蘭志成

摘 要：針對變電站三維虛擬可視化安全作業(yè)管控方法中基于傳統(tǒng)測繪建模技術(shù)所建模型精度較低的問題，研究了基于激光掃描技術(shù)的變電站高精度精細(xì)化建模方法，完成了變電站厘米級精度的模型建立，實(shí)現(xiàn)了變電站虛擬場景三維可視化。

關(guān)鍵詞：激光掃描建模;虛擬三維場景;變電站安全作業(yè)管控

中圖分類號：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0159-03

0 引言

在變電站安全作業(yè)管控領(lǐng)域中存在著多種管控方法，其中變電站虛擬三維可視化的安全管控方法最為先進(jìn)，這種方法通過對變電站進(jìn)行三維建模及可視化，獲取站內(nèi)作業(yè)人員實(shí)時位置信息，實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場作業(yè)人員位置的實(shí)時掌握，并根據(jù)位置信息做出及時的安全預(yù)警。該方案采用了傳統(tǒng)的測繪建模技術(shù)對變電站進(jìn)行建模，其模型建模精度不夠高，往往到達(dá)不了厘米級精度，在實(shí)際的應(yīng)用中制約著管控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及實(shí)用性。

三維激光掃描建模技術(shù)能快速、連續(xù)、自動的獲取目標(biāo)物體表面三維幾何數(shù)據(jù)，并利用獲取的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度物體建模。三維激光掃描建模技術(shù)融合了多種傳統(tǒng)測繪技術(shù)，該技術(shù)利用激光測距原理可遠(yuǎn)距離無接觸地采集目標(biāo)物體三維表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具備快速掃描并大范圍覆蓋等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地形測量、變形監(jiān)測、游戲場景制作、建筑結(jié)構(gòu)測量和電影特技等領(lǐng)域。

為了進(jìn)一步提高變電站虛擬三維可視化的安全管控系統(tǒng)的準(zhǔn)確度及實(shí)用性，本文將激光掃描精細(xì)化建模技術(shù)運(yùn)用于變電站安全作業(yè)管控中，利用激光掃描精細(xì)化建模技術(shù)的優(yōu)勢，獲得了高精度厘米級的變電站模型，同時節(jié)省了人力物力成本。

1 基本原理

三維激光掃描建模系統(tǒng)主要包括：激光掃描儀、軟件控制機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及電源系統(tǒng)。其中，激光掃描儀一般主要由激光測距儀、激光掃描系統(tǒng)以及圖像采集設(shè)備構(gòu)成，三維激光掃描建模系統(tǒng)工作原理根據(jù)激光掃描儀種類的不同也有所差別。

1.1 三維激光掃描儀

激光掃描儀主要包括激光測距儀和激光掃描系統(tǒng)。測距方法一般有相位式測距法、激光三角法和脈沖式測距法。相位式測距的原理是：利用調(diào)制器調(diào)制由光源發(fā)出的光，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢l率的調(diào)制光，通過測量調(diào)制光往返于目標(biāo)表面后的相位差來計算與目標(biāo)間的間距。脈沖式測距的原理（圖1），由激光發(fā)射器發(fā)出激光脈沖信號，激光信號到達(dá)待測目標(biāo)物體后由接收器收集被目標(biāo)物體反射回來的激光脈沖信號，同時記錄器記錄信號并轉(zhuǎn)換成可有效處理的信息進(jìn)一步解算與目標(biāo)物體的間距。激光三角法測距的原理（圖2），激光發(fā)射器發(fā)射激光射向目標(biāo)物體表面，接收器接收經(jīng)目標(biāo)物體反射后的激光，激光通過接收器透鏡并被CCD相機(jī)接收記錄。激光光點(diǎn)在CCD相機(jī)上的位置和目標(biāo)物體的距離密切相關(guān)，通過記錄與計算激光光點(diǎn)的在CCD相機(jī)上的位置，并通過一定的轉(zhuǎn)換公式計算出掃描儀和目標(biāo)物體間的距離。

三維激光掃描系統(tǒng)根據(jù)掃描狀態(tài)分為兩類，即固定式掃描系統(tǒng)和移動式掃描系統(tǒng)。固定式掃描系統(tǒng)包括三維激光掃描儀、圖像采集設(shè)備以及相應(yīng)的軟件控制系統(tǒng)，圖像采集設(shè)備負(fù)責(zé)采集目標(biāo)物體的紋理圖像信息，為后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理做準(zhǔn)備。移動式掃描系統(tǒng)比固定式掃描系統(tǒng)增添了姿態(tài)儀、GPS接收機(jī)、移動平臺以及慣導(dǎo)系統(tǒng)，可機(jī)動快速地獲取目標(biāo)物體的三維幾何數(shù)據(jù)。

1.2 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)后期處理的目的是對獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、去噪、精簡和分割等操作，其流程如圖3所示。

1.2.1 點(diǎn)云拼接

三維激光掃描儀在對某一目標(biāo)物體進(jìn)行掃描測量時，通常需要以不同方位在物體周圍不同位置對目標(biāo)物體進(jìn)行全方位的數(shù)據(jù)采集，但是每一站所采集的目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是基于激光掃描儀的本地坐標(biāo)系，并且其每一站坐標(biāo)系是獨(dú)立開來的。為此需要一種點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法完成各站坐標(biāo)系間的相互坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將各站坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下，完成目標(biāo)物體點(diǎn)云數(shù)據(jù)的有效拼接。 三維激光掃描儀常用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法有利用后視控制點(diǎn)拼接法（圖4）、基于同名控制點(diǎn)的拼接法以及基于公共重疊區(qū)域的拼接法。

后視控制點(diǎn)點(diǎn)云拼接方法一般需要配備全站儀或 GPS，通過在掃描區(qū)域事先布置后視靶標(biāo)，對掃描區(qū)域進(jìn)行常規(guī)性掃描工作并采集掃描區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最后對布置的后視靶標(biāo)精確掃描并獲取靶標(biāo)中心坐標(biāo)。利用全站儀或者GPS測量掃描站點(diǎn)的坐標(biāo)和后視靶標(biāo)的坐標(biāo)，同時測量記錄激光掃描儀器高度和后視靶標(biāo)高度，求取激光掃描儀和后視靶標(biāo)中心位置坐標(biāo)。該方法可直接將多個測量站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換到同一工程坐標(biāo)系中。根據(jù)激光掃描儀和后視靶標(biāo)的相對位置以及工程坐標(biāo)系下其各自的坐標(biāo)計算出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中的旋轉(zhuǎn)矩陣，其中的平移參量是工程坐標(biāo)系下的激光掃描儀中心位置坐標(biāo)后視點(diǎn)拼接方法要求激光掃描儀具備對中整平功能，且要求整平后其自身坐標(biāo)系繞x、y軸旋轉(zhuǎn)角度為0。激光掃描儀和后視靶標(biāo)中心位置決定了γ和平移參量的數(shù)值，拼接精度越高意味著對控制點(diǎn)的坐標(biāo)精度要求越高。在配備全站儀和GPS的方法比較中，全站儀可獲取高精度的控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)拼接精度也較高，而GPS獲取的控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)精度相對較低，由此導(dǎo)致其數(shù)據(jù)拼接精度也較低，這種方法一般被應(yīng)用在地形測量中，在掃描過程中 系統(tǒng)配備的兩臺GPS衛(wèi)星信號接收機(jī)同時采集測量站坐標(biāo)及后視點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)一步加快作業(yè)速度。

基于同名控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)拼接方法利用相鄰兩個測量站中的數(shù)量至少有三個的公共靶標(biāo)來實(shí)現(xiàn)拼接，它不需要初始位置和姿態(tài)估計。 這種方法的缺點(diǎn)是每拼接兩個測站都會產(chǎn)生誤差，并且改誤差會隨著拼接次數(shù)的增加慢慢累積，造成最后一站和第一站數(shù)據(jù)拼接時有較大的累計誤差。

基于公共重疊區(qū)域的數(shù)據(jù)拼接法基于最小二乘法迭代優(yōu)化規(guī)程尋找兩個點(diǎn)云最優(yōu)配準(zhǔn)的剛性變換。這種方法通常需要假設(shè)旋轉(zhuǎn)矩陣的初始姿態(tài)，在一個點(diǎn)云數(shù)據(jù)中選取兩個點(diǎn)云數(shù)據(jù)重疊區(qū)域的部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在另一個點(diǎn)云數(shù)據(jù)中尋找已選點(diǎn)云數(shù)據(jù)的對應(yīng)點(diǎn)，接著根據(jù)這些對應(yīng)點(diǎn)之間的距離平方和最小化求取變換，通過不斷迭代以上處理流程直至滿足收斂條件，從而獲取最優(yōu)變換矩陣?；诠仓丿B區(qū)域的數(shù)據(jù)拼接方法不僅拼接精度高，而且由于在掃描過程中無靶標(biāo)作為拼接控制點(diǎn)而具備很高的掃描操作便利性。其缺點(diǎn)是由于旋轉(zhuǎn)矩陣初始姿態(tài)設(shè)置與實(shí)際情況的大誤差會造成拼接時間很長。

1.2.2 點(diǎn)云去噪

點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪的目的是去除實(shí)際掃描過程中受人為因素或環(huán)境因素影響導(dǎo)致的真實(shí)數(shù)據(jù)偏離理論值而產(chǎn)生的噪聲點(diǎn)。通常噪聲點(diǎn)產(chǎn)生的原因有：激光掃描系統(tǒng)固有的系統(tǒng)誤差，包括激光測距誤差和掃描角度誤差;掃描過程中由偶然因素（如掃描對象和儀器間有車輛和行人經(jīng)過）導(dǎo)致的偶然噪聲，導(dǎo)致獲取的數(shù)據(jù)中有偶然環(huán)境因素的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這些肉眼可見的噪聲點(diǎn)通常可直接手動刪除;最后是受被測目標(biāo)物體表面傾斜、粗糙等因素影響造成的的誤差。點(diǎn)云去噪方法一般有觀察法，即由人工在數(shù)據(jù)處理軟件顯示點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并直接把肉眼可見的、與目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)偏差較大的點(diǎn)、以及遠(yuǎn)離掃描物體的異常點(diǎn)剔除。觀察法主要用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)初步去噪，可去除偏差較大的噪聲點(diǎn)。另一種方法是有序點(diǎn)云去噪法，該方法中使用的處理方法又分為觀察法、弦高差法、曲線檢查法以及濾波法等。還有一種方法是散亂點(diǎn)云去噪法，該方法主要針對散亂點(diǎn)云的去噪，原理是建立點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系，然后再進(jìn)行點(diǎn)云去噪。

1.2.3 點(diǎn)云精簡

點(diǎn)云精簡操作的目的是去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中冗雜的數(shù)據(jù)，利用最精簡有效的點(diǎn)云數(shù)據(jù)描述目標(biāo)物體，一般常見的點(diǎn)云精簡方法有基于曲率和基于法向量的精簡算法。過于密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)一方面影響了模型建立的光滑性，另一方面會因?yàn)閿?shù)據(jù)點(diǎn)過多導(dǎo)致模型數(shù)據(jù)量大、計算機(jī)運(yùn)行速度變慢造成的建模耗時長問題。因此點(diǎn)云精簡有效提取數(shù)據(jù)中能有效反映曲面特征的點(diǎn)，去除大量冗余點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而提高了建模效率以及建模質(zhì)量。

1.2.4 點(diǎn)云分割

點(diǎn)云分割的目的是對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，從大數(shù)據(jù)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中分割出需要的部分?jǐn)?shù)據(jù)分割出來，常用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割方法為基于面的點(diǎn)云分割、基于邊的點(diǎn)云分割和基于混合區(qū)域的點(diǎn)云分割方法。

1.3 三維模型建模

現(xiàn)階段的三維激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型構(gòu)建方法有兩種，即曲面重構(gòu)法和參數(shù)法建模，其中曲面重構(gòu)法原理是通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合NURBS曲面構(gòu)建模型，該方法具備自動化程度高、模型建立速度快的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量巨大而不利于仿真系統(tǒng)顯示和管理，同時模型建立的精度與獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整性密切相關(guān)，數(shù)據(jù)不全、細(xì)部結(jié)構(gòu)掃描分辨率低以及遮擋大等因素會直接影響模型的顯示效果。曲面重構(gòu)是三維模型構(gòu)建中最關(guān)鍵復(fù)雜的一個部分，利用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)算法將離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合成近似物體真實(shí)形狀的模型。自由曲面建模方式根據(jù)曲面拓?fù)湫问降牟煌譃閮纱箢悾匆匀秦惾麪柷鏋榛A(chǔ)的曲面構(gòu)造法，以B-Spline曲面或NURBS曲面為基礎(chǔ)的矩形域參數(shù)曲面擬合法。

參數(shù)化建模方法的原理是通過獲取特征點(diǎn)和線完成模型的構(gòu)建，其缺點(diǎn)是工作量大導(dǎo)致的建模效率低，其優(yōu)點(diǎn)是模型數(shù)據(jù)量很小、整體效果好，即其數(shù)據(jù)量相對曲面法小很多，能在仿真系統(tǒng)承受的范圍內(nèi)保證模型細(xì)節(jié)的表現(xiàn)。

對比曲面重構(gòu)法和參數(shù)化建模方法，曲面重構(gòu)法的優(yōu)點(diǎn)是所建模型效果逼真，缺點(diǎn)是模型數(shù)據(jù)量巨大且對點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量及建模平臺性能要求高，同時其完整模型很難建立導(dǎo)致實(shí)用性差。因此參數(shù)化模型方法適用于大型建筑物建模以及就數(shù)字城市等應(yīng)用。曲面重構(gòu)法更適合用于容易獲取全方位數(shù)據(jù)的小型物體（如雕像、古建筑等），能十分逼真的還原小型物體的細(xì)節(jié)特征。

2 取得成果

本文利用激光掃描精細(xì)化建模方法對云南電網(wǎng)臨滄供電局500kV博尚變電站進(jìn)行高精度建模，制定了詳細(xì)的站內(nèi)掃描測量實(shí)施方案（圖5），完成變電站激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲?。▓D6）、數(shù)據(jù)后處理以及變電站模型的建立。

3 結(jié)語

本文利用激光掃描精細(xì)化建模技術(shù)完成了變電站高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與高精度厘米級的變電站模型建立，為高精度電站虛擬三維可視化的安全管控系統(tǒng)的建立提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。