基于GIS的三維管線激光掃描建模專題研究

（廣州供電局信息部，廣東 廣州 510620）

1 引言

南方電網(wǎng)公司明確提出在“十二五”期間，“以三個(gè)融合為內(nèi)涵、以三個(gè)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)向、以四個(gè)提升為手段，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)領(lǐng)先，國際先進(jìn)目標(biāo)”。隨著廣州電網(wǎng)三維GIS的建設(shè)，已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)主網(wǎng)結(jié)構(gòu)的多維度可視化展示和主網(wǎng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)視，為企業(yè)的規(guī)劃計(jì)劃、運(yùn)營管理和應(yīng)急指揮提供支撐，但傳統(tǒng)的三維管線照片建模方式已經(jīng)不能滿足日益發(fā)展的業(yè)務(wù)需要，存在模型建設(shè)周期長、成本高、建模因人而異、模型精度不高、真實(shí)感較差、不可批量復(fù)制等缺點(diǎn)，只有把三維管線模型建設(shè)工作經(jīng)濟(jì)化、精細(xì)化、批量化，才能更好的為規(guī)劃、管理與決策提供有力支撐。

2 廣州供電局三維GIS建模技術(shù)現(xiàn)狀

廣州隨著業(yè)務(wù)部門對三維GIS系統(tǒng)功能的日益依賴，由于三維模型建設(shè)條件和管理手段的局限，目前大部分三維模型還處在人工建立階段，精細(xì)化程度較差，建模時(shí)間較長，人工成本較高，不能快速全面滿足三維電網(wǎng)GIS系統(tǒng)的需求，其問題主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）模型建設(shè)周期長，往往系統(tǒng)功能已經(jīng)開發(fā)完成，但是模型還未建好。

（2）模型精度不高，時(shí)常因測量誤差等原因?qū)е履Ｐ团c實(shí)際差距較大。

（3）不能批量化建模，人工建模往往因?yàn)榧?xì)小差別導(dǎo)致原有模型不能復(fù)用而必須重新建立。

（4）成本較高，建模周期較長導(dǎo)致了建模成本居高不下。

以上幾點(diǎn)恰是影響三維模型建設(shè)關(guān)鍵因素，對現(xiàn)有三維GIS平臺的發(fā)展造成了阻礙，無法更好的發(fā)揮三維GIS平臺的優(yōu)勢。利用廣州供電局現(xiàn)有的三維GIS平臺，結(jié)合更先進(jìn)的三維建模手段，建立“基于三維GIS的管線模型”提高三維GIS平臺利用率，實(shí)現(xiàn)完全實(shí)景模擬現(xiàn)場環(huán)境，有效降低電網(wǎng)線路的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用，縮短故障處理時(shí)間，決策支持支撐力。

3 解決方案

根據(jù)以上問題分析，其解決方向主要在以下五個(gè)方面：

（1）建立激光掃描建模模型庫。

確立采用激光掃描建模設(shè)備及技術(shù)；現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)后，自動建立三維模型，并加入現(xiàn)有GIS系統(tǒng)，對原有模型進(jìn)行替換。

（2）完善營配一體化系統(tǒng)接口。

通過高精度的配電網(wǎng)模型，把營配一體化GIS平臺特有的管理分析功能與業(yè)務(wù)管理應(yīng)用相結(jié)合，描述整個(gè)電力企業(yè)真實(shí)運(yùn)作的環(huán)境，更好的實(shí)現(xiàn)對客戶、配電網(wǎng)的分析、維護(hù)和管理。

（3）完善安全生產(chǎn)系統(tǒng)接口。

通過建立高精度的主網(wǎng)設(shè)備模型，完善基于主網(wǎng)GIS系統(tǒng)，更好的實(shí)現(xiàn)主網(wǎng)數(shù)據(jù)的地理位置、電網(wǎng)拓?fù)湟约爸髋湟惑w化管理。

（4）完善數(shù)字供電系統(tǒng)接口。

建立全景準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)字電網(wǎng)模型，提供精細(xì)化管理電網(wǎng)規(guī)劃計(jì)劃、基建工程、生產(chǎn)運(yùn)行、調(diào)度指揮、檢修維護(hù)和應(yīng)急指揮，更好的促進(jìn)業(yè)務(wù)由部門條塊化管理向企業(yè)跨部門的企業(yè)級應(yīng)用轉(zhuǎn)變，成為企業(yè)級集成應(yīng)用建設(shè)的關(guān)鍵契機(jī)，也為綜合停電管理集成應(yīng)用和綜合績效管理集成應(yīng)用等高級集成應(yīng)用提供了高精度的數(shù)字電網(wǎng)模型。

（5）完善準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺接口。

通過準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺獲取SVG圖形和數(shù)據(jù)，展示主網(wǎng)和配網(wǎng)的SVG圖形，在高精度模型基礎(chǔ)上展示主配網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，更好的量化管理配網(wǎng)巡檢，也更好的促進(jìn)電纜管理的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工作。

4 基于GIS的激光掃描建模建設(shè)方案

4.1 激光掃描建模技術(shù)

激光掃描建模技術(shù)，是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，可全天候、快速、直接、高精度的采集大范圍區(qū)域的三維信息，并且隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展和三維激光掃描儀價(jià)格的不斷下降，運(yùn)用三維激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)并對該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理并建模，已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。

4.2 激光掃描建模技術(shù)在三維建模領(lǐng)域中的優(yōu)勢

利用激光掃描建模技術(shù)應(yīng)用三維模型領(lǐng)域的優(yōu)勢在于：

（1）掃描速度快，每秒可以掃描上百萬個(gè)點(diǎn)。

（2）儀器一體化集成，方便操作及攜帶。

（3）全景化的掃描，更加靈活并更加適合復(fù)雜的測量環(huán)境，效率高。

（4）高精度，高密度掃描,單點(diǎn)精度可達(dá)±2 mm,間隔最小1 mm。

三維激光掃描儀原理工作原理：使用激光掃描技術(shù)，由一組接收/發(fā)射設(shè)備和信息標(biāo)識器及信息處理系統(tǒng)組成，其工作原理見下圖：

圖1 三維激光掃描儀工作原理圖Fig.1 3D laser scanner schematic

4.3 建立基于激光掃描建模應(yīng)用

（1）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要的步驟為：踏勘現(xiàn)場及布設(shè)控制點(diǎn)、控制測量、靶標(biāo)布設(shè)、掃描、靶標(biāo)測量與提取。

踏勘場地，根據(jù)場地情況估算掃描測試站的數(shù)量和位置，盡量保證掃描區(qū)域有公共部分，減少其他物體遮擋，保證掃描距離在掃描儀有效范圍內(nèi)。控制點(diǎn)的布設(shè)在掃描測站初步設(shè)置完畢后，按照掃描測站的情況進(jìn)行，重點(diǎn)是要保證每一控制點(diǎn)和至少兩個(gè)其他控制點(diǎn)通視，且控制點(diǎn)通視區(qū)域應(yīng)盡可能包含所有目標(biāo)掃描區(qū)域。將控制測量分為平面控制與高程控制測量，并分別進(jìn)行測量與平差計(jì)算，獲得高精度的靶標(biāo)定位，并為后續(xù)的配準(zhǔn)提供精確的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)。根據(jù)掃描后順序碼，采用由左至右進(jìn)行靶標(biāo)編號。調(diào)整掃描儀分辨率至合適數(shù)值，使之能夠準(zhǔn)確的提取靶標(biāo)中心點(diǎn)。采用全站儀測量靶標(biāo)，以獲取其在控制網(wǎng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

（2）數(shù)據(jù)過濾

原始采集的數(shù)據(jù)還不能直接應(yīng)用最終的模型數(shù)據(jù)必須經(jīng)過一定的處理：點(diǎn)云去噪與補(bǔ)洞、點(diǎn)云配準(zhǔn)、表面重建，原籍的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，含有較大的噪聲，先進(jìn)行初略的去噪，然后進(jìn)一步細(xì)化，在經(jīng)過手工的補(bǔ)洞后初步去噪完成。在點(diǎn)云去噪和補(bǔ)洞后開始配準(zhǔn)，靶標(biāo)齊全的點(diǎn)云，使用控制點(diǎn)配準(zhǔn)，將點(diǎn)云配準(zhǔn)到控制網(wǎng)坐標(biāo)系下；靶標(biāo)缺失的點(diǎn)云，利用公共區(qū)域?qū)ふ彝c(diǎn)對其進(jìn)行兩輛配準(zhǔn)，當(dāng)同名點(diǎn)缺失時(shí)，手工進(jìn)行配準(zhǔn)。由于點(diǎn)云的離散型，生成的模型存在一定的缺陷，需要在多邊形階段對其進(jìn)行修補(bǔ)、調(diào)整。經(jīng)過上述處理后得到數(shù)字三維模型。

圖2 桿塔掃描點(diǎn)云效果圖Fig.2 The tower scanning point cloud effect diagram

（3）三維建模及渲染

利用三維處理軟件對模型進(jìn)行渲染和三維處理，最終得到三維模型圖。

圖3 桿塔三維效果圖Fig.3 The tower 3D effect diagram

5 精細(xì)化模型與GIS系統(tǒng)可視化數(shù)據(jù)接入

通過與主網(wǎng)生產(chǎn)、雷電定位、隧道在線監(jiān)測、變電站數(shù)據(jù)監(jiān)測等系統(tǒng)的整合，建設(shè)對各種電網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)及指標(biāo)進(jìn)行多維度、多視角的展示與分析的可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)查詢分析結(jié)果的多維展示。同時(shí)滿足可擴(kuò)展性要求，能夠?qū)ν馓峁┙涌诤头?wù)，使系統(tǒng)與其他新增業(yè)務(wù)可以進(jìn)行整合、對接。

5.1 主網(wǎng)安全生產(chǎn)系統(tǒng)接口

通過從主網(wǎng)安全生產(chǎn)系統(tǒng)中獲取線路設(shè)備臺賬數(shù)據(jù)、生產(chǎn)計(jì)劃、缺陷、隱患及特殊區(qū)段、工作牌、巡視任務(wù)等數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)按照人員和班組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行展現(xiàn)，并可根據(jù)展現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈接直接顯示相關(guān)明細(xì)。

5.2 雷電定位系統(tǒng)接口

從廣東電網(wǎng)公司雷電定位系統(tǒng)定時(shí)獲取雷電數(shù)據(jù)，主要包括：雷電發(fā)生時(shí)間、雷擊電流、電流極性、雷擊坐標(biāo)等數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，作為雷電分析所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源。

通過與雷電系統(tǒng)建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新的接口。在用戶選擇好起止時(shí)間后，會在三維系統(tǒng)中以雷雨云的圖標(biāo)顯示出這段時(shí)間內(nèi)發(fā)生雷電的地點(diǎn)，點(diǎn)擊雷雨云圖標(biāo)后，會以氣泡窗的方式展示該雷電點(diǎn)相關(guān)的信息，效果圖如下：

圖4 雷電發(fā)生時(shí)間段效果圖Fig.4 The thunder time period effect diagram

圖5 雷電詳細(xì)信息效果圖Fig.5 The thunder detail effect diagram

5.3 隧道在線監(jiān)測接口

通過與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)接口，獲取到隧道內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)名稱、編號等信息存儲數(shù)據(jù)庫并與三維隧道內(nèi)部監(jiān)測模型做關(guān)聯(lián)。當(dāng)用戶需要查看各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)時(shí)，選中隧道內(nèi)監(jiān)測設(shè)備模型再通過頁面集成方式展示監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時(shí)2-3分鐘通過接口獲取所有監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)的高低分為幾個(gè)檔次，每個(gè)檔次對應(yīng)不同的顏色，如過高是紅色，正常是綠色等，然后根據(jù)每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將其渲染成對應(yīng)的顏色。并勾勒出電纜的走向及溫度監(jiān)測情況。

獲取到電纜溫度、時(shí)間、位置、最高溫度、平均溫度、最大尖峰值等數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)展現(xiàn)電纜測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，也可對指定時(shí)間范圍內(nèi)的電纜溫度變化趨勢進(jìn)行查看。

圖6 電纜隧道效果圖Fig.6 The cable tunnel effect diagram

5.4 變電站數(shù)據(jù)監(jiān)測接口

變電站監(jiān)測系統(tǒng)包括：油色譜圖、中性點(diǎn)真流；電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)包括：變電站諧波、電壓、電流突變數(shù)據(jù)等；GIS設(shè)備在線監(jiān)測包括：局放、相位、圖譜等內(nèi)容。

三維GIS平臺與變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行集成，在變電站、變壓器等關(guān)鍵設(shè)備模型上建立監(jiān)測信息點(diǎn)，展示電壓、電流、中性點(diǎn)直流、局放等監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)一個(gè)時(shí)間段的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制和色譜圖還原。

6 試點(diǎn)建設(shè)案例

6.1 試點(diǎn)探查小結(jié)

前期廣州供電局珠江新城電纜隧道選取其中100米進(jìn)行激光掃描建模試點(diǎn)，現(xiàn)場通過布設(shè)控制點(diǎn)、控制測量、靶標(biāo)布設(shè)、掃描、靶標(biāo)測量與提取，收集到原始電纜隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

通過對原始電纜隧道的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲過濾及補(bǔ)洞，以及點(diǎn)云配對、表面重建等步驟，并且利用三維設(shè)計(jì)軟件后期處理，從而形成精細(xì)化的電纜隧道三維模型。

6.2 現(xiàn)場實(shí)例（珠江新城隧道）

圖7 隧道仿真模型圖Fig.7 The tunnel simulation model diagram I

圖8 隧道仿真模型圖二Fig.8 The tunnel simulation model diagram II

7 結(jié)論

通過激光掃描建模技術(shù)，結(jié)合已有的三維GIS平臺，將其他電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成到GIS平臺內(nèi)，并將數(shù)據(jù)與精細(xì)化模型進(jìn)行深度結(jié)合，建立高仿真度的三維GIS管理平臺，對廣州供電局設(shè)備監(jiān)測、設(shè)備管理維護(hù)、氣象預(yù)警等提供了支持，為提高廣州供電局供電可靠率的提供了技術(shù)手段。

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