新安江水電站三維逆向建模的研究與應(yīng)用

傅劍文，朱克剛，胡 軍

（國(guó)網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠，浙江 杭州311608）

1 引言

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化和智能化建設(shè)也越來(lái)越緊迫，水電站作為能源互聯(lián)網(wǎng)組成部分，其數(shù)字化和智能化建設(shè)也隨著技術(shù)的發(fā)展逐步推進(jìn)。隨著VR和AR等可視化技術(shù)的發(fā)展，三維數(shù)字化模型已經(jīng)成為水電站數(shù)字化建設(shè)的重要載體，如何高效地建立水電站的三維數(shù)字化模型很關(guān)鍵，尤其是老水電站，建設(shè)時(shí)的技術(shù)條件并未實(shí)現(xiàn)數(shù)字化建設(shè)，并且水電站經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行改造，設(shè)備和管路布置變化較大，圖紙資料也有部分缺失，因此要根據(jù)圖紙資料建立電站完整的三維數(shù)字化模型難度較大。三維激光掃描技術(shù)是最近幾年興起的一項(xiàng)技術(shù)，該技術(shù)可以迅速和準(zhǔn)確地采集地面物體的表面數(shù)據(jù)，不跟地面物體接觸就能構(gòu)建三維模型，該技術(shù)迅速成為采集空間數(shù)據(jù)的核心技術(shù)手段之一。三維激光掃描技術(shù)在變電站數(shù)字化設(shè)計(jì)[1]、古建筑保護(hù)[2]、數(shù)字城市建設(shè)[3]和景觀建模[4]等方面有廣泛的應(yīng)用，因此三維激光掃描技術(shù)建?？勺鳛槔纤姀S三維數(shù)字化建模的一種有效手段。本文嘗試采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)新安江水電站主廠房三維數(shù)字化進(jìn)行逆向建模。

2 三維激光掃描建模步驟

三維激光掃描建模的主要工作步驟如圖1，主要包括：①數(shù)據(jù)采集，通過(guò)三維激光掃描系統(tǒng)實(shí)地獲取目標(biāo)實(shí)體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、紋理信息；②數(shù)據(jù)處理，包括多站點(diǎn)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、拼接、去噪、重采樣等處理；③三維建模，根據(jù)不同的點(diǎn)云特征，建立三維空間數(shù)據(jù)模型；④紋理映射，紋理信息映射到模型上，形成模型的真實(shí)紋理[5]。

圖1 三維激光掃描建模流程

3 主廠房三維激光掃描及三維逆向建模

3.1 掃描范圍

新安江水電站總裝機(jī)容量662.5MW，共9臺(tái)混流式機(jī)組。主廠房總長(zhǎng)度219m，寬度21m。本次主要對(duì)主廠房發(fā)電機(jī)層及水輪機(jī)層進(jìn)行激光掃描，采集主廠房發(fā)電機(jī)層和水輪機(jī)層的結(jié)構(gòu)及設(shè)備數(shù)據(jù)。其中發(fā)電機(jī)層主要設(shè)備包含發(fā)電機(jī)風(fēng)罩、控制盤(pán)柜、橋式起重機(jī)、調(diào)速器壓力油罐、回油箱、油泵及閥門(mén)管路等，水輪機(jī)層主要設(shè)備包含通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)管、濾水器、油氣水閥門(mén)、油氣水管路系統(tǒng)、電纜橋架等。

3.2 設(shè)備選擇及站點(diǎn)設(shè)置

三維激光掃描建模效果的好壞跟掃描數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量有直接關(guān)系，采用Riegl VZ1000掃描儀作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備。奧地利Riegl VZ1000高精度三維激光掃描儀具有數(shù)據(jù)采集精度高的特點(diǎn)，單次測(cè)量精度達(dá)6mm（100m處），掃描速度為30萬(wàn)點(diǎn)/s，數(shù)據(jù)采集精度高，掃描速度快。

圖2 Riegl VZ1000高精度三維激光掃描儀

影響三維建模精度的另一個(gè)因素就是數(shù)據(jù)采集的完整性，為了能夠全面地、完整地獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且得到精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，掃描站布設(shè)遵循以下幾個(gè)原則：

（1）掃描站點(diǎn)需要盡量避開(kāi)遮擋物。

（2）相鄰站點(diǎn)間距不能相隔甚遠(yuǎn)，需要保留20%～30%的重疊度。

（3）站點(diǎn)間距設(shè)置不宜過(guò)大，研究顯示站點(diǎn)設(shè)置超過(guò)20m后，點(diǎn)云拼接精度就會(huì)降低[6]。因此，根據(jù)以上原則，本項(xiàng)目相鄰掃描站點(diǎn)間距不超過(guò)20m，共設(shè)置掃描站點(diǎn)75站，其中發(fā)電機(jī)層35站，水輪機(jī)層40站。

3.3 數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)場(chǎng)獲取的各站離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)拼接后轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一坐標(biāo)系下的連續(xù)的構(gòu)筑物或設(shè)備點(diǎn)云輪廓。本文將點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成WGS84坐標(biāo)系。張慶圓[7]認(rèn)為點(diǎn)云拼接方法主要為標(biāo)靶拼接、點(diǎn)云直接拼接以及控制點(diǎn)拼接3種方法。經(jīng)過(guò)研究對(duì)比分析，因主廠房掃描數(shù)據(jù)具有較為明顯的特征點(diǎn)，所以本文利用點(diǎn)云直接拼接，通過(guò)尋找重疊區(qū)域的同名點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云拼接。點(diǎn)云數(shù)據(jù)在三維掃描儀自帶軟件RiScanPro中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與拼接，為提高拼接的效率與精度，拼接設(shè)置見(jiàn)圖3，其中最近點(diǎn)搜索半徑為0.5m，最近點(diǎn)最大傾斜角5°，第一次最小微調(diào)距離為0.1m，第二次最小微調(diào)距離0.05m，拼接精度為0.0086m。點(diǎn)云拼接模型的精度檢查通過(guò)全站儀測(cè)量特征點(diǎn)和拼接后的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，誤差滿足要求即可，如不滿足需要手動(dòng)或者自動(dòng)重新設(shè)置拼接，直至滿足要求。

圖3 點(diǎn)云拼接參數(shù)設(shè)置

由于在現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)過(guò)程中，廠房?jī)?nèi)有機(jī)組正在發(fā)電，振動(dòng)較大，同時(shí)水電站環(huán)境比較復(fù)雜，掃描過(guò)程中有比較多的噪聲點(diǎn)，因此先進(jìn)行手動(dòng)刪除，然后再導(dǎo)入到RiScanPro軟件進(jìn)一步處理去噪，形成光滑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提高后期建模的精度。

拼接完成形成的是整個(gè)掃描范圍的點(diǎn)云模型（圖4），其數(shù)據(jù)量比較大，為了提高后期在三維建模軟件中建模的效率和流暢性，需將點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照發(fā)電機(jī)層和水輪機(jī)層分別導(dǎo)出，導(dǎo)出數(shù)據(jù)格式為.las。

圖4 廠房點(diǎn)云輪廓

3.4 三維逆向建模

常用的點(diǎn)云建模軟件有Geomagic、Polyworks、Imageware、Autocad、3Dmax等，而 3Dmax更適用于較規(guī)則物體建模，2017及以后版本的3Dmax中所帶插件Autodesk Recap能識(shí)別大部分點(diǎn)云格式，這也為3Dmax建模提供了良好條件[8]。因此選用3Dmax作為建模軟件，將分層導(dǎo)出的發(fā)電機(jī)層和水輪機(jī)層點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入到3Dmax，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以生成構(gòu)筑物、管路和設(shè)備的外輪廓三角面模型。但由于構(gòu)筑物外觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模時(shí)要進(jìn)行一定取舍和綜合，盡管模型相對(duì)點(diǎn)云精度會(huì)有一定損失，但根據(jù)點(diǎn)云上提取的模型特征點(diǎn)仍可以將模型精度控制達(dá)到1cm。

設(shè)備精細(xì)化模型的創(chuàng)建時(shí)，外圍輪廓是根據(jù)三維激光掃描點(diǎn)云構(gòu)建三角網(wǎng)進(jìn)而生成幾何模型，能夠精確反映設(shè)備的結(jié)構(gòu)和外形。管線模型創(chuàng)建是根據(jù)中心線和截面尺寸由程序生成模型，管線體的中心線高根據(jù)底高或頂高和管徑的算術(shù)關(guān)系求得（忽略管壁厚度）。

采用三維激光掃描技術(shù)結(jié)合3Dmax形成的發(fā)電機(jī)層（圖5）和水輪機(jī)層（圖6）的輪廓模型，在外形和定位方面能夠跟現(xiàn)場(chǎng)情況完全一致，為了反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景還需要進(jìn)一步對(duì)輪廓模型進(jìn)行紋理貼圖。

圖5 發(fā)電機(jī)層模型（未貼圖）

圖6 水輪機(jī)層模型（未貼圖）

3.5 紋理貼圖

紋理圖片是通過(guò)數(shù)碼相機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)采集的，紋理數(shù)據(jù)根據(jù)位置和區(qū)域進(jìn)行分類整理，采用專業(yè)的圖像處理軟件Photoshop進(jìn)行裁剪處理。在貼圖前，需要先調(diào)整好攝像機(jī)鏡頭的角度和位置，并且劃分好貼圖范圍及需要注意的細(xì)節(jié)，如對(duì)濾水器進(jìn)行貼圖，需要將攝像機(jī)鏡頭角度調(diào)整成為濾水器軸測(cè)視圖，利于觀察和貼圖，同時(shí)貼圖時(shí)也要考慮遠(yuǎn)處和暗部的細(xì)節(jié)問(wèn)題。利用3Dmax的【材質(zhì)編輯器】功能，可以很方便的對(duì)結(jié)構(gòu)和設(shè)備等進(jìn)行貼圖，在彈出材質(zhì)編輯器對(duì)話框中選擇經(jīng)過(guò)Photoshop處理的設(shè)備及環(huán)境紋理圖片，獲取設(shè)備及環(huán)境紋理，對(duì)設(shè)備及環(huán)境進(jìn)行貼圖，最大程度的還原現(xiàn)場(chǎng)。貼圖后的發(fā)電機(jī)層及水輪機(jī)層模型見(jiàn)圖7～8。

圖7 發(fā)電機(jī)層模型（紋理貼圖）

圖8 水輪機(jī)層（紋理貼圖）

4 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描是比較成熟的技術(shù)，在逆向建模中具有高效和精確的特點(diǎn)，本文采用三維激光掃描技術(shù)和3Dmax建模軟件，建立新安江水電站主廠房發(fā)電機(jī)層和水輪機(jī)層的數(shù)字化模型，相對(duì)傳統(tǒng)建模方法，該逆向建模的方法高效并且精確，通過(guò)紋理貼圖可以完全還原新安江水電站主廠房實(shí)景。然而，該方法雖然比傳統(tǒng)建模方法要高效和精確，但是在數(shù)據(jù)處理和紋理貼圖的環(huán)節(jié)還需要依靠實(shí)施人員的經(jīng)驗(yàn)才能更好地提高建模效率和建模精度。盡管如此，該方法仍然可以為老水電站建立三維數(shù)字化模型提供一種高效的逆向建模手段并進(jìn)行推廣。