三維激光掃描儀在變電站三維模型構(gòu)建中的應(yīng)用

楊珀 羅沙 胡育蓉

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)繪技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，測(cè)繪速度也越來(lái)越快，變電站對(duì)于構(gòu)建三維模型的需求得到了完美地滿足，該文介紹了三維激光掃描儀的掃描原理，以及三維激光掃描儀在變電站三維模型構(gòu)建中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀 變電站 三維模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）05（b）-0046-01

GPS技術(shù)的出現(xiàn)，是測(cè)繪領(lǐng)域的革命性技術(shù)，然而GPS這種測(cè)量技術(shù)，在變電站這種特殊地區(qū)，無(wú)法進(jìn)行有效的測(cè)繪，而另一項(xiàng)突破性技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)，它非接觸式測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的測(cè)繪方式，能夠很好地解決這個(gè)問(wèn)題。

1 三維激光掃描儀

1.1 三維激光掃描儀簡(jiǎn)介

三維激光掃描儀采用的是三維激光掃描技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)是一項(xiàng)能夠?qū)?shí)景進(jìn)行三維復(fù)制的技術(shù)，它和GPS技術(shù)一樣，都是在測(cè)繪領(lǐng)域?qū)儆谕黄菩缘募夹g(shù)。相比起采用單點(diǎn)測(cè)量的傳統(tǒng)測(cè)繪方法，三維激光掃描不僅測(cè)繪效率高，而且精準(zhǔn)也遠(yuǎn)超過(guò)單電測(cè)量技術(shù)，這是三維激光掃描技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。三維激光掃描技術(shù)通過(guò)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行掃描，從而得出三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，就可以構(gòu)件目標(biāo)物體的三維模型了，由此構(gòu)建出來(lái)的三維模型，不僅精度高，分辨率也很高。

1.2 三維激光掃描儀原理

三維激光掃描技術(shù)就是利用激光掃描的原理，對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行掃描，并得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后建立三維模型。其中，需要對(duì)目標(biāo)物體表面進(jìn)行掃描的信息包括大量點(diǎn)坐標(biāo)、材質(zhì)反射率和表面紋理等，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可快速構(gòu)建目標(biāo)物體的三維模型，并且蘊(yùn)含線、面、體等數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)和單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的區(qū)別在于，單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)是對(duì)單點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，而三維激光掃描技術(shù)是對(duì)大量的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，大量密集的點(diǎn)，就相當(dāng)于是面，所以三維激光掃描技術(shù)是從點(diǎn)到面的技術(shù)突破。

2 三維激光掃描儀在變電站三維模型構(gòu)建中的應(yīng)用

2.1 掃描站點(diǎn)布設(shè)

三維激光掃描儀測(cè)程和測(cè)量速度的不同，對(duì)掃描站點(diǎn)的布設(shè)有很大的影響，掃描站點(diǎn)在布設(shè)時(shí)，需要考慮到各個(gè)站點(diǎn)之間的互補(bǔ)性、相鄰站點(diǎn)之間的通視性，并且要保證站點(diǎn)的覆蓋面能夠囊括整個(gè)變電站。如果掃描站點(diǎn)布設(shè)不合理，很可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不夠完整，最終構(gòu)建的變電站三維模型有缺失現(xiàn)象。

2.2 標(biāo)靶布設(shè)

保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的精度是一件十分重要的工作，如果點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的精度不高，那么后期處理數(shù)據(jù)對(duì)變電站三維模型構(gòu)建時(shí)，同樣會(huì)出現(xiàn)精度不高的現(xiàn)象。所以，對(duì)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精確配準(zhǔn)一直都是三維激光掃描技術(shù)中的重難點(diǎn)，而標(biāo)靶的存在，能夠很好地保證多個(gè)掃描站點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，能夠精準(zhǔn)的統(tǒng)一到同一個(gè)數(shù)據(jù)集里去。所以標(biāo)靶在布設(shè)時(shí)，應(yīng)該分布均勻，保證每個(gè)掃描站點(diǎn)至少能看見(jiàn)四個(gè)標(biāo)靶，標(biāo)靶與控制點(diǎn)的連接方法是：在標(biāo)靶中心粘貼測(cè)距反射片，令掃描儀和全站儀都能觀測(cè)到同一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)。

2.3 數(shù)據(jù)采集

在對(duì)變電站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，可以利用RiSCAN PRO軟件對(duì)三維激光掃描儀進(jìn)行控制，操縱其對(duì)變電站的實(shí)體和反射參照點(diǎn)進(jìn)行掃描，最終得出變電站的幾何位置信息、點(diǎn)云發(fā)射密度和相機(jī)獲取的影響信息，這三類(lèi)信息會(huì)被RiSCAN PRO軟件統(tǒng)統(tǒng)保存在新工程文件中。在制作正射影像圖時(shí)，需要完整的原始像素，這就要求在對(duì)變電站進(jìn)行掃描時(shí)，數(shù)碼相機(jī)的鏡頭應(yīng)始終保持與目標(biāo)物體的立面平行。

另外，在對(duì)變電站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，需要注意點(diǎn)密度的控制，三維激光掃描相對(duì)于傳統(tǒng)掃描，在技術(shù)上有了重大突破，從“點(diǎn)掃描”變成了“面掃描”，其實(shí)所謂的面掃描，就是由大量的點(diǎn)構(gòu)成的，三維激光掃描儀能夠通過(guò)激光掃描獲取大量的三維點(diǎn)坐標(biāo)，而構(gòu)成一個(gè)面所需要的點(diǎn)數(shù)量，即點(diǎn)密度，點(diǎn)密度關(guān)系到模型的精度，可是點(diǎn)密度必須合理控制，尤其是在對(duì)變電站進(jìn)行三維建模時(shí)，因?yàn)樽冸娬镜娜S模型構(gòu)建，其目的是為了方便智能化管理，對(duì)于模型精度要求并不高，如果過(guò)對(duì)追求點(diǎn)密度，就會(huì)導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)所需要的工作時(shí)間增長(zhǎng)，對(duì)變電站這種大型建筑群進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的難度也會(huì)隨之增大，并且由于數(shù)據(jù)過(guò)多，軟件處理起來(lái)也更加緩慢，而這就與三維激光掃描技術(shù)的“快速測(cè)量”初衷就相違背了。

所以，分析變電站三維模型構(gòu)建的需求，可以在對(duì)變電站進(jìn)行激光掃描時(shí)，選擇奧地利RIEGL 公司VZ-1000型三維激光掃描儀。

2.4 數(shù)據(jù)處理

可以使用RIEGL 公司VZ-1000型三維激光掃描系統(tǒng)提供的RiSCAN PRO軟件，來(lái)對(duì)采集到的變電站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理主要包括點(diǎn)云拼接、影像匹配、點(diǎn)云裁剪和點(diǎn)云輸出等。其中，點(diǎn)云拼接是把不同的掃描站點(diǎn)進(jìn)行拼接，使得這些掃描站點(diǎn)的數(shù)據(jù)能夠統(tǒng)一到一個(gè)數(shù)據(jù)集里去。RiSCAN PRO軟件提供了三種點(diǎn)云拼接方法，分別是：基于“測(cè)站點(diǎn)+后視點(diǎn)”的點(diǎn)云拼接、基于標(biāo)靶的點(diǎn)云拼接和基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)云拼接。最后運(yùn)用Geomagic Studio軟件的建模功能對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行模型建立。

2.5 三維模型構(gòu)建

當(dāng)采集到的變電站點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理完成后，可以采用Geomagic Studio軟件對(duì)變電站的三維構(gòu)型進(jìn)行構(gòu)建，該軟件的主要功能是：對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將其轉(zhuǎn)換為多邊形，然后對(duì)多邊形進(jìn)行快速處理，減少其數(shù)目，之后將多邊形轉(zhuǎn)換成可以進(jìn)行曲面分析的NURBS曲面，最后將處理完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行多種格式輸出。相比起傳統(tǒng)的CAD軟件，Geomagic Studio軟件擁有很多優(yōu)勢(shì)，比如用戶獲得的多邊形和NURBS曲面是十分完美的，而且在Geomagic Studio軟件在處理各種復(fù)雜形狀如曲面、圓柱等時(shí)，運(yùn)行速度更快，等等。在對(duì)變電站進(jìn)行三維模型構(gòu)建時(shí)，變電站的高壓絕緣子可以通過(guò)Geomagic Studio軟件的獨(dú)特曲面功能進(jìn)行組合；變電站的變壓器采用曲面延伸與長(zhǎng)方體組合生成方式，建立確切的三維模型，細(xì)節(jié)后期可以通過(guò)紋理的粘貼進(jìn)行完善。高壓支柱瓷絕緣子套管采用柱體、球體、管狀體等幾種組合圖形，利用其自動(dòng)匹配方式進(jìn)行各自模型的生成，然后根據(jù)點(diǎn)云組合模型。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，使用三維激光掃描儀，能夠快速的采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過(guò)相應(yīng)的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)變電站三維模型的構(gòu)建。

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