基于多技術融合的輸電線路施工質量管理方法

國網江蘇連云港供電公司莫鋒

國網江蘇連云港三新供電服務有限公司劉東明

本文面向輸電線路工程建設，結合應用三維激光點云技術和BIM 技術實現輸電線路工程施工質量管理，并提出一種基于多技術融合的輸電線路施工質量管理方法，通過三維激光點云技術實現輸電線路施工現場的實時監測和BIM技術，實現輸電線路工程全生命周期管理，構建三維數字化工地，滿足各參建方協作需求、質量控制需求、效率提升需求和管理精益化需求。

技術支撐

三維激光點云技術

三維激光點云技術是一種新興技術，因其可以快速、非接觸地對周圍環境信息進行三維模型重建，而在生活中獲得廣泛應用。

點云數據由三維激光掃描儀采集獲得。三維激光掃描儀作業原理如下：三維激光掃描儀通過發射和接收的激光束掃描目標實體，利用激光束中心點來定位，并根據激光的飛行時間計算出每個點的三維坐標，如圖1所示。

圖1 三維激光掃描儀測距原理圖

假設β為激光束的豎直方向角，α為激光束的水平方向角，S 為激光雷達到被測量點的斜距，則所測量點P（x，y，z）的坐標計算公式可表示為：

在機載式激光雷達系統中，將三維坐標（x，y，z）、激光反射強度、顏色信息（RGB）和目標實體表面豐富的影像信息，通過激光雷達系統同步采集的全球定位系統（GPS）數據、慣性測量單元（IMU）數據和測量系統所提供的各類技術參數的聯合解算，獲得聯合定位信息（如圖2所示），包括每一個激光點的空間坐標和每張數碼影像的外方位元素，即完成了原始激光點云數據預處理的定位、定向、校準和坐標轉換過程。完成空間糾正后的點云數據，形成數字地表模型，從而可以分辨出地物。

圖2 機載式激光掃描儀工作原理圖

BIM技術

BIM 是一個工程項目物理和功能特性的數字化表達，是一個工程項目信息可以分享的知識資源，為其全生命期的各種決策構成一個可靠的基礎。BIM 技術也是數字技術在建筑工程中的直接應用，以解決建筑工程在軟件中的描述問題，使設計人員和工程技術人員能夠對各種建筑信息做出正確應對，并為協同工作提供堅實基礎。BIM 同時又是一種應用于設計、建造、管理的數字化方法，整個過程是可視化的，這種方法支持建筑工程的集成管理環境，使建筑工程在整個進程中顯著提高效率和大量減少風險。

研究現狀

現階段，有學者開發了輸電線路施工管理系統，實現巡檢數據記錄、分析、輔助決策等，該系統僅相當于數據庫的功能，為輸電線路施工管理提供信息支撐；也有學者利用BIM技術建立輸變電工程全生命周期管理平臺，實現工程進度、質量、安全、技術和造價管理，并建立了多維施工的BIM 5D 模型（3D 實體+1D 時間+1D 內容），為施工人員提供可視化的輸變電工程建設信息；另有學者以三維激光點云技術為基礎，實現輸電線路工程的巡檢和質量檢查，將施工人員的工作環境從施工場地轉變為計算機前。然而，以上三種方法（系統）有個共同缺點：在施工質量檢查時，需由檢查人員現場手動操作獲取，且質量檢查過程煩瑣。

現階段BIM技術和三維激光點云技術的融合應用在輸電線路施工質量管理中仍屬空白；BIM模型與點云模型雖同屬三維可視化模型，但二者間的相互轉化和融合分析等關鍵技術仍有待突破。

基于多技術融合的輸電線路施工質量管理方法

本文提出的基于多技術融合的輸電線路施工質量管理方法以三維激光點云技術和BIM技術為支撐，總體工作思路分為三部分：

第一部分為BIM建模，利用BIM技術建立輸電線路的BIM模型，此BIM模型為4D 形式（加時間軸），這樣可以將各個施工階段的BIM 模型以動畫的形式展現在用戶面前，在工程規劃、設計、施工和運維階段采用BIM 技術實現工程全生命周期管理。

第二部分為輸電線路點云數據采集及處理，由工作人員到施工場地，采用地面式或機載式三維激光掃描儀對施工場地進行三維激光掃描，采集回來的點云數據經濾波去噪和分割分類等點云處理操作，獲取一份質量較高的點云數據，為后續質量檢查提供保障。

第三部分為輸電線路質量檢查，經過前兩部分已獲得各階段施工的BIM模型和點云模型，而質量檢查便是將這兩種模型放在一起比對，從而清楚在施工中是否出現電力桿塔傾斜、兩座電力桿塔之間間距是否與設計圖紙不一致等。接下來，介紹一下這三部分內容的具體實現方法。

經過幾十年的發展，地下水監測工作取得了長足進步，積累了大量的監測數據，在社會經濟發展中發揮了重要作用，主要體現在以下方面：為生態文明建設提供技術支撐[4]，為科學防治地質災害提供決策依據[5]，為水資源開發利用與保護提供及時服務[6]，為地質勘查及地下水環境科學研究提供基礎資料[7]，同時在礦產資源評價[8]、地質遺跡保護[9]、礦山水害防治[10]、土地利用與國土規劃、城市地下水空間利用[11]等領域也發揮了不可替代的作用。

BIM建模工作

這部分工作主要依據設計圖紙和施工方案建立輸電線路的4D 模型（含時間軸），整個施工過程以3D動畫的形式展示在用戶面前。

建立輸電線路的BIM模型，有利于施工過程可視化，實現多個參建單位的高效協同工作，還可進行作業區布置、施工預演等，促進輸電線路建設的全生命周期管理。

利用BIM 技術將施工過程制作成動畫，形成3D施工方案，形象化地向評審人員介紹施工方案并指導作業人員規范、安全地操作，大大節省了方案審查、安全交底的時間，提升工作協同效率。

基于設計圖紙建立的三維BIM 模型可以形成寶貴的三維模型數據庫，有效對模型中所存在的數據進行分類匯總，形成系統性的技術知識庫，用于后期的指導施工。對非結構化數據信息進行調整，確保在數據傳輸上可以實現無縫對接，實現平臺之間的互相交流，有效對工藝和檔案文件進行儲存。

輸電線路點云數據采集及處理工作

輸電線路點云數據的采集由工作人員采用地面式或機載式三維激光掃描儀來完成，但采集回來的點云數據需要經過一系列的處理方能使用，這是因為點云數據受三維激光掃描儀自身固有誤差、外界環境、被測目標以及配準誤差等多種因素影響，得到的點云數據通常質量較差且數據量較大，這些問題很大程度上導致了點云數據業內處理時間的增長，無法為工程施工方案的調整和決策等提供有效的參考依據。本文對采集回來的點云數據采取如圖3所示的流程進行處理。

點云金字塔化，即通過分析海量激光點云數據與影像數據的共同點，研究影像金字塔數據模型及其構建方法，對海量點云數據采取抽稀、切割分塊的方法，構建一種類似于影像金字塔的“點云金字塔”數據模型，基于該數據模型進行四叉樹空間索引的構建，采用一種面向“點云金字塔”的四叉樹搜索算法，從而實現根據空間位置及比例尺動態的讀取、顯示點云數據，以達到海量點云數據的動態可視化的目的。

標記桿塔則是為了將輸電線路點云數據按檔距劃分，點云處理時也分檔距處理。

圖3 點云處理流程圖

采集的點云數據還有一個必經的點云處理流程是點云的濾波和去噪，例如點云濾波可以很大程度上縮小點云數據總量，提高后續點云處理速率。

圖4 是濾波前后兩幅輸電線路點云數據量對比圖，濾波方法采用統計濾波，第一幅圖為統計濾波前，第二幅圖為統計濾波后。從圖中可以看到，雖然濾波前后點云模型的外觀并無明顯變化，但點云數據總量卻減少了幾十萬個點，而這些點全部是統計濾波濾除的離群點（噪聲點），由此可見，噪聲點的濾除對整個工作效率有較大的提高。

在質量檢查中將施工現場采集得到的點云數據和根據設計圖紙建立的BIM 模型比對時，用戶不希望拿整段的輸電線路進行比對，而是分模塊比對，一次在點云濾波去噪之后，還需對輸電線路點云數據進行分類。

圖4 濾波前后點云數據對比圖

本文對于輸電線路點云數據，首先根據輸電線路本身固有特征將其自動分為地物點、桿塔點和電力線點三類（分類效果如圖5所示），之后再采用手動方式進行絕緣子串、桿塔橫擔等更精細部件的細分，完成點云分類之后，便可進行最后一步點云處理操作，三維模型重建。

經過上述的點云處理流程，用戶可以獲得質量較好的點云數據，方便進行最后一步工作——質量檢查。

輸電線路施工質量檢查工作

已得到輸電線路的點云模型和BIM模型，要想實現輸電線路施工質量檢查，需將兩模型轉換為同一種模型，在同一個三維數據平臺下展示，這里選擇將輸電線路的BIM 模型轉換為點云模型，轉換方法即為提取BIM模型中所有的面、線和頂點，并將頂點保持不變，而將面和線以均勻間隔點填充表示，這樣即可將BIM模型轉換為點云模型，點云數據量不易過多或過少。點量過多，會增加后續程序處理時間；點量過少，則難以表現電力設施的全部特征，一般一座電力桿塔用一萬點表示即可。下文中統一稱由BIM 模型轉換而得的點云模型為設計模型。

由于BIM 模型轉換而得的設計模型和點云模型分屬不同坐標系，因此需進行兩模型間的自動配準，配準前先對點云模型進行體素濾波，使濾波后的點云模型和設計模型有大致相同的點云總量，體素濾波同樣是為了增快配準。點云模型和設計模型的配準分兩步進行：粗配準和精配準，粗配準采用Super-4PCS（4-Points Congruent Sets）算法進行，該算法效率較高，且抗噪性較強；精配準則選用經典的ICP 算法，該算法精度高，可取得十分精準的配準效果。

圖5 輸電線路點云分類圖

完成點云模型和設計模型間的配準之后，兩個模型即可在同一點云顯示界面、同一坐標系下進行展示，工作人員可通過手動測量來獲得當前施工參數以及施工進度，進而了解當前施工質量狀況，為下一步質量管理工作制定方案。

結論

本文提出的方法可顯著優化和提升輸電線路質量管理效果和效率，大幅降低輸電線路“帶病”投運的幾率，實現工程質量和安全水平的提升、降低質檢成本的目標，是電網基建改革的一個重要方向，其成果對指導三維模型結合物聯網技術在輸電工程質量管理中的應用具有重要的指導意義，同時為促進輸電工程零缺陷建設和全生命周期管理的目標提供堅強的技術保障。■