變電站高精度三維建模可視化技術研究

蘭志成

摘 要：針對變電站三維虛擬可視化安全作業管控方法中基于傳統測繪建模技術所建模型精度較低的問題，研究了基于激光掃描技術的變電站高精度精細化建模方法，完成了變電站厘米級精度的模型建立，實現了變電站虛擬場景三維可視化。

關鍵詞：激光掃描建模;虛擬三維場景;變電站安全作業管控

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0159-03

0 引言

在變電站安全作業管控領域中存在著多種管控方法，其中變電站虛擬三維可視化的安全管控方法最為先進，這種方法通過對變電站進行三維建模及可視化，獲取站內作業人員實時位置信息，實現了對現場作業人員位置的實時掌握，并根據位置信息做出及時的安全預警。該方案采用了傳統的測繪建模技術對變電站進行建模，其模型建模精度不夠高，往往到達不了厘米級精度，在實際的應用中制約著管控系統的準確性及實用性。

三維激光掃描建模技術能快速、連續、自動的獲取目標物體表面三維幾何數據，并利用獲取的三維數據進行高精度物體建模。三維激光掃描建模技術融合了多種傳統測繪技術，該技術利用激光測距原理可遠距離無接觸地采集目標物體三維表面點云數據，具備快速掃描并大范圍覆蓋等優點，被廣泛應用于地形測量、變形監測、游戲場景制作、建筑結構測量和電影特技等領域。

為了進一步提高變電站虛擬三維可視化的安全管控系統的準確度及實用性，本文將激光掃描精細化建模技術運用于變電站安全作業管控中，利用激光掃描精細化建模技術的優勢，獲得了高精度厘米級的變電站模型，同時節省了人力物力成本。

1 基本原理

三維激光掃描建模系統主要包括：激光掃描儀、軟件控制機構、數據處理系統以及電源系統。其中，激光掃描儀一般主要由激光測距儀、激光掃描系統以及圖像采集設備構成，三維激光掃描建模系統工作原理根據激光掃描儀種類的不同也有所差別。

1.1 三維激光掃描儀

激光掃描儀主要包括激光測距儀和激光掃描系統。測距方法一般有相位式測距法、激光三角法和脈沖式測距法。相位式測距的原理是：利用調制器調制由光源發出的光，將其轉變為具有一定頻率的調制光，通過測量調制光往返于目標表面后的相位差來計算與目標間的間距。脈沖式測距的原理（圖1），由激光發射器發出激光脈沖信號，激光信號到達待測目標物體后由接收器收集被目標物體反射回來的激光脈沖信號，同時記錄器記錄信號并轉換成可有效處理的信息進一步解算與目標物體的間距。激光三角法測距的原理（圖2），激光發射器發射激光射向目標物體表面，接收器接收經目標物體反射后的激光，激光通過接收器透鏡并被CCD相機接收記錄。激光光點在CCD相機上的位置和目標物體的距離密切相關，通過記錄與計算激光光點的在CCD相機上的位置，并通過一定的轉換公式計算出掃描儀和目標物體間的距離。

三維激光掃描系統根據掃描狀態分為兩類，即固定式掃描系統和移動式掃描系統。固定式掃描系統包括三維激光掃描儀、圖像采集設備以及相應的軟件控制系統，圖像采集設備負責采集目標物體的紋理圖像信息，為后期點云數據的處理做準備。移動式掃描系統比固定式掃描系統增添了姿態儀、GPS接收機、移動平臺以及慣導系統，可機動快速地獲取目標物體的三維幾何數據。

1.2 激光點云數據處理

激光點云數據后期處理的目的是對獲取的原始點云數據進行拼接、去噪、精簡和分割等操作，其流程如圖3所示。

1.2.1 點云拼接

三維激光掃描儀在對某一目標物體進行掃描測量時，通常需要以不同方位在物體周圍不同位置對目標物體進行全方位的數據采集，但是每一站所采集的目標點云數據都是基于激光掃描儀的本地坐標系，并且其每一站坐標系是獨立開來的。為此需要一種點云數據拼接方法完成各站坐標系間的相互坐標轉換，將各站坐標系下的點云數據轉換到同一坐標系下，完成目標物體點云數據的有效拼接。 三維激光掃描儀常用的點云數據拼接方法有利用后視控制點拼接法（圖4）、基于同名控制點的拼接法以及基于公共重疊區域的拼接法。

后視控制點點云拼接方法一般需要配備全站儀或 GPS，通過在掃描區域事先布置后視靶標，對掃描區域進行常規性掃描工作并采集掃描區域的點云數據，最后對布置的后視靶標精確掃描并獲取靶標中心坐標。利用全站儀或者GPS測量掃描站點的坐標和后視靶標的坐標，同時測量記錄激光掃描儀器高度和后視靶標高度，求取激光掃描儀和后視靶標中心位置坐標。該方法可直接將多個測量站的點云數據都轉換到同一工程坐標系中。根據激光掃描儀和后視靶標的相對位置以及工程坐標系下其各自的坐標計算出坐標轉換中的旋轉矩陣，其中的平移參量是工程坐標系下的激光掃描儀中心位置坐標后視點拼接方法要求激光掃描儀具備對中整平功能，且要求整平后其自身坐標系繞x、y軸旋轉角度為0。激光掃描儀和后視靶標中心位置決定了γ和平移參量的數值，拼接精度越高意味著對控制點的坐標精度要求越高。在配備全站儀和GPS的方法比較中，全站儀可獲取高精度的控制點坐標數據，其數據拼接精度也較高，而GPS獲取的控制點坐標數據精度相對較低，由此導致其數據拼接精度也較低，這種方法一般被應用在地形測量中，在掃描過程中 系統配備的兩臺GPS衛星信號接收機同時采集測量站坐標及后視點坐標，進一步加快作業速度。

基于同名控制點的數據拼接方法利用相鄰兩個測量站中的數量至少有三個的公共靶標來實現拼接，它不需要初始位置和姿態估計。 這種方法的缺點是每拼接兩個測站都會產生誤差，并且改誤差會隨著拼接次數的增加慢慢累積，造成最后一站和第一站數據拼接時有較大的累計誤差。

基于公共重疊區域的數據拼接法基于最小二乘法迭代優化規程尋找兩個點云最優配準的剛性變換。這種方法通常需要假設旋轉矩陣的初始姿態，在一個點云數據中選取兩個點云數據重疊區域的部分點云數據，在另一個點云數據中尋找已選點云數據的對應點，接著根據這些對應點之間的距離平方和最小化求取變換，通過不斷迭代以上處理流程直至滿足收斂條件，從而獲取最優變換矩陣。基于公共重疊區域的數據拼接方法不僅拼接精度高，而且由于在掃描過程中無靶標作為拼接控制點而具備很高的掃描操作便利性。其缺點是由于旋轉矩陣初始姿態設置與實際情況的大誤差會造成拼接時間很長。

1.2.2 點云去噪

點云數據去噪的目的是去除實際掃描過程中受人為因素或環境因素影響導致的真實數據偏離理論值而產生的噪聲點。通常噪聲點產生的原因有：激光掃描系統固有的系統誤差，包括激光測距誤差和掃描角度誤差;掃描過程中由偶然因素（如掃描對象和儀器間有車輛和行人經過）導致的偶然噪聲，導致獲取的數據中有偶然環境因素的點云數據，這些肉眼可見的噪聲點通常可直接手動刪除;最后是受被測目標物體表面傾斜、粗糙等因素影響造成的的誤差。點云去噪方法一般有觀察法，即由人工在數據處理軟件顯示點云數據，并直接把肉眼可見的、與目標點云數據偏差較大的點、以及遠離掃描物體的異常點剔除。觀察法主要用于點云數據初步去噪，可去除偏差較大的噪聲點。另一種方法是有序點云去噪法，該方法中使用的處理方法又分為觀察法、弦高差法、曲線檢查法以及濾波法等。還有一種方法是散亂點云去噪法，該方法主要針對散亂點云的去噪，原理是建立點云數據的拓撲關系，然后再進行點云去噪。

1.2.3 點云精簡

點云精簡操作的目的是去除點云數據中冗雜的數據，利用最精簡有效的點云數據描述目標物體，一般常見的點云精簡方法有基于曲率和基于法向量的精簡算法。過于密集的點云數據一方面影響了模型建立的光滑性，另一方面會因為數據點過多導致模型數據量大、計算機運行速度變慢造成的建模耗時長問題。因此點云精簡有效提取數據中能有效反映曲面特征的點，去除大量冗余點云數據，從而提高了建模效率以及建模質量。

1.2.4 點云分割

點云分割的目的是對點云數據進行分割，從大數據量的點云數據中分割出需要的部分數據分割出來，常用的點云數據分割方法為基于面的點云分割、基于邊的點云分割和基于混合區域的點云分割方法。

1.3 三維模型建模

現階段的三維激光掃描儀點云數據模型構建方法有兩種，即曲面重構法和參數法建模，其中曲面重構法原理是通過點云數據擬合NURBS曲面構建模型，該方法具備自動化程度高、模型建立速度快的特點，缺點是數據量巨大而不利于仿真系統顯示和管理，同時模型建立的精度與獲取的點云數據完整性密切相關，數據不全、細部結構掃描分辨率低以及遮擋大等因素會直接影響模型的顯示效果。曲面重構是三維模型構建中最關鍵復雜的一個部分，利用適當的數學算法將離散點云數據擬合成近似物體真實形狀的模型。自由曲面建模方式根據曲面拓撲形式的不同分為兩大類，即以三角貝塞爾曲面為基礎的曲面構造法，以B-Spline曲面或NURBS曲面為基礎的矩形域參數曲面擬合法。

參數化建模方法的原理是通過獲取特征點和線完成模型的構建，其缺點是工作量大導致的建模效率低，其優點是模型數據量很小、整體效果好，即其數據量相對曲面法小很多，能在仿真系統承受的范圍內保證模型細節的表現。

對比曲面重構法和參數化建模方法，曲面重構法的優點是所建模型效果逼真，缺點是模型數據量巨大且對點云數據質量及建模平臺性能要求高，同時其完整模型很難建立導致實用性差。因此參數化模型方法適用于大型建筑物建模以及就數字城市等應用。曲面重構法更適合用于容易獲取全方位數據的小型物體（如雕像、古建筑等），能十分逼真的還原小型物體的細節特征。

2 取得成果

本文利用激光掃描精細化建模方法對云南電網臨滄供電局500kV博尚變電站進行高精度建模，制定了詳細的站內掃描測量實施方案（圖5），完成變電站激光點云數據獲取（圖6）、數據后處理以及變電站模型的建立。

3 結語

本文利用激光掃描精細化建模技術完成了變電站高精度激光點云數據獲取與高精度厘米級的變電站模型建立，為高精度電站虛擬三維可視化的安全管控系統的建立提供基礎數據支持。