彭 磊

(中國(guó)電建集團(tuán)河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,河北 石家莊 050031)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,區(qū)域用電負(fù)荷增長(zhǎng)較快,同時(shí)許多變電站面臨著設(shè)備老化的問(wèn)題,因此越來(lái)越多的變電站面臨著擴(kuò)建改造問(wèn)題。變電站的擴(kuò)建改造需要用測(cè)繪的手段提供基礎(chǔ)的現(xiàn)狀數(shù)據(jù),而很多變電站在擴(kuò)建改造的過(guò)程中仍在帶電運(yùn)行,若是采用傳統(tǒng)的技術(shù)方法在變電站帶電運(yùn)行情況下進(jìn)行測(cè)量具有很大的危險(xiǎn)性。

三維激光掃描技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù),其具有不接觸被量測(cè)目標(biāo)、掃描速度快、點(diǎn)位和精度分布均勻、獲得數(shù)據(jù)真實(shí)全面等特點(diǎn)。采用三維激光掃描儀獲取變電站的點(diǎn)云數(shù)據(jù),具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì):一是獲取的變電站地形圖數(shù)據(jù)比較完整,可以滿(mǎn)足變電站改擴(kuò)建對(duì)于地形圖資料的需要;二是安全可靠,在不影響變電站正常運(yùn)作的情況下保證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量安全;三是地形圖測(cè)量效率高,花費(fèi)較短時(shí)間就能得到完整的數(shù)據(jù);四是可以為變電站的三維可視化管理提供真三維模型。以下以河北某220 k V 變電站為例,詳細(xì)介紹三維激光掃描儀在變電站改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用。

1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

三維激光掃描儀利用激光測(cè)距原理獲得真三維幾何結(jié)構(gòu)形狀的表面三維信息[1]。三維激光掃描儀開(kāi)始掃描工作之前,應(yīng)制定詳細(xì)的掃描計(jì)劃,規(guī)劃好掃描路線(xiàn)、架站位置,確立掃描密度?，F(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集不能一味追求過(guò)高的點(diǎn)密度,過(guò)高的點(diǎn)密度只會(huì)增加數(shù)據(jù)采集的時(shí)間及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的強(qiáng)度,也就不能真實(shí)地體現(xiàn)三維激光掃描技術(shù)在快速數(shù)據(jù)測(cè)量方面的優(yōu)勢(shì),因此有必要對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)采集方案進(jìn)行優(yōu)化處理[2]。每天外業(yè)掃描結(jié)束后,應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的質(zhì)量分析,檢查采集到的數(shù)據(jù)是否符合要求。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)要形成一個(gè)整體,還需要把各測(cè)站獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。目前,點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法主要有以下3種:利用標(biāo)靶進(jìn)行點(diǎn)云匹配、利用特征點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云匹配,以及利用已知控制點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云匹配。本文采用的是特征點(diǎn)匹配的方法,拼接好的結(jié)果如圖1所示。

圖1 變電站點(diǎn)云示意

2.2 變電站三維模型的建立

三維激光掃描儀外業(yè)獲取的是離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù),是對(duì)空間目標(biāo)表面的采樣,為了分析目標(biāo)物表面的特征和形狀,有必要把這些不規(guī)則分布的點(diǎn)云數(shù)據(jù)表示成三維表面信息,建立目標(biāo)物的表面模型[3]?？梢詫⒁粋€(gè)模型看作是多個(gè)簡(jiǎn)單幾何模型的“組合”,將模型進(jìn)行拆分,分別完成拆分模型的建模工作,然后進(jìn)行重組,可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)體模型的建模[4]。

在變電站三維模型建立過(guò)程中,對(duì)于較規(guī)則的墻體、設(shè)備圓形立柱、矩形基座等,可采用Cyclone自身攜帶的box、cylinder、patch等模型組件來(lái)完成。對(duì)于不規(guī)則的高壓絕緣子串、變壓器設(shè)備等模型的建立可以采用以下2種方法。一是利用Cyclone軟件對(duì)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊建模,然后將這些模型進(jìn)行組合。另一種方法就是將不規(guī)則設(shè)備、物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio軟件,在該軟件下完成不規(guī)則模型的建立。本文采用第一種方法完成變電站模型的建立,結(jié)果如圖2所示。

圖2 變電站三維模型整體

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)在變電站改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用

3.1 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的變電站地形圖的獲取

三維激光掃描儀獲取改造變電站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后,為了使所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)滿(mǎn)足地形圖有關(guān)坐標(biāo)系的要求,采用GNSS+三維激光掃描儀的作業(yè)模式,即采用三維激光掃描儀獲取測(cè)量區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù),然后采用GNSS RTK 測(cè)量獲取三維激光掃描儀架設(shè)位置的坐標(biāo)和高程,將架設(shè)站點(diǎn)的坐標(biāo)、高程以及儀器高輸入點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone,就可以將點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到本工程的坐標(biāo)系下。從頂視圖的視角下,畫(huà)出各種地物,輸出成平面CAD 格式;同時(shí)以一定間距提取地面點(diǎn)云坐標(biāo)高程信息,輸出成文本格式,整理后輸入到Cass數(shù)字化地形地籍成圖系統(tǒng)V7.0,整飾完成后輸出設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)需要的地形圖成果,見(jiàn)圖3。

圖3 輸出的平面圖和最終整理的地形

為了確保三維激光掃描儀獲取的地形圖資料準(zhǔn)確可靠,采用GPS RTK 測(cè)量對(duì)儀器能夠使用的道路特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,并將結(jié)果與三維激光掃描儀生成的地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 精度對(duì)比

由以上數(shù)據(jù)可以看出,由三維激光掃描儀獲取的地形圖滿(mǎn)足精度要求,三維激光掃描儀應(yīng)用于變電站改造項(xiàng)目的地形圖數(shù)據(jù)獲取完全可行。

3.2 變電站設(shè)備結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)

變電站內(nèi)構(gòu)架和設(shè)備支架運(yùn)行數(shù)年后往往會(huì)因各種原因?qū)е聝A斜,為了保證變電站的正常運(yùn)行,有必要對(duì)其構(gòu)架和設(shè)備支架定期進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。采用三維激光掃描儀獲取構(gòu)架、設(shè)備支架的點(diǎn)云數(shù)據(jù),在建好的構(gòu)支架模型中提取設(shè)備支架、架構(gòu)體上下兩端的幾何中心,以底部幾何中心為基準(zhǔn),計(jì)算頂部幾何中心與它的偏移量,即可計(jì)算出該構(gòu)支架的傾斜值[5]。

為了驗(yàn)證本方法精度的可靠性,將其算出的偏移值與采用徠卡TS30超高精度全站儀免棱鏡模式測(cè)量得出的偏移值進(jìn)行比較。本文選擇了編號(hào)為A3、A6、B1和B4的4個(gè)設(shè)備立柱進(jìn)行比對(duì),結(jié)果如表2所示。

表2 三維激光掃描儀與全站儀測(cè)量結(jié)果比較

從表2可以看出,三維激光掃描儀與全站儀測(cè)量結(jié)果最大相差-1.74 mm?？紤]到全站儀免棱鏡測(cè)量模式本身存在一定誤差,可見(jiàn)利用三維激光掃描儀進(jìn)行變電站構(gòu)支架的傾斜觀測(cè)是可行的。

3.3 變電站的三維可視化

變電站的三維可視化是電網(wǎng)數(shù)字化管理中一個(gè)重要的組成部分。目前,國(guó)內(nèi)主流方法是利用二維設(shè)計(jì)圖紙來(lái)進(jìn)行變電站的三維建模,但是早期變電站設(shè)計(jì)資料往往是紙質(zhì)版或者設(shè)計(jì)資料不完整,因此利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)變電站進(jìn)行“實(shí)景復(fù)制”,是建立變電站三維模型的一種行之有效的方法。

利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立的模型,其尺寸和空間位置的信息非常準(zhǔn)確。將該模型導(dǎo)入三維可視化管理平臺(tái),在平臺(tái)上不僅可對(duì)其進(jìn)行量測(cè),還可以對(duì)每個(gè)設(shè)備、甚至于零部件進(jìn)行屬性查詢(xún),完成變電站資產(chǎn)設(shè)備的可視化管理。本文采用Unity3D 軟件來(lái)是實(shí)現(xiàn)變電站的三維可視化。

首先需要將建立好的模型導(dǎo)入到Unity3D 軟件。模型的導(dǎo)入需要注意軸向、模型比例及材質(zhì)的問(wèn)題。把模型導(dǎo)入正確位置后,添加燈光和天空盒子,進(jìn)行場(chǎng)景的美化渲染,讓整個(gè)場(chǎng)景顯得更加真實(shí)。同時(shí),編寫(xiě)javascript文本給場(chǎng)景添加主攝像機(jī),以實(shí)現(xiàn)通過(guò)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)完成場(chǎng)景的漫游。在完成以上工作后,生成1個(gè)后綴名為.exe格式的可執(zhí)行文件和1 個(gè)數(shù)據(jù)文件夾。運(yùn)行.exe文件,就可以進(jìn)入變電站的三維可視化平臺(tái)。運(yùn)行后的效果如圖4所示。

圖4 變電站三維可視化效果

4 結(jié)束語(yǔ)

將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于變電站擴(kuò)建改造工程中,不僅可以快速獲得變電站現(xiàn)狀的點(diǎn)云數(shù)據(jù),給設(shè)計(jì)人員提供更為準(zhǔn)確的現(xiàn)狀二維、三維模型資料,還可以為日后變電站設(shè)備立柱、架構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持,具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí),利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立的變電站三維模型,可以為變電站的三維可視化管理提供所需的地理信息數(shù)據(jù),為變電站的管理和決策提供更加直接、真實(shí)的目標(biāo)和研究對(duì)象。