基于三維激光掃描技術的變電站精細建模技術研究與應用

葉子玉

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710100）

三維激光掃描技術最早起源于1960 年左右，可以迅速獲取物體的空間數據的方式短時間內采集現實信息。1980 年以后，三維激光掃描技術在中國測繪領域逐漸落地生根[3]。隨著三維激光掃描設備性能的提升以及成本的降低，它成為測繪領域的熱點，掃描對象和應用領域逐步擴大，成為快速獲取空間三維模型信息的方式之一[4]。

變電站是電力系統穩定運行的關鍵一環[5]，變壓設施的管理也日趨成熟。目前正發展的如火如荼的智慧變電站、機器人巡檢、故障模擬、改擴建再設計等都對變電站的數據模型提出了更高的需求與期待。

為此，本文采用了三維激光掃描技術，結合3ds Max 成熟的建模作業流程，在保證安全的前提下，采集了已投運變電站的現場數據并實景復原其三維模型，實現了變電站的實景逆向設計，保證了現場施工人員的安全，加快了現場施測的進度，提高了精細模型的建模效率。

1 工程概況

本文中330 kV 滈河變電站位于陜西省西安市，屬于常寧新區規劃范圍，占地面積16 000 m2[6]。滈河變電站于2022 年實施擴建方案并于當年6 月順利投運。在該站已投運的狀態下進行施工，施工難度較大，其中GIS 設備構造復雜且設備布置較為密集。

2 三維激光掃描技術

三維激光掃描儀的基本原理是激光測距。為高效復現出虛擬的目標物三維模型，掃描儀高速測量并記錄目標對象外表大量激光反射點的三維坐標、反射率和紋理等信息[7]。再通過這些密集的點云信息，利用數字化手段三維構建出現實空間中的目標對象模型。

目前的精細化三維激光掃描建模作業流程總體可以分為3 個階段，現場實測掃描、點云數據處理、精細模型搭建[8]。

3 基于三維激光掃描技術的數據采集與處理

3.1 點云采集

點云采集工作之前須進行現場踏勘與資料收集工作，在踏勘時須擬定大致勘測方案，留意現場已有的控制點，掃描目標物的分布，環境結構特點和精度要求且確定控制網等級與規劃控制網的網形；收集現場機器設備的資產編碼，空間布設，邏輯連接等有關資料。對施測場地有了一個初步的了解后，制定外業采集施工方案[8]。

現場數據采集開始之前，須對儀器進行檢校并規范使用。

現場掃描過程中，在空曠開闊的視野中采用大型三維移動掃描測量儀，掃描范圍較大，精度較高，可移動，適用場景廣泛。在狹小擁擠的設備設施中間，須采用手持三維激光掃描儀，質量輕巧，移動自由，使用方便。數據采集開始后，在設備擺放密集的滈河變電站110 kV 區域等，可在原有10 m 一站的基礎上，加站掃描以豐富有遮擋的局部區域信息，保證現場采集的點云完整性以及色彩真實性。相鄰兩站之間掃描采集的點云重疊度應高于10%，用于后期坐標轉換的標靶控制點至少大于3 個，滈河變電站采集標靶共計7 個。該變電站采集重要設備包括3 個主變壓器、3 組站用變、6 組電容、330 kV 設備區18 個間隔、110 kV 設備區等；設施包括主控樓、330 保護小室、110 保護小室、35 kV配電室等，如圖1 所示。

圖1 滈河變電站標靶位置示意圖

3.2 點云處理

現場單幅數據掃描完成后，對整個場站中的數據進行拼接。使用標靶和公共特征點進行數據拼接時，相鄰兩掃描站的公共標靶個數≥3 個[9]（儀器經過嚴格整平時，相鄰兩掃描站的公共標靶個數可≥2 個），拼接后同名點的誤差應≤2 mm，整個場站誤差應≤10 mm[10]。

采集過程中，往往存在公共的重疊區域以便拼接配準，但也會導致一定量的數據冗余。為優化數據質量，減小冗余，拼接完成后仍須細化點云模型。對點云數據中遠離設備設施的異常點、孤立點或與掃描對象無關的點時應采用濾波和人工降噪除雜等處理；綜合點云模型的數據大小和后續3ds Max 的承載能力，宜對局部規則體的點云數據進行抽稀處理，如一些規則的隔斷墻、簡單的規則建筑等。抽稀的目的在于減小冗余，應在以不影響設備設施特征的提取與識別為前提下進行，抽稀后的最大點間距不得大于2 mm。

完成后對點云進行封裝處理，使得離散點云成為一個完整的塊體，如圖2 所示。

圖2 滈河變電站整體點云模型

3.3 影像采集

采集影像之前須關注天氣變化，陰天采集的影像可避免過度曝光與失真等問題，數據效果比晴天更好。

由于變電設備普遍較高，設備頂部是架站式掃描儀的采集盲區，須采用無人機來補充信息。航拍主要采集變電站正射影像與設備設施頂部信息。

為后續搭建模型提供現場真實的圖像，地面影像數據采集使用單反相機收集設備設施的整體情況，具體細節，紋理圖案，銘牌編號等。

4 基于3ds Max 的精細建模與導出

由于變電站內部的電氣設備數量較多且布局復雜，第一步從單體設備入手建立單體設備的簡單模型，在簡單模型的基礎上深化優化細化局部細節，結合點云，影像，設計資料等對視線范圍內的關鍵構件進行建模，如表計，操作機構等，以此形成標準模型。第二步，為貼合真實效果，現場采集的影像資料可用于紋理圖案的制作。經過透視裁剪展平紋理圖片，結合場地內的燈光環境，制作符合實際情況的設備設施貼圖。再將處理好的貼圖紋理直接賦予相應的設備面。最后整合模型，將同一設備的各個構件附加在一起形成一個對象，并對其進行編碼。如有多站點建模，每個站點的單獨設備個體完成后可加入標準設備模型數據庫，在后期的建模中實現調用，如圖3 所示。

圖3 精細建模工作流程圖

4.1 單一模型建立

4.1.1 簡單模型創建

在3ds Max 中制作的模型基本都是由簡單的幾何體拼接形成的。標準幾何體包括立方體、柱體、球等基本的幾何對象。擴展幾何體涵蓋了大部分的切角幾何體。通過樣條線可創建一些線條類的模型，導線、電纜等。

4.1.2 復合模型創建

精細且復雜的幾何體模型不僅僅依靠幾何體的堆疊，也可在簡單幾何體的基礎上根據點線面等的位置做更多的編輯以達到高效逼真的模型效果。

實操過程中，復合模型的操作可在點線面體不同程度的層次實現。

焊接操作可將不同物體上的多個頂點合為一個。該操作可實現多段導線的合并。

擠出對象可根據選中截面或邊在特定方向進行拉伸。該操作可實現旋鈕的齒輪效果等。

插入操作可在選中的面中縮放創建一個新面。在此基礎上，可實現例如，建筑物的雨棚、蓄水池等。

復合對象中布爾運算作用于幾何體的堆加與切割。通過多個幾何體的交集、并集、差集運算，可實現例如穿孔、浮雕等效果。

復合模型的創建往往伴隨了多種操作，不僅限于以上，如圖4 所示。

圖4 精細模型細節展示

4.1.3 貼圖及材質渲染

由于拍攝角度和拍攝環境的影響，現場采集到的一些紋理圖像會出現一些情況，如變形、透視、過度曝光、曝光不足、陰影等。為制作紋理，對于光線不足、陰影范圍大的區域盡量刪除。有傾斜變形的圖像通過透視裁剪進行修正，對有污漬的地方裁剪其他干凈表面紋理進行疊加從而達到美化的效果，如圖5 所示。

圖5 現場銘牌紋理制作貼圖

為減小內存，紋理圖像的提取和制作中，考慮到模型的燈光效果，應在紋理圖案的制作中加入高光與陰影效果。制作光滑表面或有弧度的復雜構件時，可通過貼圖的視覺效果實現。例如絕緣子的構建可根據現場實物，制作有明暗間隔的條紋貼圖實現。根據現場點云組合模型后，依據一次接線圖連接設備，根據PMS 臺賬打包設備單元。

4.1.4 整合模型并編碼

單一模型制作完成后，將同一設備的多個部件通過附加的方式整合成為一個整體。根據規范，更改整體模型的名稱為設備編碼與PMS 臺賬編碼。

根據現場點云擺放組合模型后，依據一次接線圖連接設備，根據PMS 臺賬打包設備單元。

4.1.5 模型導出

將整合完成的模型導出為單一模型放入數據庫，以便于后期制直接調用。

4.2 基本模型庫建立

對于區域內相同的設備建立標準模型，實現可復用可調用，隨時接入，方便后續變電站建設與改造。

再次導入標準模型可直接導入合并。

實際生產過程中，設備在安裝和運行后都會有一定的誤差與變化。標準模型在導入后仍須根據現場情況做調整。

4.3 模型應用

目前的變電站正在推廣的無人巡檢模式，通過搭載激光掃描設備，定期巡檢變電站。無人機在巡檢過程中與數據庫精細化模型對比，可及時發現異常點，及時上報。

5 結束語

三維激光掃描技術的應用在變電站系統中實現了逆向設計，還原了真實的變電站運維場景，保證了建模質量，使其具備了為智慧變電站等智能化運維管理系統提供現實場景數據的作用，進一步推進了基于變電站可視化技術的故障檢測，應急處理等深化服務功能，為后臺管理人員提供了及時有效地設備運檢信息，提升了運維人員的設備管控能力，全面推動了變電站無人巡檢工作模式的發展，實現了技術創新驅動業務發展[12]。