鄭宗安

通過(guò)對(duì)電力領(lǐng)域的三維 GIS管理系統(tǒng)的深入研究，變電所三維重構(gòu)建模的建立越來(lái)越受到關(guān)注，這已成為研究的熱點(diǎn)。變電所的三維點(diǎn)群重構(gòu)是利用三維激光掃描技術(shù)掃描變電所，然后基于三維點(diǎn)群信息實(shí)現(xiàn)變電所的自動(dòng)數(shù)字重構(gòu)。要利用您掌握的數(shù)據(jù)挖掘、模式識(shí)別、智能決策和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)變電站的自動(dòng)建模，研究了基于點(diǎn)云的三維實(shí)體分類(lèi)和識(shí)別算法，研究了變電站及其他地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)掃描三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)三維變電所工程學(xué)的自動(dòng)分割和工學(xué)本體論的分類(lèi)和識(shí)別，保證變電所實(shí)現(xiàn)三維自動(dòng)建模。利用三維虛擬全景技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能變電所場(chǎng)景的三維全景顯示。提供基于三維虛擬環(huán)境的變壓器和設(shè)備維護(hù)管理數(shù)據(jù)管理功能，以構(gòu)建智能變電站環(huán)境的視覺(jué)平臺(tái)、設(shè)備和管理信息。變電站，三維全景顯示器，動(dòng)態(tài)場(chǎng)景融合，提供活力、方便的平臺(tái)。智能變電站管理操作維護(hù)對(duì)象管理和相關(guān)監(jiān)控信息集成視圖。管理維護(hù)人員不需要現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)、數(shù)據(jù)透明度和數(shù)據(jù)可見(jiàn)性管理。能夠把握三維變電環(huán)境中的智能變電所管理運(yùn)用維護(hù)中的有效信息。

一、相關(guān)技術(shù)概述

（一）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）該技術(shù)使用軟件生成部分信息，使用計(jì)算機(jī)模擬現(xiàn)實(shí)世界，從而增強(qiáng)和擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)感技術(shù)可以看作是虛擬現(xiàn)實(shí)的另一種發(fā)展形式或其分支。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)感技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)有著非常密切的關(guān)系。增強(qiáng)真實(shí)感技術(shù)的實(shí)現(xiàn)使用許多其他領(lǐng)域，如交互式技術(shù)、傳感器技術(shù)和光電子現(xiàn)實(shí)技術(shù)。AR技術(shù)等將用戶(hù)與現(xiàn)實(shí)世界的情景結(jié)合起來(lái)，人們可以感覺(jué)到假想3維環(huán)境是周?chē)F(xiàn)實(shí)環(huán)境的一部分。

（二）三維點(diǎn)云處理技術(shù)

由各種三維信息獲取裝置收集的數(shù)據(jù)通常被稱(chēng)為三維點(diǎn)群數(shù)據(jù)，它們最初與非結(jié)構(gòu)化三維點(diǎn)一起使用，即表示同一空間參照系下的對(duì)象的空間分布和表面特性的1組3維點(diǎn)的形式來(lái)表示。點(diǎn)云模型易于訪問(wèn)（直接從設(shè)備輸出，無(wú)需重建）、簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（無(wú)需維護(hù)拓?fù)溥B接）。它具有靈活性（可以輕松刪除和添加操作）和強(qiáng)大的表現(xiàn)力（可以描述復(fù)雜的模型）。作為新的三維模型表現(xiàn)法，它受到了學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。三維點(diǎn)組在許多領(lǐng)域成為通用處理對(duì)象，并被視為三維模型的列表。關(guān)于三維點(diǎn)群的研究主要集中在取得、登記、強(qiáng)調(diào)、表面重構(gòu)、特征提取、簡(jiǎn)單化等方面。這些處理技術(shù)為基于點(diǎn)的渲染方法和基于點(diǎn)的圖形的發(fā)展和發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

二、變電站三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

點(diǎn)云數(shù)據(jù)只是文件中的坐標(biāo)值，理解變電站云數(shù)據(jù)的分布是不明智的，而依賴(lài)這些簡(jiǎn)單值是不明智的。顯示表單，以直觀地觀察變電站設(shè)備的點(diǎn)云分布。這有助于變電站設(shè)備的點(diǎn)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(dòng)映射法，得到了變電所整體的三維建模所必需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。使用IMS 三維移動(dòng)映射系統(tǒng)收集變電站的三維激光點(diǎn)云。使用DPI-8手持式三維激光掃描儀獲取詳細(xì)的三維點(diǎn)云，并使用Street-View全景相機(jī)系統(tǒng)收集全景圖像數(shù)據(jù)。收集變電站中主要零件的全景圖像數(shù)據(jù)和屬性信息，并在圖像中標(biāo)記主要位置。

（一）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)由空間三維坐標(biāo)值、激光反射強(qiáng)度和距離組成。點(diǎn)云是點(diǎn)的集合。嚴(yán)格地說(shuō)，激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)包括以下各種數(shù)據(jù)：位置、角度、時(shí)間、距離、強(qiáng)度等。在本文中，僅使用位置（x，y）和高度（Z）數(shù)據(jù)。與圖像數(shù)據(jù)相比，點(diǎn)云數(shù)據(jù)在內(nèi)容和形式上都有自己的特點(diǎn)。對(duì)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(shù)據(jù)。角度越大，采樣點(diǎn)之間的間隔越大，以及各種誤差的影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間分布不均勻。

（二）設(shè)備簡(jiǎn)介

1、 Street View采集全景影像數(shù)據(jù)

Street View攝像系統(tǒng)是一個(gè)完整的全景圖像采集系統(tǒng)，包含從記錄顯示開(kāi)始的所有步驟。不需要額外的零件或開(kāi)發(fā)。攝像機(jī)可以記錄每秒7幀，30M像素的分辨率。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）接收器在全球范圍內(nèi)擁有4個(gè)獨(dú)立的高精度GPS檢測(cè)。專(zhuān)用硬件電平傳感器，用于校正正在拍攝的相機(jī)的傾斜。處理每個(gè)全景時(shí)的完整地理參考緯度和經(jīng)度、高度、方向、GPS日期和時(shí)間以及本地日期和時(shí)間的自動(dòng)水平。因此，全景是與地理信息系統(tǒng)（GIS）組合而成的集合解決辦法。

2、IMS三維采集三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

利用IMS三維移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)對(duì)變電站三維激光點(diǎn)云進(jìn)行采集并存儲(chǔ)為原始數(shù)據(jù)。IMS三維可以在沒(méi)有GPS的情況下使用SLAM算法采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用IMS三維移動(dòng)地圖系統(tǒng)獲取二維地圖數(shù)據(jù)，記錄光檢測(cè)測(cè)距（LIDAR）的時(shí)間位置信息，制作彩色三維點(diǎn)群圖。精細(xì)掃描使用DPI-8手持式三維掃描儀對(duì)主要設(shè)備細(xì)節(jié)執(zhí)行詳細(xì)的三維激光點(diǎn)云捕獲。將其保存為原始數(shù)據(jù)。DPI-8是手持式三維激光掃描儀的快速獲取和應(yīng)用方便的三維數(shù)據(jù)。這是面向?qū)で蟾咝?、高質(zhì)量數(shù)據(jù)且開(kāi)箱即用的專(zhuān)業(yè)人士。DPI-8具有可直接實(shí)時(shí)讀取、處理、顯示和保存獲取的點(diǎn)云的三維數(shù)據(jù)成像系統(tǒng)。

（三）數(shù)據(jù)采集

1、衛(wèi)星遙感影像的獲取

獲取變電所所在區(qū)域設(shè)備、建筑物及周邊輸電線(xiàn)路走廊的1000m帶寬，正片攝影圖像、數(shù)字標(biāo)高模型（DEM）、數(shù)字表面模型（DSM）、長(zhǎng)5km。在數(shù)字高程模型模擬的三維地形表面上應(yīng)用數(shù)字或照片貼圖（DOM）作為紋理圖像。提高三維地形模擬的真實(shí)感。設(shè)備型號(hào)庫(kù)DOM用于分辨率為08米的衛(wèi)星。遙感圖像的高分辨率建模要求。

2、全景影像采集及數(shù)據(jù)處理應(yīng)用

Street View攝像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全景圖像數(shù)據(jù)采集。收集變電站關(guān)鍵部件的全景圖像數(shù)據(jù)和屬性信息，并在圖像中標(biāo)注關(guān)鍵位置。全景相機(jī)采集裝置隨機(jī)后處理軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行全自動(dòng)沉降處理，最終得到沉降軌跡和標(biāo)定后的全景圖像數(shù)據(jù)。對(duì)于問(wèn)題數(shù)據(jù)，及時(shí)進(jìn)行恢復(fù)和恢復(fù)。將文本注釋、圖片、語(yǔ)音視頻等鏈接到全景圖像。通過(guò)發(fā)布服務(wù)（IIS或tomcat）將全景圖像數(shù)據(jù)作為Web服務(wù)發(fā)布，并按照“一次一個(gè)地址”的原則提供URL信息。有必要確保URL在瀏覽器打開(kāi)時(shí)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(diǎn)云獲取

變電所三維激光點(diǎn)云由IMS以三維方式收集并存儲(chǔ)為原始數(shù)據(jù)。IMS 三維可準(zhǔn)確收集室內(nèi)和室外點(diǎn)云數(shù)據(jù)。掃描設(shè)備時(shí)，將獲取所有可見(jiàn)設(shè)備的位置數(shù)據(jù)、記錄光學(xué)數(shù)據(jù)并生成彩色三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。有時(shí)，IMS 三維無(wú)法開(kāi)始掃描，使用DPI-8手持式三維激光掃描儀掃描設(shè)備的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。這是IMS 三維的補(bǔ)充。

三、變電站三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

（一）點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪

當(dāng)掃描時(shí)，一些因素會(huì)阻礙和阻塞掃描目標(biāo)。例如，在對(duì)煉油廠進(jìn)行掃描時(shí)，如車(chē)輛、行人、樹(shù)木等造成的障礙物，以及實(shí)體本身固有的非反射性等客觀因素，都會(huì)產(chǎn)生采集點(diǎn)云。在數(shù)據(jù)中加入不穩(wěn)定點(diǎn)和噪聲點(diǎn)。如果要執(zhí)行其他工作內(nèi)容，必須清除這些噪聲點(diǎn)，這有助于將來(lái)的建模。此過(guò)程用于消除點(diǎn)云數(shù)據(jù)的噪音，也稱(chēng)為點(diǎn)云過(guò)濾。

（二）點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

三維激光掃描器基于激光測(cè)距原理，因此在掃描固體物體時(shí)，只能掃描所測(cè)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(duì)象的背面，則只能到達(dá)對(duì)象的另一側(cè)。三維激光掃描儀也是如此。當(dāng)物體被完全表現(xiàn)出來(lái)時(shí)，應(yīng)測(cè)量的物體只能從不同角度進(jìn)行掃描。所謂點(diǎn)云連接，是指在追蹤實(shí)際測(cè)量位置時(shí)，將多個(gè)站點(diǎn)的云數(shù)據(jù)以不同的坐標(biāo)系合并為一個(gè)坐標(biāo)系。典型的點(diǎn)云拼接方法包括目標(biāo)拼接、點(diǎn)云特征點(diǎn)拼接、。和控制點(diǎn)拼接。本文為了完成變電站的點(diǎn)群數(shù)據(jù)連接，使用了旋風(fēng)機(jī)軟件的特征點(diǎn)匹配法。具體處理如下：（1）選擇一致2個(gè)相鄰站之間的3個(gè)共同特征點(diǎn)，監(jiān)控重復(fù)處理中的錯(cuò)誤大小及發(fā)生率；（2）數(shù)據(jù)登記后顯示錯(cuò)誤，直到滿(mǎn)足每3cm再接收錯(cuò)誤的精度要求為止，位置對(duì)位超過(guò)錯(cuò)誤界限；（3）剩余位置間的點(diǎn)群數(shù)據(jù)的剪接按照步驟（1）和（2）依次完成，最后一致的點(diǎn)群一致。一起受限制以完成所有站點(diǎn)之間的拼接。拼接后的結(jié)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(shù)據(jù)是離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這是一個(gè)抽樣的表面空間目標(biāo)，為了分析對(duì)象物的表面特性并賦予特征，需要表示不規(guī)則分布的點(diǎn)群數(shù)據(jù)的三維表面信息。確立目標(biāo)的表面模型。其中，模型可以看作是多個(gè)單純的幾何學(xué)模型的“組合”。只要將所有的“分割”簡(jiǎn)單幾何模型的建模工作逐一完成，就可以成功地重構(gòu)出整個(gè)實(shí)體模型（見(jiàn)圖2）。

1、規(guī)則幾何模型的建立

在建立變電所三維模型的過(guò)程中，對(duì)于較規(guī)則的墻體、設(shè)備圓柱、矩形底座等，可以采用旋流器所攜帶的箱體、圓筒、補(bǔ)片等模型構(gòu)件。例如，創(chuàng)建一個(gè)墻，您可以直接創(chuàng)建一個(gè)框模型，擴(kuò)展模型使其接近點(diǎn)云，然后打破框。

2、不規(guī)則物體模型的建立

對(duì)于不規(guī)則高壓絕緣子串、變壓器設(shè)備模型設(shè)置有兩種方法：一種是先使用Cyclone軟件截取這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后再將這些模型組合起來(lái)。以變電所高壓絕緣子為例，旋風(fēng)軟件的表面自動(dòng)擴(kuò)大以形成中間有孔的薄表面，并結(jié)合在一起，變壓器模型為了確立正確的三維模型，通過(guò)結(jié)合表面擴(kuò)張和長(zhǎng)方體來(lái)確立。另一種方法是將不規(guī)則的設(shè)備和對(duì)象點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geo magic Studio軟件中。在軟件內(nèi)完成不規(guī)則模型的確立。

四、基于AR技術(shù)的三維變電站的管理

（一）變電站三維建模管理

在高精度現(xiàn)場(chǎng)站掃描結(jié)果建模的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)有變電站三維模型的引入，充分考慮了同一區(qū)域多站模型切換，實(shí)現(xiàn)了三維模型管理。對(duì)于相機(jī)、風(fēng)速儀等輔助監(jiān)控設(shè)備，支持可變調(diào)節(jié)，可在場(chǎng)景中添加、刪除、移動(dòng)，靈活響應(yīng)實(shí)際環(huán)境的變化，提高模型對(duì)實(shí)際站恢復(fù)的準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)采用地面激光掃描技術(shù)，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境中快速采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)使用全景相機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)拍攝高分辨率全景照片。在以后的階段，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助建模，利用收集到的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成三維模型相同的場(chǎng)景，和各種設(shè)備的細(xì)節(jié)，儀器、電纜、銘牌、等變電站的準(zhǔn)確復(fù)制，然后真正的地圖是根據(jù)創(chuàng)建全景照片。使模型美觀，達(dá)到精確建模要求。對(duì)三維模型進(jìn)行了系統(tǒng)的校核和校核，并結(jié)合網(wǎng)格的拓?fù)潢P(guān)系，根據(jù)站點(diǎn)的實(shí)際接線(xiàn)圖對(duì)改進(jìn)后的模型進(jìn)行了詳細(xì)的定義。嚴(yán)格數(shù)字化現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，為其他功能提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（二）場(chǎng)景漫游管理

顯示1：1數(shù)字化變電站三維場(chǎng)景，顯示細(xì)化模型，場(chǎng)景內(nèi)漫游瀏覽。該模型包括主設(shè)備區(qū)、室外廠區(qū)和室內(nèi)廠區(qū)。通過(guò)場(chǎng)景漫游瀏覽，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程理解和直觀地查看場(chǎng)景，可以更輕松地了解場(chǎng)景，提高運(yùn)維效率。室內(nèi)造型主要包括車(chē)站內(nèi)的房間，如防護(hù)室、開(kāi)關(guān)室、直流設(shè)備室等。保護(hù)面板等電力設(shè)備的特寫(xiě)是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的實(shí)際高清照片的再現(xiàn)，能夠準(zhǔn)確反映設(shè)備面板的實(shí)際情況。在漫游瀏覽過(guò)程中，操作員可以通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)在場(chǎng)景范圍內(nèi)執(zhí)行無(wú)限漫游瀏覽。能夠獨(dú)立控制前進(jìn)、后退、上升、下降及轉(zhuǎn)向。同時(shí)，基于運(yùn)營(yíng)商的問(wèn)題可能不熟悉車(chē)站設(shè)施，整個(gè)車(chē)站地圖添加導(dǎo)航顯示，和變電站頂視圖100：1放大地圖，和變電站與當(dāng)前位置有關(guān)，所以點(diǎn)擊地圖可以快速定位當(dāng)前視角到目標(biāo)位置。并在移動(dòng)時(shí)將當(dāng)前坐標(biāo)與地圖中的向?qū)健?h3>五、結(jié)語(yǔ)

將基于AR和三維數(shù)字點(diǎn)云重構(gòu)的可視化管理應(yīng)用于變電站建設(shè)管理效果中，既能在宏觀層面把握動(dòng)態(tài)，又能準(zhǔn)確計(jì)算細(xì)節(jié)。其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集速度快，三維全景圖建設(shè)周期短，文件傳輸速度快，顯示方便，有利于移動(dòng)辦公。可視化管理是可跟蹤的，是一個(gè)開(kāi)放透明的平臺(tái)，對(duì)領(lǐng)域的約束力更強(qiáng)。管理者可以更直觀地把握?qǐng)鼍暗膭?dòng)態(tài)，為分析和決策提供強(qiáng)有力的支持?？梢?jiàn)，AR和三維數(shù)字點(diǎn)云重構(gòu)為未來(lái)可視化管理平臺(tái)的構(gòu)建提供了基礎(chǔ)。

作者單位：國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司