郭 瑋，劉 瑛，顏 清，陳孝文，陳釗淵，鄭聲俊，許家偉

（海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，海南?？?570203）

三維激光掃描技術(shù)在不用接觸物體的情況下能夠迅速、大規(guī)模、精確地得到目標(biāo)物體的三維空間數(shù)據(jù)，從而可以對(duì)物體進(jìn)行迅速建模。因此，該技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域例如數(shù)字城市建設(shè)、考古勘察、逆向工程與土木興建等工程中[1-4]具有廣泛的應(yīng)用。

電網(wǎng)數(shù)字化平臺(tái)作為現(xiàn)實(shí)電網(wǎng)在虛擬空間的映射，可以對(duì)電網(wǎng)的各生命周期與應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行全方位的可視化管理[5-7]。對(duì)電網(wǎng)在規(guī)劃、建設(shè)、生產(chǎn)領(lǐng)域的臺(tái)賬、實(shí)時(shí)電網(wǎng)潮流等數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位地存儲(chǔ)、管理、分析及可視化展示功能，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生電網(wǎng)工作的重要組成部分。近年來，GIM 概念的提出為電網(wǎng)建立一個(gè)全新的輸變電工程設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)行等各階段的信息模型提供了理論基礎(chǔ)，其通過三維立體的設(shè)計(jì)模型、設(shè)計(jì)文件與過程管理資料形成適用于電網(wǎng)的統(tǒng)一三維模型標(biāo)準(zhǔn)[8-9]。然而，使用參數(shù)化的三維電網(wǎng)模型因其設(shè)計(jì)的特殊性難以應(yīng)用于生產(chǎn)域之中。為此，文中采用三維激光掃描技術(shù)來獲取輸電網(wǎng)的三維數(shù)據(jù)，并通過配合完善的電網(wǎng)桿塔模型庫實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)桿塔三維模型構(gòu)建，進(jìn)而完成電網(wǎng)的數(shù)字化工作[10-13]。

1 輸電線三維激光掃描建模

三維激光掃描技術(shù)是通過向被檢測(cè)的目標(biāo)物體發(fā)射及接收激光脈沖，然后計(jì)算出目標(biāo)物體的相對(duì)空間位置，最終通過高精度GPS 定位儀與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來獲取目標(biāo)物體的三維空間數(shù)據(jù)，并通過圖像處理完成目標(biāo)物體三維模型的建立[14-16]。輸電線路的三維激光掃描步驟如圖1 所示。首先，采集輸電線路三維數(shù)據(jù)及采集數(shù)據(jù)時(shí)的環(huán)境參數(shù)；然后，對(duì)采集的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分類；最終，建立輸電線路三維模型。

圖1 三維激光掃描步驟

1.1 三維數(shù)據(jù)獲取

航空激光雷達(dá)測(cè)量多傳感器系統(tǒng)可以直接獲取電力線路走廊內(nèi)的大量高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由激光掃描儀、GPS 接收機(jī)、慣性導(dǎo)航儀、氣象傳感器、高清攝像機(jī)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)等組成，如圖2 所示。激光掃描儀用于對(duì)輸電網(wǎng)進(jìn)行掃描，獲取輸電網(wǎng)的激光點(diǎn)云信息；GPS 接收機(jī)用于接收系統(tǒng)返回的定位信息，從而確定激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的空間位置；慣性導(dǎo)航儀可以獲取激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的空間姿態(tài)，同時(shí)結(jié)合GPS 定位信息能夠迅速對(duì)激光掃描信息進(jìn)行定位，確保數(shù)據(jù)在三維空間上的一致性。

圖2 激光雷達(dá)測(cè)量多傳感器系統(tǒng)

為了獲取輸電網(wǎng)線路的最佳航拍數(shù)據(jù)，需要保證激光測(cè)量系統(tǒng)即無人機(jī)飛行平臺(tái)維持在相對(duì)于電力桿塔一定的高度進(jìn)行激光掃描，可以依據(jù)式（1）計(jì)算相應(yīng)的航跡高度。

其中，H為無人機(jī)的飛行高度；H塔桿表示電力塔桿的最大高度；H偏移量表示無人機(jī)平臺(tái)相對(duì)于電力塔桿的高度偏移量。H偏移量設(shè)置需要按照不同等級(jí)的輸電線路安全距離規(guī)范要求選取合適的值，該系統(tǒng)測(cè)試采用35～50 m 的距離范圍。

為進(jìn)一步評(píng)估后期電網(wǎng)三維重建模型的精度與質(zhì)量，仍需選擇、測(cè)量一些電塔模型中的關(guān)鍵點(diǎn)，如圖3 所示。其中，矩形方框代表所需測(cè)量的模型關(guān)鍵點(diǎn)。對(duì)于兩個(gè)連續(xù)電力塔之間的一條電力線、懸掛點(diǎn)與3 個(gè)采樣點(diǎn)被記錄為關(guān)鍵點(diǎn)，這些關(guān)鍵點(diǎn)將被用來評(píng)估電網(wǎng)三維重建模型的準(zhǔn)確性，如圖4 所示。

圖3 無人機(jī)電力數(shù)據(jù)采集航飛路線設(shè)計(jì)示意圖

圖4 電塔和電力線關(guān)鍵點(diǎn)采樣示例

1.2 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理即是將不體現(xiàn)坐標(biāo)、姿態(tài)等三維空間數(shù)據(jù)的原始激光信息與原始數(shù)碼影像數(shù)據(jù)、GPS 數(shù)據(jù)等相結(jié)合，重構(gòu)出三維圖形的過程。

在獲取目標(biāo)物體的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，由于受到激光掃描設(shè)備的精度、測(cè)量時(shí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響與設(shè)備操作者的個(gè)人因素等原因的影響，得到物體的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中將會(huì)存在噪聲。因此需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪聲點(diǎn)、離群點(diǎn)與孔洞過濾掉，進(jìn)而更優(yōu)地執(zhí)行后續(xù)圖像處理步驟，包括物體激光數(shù)據(jù)輪廓特征提取與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像重構(gòu)等操作[17-19]。

文中采用魯棒降噪算法來過濾激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪點(diǎn)。其算法原理是在當(dāng)前采樣點(diǎn)中尋找局部最大點(diǎn)，然后以該點(diǎn)為聚類中心，移動(dòng)頂點(diǎn)尋找梯度為0 的點(diǎn)，從而得到物體更為真實(shí)的表面模型。

定義點(diǎn)云數(shù)據(jù)為P={Pi,i=1,2,3,…,n}，核密度估計(jì)函數(shù)F，如式（2）所示。

其中，h為核窗口，?為密度核函數(shù)。對(duì)點(diǎn)Pi設(shè)立其領(lǐng)域L(Pi)，建立L(Pi)的協(xié)方差矩陣，并計(jì)算點(diǎn)Pi與L(Pi)的最小二乘曲面，計(jì)算L(Pi) 與最小二乘曲面的距離作為最大擬然函數(shù)Si，如式（3）所示。

其梯度函數(shù)，如式（4）所示。

通過尋找最大擬然函數(shù)梯度為0 的點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的聚類處理，最終過濾掉無效點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波處理。圖5（a）為原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)；圖5（b）為濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可見濾波后點(diǎn)云數(shù)據(jù)更接近物體的真實(shí)模型。

圖5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波處理對(duì)比

1.3 輸電網(wǎng)三維模型建立

經(jīng)過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取與濾波后，需要對(duì)所獲取的電網(wǎng)桿塔外輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，包括以下步驟：

1）根據(jù)激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)查找待構(gòu)建輸電塔模型數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)模型模板，模型模板包括各預(yù)設(shè)區(qū)段模板、所述預(yù)設(shè)區(qū)段模板的連接模式。在預(yù)設(shè)模型設(shè)計(jì)坐標(biāo)系內(nèi)，根據(jù)所述激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)及所述模型模板確定模型設(shè)計(jì)參數(shù)。

2）根據(jù)獲取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、輸電塔結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)數(shù)據(jù)及模型設(shè)計(jì)參數(shù)，在預(yù)設(shè)模型設(shè)計(jì)坐標(biāo)系內(nèi)分別從預(yù)設(shè)區(qū)段模板中匹配獲取各待構(gòu)建區(qū)段。根據(jù)連接模式對(duì)構(gòu)建完成的所述待構(gòu)建區(qū)段進(jìn)行連接，獲取輸電塔模型。其中，模型設(shè)計(jì)參數(shù)包括在預(yù)設(shè)模型設(shè)計(jì)坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。根據(jù)激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)及模型模板確定模型設(shè)計(jì)參數(shù)，將激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸入預(yù)設(shè)模型設(shè)計(jì)坐標(biāo)系中，最終確定激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)。根據(jù)各預(yù)設(shè)區(qū)段模板及點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)，確定各待建區(qū)段對(duì)應(yīng)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。單塔模型的建立過程，如圖6 所示。將激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)成單塔輪廓，采用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)計(jì)算重構(gòu)物體的輪廓長度，如式（5）所示。

其中，θ為每個(gè)像素領(lǐng)域的灰度權(quán)重系數(shù)，L(φ)為邊緣輪廓長度約束項(xiàng)，P(φ)為稀疏正則項(xiàng)，ELBF是局部灰度信息，ELGF為局部梯度能量項(xiàng)。

因此，圖像重構(gòu)的三維數(shù)據(jù)場(chǎng)，如式（6）所示。

將φ固定，求出重構(gòu)的三維圖形，如圖6（a）所示；然后建立單塔的模型，如圖6（b）所示；最終將激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與模型相匹配，得到最終的三維模型，如圖6（c）所示。

圖6 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像重構(gòu)過程

2 電網(wǎng)數(shù)字化管理平臺(tái)

為對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行數(shù)字化管理，文中在采用三維激光掃描得到的電網(wǎng)模型基礎(chǔ)上，基于B/S 架構(gòu)構(gòu)建電網(wǎng)數(shù)字化管理平臺(tái)。該平臺(tái)主要由數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層與表示層3 部分組成，業(yè)務(wù)邏輯層用于完成系統(tǒng)的邏輯功能；表示層負(fù)責(zé)用戶與系統(tǒng)的交互；數(shù)據(jù)訪問層負(fù)責(zé)邏輯層與表示層之間的數(shù)據(jù)交互。平臺(tái)架構(gòu)如圖7 所示。

圖7 電網(wǎng)數(shù)字化平臺(tái)架構(gòu)

為證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性，文中從多方面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試。具體數(shù)據(jù)如表1 所示。從表1 數(shù)據(jù)可見，在并發(fā)用戶數(shù)為1 200 時(shí)，系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間在0.5 s 以內(nèi)，具有良好的并行數(shù)據(jù)處理能力，可以滿足系統(tǒng)的工程應(yīng)用需求。

表1 系統(tǒng)性能測(cè)試數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

文中將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)數(shù)字化平臺(tái)之中，三維激光掃描可以在不接觸物體表面的情況下迅速、全面、精確地獲取目標(biāo)三維表面輪廓信息。因此，可以應(yīng)用于輸電線路桿塔的高精度迅速建模中。基于基地點(diǎn)云的桿塔三維建?？煞譃橐韵虏襟E：1）使用無/有人機(jī)進(jìn)行電力巡線以獲取三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其中包括航線規(guī)劃與關(guān)鍵點(diǎn)抓??；2）激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，包括ICP 迅速匹配、濾波降噪處理與抽取。使用處理過后的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與桿塔三維模型庫進(jìn)行匹配，根據(jù)特征點(diǎn)的抓取匹配相應(yīng)的塔型，最終實(shí)現(xiàn)輸電線路桿塔的迅速三維建模，并根據(jù)三維激光掃描技術(shù)建模得到的輸電網(wǎng)三維模型建立了電網(wǎng)數(shù)字化管理平臺(tái)。