基于AR技術與三維數字化點云重建解決方案的研究

鄭宗安

通過對電力領域的三維 GIS管理系統的深入研究，變電所三維重構建模的建立越來越受到關注，這已成為研究的熱點。變電所的三維點群重構是利用三維激光掃描技術掃描變電所，然后基于三維點群信息實現變電所的自動數字重構。要利用您掌握的數據挖掘、模式識別、智能決策和計算機技術實現變電站的自動建模，研究了基于點云的三維實體分類和識別算法，研究了變電站及其他地區的現場掃描三維點云數據。實現三維變電所工程學的自動分割和工學本體論的分類和識別，保證變電所實現三維自動建模。利用三維虛擬全景技術實現智能變電所場景的三維全景顯示。提供基于三維虛擬環境的變壓器和設備維護管理數據管理功能，以構建智能變電站環境的視覺平臺、設備和管理信息。變電站，三維全景顯示器，動態場景融合，提供活力、方便的平臺。智能變電站管理操作維護對象管理和相關監控信息集成視圖。管理維護人員不需要現場移動、數據透明度和數據可見性管理。能夠把握三維變電環境中的智能變電所管理運用維護中的有效信息。

一、相關技術概述

（一）增強現實技術

增強現實（Augmented Reality，AR）該技術使用軟件生成部分信息，使用計算機模擬現實世界，從而增強和擴展現實場景。增強現實感技術可以看作是虛擬現實的另一種發展形式或其分支。增強現實感技術和虛擬現實有著非常密切的關系。增強真實感技術的實現使用許多其他領域，如交互式技術、傳感器技術和光電子現實技術。AR技術等將用戶與現實世界的情景結合起來，人們可以感覺到假想3維環境是周圍現實環境的一部分。

（二）三維點云處理技術

由各種三維信息獲取裝置收集的數據通常被稱為三維點群數據，它們最初與非結構化三維點一起使用，即表示同一空間參照系下的對象的空間分布和表面特性的1組3維點的形式來表示。點云模型易于訪問（直接從設備輸出，無需重建）、簡單的數據結構（無需維護拓撲連接）。它具有靈活性（可以輕松刪除和添加操作）和強大的表現力（可以描述復雜的模型）。作為新的三維模型表現法，它受到了學術界的極大關注。三維點組在許多領域成為通用處理對象，并被視為三維模型的列表。關于三維點群的研究主要集中在取得、登記、強調、表面重構、特征提取、簡單化等方面。這些處理技術為基于點的渲染方法和基于點的圖形的發展和發展做出了貢獻。

二、變電站三維點云數據采集

點云數據只是文件中的坐標值，理解變電站云數據的分布是不明智的，而依賴這些簡單值是不明智的。顯示表單，以直觀地觀察變電站設備的點云分布。這有助于變電站設備的點云分析和處理。在本稿中，使用“三維激光掃描+全景照片”這一移動映射法，得到了變電所整體的三維建模所必需的基礎數據。使用IMS 三維移動映射系統收集變電站的三維激光點云。使用DPI-8手持式三維激光掃描儀獲取詳細的三維點云，并使用Street-View全景相機系統收集全景圖像數據。收集變電站中主要零件的全景圖像數據和屬性信息，并在圖像中標記主要位置。

（一）點云數據的結構及特點

點云數據由空間三維坐標值、激光反射強度和距離組成。點云是點的集合。嚴格地說，激光雷達掃描系統獲取的數據包括以下各種數據：位置、角度、時間、距離、強度等。在本文中，僅使用位置（x，y）和高度（Z）數據。與圖像數據相比，點云數據在內容和形式上都有自己的特點。對于地面三維激光掃描儀，采樣方法是按照水平和垂直方向采集數據。角度越大，采樣點之間的間隔越大，以及各種誤差的影響，點云數據的空間分布不均勻。

（二）設備簡介

1、 Street View采集全景影像數據

Street View攝像系統是一個完整的全景圖像采集系統，包含從記錄顯示開始的所有步驟。不需要額外的零件或開發。攝像機可以記錄每秒7幀，30M像素的分辨率。全球導航衛星系統（GNSS）接收器在全球范圍內擁有4個獨立的高精度GPS檢測。專用硬件電平傳感器，用于校正正在拍攝的相機的傾斜。處理每個全景時的完整地理參考緯度和經度、高度、方向、GPS日期和時間以及本地日期和時間的自動水平。因此，全景是與地理信息系統（GIS）組合而成的集合解決辦法。

2、IMS三維采集三維激光點云數據

利用IMS三維移動測繪系統對變電站三維激光點云進行采集并存儲為原始數據。IMS三維可以在沒有GPS的情況下使用SLAM算法采集點云數據。利用IMS三維移動地圖系統獲取二維地圖數據，記錄光檢測測距（LIDAR）的時間位置信息，制作彩色三維點群圖。精細掃描使用DPI-8手持式三維掃描儀對主要設備細節執行詳細的三維激光點云捕獲。將其保存為原始數據。DPI-8是手持式三維激光掃描儀的快速獲取和應用方便的三維數據。這是面向尋求高效、高質量數據且開箱即用的專業人士。DPI-8具有可直接實時讀取、處理、顯示和保存獲取的點云的三維數據成像系統。

（三）數據采集

1、衛星遙感影像的獲取

獲取變電所所在區域設備、建筑物及周邊輸電線路走廊的1000m帶寬，正片攝影圖像、數字標高模型（DEM）、數字表面模型（DSM）、長5km。在數字高程模型模擬的三維地形表面上應用數字或照片貼圖（DOM）作為紋理圖像。提高三維地形模擬的真實感。設備型號庫DOM用于分辨率為08米的衛星。遙感圖像的高分辨率建模要求。

2、全景影像采集及數據處理應用

Street View攝像系統實現全景圖像數據采集。收集變電站關鍵部件的全景圖像數據和屬性信息，并在圖像中標注關鍵位置。全景相機采集裝置隨機后處理軟件對采集到的數據進行全自動沉降處理，最終得到沉降軌跡和標定后的全景圖像數據。對于問題數據，及時進行恢復和恢復。將文本注釋、圖片、語音視頻等鏈接到全景圖像。通過發布服務（IIS或tomcat）將全景圖像數據作為Web服務發布，并按照“一次一個地址”的原則提供URL信息。有必要確保URL在瀏覽器打開時可以直接看到，而不需要登錄正確的圖片。

3、變電站高精度三維激光點云獲取

變電所三維激光點云由IMS以三維方式收集并存儲為原始數據。IMS 三維可準確收集室內和室外點云數據。掃描設備時，將獲取所有可見設備的位置數據、記錄光學數據并生成彩色三維點云數據。有時，IMS 三維無法開始掃描，使用DPI-8手持式三維激光掃描儀掃描設備的詳細結構。這是IMS 三維的補充。

三、變電站三維點云數據的處理

（一）點云數據去噪

當掃描時，一些因素會阻礙和阻塞掃描目標。例如，在對煉油廠進行掃描時，如車輛、行人、樹木等造成的障礙物，以及實體本身固有的非反射性等客觀因素，都會產生采集點云。在數據中加入不穩定點和噪聲點。如果要執行其他工作內容，必須清除這些噪聲點，這有助于將來的建模。此過程用于消除點云數據的噪音，也稱為點云過濾。

（二）點云數據拼接

三維激光掃描器基于激光測距原理，因此在掃描固體物體時，只能掃描所測量物體的一部分。就像人觀察東西一樣，只能觀察物體的正面。如果想查看對象的背面，則只能到達對象的另一側。三維激光掃描儀也是如此。當物體被完全表現出來時，應測量的物體只能從不同角度進行掃描。所謂點云連接，是指在追蹤實際測量位置時，將多個站點的云數據以不同的坐標系合并為一個坐標系。典型的點云拼接方法包括目標拼接、點云特征點拼接、。和控制點拼接。本文為了完成變電站的點群數據連接，使用了旋風機軟件的特征點匹配法。具體處理如下：（1）選擇一致2個相鄰站之間的3個共同特征點，監控重復處理中的錯誤大小及發生率；（2）數據登記后顯示錯誤，直到滿足每3cm再接收錯誤的精度要求為止，位置對位超過錯誤界限；（3）剩余位置間的點群數據的剪接按照步驟（1）和（2）依次完成，最后一致的點群一致。一起受限制以完成所有站點之間的拼接。拼接后的結果如圖1所示。

（三）變電站三維模型的建立

三維激光掃描儀獲取的數據是離散的點云數據，這是一個抽樣的表面空間目標，為了分析對象物的表面特性并賦予特征，需要表示不規則分布的點群數據的三維表面信息。確立目標的表面模型。其中，模型可以看作是多個單純的幾何學模型的“組合”。只要將所有的“分割”簡單幾何模型的建模工作逐一完成，就可以成功地重構出整個實體模型（見圖2）。

1、規則幾何模型的建立

在建立變電所三維模型的過程中，對于較規則的墻體、設備圓柱、矩形底座等，可以采用旋流器所攜帶的箱體、圓筒、補片等模型構件。例如，創建一個墻，您可以直接創建一個框模型，擴展模型使其接近點云，然后打破框。

2、不規則物體模型的建立

對于不規則高壓絕緣子串、變壓器設備模型設置有兩種方法：一種是先使用Cyclone軟件截取這些點云數據，然后再將這些模型組合起來。以變電所高壓絕緣子為例，旋風軟件的表面自動擴大以形成中間有孔的薄表面，并結合在一起，變壓器模型為了確立正確的三維模型，通過結合表面擴張和長方體來確立。另一種方法是將不規則的設備和對象點云數據導入到Geo magic Studio軟件中。在軟件內完成不規則模型的確立。

四、基于AR技術的三維變電站的管理

（一）變電站三維建模管理

在高精度現場站掃描結果建模的基礎上，實現了對現有變電站三維模型的引入，充分考慮了同一區域多站模型切換，實現了三維模型管理。對于相機、風速儀等輔助監控設備，支持可變調節，可在場景中添加、刪除、移動，靈活響應實際環境的變化，提高模型對實際站恢復的準確性。該系統采用地面激光掃描技術，從現場實際環境中快速采集點云數據，同時使用全景相機在現場拍攝高分辨率全景照片。在以后的階段，通過計算機輔助建模，利用收集到的高精度點云數據，生成三維模型相同的場景，和各種設備的細節，儀器、電纜、銘牌、等變電站的準確復制，然后真正的地圖是根據創建全景照片。使模型美觀，達到精確建模要求。對三維模型進行了系統的校核和校核，并結合網格的拓撲關系，根據站點的實際接線圖對改進后的模型進行了詳細的定義。嚴格數字化現實場景，為其他功能提供數據基礎。

（二）場景漫游管理

顯示1：1數字化變電站三維場景，顯示細化模型，場景內漫游瀏覽。該模型包括主設備區、室外廠區和室內廠區。通過場景漫游瀏覽，通過在現場遠程理解和直觀地查看場景，可以更輕松地了解場景，提高運維效率。室內造型主要包括車站內的房間，如防護室、開關室、直流設備室等。保護面板等電力設備的特寫是對現場拍攝的實際高清照片的再現，能夠準確反映設備面板的實際情況。在漫游瀏覽過程中，操作員可以通過鼠標和鍵盤在場景范圍內執行無限漫游瀏覽。能夠獨立控制前進、后退、上升、下降及轉向。同時，基于運營商的問題可能不熟悉車站設施，整個車站地圖添加導航顯示，和變電站頂視圖100：1放大地圖，和變電站與當前位置有關，所以點擊地圖可以快速定位當前視角到目標位置。并在移動時將當前坐標與地圖中的向導同步。

五、結語

將基于AR和三維數字點云重構的可視化管理應用于變電站建設管理效果中，既能在宏觀層面把握動態，又能準確計算細節。其優點體現在無人機數據采集速度快，三維全景圖建設周期短，文件傳輸速度快，顯示方便，有利于移動辦公。可視化管理是可跟蹤的，是一個開放透明的平臺，對領域的約束力更強。管理者可以更直觀地把握場景的動態，為分析和決策提供強有力的支持?？梢?，AR和三維數字點云重構為未來可視化管理平臺的構建提供了基礎。

作者單位：國網福建省電力有限公司