弓國軍，符國暉，周亞敏

（深圳供電局有限公司，廣東深圳，518048）

0 引言

隨著我國電力工程智能化程度的不斷深化，電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的三維可視化，已經(jīng)成為電力企業(yè)數(shù)字化建設(shè)的重要基礎(chǔ)。變電站作為電網(wǎng)體系中重要的組成結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部包含了眾多重要的電力基礎(chǔ)設(shè)施[1]。當(dāng)前，現(xiàn)有變電站已經(jīng)實現(xiàn)三維建模方式的應(yīng)用。通過多傳感器采集變電站數(shù)據(jù)，在清洗、排序、標(biāo)識數(shù)據(jù)后完成數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，再利用3D MAXS軟件及IHS算法構(gòu)建變電站三維基礎(chǔ)模型，利用包裹貼圖技術(shù)及雙線性光強插值法實現(xiàn)模型渲染填充處理[3]。 將變電站的地物模型投影生成正投影圖，得到集群劃分子集，利用聚合度函數(shù)進行聚合分析，結(jié)合多叉樹混合結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)索引，由此動態(tài)調(diào)度生成三維場景展示。上述方法可以針對變電站中一次設(shè)備和二次設(shè)備進行詳細(xì)建模，同時能夠為三維漫游和交互提供良好的數(shù)據(jù)支撐，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)可視化展示，實現(xiàn)變電站變電、輸電以及配電功能。但上述建模方式存在建模周期長、模型重復(fù)利用價值低等問題[4]。

BIM技術(shù)是一種現(xiàn)代化的建模手段，結(jié)合BIM技術(shù)快速建模、高精度、高利用價值等優(yōu)勢，開展基于BIM技術(shù)的變電站三維可視化建模研究。首先，通過無人機傾斜攝影技術(shù)采集數(shù)據(jù)，并進行POS集成預(yù)處理，通過特征點匹配完成點云數(shù)據(jù)處理。然后，利用BIM技術(shù)融合點云數(shù)據(jù)與影像，對于不同空間的影像，采用半自動式拼接方式實現(xiàn)集合。通過IMU的空間姿態(tài)解算，實現(xiàn)了三維可視化閉環(huán)路徑模型的優(yōu)化。最后通過實驗表明，設(shè)計方法能夠高精度地構(gòu)建變電站三維模型，具有一定的應(yīng)用價值。

1 變電站三維可視化建模設(shè)計需求分析

構(gòu)建變電站三維可視化模型，需要能夠利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行變電站各功能的實現(xiàn)及展示。對于變電站的各項數(shù)據(jù)需要融合，并可支撐功能的擴展，便于前期構(gòu)建及后期的運維等，具體來說，應(yīng)當(dāng)注意以下原則：

(1)應(yīng)用性：構(gòu)建的變電站三維可視化模型應(yīng)當(dāng)可以實現(xiàn)變電站設(shè)備管理、遠(yuǎn)程操控、歷史數(shù)據(jù)搜索、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能。(2)穩(wěn)定性：構(gòu)建的變電站三維可視化模型可在不影響變電站正常運行的情況下進行相關(guān)的配置，各功能分批次上線，保證基礎(chǔ)功能穩(wěn)定可用。(3)安全性：輸入的變電站數(shù)據(jù)能夠分區(qū)存儲，對于保密性要求較高的數(shù)據(jù)加密存儲和傳輸，避免數(shù)據(jù)外泄、越級操作等。(4)便于擴展：對于不同的變電站，構(gòu)建的變電站三維可視化模型可直接或簡易修改后直接移植并部署配置，避免多次開發(fā)或編寫。預(yù)留多端口等，可以隨著技術(shù)迭代，擴展子功能子模塊等。(5)便于配置：對于變電站的規(guī)模、位置、電壓等級等參數(shù)能夠進行分析，并采取不同的功能配置，實現(xiàn)不同類型變電站均可構(gòu)建三維可視化模型，避免過度消耗資源。

2 基于BIM技術(shù)的變電站三維可視化建模

■2.1 變電站點云數(shù)據(jù)采集與處理

為了實現(xiàn)對變電站三維可視化模型的構(gòu)建，應(yīng)先針對性的進行變電站點云信息的獲取與處理。在采集點云數(shù)據(jù)過程中，使用無人機傾斜攝影技術(shù)，從不同角度獲取數(shù)據(jù)信息。在此基礎(chǔ)上，對獲取的數(shù)據(jù)信息進行POS集成，按照空三處理的方式，將數(shù)據(jù)信息映射在TIN區(qū)域，通過此種方式獲取數(shù)據(jù)信息的清晰紋理[5]。為了確保數(shù)據(jù)可滿足三維可視化建模需求，使用SLAM移動設(shè)備掃描信息，保持掃描設(shè)備的數(shù)量至少為3臺，每個設(shè)備的掃描角度大于120.0°，將所獲取的信息進行對接處理，確保輸出的圖像與信息呈現(xiàn)一種連續(xù)性特征。

在完成對變電站點云信息的獲取后，根據(jù)IMU數(shù)據(jù)在空間中的表現(xiàn)方式，進行數(shù)據(jù)信息的點云匹配，在此過程中，對于相鄰的點云數(shù)據(jù)，可直接通過特征點匹配實現(xiàn)全局最優(yōu)解的計算。在計算過程中將誤差值進行最小化處理，輸出此時前端的連續(xù)點云信息。盡管通過上述操作獲取到的點云數(shù)據(jù)為連續(xù)性數(shù)據(jù)，但由于變電站整體包含了多個房間結(jié)構(gòu)和樓層，因此從空加上被迫分離，拆分成了若干個子工程項目。為了確保實現(xiàn)對各項工程的統(tǒng)一管理，需要對不同工程文件進行拼接，為進一步體現(xiàn)變電站的智能化，確保其運行效率的提升，可采用半自動化的方式實現(xiàn)拼接。具體而言，將獲取到的點云數(shù)據(jù)按照變電站真實空間位置通過手動的

方式進行移動，并獲取到準(zhǔn)確的初始位置信息，再利用經(jīng)典最近鄰點算法的方式對其進行不斷的迭代訓(xùn)練。通過構(gòu)建對不同電源之間的映射關(guān)系，實現(xiàn)對變電站信息的融合，以此完成對完整空間點云的生成。在采用最近鄰近算法計算時，還可引入最小二乘法當(dāng)中的最優(yōu)匹配方法，通過對旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣進行轉(zhuǎn)換的方式實現(xiàn)匹配。在求解的過程中可對迭代次數(shù)和誤差的閾值進行定義，整個匹配過程均在兩幀點云之間的位置上完成，得到最終的非線性結(jié)果。再使用閉環(huán)檢測方式，匹配點云數(shù)據(jù)的幀數(shù)與平差值幀數(shù)，以此種方式降低IMU雷擊數(shù)據(jù)的誤差，通過此種方式有效降低IMU雷擊數(shù)據(jù)誤差。除此之外，配準(zhǔn)獲取點云數(shù)據(jù)的傳感器與全景時空影像，只有配準(zhǔn)成功，才能認(rèn)為此時處理的數(shù)據(jù)可真實應(yīng)用到三維可視化建模過程中。一旦在此過程中，出現(xiàn)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)問題，那么可認(rèn)為數(shù)據(jù)處理過程存在幀數(shù)平差問題，需要將此部分存在異常的數(shù)據(jù)進行全局軌跡二次優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上，提取變電站姿態(tài)參數(shù)。按照上述方式處理數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)配準(zhǔn)結(jié)果完全匹配。

■2.2 基于BIM技術(shù)融合點云數(shù)據(jù)與影像

完成對變電站點云數(shù)據(jù)的采集后，為實現(xiàn)其可視化，利用BIM技術(shù)對點云數(shù)據(jù)和影像進行融合。在實際應(yīng)用中，為了確保構(gòu)建的模型具有連續(xù)性，考慮到真實變電站空間環(huán)境存在較多樓層和房間，使得整體空間被分割，分別構(gòu)建不同空間當(dāng)中的模型，并生成若干個工程文件[6]。針對不同工程文件，采用半自動式拼接方式，將點云數(shù)據(jù)集合按照變電站實際空間位置調(diào)整。將ICP算法融入到BIM模型當(dāng)中，對點云數(shù)據(jù)和影像進行映射。假設(shè)兩個點云數(shù)據(jù)集合為X和Y，其中X的表達式為X={x1，x2，…，xn}；Y的表達式為Y={y1，y2，…，yn}，利用ICP算法，計算X點云數(shù)據(jù)集合和Y點云數(shù)據(jù)集合的差異程度，其計算公式為：

式中，f(R,T)表示為X點云數(shù)據(jù)集合和Y點云數(shù)據(jù)集合的差異程度；R表示為點云坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣；T表示為點云坐標(biāo)平移矩陣；i表示為某一點云數(shù)據(jù)。在匹配過程中，設(shè)置差異程度閾值，若兩個點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)的差異程度小于該閾值，則兩個點云數(shù)據(jù)可以完成匹配，若兩個點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)的差異程度大于設(shè)定閾值，則兩個點云數(shù)據(jù)無法匹配，需要在點云數(shù)據(jù)集合當(dāng)中重新選擇坐標(biāo)進行匹配。同時，點云匹配時，為確保其標(biāo)準(zhǔn)化，需要在兩幀點云之間給出相應(yīng)的位置約束條件，并結(jié)合非線性方法聯(lián)合匹配結(jié)果得出最優(yōu)的位姿。在完成對點云的匹配后，為了確保最終數(shù)據(jù)的匹配，還需要對不同空間結(jié)構(gòu)當(dāng)中的坐標(biāo)進行轉(zhuǎn)換。具體而言，將針對變電站現(xiàn)場空間圖像進行掃描的裝置對應(yīng)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為空間直角坐標(biāo)系。在實際應(yīng)用中，針對坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換可利用傳感器裝置實現(xiàn)，嚴(yán)格按照規(guī)定的軸系空間位置對傳感器進行布設(shè)，并完成對全景圖像以及全景圖像當(dāng)中點云的空間指向一致性，以此保證獲取到的每一張變電站全景影響都能夠有其相對應(yīng)的空間點云數(shù)據(jù)。同時，在完成上述操作后，結(jié)合共線方程的方法針對不同點云賦予不同的色彩，以此通過色彩的表現(xiàn)實現(xiàn)對變電站三維空間中不同設(shè)備、空間結(jié)構(gòu)等區(qū)分展現(xiàn)。同時，利用激光點云獲取到的信息能夠?qū)崿F(xiàn)到實際物體絕對坐標(biāo)上的直接轉(zhuǎn)換，進一步降低了不同空間坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換運算難度。同時還可利用全景相機完成對變電站內(nèi)部空間圖像的獲取，從相機中心點位置出發(fā)，發(fā)射一條光線到實際物體上，在該條光線上包含了實際物體點、球面圖像點以及相機中心點，三者實現(xiàn)共線。通過共線方程求解的方式，求解出每一個點云對應(yīng)的全景像素點，以此實現(xiàn)對點云顏色的匹配，并生成包含更多全景深度信息的圖像。

在上述數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，在BIM建模軟件當(dāng)中，構(gòu)建一個三維立體的點云空間。為了確保構(gòu)建的模型具備時間和空間上的一致性，需要確保在同一時刻內(nèi)匹配點云數(shù)據(jù)和影像。在匹配過程中可利用時鐘設(shè)備計時，并提取同一時刻下的點云和影像，在空間坐標(biāo)上完成轉(zhuǎn)換，以此確保構(gòu)件的三維可視化模型在空間上的統(tǒng)一[7]。所有獲取到的點云數(shù)據(jù)均為不同變電站運行設(shè)備自身配備的傳感器采集到的數(shù)據(jù)，針對每一臺全景影像獲取設(shè)備，將攝影光心作為成像的平面中心點，將上述完成點云數(shù)據(jù)與影像融合的數(shù)據(jù)帶入到該坐標(biāo)系當(dāng)中，為后續(xù)模型閉環(huán)路徑提供條件。

■2.3 優(yōu)化模型三維可視化閉環(huán)路徑

在完成點云數(shù)據(jù)的融合處理后，需要解算處理IMU的空間姿態(tài)，通過解算可以得到點云數(shù)據(jù)匹配過程中數(shù)據(jù)幀的位置約束條件，綜合需求條件，可以準(zhǔn)確預(yù)判點云數(shù)據(jù)姿態(tài)，以此結(jié)果作為全局優(yōu)化的結(jié)果，從而實現(xiàn)對三維點云空間與三維點云軌跡的直接生成。

在此過程中，由于數(shù)據(jù)的反復(fù)掃描處理會導(dǎo)致數(shù)據(jù)堆積，針對堆積的數(shù)據(jù)，倘若不及時處理，會影響三維可視化模型的準(zhǔn)確度。因此，可在構(gòu)建模型過程中，按照標(biāo)準(zhǔn)的閉環(huán)檢測方式，對模型設(shè)計軌跡進行全過程校正，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)模型設(shè)計回路，約束閉環(huán)路徑，提取在此過程中的最小誤差，將其與模型進行對接，持續(xù)求解模型的非線性計算結(jié)果。通過對三維可視化模型的連續(xù)掃描與點云匹配，可以獲得一個正確的三維設(shè)計軌跡。在此基礎(chǔ)上，將多個傳感器上的連續(xù)點進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以此種方式得到一個標(biāo)準(zhǔn)的三維坐標(biāo)系，將所有通過配準(zhǔn)的信息與點云數(shù)據(jù)集成到標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系中，從而實現(xiàn)對變電站三維可視化閉環(huán)線路的校正與優(yōu)化，完成對三維可視化模型的設(shè)計。

3 兩種建模方法實現(xiàn)效果對比

結(jié)合本文上述論述，完成對基于BIM技術(shù)的變電站三維可視化建模方法的理論設(shè)計。為進一步驗證該方法在實際應(yīng)用中是否能夠?qū)崿F(xiàn)對變電站整體三維可視化，進行仿真實驗，以EV-Globe V5.0三維海量空間信息平臺為基礎(chǔ)，通過Java編程，硬件配置了Windows Core i7處理器，16GB內(nèi)存，2.20Hz閃存，1TB硬盤，以某1000kV特高壓直流輸變電工程為數(shù)據(jù)來源，構(gòu)建變電站三維可視化模型的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)量為2G。

選擇將新的建模方法與傳統(tǒng)基于SCD的建模方法針對同一變電站進行建模并實現(xiàn)可視化。為了驗證兩種建模方法的精度，選擇將均方根誤差作為精度評價指標(biāo)。通過人為設(shè)定多個檢查點的方式，對比兩種方法完成建模后各個控制點與檢測點之間的距離，實現(xiàn)對三維模型精度的檢驗，其計算公式為：

式中，R表示為檢查點與控制點之間的均方根誤差；m表示為檢查點個數(shù)；P表示為模型中控制點的點云坐標(biāo)；P'表示為真實測得的控制點對應(yīng)檢查點坐標(biāo)。實驗過程中共布設(shè)5個檢查點，并獲取坐標(biāo)信息，如表1所示。

表1 檢查點坐標(biāo)對照表

分別利用兩種建模方法完成對變電站三維可視化模型的構(gòu)建后，在兩個模型當(dāng)中找出對應(yīng)的5個控制點，并獲取其各個點的坐標(biāo)，計算均方根誤差并統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果，繪制成如圖1所示的實驗結(jié)果對比圖。

圖1 兩種建模方法模型精度對比

從上述圖1得出的實驗結(jié)果可以看出，本文提出的建模方法在應(yīng)用到實際變電站實驗環(huán)境當(dāng)中，構(gòu)建的三維可視化模型的均方根誤差明顯小于傳統(tǒng)建模方法。因此，通過對比實驗證明，本文提出的基于BIM技術(shù)的變電站三維可視化建模方法在實際應(yīng)用中能夠得到精度更高的三維可視化模型，實現(xiàn)對變電站運行參數(shù)的高精度可視化展現(xiàn)。

4 結(jié)束語

在BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上，將變電站作為研究對象，提出一種全新的三維可視化建模方法。通過采集變電站工程的點云數(shù)據(jù)，利用BIM技術(shù)融合點云數(shù)據(jù)與影像，并通過閉環(huán)檢測方式優(yōu)化了模型的求解過程。通過實驗進一步證明了該方法的實際應(yīng)用效果。將本文提出的建模方法應(yīng)用到實際變電站管控當(dāng)中，可實現(xiàn)對各項數(shù)據(jù)進行高精度三維可視化展現(xiàn)，為變電站監(jiān)管提供更加有利的數(shù)據(jù)條件。在后續(xù)的研究中還將針對BIM技術(shù)的應(yīng)用不斷優(yōu)化，并進一步驗證加載速度的性能，從而發(fā)揮其最大應(yīng)用優(yōu)勢，實現(xiàn)更加便利的變電站三維可視化建模方法。