地面三維激光掃描技術(shù)在變電站三維數(shù)字化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李 煒， 王紅訓(xùn)， 李德強(qiáng)

(中國(guó)電力技術(shù)裝備有限公司鄭州電力設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450000)

1 概述

變電站涉及到的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，是一項(xiàng)采用構(gòu)建數(shù)字化技術(shù)體系，加以工程設(shè)計(jì)中使用變電工程數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，達(dá)到輸變電工程全壽命周期每一個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)交互強(qiáng)化，起始于項(xiàng)目立項(xiàng)，前后不僅涵蓋工程科研、初步設(shè)計(jì)以及項(xiàng)目評(píng)審，還銜接施工圖設(shè)計(jì)、工程建設(shè)施工和生產(chǎn)交付，另外還附帶調(diào)度和運(yùn)維等過(guò)程的一項(xiàng)數(shù)字化應(yīng)用，它可以除去信息孤島，達(dá)到信息共享，并有效提升傳統(tǒng)變電工程設(shè)計(jì)的水平，顯著提高工作效率和管理水平。

變電工程一旦開(kāi)始土建設(shè)計(jì)，則需要站址范圍地形圖(該圖由測(cè)量專業(yè)完成)，依照地形圖開(kāi)展土方量計(jì)算、道路規(guī)劃和給排水設(shè)計(jì)以及平面布置等工作，因此，若要完成變電站工程的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，前提是完成站址地形圖的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，其中最常用的方法是通過(guò)全站儀或GPS獲取單點(diǎn)三維坐標(biāo)，然后形成的是二維數(shù)字化地形圖，但不符合三維設(shè)計(jì)的要求。

三維激光掃描技術(shù)是最近幾年興起的一項(xiàng)技術(shù)，并迅速成為采集空間數(shù)據(jù)的核心技術(shù)手段之一。使用該技術(shù)可以迅速和精確地采集到地物三維地理坐標(biāo)，并且不和地物表面接觸來(lái)進(jìn)行三維構(gòu)建，正因如此，該技術(shù)在涉及到三維數(shù)字化設(shè)計(jì)使用的行業(yè)中受到日益廣泛的青睞。該文引用的案例是北京某220 kV變電站工程，通過(guò)地面三維激光掃描設(shè)備采集區(qū)域空間數(shù)據(jù)，之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和重建，從而給變電站的三維設(shè)計(jì)輸入了三維地形地物數(shù)據(jù)。

2 工程概況

該項(xiàng)目在北京朝陽(yáng)區(qū)內(nèi)。場(chǎng)地地勢(shì)較為平坦，交通便利。其北側(cè)為空置土地，綠植很少，且上空橫跨兩條高壓線路，其南側(cè)是一座不銹鋼城，大多為二至三層房屋。

3 三維激光掃描作業(yè)流程

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)之前都要開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘，依據(jù)測(cè)區(qū)地形和地物分布的實(shí)際狀態(tài)，策劃出一條用于掃描的路線，同時(shí)還要標(biāo)定出掃描站點(diǎn)的位置，以使得掃描儀在其作用范圍內(nèi)物盡其用，且規(guī)避重復(fù)掃描。另外，還需要在掃描區(qū)使用標(biāo)靶紙或者是標(biāo)靶球作為標(biāo)靶，數(shù)量最少為3，標(biāo)靶用于坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換(由測(cè)站掃描坐標(biāo)系變至測(cè)量坐標(biāo)系)。

設(shè)置好掃描站點(diǎn)和標(biāo)靶后，在掃描點(diǎn)上對(duì)TrimbleTX8型激光掃描儀(一種地面三維激光掃描儀，如圖1所示)進(jìn)行整平。設(shè)備布置妥當(dāng)后，打開(kāi)設(shè)備設(shè)置參數(shù)，開(kāi)始掃描。待掃描結(jié)束后，可通過(guò)顯示屏查閱點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)某些區(qū)域不滿意或某些區(qū)域比較復(fù)雜，可調(diào)整局部掃描級(jí)別再一次進(jìn)行局部掃描。

圖1 Trimble TX8型地面激光掃描儀

該項(xiàng)目架站次數(shù)共計(jì)22次，采集到該區(qū)域相關(guān)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖2所示。

3.2 全景照片拍攝及制作

開(kāi)展掃描作業(yè)時(shí)，可通過(guò)儀器內(nèi)置相機(jī)來(lái)得到全景HDR影像，另外，借助PTGui軟件可完成全景照片的拼接工作，形成測(cè)站的全景照片，該照片可以借助全景照片查看軟件查看。

3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

借助Trimble RealWorks軟件可完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分析，其內(nèi)容分別是點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪、點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換以及成果輸出等。

圖2 地面三維激光掃描儀站點(diǎn)圖

3.3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪

掃描時(shí)，一些因素會(huì)妨礙和阻斷掃描目標(biāo)，比如正在掃描煉油廠時(shí)，諸如行駛的車(chē)輛和行人以及樹(shù)木帶來(lái)的阻擋，外加實(shí)體自身反射性不均等客觀因素，都會(huì)造成采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中混入不穩(wěn)定點(diǎn)以及噪聲點(diǎn)如果要接著開(kāi)展其他作業(yè)內(nèi)容，必須把這些噪聲點(diǎn)清除干凈，這對(duì)后面的建模是有益的，此過(guò)程就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪，也被稱為點(diǎn)云的過(guò)濾。

3.3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

通過(guò)Trimble RealWorks可以使得無(wú)標(biāo)靶點(diǎn)云自動(dòng)拼接，完成相互有關(guān)聯(lián)的測(cè)站區(qū)域的拼接工作。一旦拼接誤差超出允許范圍，可借助手動(dòng)拼接，該軟件將會(huì)核查自動(dòng)拼接的精度，以確保兩站的拼接精度不大于1 cm。如此循環(huán)，完成所有相鄰站間的拼接工作后，就會(huì)生成完整的三位點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.3.3 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系不是所需坐標(biāo)系，要把坐標(biāo)系調(diào)整至煉油廠設(shè)計(jì)和施工時(shí)沿用的測(cè)量坐標(biāo)系。變換坐標(biāo)系時(shí)，需要在測(cè)量坐標(biāo)系下通過(guò)全站儀采集到目標(biāo)標(biāo)靶的三維坐標(biāo)，具體操作為：

(1)可以通過(guò)Trimble RealWorks“配準(zhǔn)”菜單中的“目標(biāo)分析工具”命令完成對(duì)目標(biāo)標(biāo)靶的選擇以及重命名，此時(shí)，最少選擇3個(gè)目標(biāo)標(biāo)靶來(lái)切換坐標(biāo)系。為確保和便于審核結(jié)果的精準(zhǔn)度，選擇4個(gè)目標(biāo)標(biāo)靶來(lái)切換坐標(biāo)系。

(2)在“配準(zhǔn)”菜單中選擇“大地基準(zhǔn)工具”命令來(lái)切換坐標(biāo)系。根據(jù)要求，需要順序輸入4個(gè)目標(biāo)標(biāo)靶掃描坐標(biāo)系坐標(biāo)和測(cè)量坐標(biāo)系坐標(biāo)，然后在下側(cè)會(huì)出現(xiàn)平均誤差，該誤差毫米級(jí)是最理想的，選中“應(yīng)用”，即可完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系切換。

3.3.4 成果輸出

三維激光掃描的所取得的結(jié)果有系統(tǒng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三維實(shí)景瀏覽網(wǎng)頁(yè)發(fā)布成果以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模成果(該數(shù)據(jù)均為測(cè)量坐標(biāo)系下數(shù)據(jù))。

通過(guò)Trimble RealWorks中的RealColor版塊，可以把點(diǎn)云數(shù)據(jù)和全景照片相互匹配，之后還可以通過(guò)Scan Explorer來(lái)完成三維實(shí)景瀏覽工作。待完成上述內(nèi)容后，依據(jù)測(cè)站可以通過(guò)IE瀏覽器查看三維實(shí)景，同時(shí)還能完成測(cè)距，不僅包括隨意兩點(diǎn)的距離，還有水平距離和垂直距離，另外，還可以完成切片分析。

如需要還原變電站測(cè)區(qū)掃描目標(biāo)的真實(shí)狀態(tài)，就要把掃描數(shù)據(jù)通過(guò)三維模型體現(xiàn)出來(lái)，此時(shí)要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)開(kāi)展兩項(xiàng)工作：三維建模工作、紋理貼圖工作。三維建模和紋理貼圖工作需要把云數(shù)據(jù)導(dǎo)入3ds Max來(lái)開(kāi)展，前提是云數(shù)據(jù)的格式要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

4 總結(jié)及展望

該項(xiàng)目通過(guò)地面三維激光掃描儀，不僅采集變電站測(cè)區(qū)內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到了影像資料，從而制作完成三維實(shí)景模型，這不僅給后續(xù)變電站的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)搭建了數(shù)據(jù)庫(kù)，還給其后續(xù)運(yùn)營(yíng)和維護(hù)和以及管理搭建了平臺(tái)，這些無(wú)疑為輸變電工程的三維設(shè)計(jì)工作中三維模型的獲取提供新的解決方案。

三維激光掃描技術(shù)成長(zhǎng)迅速，它能更好地將高精度點(diǎn)云和高分辨率影像數(shù)據(jù)同地理信息等技術(shù)相融合，這不僅給電廠、變電站和輸電線路的設(shè)計(jì)工作帶來(lái)很大價(jià)值，給三維建模以及其后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)更大價(jià)值。