基于點云數據的變電站三維仿真模型的實現及展望

2018-09-19 10:12:30，，，，

四川電力技術 2018年4期

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(1.國網新疆電力公司檢修公司，新疆烏魯木齊 830000； 2.新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊 830047； 3.深圳市愛科賽科技有限股份公司，廣東深圳 518000)

0 引言

隨著國家的發展,中國電力網絡容量不斷擴大,電網結構也更復雜。變電站作為電力系統的重要組成部分，其維護與檢測的效率與效果和電力系統的穩定運行息息相關[1-4]。先進的檢測技術與高素質運維人員能夠提高變電站的運維可靠性，國內變電站培訓仿真系統主要以接線圖、數字圖表、設備照片

基金項目：國家自然科學基金(51467020，51007077)；新疆自治區自然科學基金(2017D01C08S)

和現場錄像等常規多媒體方式作為表現手段，隨著三維建模技術的進步，變電站三維模型應用于高壓設備遠距離的非接觸檢測與變電站仿真培訓系統[5]。另一方面，為了適應日益繁重的電力設施安全維護工作，發展智能電網是有效的途徑。通過建設智能變電站，可通過計算機系統對變電站的各項設施運行狀況進行實時監控，在增強電網安全運行可靠性的同時避免投入大量的人力和物力。建立精細的變電站數字三維模型是建設智能變電站的基礎，目前變電站安全運維工作日益繁重的情況下，變電站三維場景建模的實施具有很大的必要性。

采用激光掃描系統獲取變電站三維點云數據，而激光掃描系統是完善三維模型高精度應用的最佳手段之一，利用點云數據軟件平臺的算法對獲得的點云數據進行處理，從而建立與現場一致的變電站三維模型[6-7]。點云數據的獲取，國內外主要還是依靠靜態掃描儀(如:Z+F/FARO)。靜態掃描儀在掃描過程中需要預先布置控制點，然后在控制點的基礎上進行掃描，并且是一站一站掃描，每站掃描及架站時間大概為10 min，一個樓層20個房間最少需要掃描 40 站，僅掃描時間就需要7 h左右，這個時間不包括布置控制點及后期點云拼接時間。但是用室內三維移動掃描儀(indoor mobile scanner 3D,IMS3D)進行掃描僅需要 20 min左右就可以完成掃描，并得到一套完整的、不需要拼接的、精度為1cm 的點云數據。IMS3D 應用同步定位與制圖算法(simultaneous location and mapping ,SLAM)完全不依靠全球定位系統(global positioning system,GPS)及復雜的慣導系統就可以獲取 1 cm 精度的點云數據，它是通過激光定位，同時通過激光獲取數據。在移動的過程中不斷地給自己定位，不斷地獲取數據，最后獲得一套完整的點云數據，同時IMS3D在掃描過程中可以隨意移動，不需要固定路線，不需要控制點，可以在任意點開始，任意點結束?；诩磿r通信管理系統(instant messaging management system ,IMMS)的移動測圖具有很大的優勢，IMMS 提供按需進行數據更新。IMS3D可用于反復獲取相同場景的空間數據，并按照用戶的要求進行更新。IMS3D可實現作業區域的高速掃描和空間數據獲取。一次獲取優于1cm 精度的空間數據成果。通過控制點實現地理參考。通過觸摸屏實時監測作業動態，避免漏采數據。無需進行長時間的初始化步驟，可以極大節省作業時間。應用 StreetView 全景相機系統進行全景影像數據采集。使用全景相機采集設備隨機后處理軟件對采集數據進行全自動的結算處理，最終得到結算后的軌跡和校準后的全景影像數據。實現對建筑、設施設備進行快速、準確、生動逼真的三維建模以及基礎屬性數據捆綁；主要工作包括：數據整理、數據轉化及錄入實體模型、構建、數字化場景構建工作。

1 變電站三維模型的建立

1.1 三維建模的基本流程

通過運用“三維激光掃描+實地全景拍照”的移動測圖(mobile mapping)方式獲取整個變電站三維建模所需的基礎資料。采用IMS3D移動測圖系統采集變電站的三維激光點云，結合 DPI-8 手持式三維激光掃描儀獲取重點設置的細部三維點云，應用 StreetView 全景相機系統進行全景影像數據采集。采集變電站內關鍵部位的全景影像數據及屬性信息，并對重點位置在影像中進行標注。在此三維激光點云數據與全景影像基礎上，結合近景拍攝的相片獲得紋理信息，再采用3d Max軟件進行三維建模。

1.2 所用設備簡介

1)StreetView采集全景影像數據

StreetView 全景相機系統是一套完整的全景影像采集系統，包括從記錄顯示所有的步驟，無需額外的部分或開發。相機可記錄 30 M 像素分辨率和每秒7幀的影像。3種記錄模式可供選擇: 通過距離、時間和手動方式。所包含的全球導航衛星系統(global navigation satellite system，GNSS)接收器包括4個獨立的高精度GPS測量世界各地。專用硬件調平傳感器補償相機在拍攝過程的傾斜畸變。在處理每一個全景圖時，自動調平并有經緯度、海拔高度、方向、GPS 日期和時間以及本地日期和時間的充分地理參考，因此全景圖與地理信息系統(geographic information system,GIS)組成一套解決方案。

2)IMS3D采集三維激光點云數據

利用IMS3D移動測圖系統采集變電站的三維激光點云，作為原始數據存儲入庫。IMS3D可以在沒有GPS的情況下，使用SLAM算法，采集點云數據。使用IMS3D移動測圖系統獲取二維地圖數據，并記錄激光雷達(light detection and ranging，LIDAR)的時間位置信息，然后建立彩色的三維點云圖[8]。

細部精細掃描利用 DPI-8 手持三維掃描儀對重點設施的細部進行精細三維激光點云采集，作為原始數據存儲入庫。DPI-8 作為三維數據的快速獲取、易于應用的手持三維激光掃描儀，是專門為追求工作的高效率、數據的高品質、成果的即采即得的專業人員而設計。DPI-8 搭載 Phi.3D 三維數據成像系統可直接將采集的點云進行實時加載、處理、顯示和存儲[9]。

3)三維建模軟件3d Max

3d Max是目前世界上使用最廣泛的專業3D建模、動畫和圖像制作軟件[10]。3d Max是 3D Studio Max的簡稱，是Autodesk公司Discreet分公司推出的一款功能強大的三維設計軟件,對變電站的應用最有優勢的是2015版，不僅可以讀取點云資料, 還可以讓點云被呈現出來, 利用點云(point cloud)顯示可讓模型師在視覺上更加精確且工作效率更高，如圖2所示。

圖1 IMS3D室內三維移動掃描儀(左)和 DPI-8 手持三維掃描儀(右)

圖2 點云參考建模功能

2 變電站三維模型的實現

2.1 衛星遙感影像的獲取

獲取變電站所在區域內的設備、建筑及周邊輸電線路廊道1000 m帶寬，長5 km的正攝影像圖、數字高程模型(digital elevation model, DEM)、數字表面模型(digital surface model, DSM)，通過數字正射影像圖(digital orthophoto map，DOM)處理將其作為紋理圖片貼于數字高程模型模擬的三維地形表面[11],提高三維地形仿真的真實感，建立設備模型庫DOM采用0.8 m分辨率的衛星遙感影像來達到高精細的建模要求[12]。

2.2 全景影像采集及數據處理

應用 StreetView 全景相機系統進行全景影像數據采集。采集變電站內關鍵部位的全景影像數據及屬性信息，并對重點位置在影像中進行標注。使用全景相機采集設備隨機后處理軟件對采集數據進行全自動的結算處理，最終得到結算后的軌跡和校準后的全景影像數據。針對問題數據，及時重采補采。將文字注釋、圖片、語音視頻等與全景影像鏈接。將全景影像資料以發布服務的方式(IIS 或 tomcat)發布成Web服務，并按照“一點一址” 的原則提供URL信息，須確保URL通過瀏覽器打開時不需要登陸即直接能看到清晰正確的影像。

2.3 變電站高精度三維激光點云獲取

利用IMS3D采集變電站的三維激光點云，作為原始數據存儲入庫。IMS3D能夠精確采集室內外點云數據。在儀器掃描時，獲取所有可見的設備位置數據，并記錄光學數據，再建立彩色的三維點云數據。對一些IMS3D無法進入掃描的場景，采用DPI-8手持式三維激光掃描儀進行設備細部結構的掃描，作為IMS3D的補充。

2.4 三維模型建立

1)變電站三維模型制作方式

變電站的整體采用高級建模多邊形(Polygon)建模方法制作，3d Max中多邊形建模方式占用的計算機內存小，操作簡單。制作復雜表面時，表面可任意分割放大，在絕緣子串的建模時可以很好地體現優勢。變電站模型的制作步驟可分為數據處理、建模兩大部分。數量處理、建模流程如圖3所示。部分模型庫如圖4所示。

變電站主要采用單體建模方式，首先通過每個零部件的構建，組成自己的模型庫，實現多次復用，在復用基礎上依據點云位置實現精確復用。圖5為以變電站的絕緣子為例的模型，3d Max軟件可將其進行精細化，也可以進行多對象組的復制粘貼，節省很多時間。

圖3 數據處理、建模流程

圖4 部分模型庫

圖5 絕緣子模型

2)變電站三維模型的生成

經過變電站激光點云數據的獲取和變電站內部電氣設備的建模，再將拍到的場景照片映射到變電站的模型上,如圖6所示。全景影像數據，結合3d Max制作的高精度模型，可以創造出高精度、高美觀度的變電站三維場景。圖7示例了3所不同的變電站從點云數據圖到最后的三維全景模型。通過放大可以查看任意一個變壓器模型，如圖8所示；選中這個變壓器，會顯示變壓器的參數，如圖9所示。