和時間耗費。②由于野外數據采集的原始數據文件高達14 GB，對電腦的配置要求較高(處理器：intel第七代酷睿i7-7700；內存：32 GB；顯卡：英偉達GTX1060 6 GB)，因此在內業處理中，點云數據的配準是難點。針對該問題，本文采用全自動配準和標靶球手動配準方式進行解決。根據相鄰測站間的點云重合度，利用軟件全自動匹配功能進行點云數據拼接。全自動配準完成后，由于小部分測站所采集的點云數據與其他相鄰測站的點云重合度較低，無法完成拼接，針對這一問題，采用手動匹配，即有標靶配準，利用前期現場布設的標靶球為公共點，以此作為控制點進行變換參數的解算，進行點云配準。③對變電站整體點云數據建模是個難點。針對該問題，利用3ds Max軟件對其進行拆分，進行設備單個建模，然后將數據再重新合并形成完整的變電站建模數據，進而導入三維可視化平臺。

地面三維激光掃描技術很好地解決了傳統測繪在變電站測量中的不足，不僅保證了數據質量，而且還大大提高了作業效率，節省了大量勞動成本，充分發揮了其在異形構筑物測量中的優勢。

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ApplicationofGround3DLaserScanningTechniqueinSubstationFineMeasurement

PENG Hao1，XU Jinghai1，NI Shaoqiang2

(1. Nanjing Technology University，Nanjing 211800，China； 2. Beijing Cloud Surveying Space Science & Technology Co.Ltd.，Beijing 102600，China)

Transformer substation is an important electric power facility.Surveying and mapping is the foundation of three-dimensional modeling and visualization，operating maintenance，management and exception monitoring，but the structures are complex with structural heteromorphism.This paper adopts three-dimensional laser scanning technique to obtain point cloud data，making accurate measurement of transformer substation.It proposes a method based on the division of space region complexity (for example，dividing testing zone into uniform distribution region，close-packed array region，GIS region，transition region).Xinjiang Yazhong transformer substation is taken as an example to display the application of this method.At last，the three-dimensional modeling and visualization of transformer substation are realized.

3D laser scanning technology；point cloud data；3D modeling visualization；fine measurement

2017-03-29

江蘇省測繪地理信息科研項目(JSCHKY201506)

彭 昊(1991—)，男，碩士，主要研究方向為地理信息系統應用與三維建模。E-mail: 575692510@qq.com

徐敬海。E-mail: xujinghainjut@qq.com

彭昊，徐敬海，倪紹強.地面三維激光掃描技術在變電站精細測量中的應用[J].測繪通報，2017(12)：107-111.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0390.

P258

A

0494-0911(2017)12-0107-05