基于高精度三維數字技術的變電站運檢虛擬場景構建研究

孫蓉 唐錦 盧茜

摘 要：隨著計算機技術的不斷發展，變電站的三維虛擬現實技術開發應用較多，這些技術的優劣各不相同，基于三維虛擬現實技術的電力可視化培訓，有助于實現小學效果的快速實現。為了選取更為合理的變電站虛擬現實技術以實現資源的快速構建，此次對傳統常見的三維虛擬現實技術優劣進行對比后，提出了基于融合技術方案的變電站高精度虛擬現實資源快速模型構建，并以此模型構建應用于實際的電力教學培訓之中。此次的研究，為電力教學培訓可視化教學提供了一種新型的高精度虛擬現實資源快速構建方法，能夠廣泛應用于智慧教室教學課件和教學過程之中。

關鍵詞：變電站;場景;高精度;虛擬現實;教學

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）06-0152-05

Abstract：With the continuous development of computer technology， there are more development and application of three-dimensional virtual reality technology in substations， and the advantages and disadvantages of these technologies are different. The power visualization training based on three-dimensional virtual reality technology is conducive to the rapid realization of primary school effect. In order to select a more reasonable virtual reality technology of substation to realize the rapid construction of resources， after coMParing the advantages and disadvantages of the traditional three-dimensional virtual reality technology， this paper puts forward the rapid model construction of high-precision virtual reality resources of substation based on the fusion technology scheme， and applies this model construction to the actual power teaching and training. This research provides a new high-precision virtual reality resource rapid construction method for power teaching and training visualization teaching， which can be widely used in the teaching courseware and teaching process of smart classroom.

Key words：substation; scene; high precision; virtual reality; teaching

0 引言

可視化教學是一種現代新型教學的方式，是一種對互聯網及計算機技術的教學應用。電力教學具有理論教學復雜、實操難度大的特點，將可視化教學應用其中，能夠讓學習者更為清楚直觀了解到教學內容[1-3]。變電站運檢場景高精度虛擬現實資源的快速構建，能夠讓教學者直接利用相關資源進行教學設計，應用于課件和教學過程之中[4]。教學的可視化技術，目前在諸多行業教學領域之中得到了一定的應用，但是其教學相關技術還在不斷的探索。當前，基于可視化技術的智慧教室應用已經越發廣泛，智慧教室的運用可以讓學生在學習過程中更具有學習能力，能夠讓課堂變得更得更為高效、智能、簡單。基于智慧教室的教學大多是在原有的多媒體教室基礎上進行改建的，因而在一定程度上有利于進行傳統媒體的重塑。此次的研究，旨在尋找到適應于電力教學的虛擬現實資源快速構建技術方法。

1 傳統三維虛擬現實技術對比分析

1.1 傳統三維軟件建模

傳統的三維建模軟件包括Maya、3DMax等，一般是通過對采集拍照的照片進行手工建立模型，通過傳統三維軟件模型能夠獲取到模型結構準確且外型美觀的數據模型，可維護性相對較高。然而采用改種方法的周期偏長，適用于對美觀度和精度要求較好的場合。[4]在構建模型時，首先是靠人工外業獲取圖片、圖紙數據，將數據導入三維軟件之中。在同時進行較大場景的制作時，可以在建模之初就統一設置顯示單位和系統單位，以便于進行操作[5-7]。其次是創建建筑空白模并修正及貼圖制作使用，在白模創建完成后，需要修正后導出UV信息后在二維圖形軟件中制作UV貼圖，并將其與模型匹配結合。

1.2 傾斜攝影矢量建模

傾斜攝影技術是近年來國際上新發展起來的一項高新技術，利用飛行平臺搭建多臺傳感器，由一定傾斜角度的航攝像機獲取影像。采集影像的角度可以是垂直也可以是切斜等不同的角度，是為了能夠獲取到更為完整準確的信息。一般采用的傾斜攝影技術有三相機和五相機的組合，雖然也有采用單相機或雙相機的方案，但是會降低采集效率。在五相機方案之中，一般是一臺獲得垂直影響，其余4臺從前后左右4個不同的角度方向獲取影像數據[8]。為了獲取較為完整的地物側面輪廓紋理信息，相機的傾斜角度控制在40°～60°。因為攝影系統是搭載在飛行平臺上面的，因而數據收集度快，成像效果好。相較于正向影像，傾斜影像從多個角度來觀察地物并收集數據，因而可以反應地物周邊的真實情況。在配套了相應軟件后，能夠直接應用基于傾斜影像中地物的長度、面積、角度、坡度等數據，實現單張影像的量測。將傾斜攝影技術應用于電力設備結構的建模時，可以從中批量提取出貼紋理，降低三維模型構建的所需要的時間成本。采用該方法獲取的數據量較小，因而便于網絡發布。

1.3 三維激光掃描建模

三維激光掃描技術又被稱為實景復制技術，是繼GPS空間定位技術后的又一個先進的全自動高精度立體掃描技術。該項技術是利用激光測距原理在一瞬間獲取得到空間三維坐標值，其獲取數據具有高效、快速、準確的特點，是一種具有較高服務能力水平的新型測量技術。利用三維激光掃描技術進行數據掃描的時候，同時包含了R、G、B顏色信息及X、Y、Z的空間坐標信息，更為全面的數據信息能夠使得構建的模型更為全面，在電腦中有一種真實的感覺[9]。該項技術和傳統測量技術最大的區別，就是可以突破白天和黑夜的限制，在任何時間都能夠對任意物體進行掃描以獲得對應的數據，具有精度高、速度快、主動性強等特點，將數據導入軟件后可以利用數據直接生成語句高精度的三維數字化模型，不需要再花費成本去進行數據處理，節約成本[11]。利用三維激光掃描技術進行地物數據模型的構建時，首先需要獲取物體表面的原始數據，通暢采用三坐標測量的方式，利用掃描儀掃描得到密集的點云（Point Cloud）。由于被掃描的物體數據非常復雜，因而需要將不同的數據進行合并，從而構建出完整的表面模型。

1.4 三維模型構建技術對比分析研究

通過前面對3種三維模型構建技術的對比分析，可以了解到3種技術方案的原理、特點等，進一步進行3種技術方案的對比分析。對比分析的結果詳如表1中所示。

針對3種虛擬現實技術的優缺點對比分析可以看出，傾斜攝影技術和三維激光掃描技術作為一種現代技術的新手段，相較于傳統的三維軟件建模技術在許多方面都具有共同性，有著各自的優點和缺點。其中的傾斜攝影模型既有真實的紋理，三維激光模型構建具有高精細度的部件結構，可以將兩個技術整合和獲取得到一些共性優勢從而獲得更為真實和準確的模型結果。結合電力設備的實際結構和項目需求的需要，此次確定了利用傾斜攝影技術和三維激光掃描模型構建技術結合形成一種新的技術方案來構建虛擬現實模型資源。

2 基于高精度三維數字技術的變電站模型構建

基于改進算法進行變電站的快速高精度模型構建，根據變電站設備構建特點，可以將其特征劃分為兩種，分別是和外形有關和無關的特征。變電站快速建模的流程圖如圖1所示。

根據變電站模型具有標準型和重復性的特點，首先利用三維激光掃描技術采集到整個變電站的云數據后，去除變電站地面點云后，利用高度濾波和空間密度濾波的方法提取變電站電力線，分割出獨立部件點云模型。隨后采用二維平面包圍盒拓撲結構的點云重復結構檢測算法。其次是利用點云形狀和尺寸對模板庫中的CAD模型進行檢索，將檢索到的模型和點云進行模板擬合后構建出最小重復單元模型。最后是利用構建好的最小單元模型按照檢測重復模型重建后就可以快速得到整個變電站的精確模型。基于此次所提出算法快速構建的高精度模型如圖2中所示。

利用專業的三維建模軟件對于未覆蓋設備特征進行高精度建模，并最終構建和真實場景比例一致的高精度變電站模型，并在模型中展現出變電站的周邊地形環境和設備。三維模型包括了幾何和紋理兩個部分，為了便于管理人員的識別，因而需要加強對模型紋理映射以增強模型的可視化效果。在進行模型參數化處理的時候，應同時基于精準數字模型和設備照片數據準確接入設備紋理和銘牌信息，使得紋理像素匹配于幾何面。如此可以實現模型具有良好的視覺感受，匹配相關屬性，實現設備的狀態管理。

最后整合前面的數據的數據后在電腦上實現快速建模，在建模的過程中，首先進行數據的預處理，其次利用區域增長算法后實現設備點云數據的獨立化，最后利用基于組件匹配建模方法實現最小重復單元的建模，和重復結構模式結合后就可以得到變電站模型。由此得到添加地面之后的電站場景重建效果圖，如圖3所示。

3 基于變電站運檢場景高精度虛擬現實資源快速

構建方法的電力教學應用

3.1 教學課程設計

此次以電氣設備結構原理與典型故障的場景化互動教學課件設計為例，課件設計分為三個章節，分別是典型變壓器結構原理和典型故障場景化教學、典型互感器結構原理和典型故障場景化教學以及典型GIS開關設備結構原理和典型故障場景化教學，一共38課時。教學主要分為理論教學和實操演練兩個模塊，通過理論教學首先讓學習者了解和掌握理論基礎，從而為進行實操演練做好準備。如表2所示。

電力系統的運行以及電力結構概念相對抽象，學習者在學習過程中難度較大，通過更為形象的圖形界面能夠加深學生對于學習原理的理解，基于可視化仿真技術的電力教學，可以滿足教學的各項要求。變電站的運行管理是一個綜合的復雜過程，基于三維虛擬技術的可視化教學，能夠將變電站的規劃布局、運行管理、部件細節等都具體反映出來，學生在課堂中可以全方位了解所學知識的理論及實際工程中的具體情況。

3.2 智慧教室構建

基于可視化技術的智慧教室構建，特別是將其應用于電力教學之中有著非常好的教學效果。智慧教室是綜合了現代計算機技術、互聯網技術、虛擬現實技術等，實現了可視化、自動化、智能化、高效化的特點。為了能夠實現智慧教室的各項功能，在主控系統中包含了可觸控式主副屏、 交互式白板功能、 集成融媒體管理系統、 集成教學資源管理平臺、 符合人體工學設計且高度可自由升降、 兼容主流VR/AR設備，如圖4中將教室打造出具有渾然一體的全方位場景體驗功能。

信息技術的發展對教育教學有著非常大的影響，多媒體技術的普及和課件的不斷更新，教學方式和教學模式也在不斷更新，特別是“智慧校園”的提出，已經成為當前構架科技發展的重點規劃領域。在當前的智慧教學中，智慧教學是基于物聯網技術實現教學相關所有人員的數據，并實現傳功教學服務管理模式的突破，并將它們整合成為一個交互靈活的職能整體。電力智慧教室教學，能夠實現感知、采集、分析、處理能力的智慧教學，實現教學人員共享教學資源、可視化教學目的。目前雖然智慧教學提出已久，在高校教學中應用頗多，但是單純應用于電力教學中幾無先例，更遑論教學效果。虛擬現實技術為智慧教學提供了基本的技術基礎，可以真正實現智慧教學的終端功能。

4 結論

基于虛擬現實技術的可視化教學目前已經廣泛應用于各個行業教學之中，電力教學的理論學習難度較大，學習者對相關概念缺乏一個直觀的認知，而對于需要進行實操的部分，也很難具備進行實地、實物的操作演練，再加上電力系統的相關部件非常復雜，因而要進行實際的操練，可能會出現的錯誤較多。在智慧教室的教學中，將可視化融入其中，能夠給學習者更為直觀的教學效果和全新的教學體驗，可以提高學習者的學習興趣。通過對比3種三維虛擬現實技術的優劣，選擇其中的激光三維掃描技術和傾斜矢量攝影構建技術融合技術來構建變電站虛擬現實技術快速構建資源以應用于智慧教室的教學之中，能夠構建出新的教學模式，可以應用于現代電力教學之中。

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