基于三維激光掃描技術(shù)的變電站精細(xì)建模技術(shù)研究與應(yīng)用

葉子玉

（中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710100）

三維激光掃描技術(shù)最早起源于1960 年左右，可以迅速獲取物體的空間數(shù)據(jù)的方式短時(shí)間內(nèi)采集現(xiàn)實(shí)信息。1980 年以后，三維激光掃描技術(shù)在中國測(cè)繪領(lǐng)域逐漸落地生根[3]。隨著三維激光掃描設(shè)備性能的提升以及成本的降低，它成為測(cè)繪領(lǐng)域的熱點(diǎn)，掃描對(duì)象和應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大，成為快速獲取空間三維模型信息的方式之一[4]。

變電站是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵一環(huán)[5]，變壓設(shè)施的管理也日趨成熟。目前正發(fā)展的如火如荼的智慧變電站、機(jī)器人巡檢、故障模擬、改擴(kuò)建再設(shè)計(jì)等都對(duì)變電站的數(shù)據(jù)模型提出了更高的需求與期待。

為此，本文采用了三維激光掃描技術(shù)，結(jié)合3ds Max 成熟的建模作業(yè)流程，在保證安全的前提下，采集了已投運(yùn)變電站的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并實(shí)景復(fù)原其三維模型，實(shí)現(xiàn)了變電站的實(shí)景逆向設(shè)計(jì)，保證了現(xiàn)場(chǎng)施工人員的安全，加快了現(xiàn)場(chǎng)施測(cè)的進(jìn)度，提高了精細(xì)模型的建模效率。

1 工程概況

本文中330 kV 滈河變電站位于陜西省西安市，屬于常寧新區(qū)規(guī)劃范圍，占地面積16 000 m2[6]。滈河變電站于2022 年實(shí)施擴(kuò)建方案并于當(dāng)年6 月順利投運(yùn)。在該站已投運(yùn)的狀態(tài)下進(jìn)行施工，施工難度較大，其中GIS 設(shè)備構(gòu)造復(fù)雜且設(shè)備布置較為密集。

2 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描儀的基本原理是激光測(cè)距。為高效復(fù)現(xiàn)出虛擬的目標(biāo)物三維模型，掃描儀高速測(cè)量并記錄目標(biāo)對(duì)象外表大量激光反射點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息[7]。再通過這些密集的點(diǎn)云信息，利用數(shù)字化手段三維構(gòu)建出現(xiàn)實(shí)空間中的目標(biāo)對(duì)象模型。

目前的精細(xì)化三維激光掃描建模作業(yè)流程總體可以分為3 個(gè)階段，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)掃描、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、精細(xì)模型搭建[8]。

3 基于三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)采集與處理

3.1 點(diǎn)云采集

點(diǎn)云采集工作之前須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘與資料收集工作，在踏勘時(shí)須擬定大致勘測(cè)方案，留意現(xiàn)場(chǎng)已有的控制點(diǎn)，掃描目標(biāo)物的分布，環(huán)境結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和精度要求且確定控制網(wǎng)等級(jí)與規(guī)劃控制網(wǎng)的網(wǎng)形；收集現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器設(shè)備的資產(chǎn)編碼，空間布設(shè)，邏輯連接等有關(guān)資料。對(duì)施測(cè)場(chǎng)地有了一個(gè)初步的了解后，制定外業(yè)采集施工方案[8]。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集開始之前，須對(duì)儀器進(jìn)行檢校并規(guī)范使用。

現(xiàn)場(chǎng)掃描過程中，在空曠開闊的視野中采用大型三維移動(dòng)掃描測(cè)量?jī)x，掃描范圍較大，精度較高，可移動(dòng)，適用場(chǎng)景廣泛。在狹小擁擠的設(shè)備設(shè)施中間，須采用手持三維激光掃描儀，質(zhì)量輕巧，移動(dòng)自由，使用方便。數(shù)據(jù)采集開始后，在設(shè)備擺放密集的滈河變電站110 kV 區(qū)域等，可在原有10 m 一站的基礎(chǔ)上，加站掃描以豐富有遮擋的局部區(qū)域信息，保證現(xiàn)場(chǎng)采集的點(diǎn)云完整性以及色彩真實(shí)性。相鄰兩站之間掃描采集的點(diǎn)云重疊度應(yīng)高于10%，用于后期坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的標(biāo)靶控制點(diǎn)至少大于3 個(gè)，滈河變電站采集標(biāo)靶共計(jì)7 個(gè)。該變電站采集重要設(shè)備包括3 個(gè)主變壓器、3 組站用變、6 組電容、330 kV 設(shè)備區(qū)18 個(gè)間隔、110 kV 設(shè)備區(qū)等；設(shè)施包括主控樓、330 保護(hù)小室、110 保護(hù)小室、35 kV配電室等，如圖1 所示。

圖1 滈河變電站標(biāo)靶位置示意圖

3.2 點(diǎn)云處理

現(xiàn)場(chǎng)單幅數(shù)據(jù)掃描完成后，對(duì)整個(gè)場(chǎng)站中的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。使用標(biāo)靶和公共特征點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接時(shí)，相鄰兩掃描站的公共標(biāo)靶個(gè)數(shù)≥3 個(gè)[9]（儀器經(jīng)過嚴(yán)格整平時(shí)，相鄰兩掃描站的公共標(biāo)靶個(gè)數(shù)可≥2 個(gè)），拼接后同名點(diǎn)的誤差應(yīng)≤2 mm，整個(gè)場(chǎng)站誤差應(yīng)≤10 mm[10]。

采集過程中，往往存在公共的重疊區(qū)域以便拼接配準(zhǔn)，但也會(huì)導(dǎo)致一定量的數(shù)據(jù)冗余。為優(yōu)化數(shù)據(jù)質(zhì)量，減小冗余，拼接完成后仍須細(xì)化點(diǎn)云模型。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中遠(yuǎn)離設(shè)備設(shè)施的異常點(diǎn)、孤立點(diǎn)或與掃描對(duì)象無關(guān)的點(diǎn)時(shí)應(yīng)采用濾波和人工降噪除雜等處理；綜合點(diǎn)云模型的數(shù)據(jù)大小和后續(xù)3ds Max 的承載能力，宜對(duì)局部規(guī)則體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理，如一些規(guī)則的隔斷墻、簡(jiǎn)單的規(guī)則建筑等。抽稀的目的在于減小冗余，應(yīng)在以不影響設(shè)備設(shè)施特征的提取與識(shí)別為前提下進(jìn)行，抽稀后的最大點(diǎn)間距不得大于2 mm。

完成后對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行封裝處理，使得離散點(diǎn)云成為一個(gè)完整的塊體，如圖2 所示。

圖2 滈河變電站整體點(diǎn)云模型

3.3 影像采集

采集影像之前須關(guān)注天氣變化，陰天采集的影像可避免過度曝光與失真等問題，數(shù)據(jù)效果比晴天更好。

由于變電設(shè)備普遍較高，設(shè)備頂部是架站式掃描儀的采集盲區(qū)，須采用無人機(jī)來補(bǔ)充信息。航拍主要采集變電站正射影像與設(shè)備設(shè)施頂部信息。

為后續(xù)搭建模型提供現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)的圖像，地面影像數(shù)據(jù)采集使用單反相機(jī)收集設(shè)備設(shè)施的整體情況，具體細(xì)節(jié)，紋理圖案，銘牌編號(hào)等。

4 基于3ds Max 的精細(xì)建模與導(dǎo)出

由于變電站內(nèi)部的電氣設(shè)備數(shù)量較多且布局復(fù)雜，第一步從單體設(shè)備入手建立單體設(shè)備的簡(jiǎn)單模型，在簡(jiǎn)單模型的基礎(chǔ)上深化優(yōu)化細(xì)化局部細(xì)節(jié)，結(jié)合點(diǎn)云，影像，設(shè)計(jì)資料等對(duì)視線范圍內(nèi)的關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行建模，如表計(jì)，操作機(jī)構(gòu)等，以此形成標(biāo)準(zhǔn)模型。第二步，為貼合真實(shí)效果，現(xiàn)場(chǎng)采集的影像資料可用于紋理圖案的制作。經(jīng)過透視裁剪展平紋理圖片，結(jié)合場(chǎng)地內(nèi)的燈光環(huán)境，制作符合實(shí)際情況的設(shè)備設(shè)施貼圖。再將處理好的貼圖紋理直接賦予相應(yīng)的設(shè)備面。最后整合模型，將同一設(shè)備的各個(gè)構(gòu)件附加在一起形成一個(gè)對(duì)象，并對(duì)其進(jìn)行編碼。如有多站點(diǎn)建模，每個(gè)站點(diǎn)的單獨(dú)設(shè)備個(gè)體完成后可加入標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備模型數(shù)據(jù)庫，在后期的建模中實(shí)現(xiàn)調(diào)用，如圖3 所示。

圖3 精細(xì)建模工作流程圖

4.1 單一模型建立

4.1.1 簡(jiǎn)單模型創(chuàng)建

在3ds Max 中制作的模型基本都是由簡(jiǎn)單的幾何體拼接形成的。標(biāo)準(zhǔn)幾何體包括立方體、柱體、球等基本的幾何對(duì)象。擴(kuò)展幾何體涵蓋了大部分的切角幾何體。通過樣條線可創(chuàng)建一些線條類的模型，導(dǎo)線、電纜等。

4.1.2 復(fù)合模型創(chuàng)建

精細(xì)且復(fù)雜的幾何體模型不僅僅依靠幾何體的堆疊，也可在簡(jiǎn)單幾何體的基礎(chǔ)上根據(jù)點(diǎn)線面等的位置做更多的編輯以達(dá)到高效逼真的模型效果。

實(shí)操過程中，復(fù)合模型的操作可在點(diǎn)線面體不同程度的層次實(shí)現(xiàn)。

焊接操作可將不同物體上的多個(gè)頂點(diǎn)合為一個(gè)。該操作可實(shí)現(xiàn)多段導(dǎo)線的合并。

擠出對(duì)象可根據(jù)選中截面或邊在特定方向進(jìn)行拉伸。該操作可實(shí)現(xiàn)旋鈕的齒輪效果等。

插入操作可在選中的面中縮放創(chuàng)建一個(gè)新面。在此基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)例如，建筑物的雨棚、蓄水池等。

復(fù)合對(duì)象中布爾運(yùn)算作用于幾何體的堆加與切割。通過多個(gè)幾何體的交集、并集、差集運(yùn)算，可實(shí)現(xiàn)例如穿孔、浮雕等效果。

復(fù)合模型的創(chuàng)建往往伴隨了多種操作，不僅限于以上，如圖4 所示。

圖4 精細(xì)模型細(xì)節(jié)展示

4.1.3 貼圖及材質(zhì)渲染

由于拍攝角度和拍攝環(huán)境的影響，現(xiàn)場(chǎng)采集到的一些紋理圖像會(huì)出現(xiàn)一些情況，如變形、透視、過度曝光、曝光不足、陰影等。為制作紋理，對(duì)于光線不足、陰影范圍大的區(qū)域盡量刪除。有傾斜變形的圖像通過透視裁剪進(jìn)行修正，對(duì)有污漬的地方裁剪其他干凈表面紋理進(jìn)行疊加從而達(dá)到美化的效果，如圖5 所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)銘牌紋理制作貼圖

為減小內(nèi)存，紋理圖像的提取和制作中，考慮到模型的燈光效果，應(yīng)在紋理圖案的制作中加入高光與陰影效果。制作光滑表面或有弧度的復(fù)雜構(gòu)件時(shí)，可通過貼圖的視覺效果實(shí)現(xiàn)。例如絕緣子的構(gòu)建可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物，制作有明暗間隔的條紋貼圖實(shí)現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云組合模型后，依據(jù)一次接線圖連接設(shè)備，根據(jù)PMS 臺(tái)賬打包設(shè)備單元。

4.1.4 整合模型并編碼

單一模型制作完成后，將同一設(shè)備的多個(gè)部件通過附加的方式整合成為一個(gè)整體。根據(jù)規(guī)范，更改整體模型的名稱為設(shè)備編碼與PMS 臺(tái)賬編碼。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云擺放組合模型后，依據(jù)一次接線圖連接設(shè)備，根據(jù)PMS 臺(tái)賬打包設(shè)備單元。

4.1.5 模型導(dǎo)出

將整合完成的模型導(dǎo)出為單一模型放入數(shù)據(jù)庫，以便于后期制直接調(diào)用。

4.2 基本模型庫建立

對(duì)于區(qū)域內(nèi)相同的設(shè)備建立標(biāo)準(zhǔn)模型，實(shí)現(xiàn)可復(fù)用可調(diào)用，隨時(shí)接入，方便后續(xù)變電站建設(shè)與改造。

再次導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)模型可直接導(dǎo)入合并。

實(shí)際生產(chǎn)過程中，設(shè)備在安裝和運(yùn)行后都會(huì)有一定的誤差與變化。標(biāo)準(zhǔn)模型在導(dǎo)入后仍須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況做調(diào)整。

4.3 模型應(yīng)用

目前的變電站正在推廣的無人巡檢模式，通過搭載激光掃描設(shè)備，定期巡檢變電站。無人機(jī)在巡檢過程中與數(shù)據(jù)庫精細(xì)化模型對(duì)比，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)，及時(shí)上報(bào)。

5 結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用在變電站系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了逆向設(shè)計(jì)，還原了真實(shí)的變電站運(yùn)維場(chǎng)景，保證了建模質(zhì)量，使其具備了為智慧變電站等智能化運(yùn)維管理系統(tǒng)提供現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景數(shù)據(jù)的作用，進(jìn)一步推進(jìn)了基于變電站可視化技術(shù)的故障檢測(cè)，應(yīng)急處理等深化服務(wù)功能，為后臺(tái)管理人員提供了及時(shí)有效地設(shè)備運(yùn)檢信息，提升了運(yùn)維人員的設(shè)備管控能力，全面推動(dòng)了變電站無人巡檢工作模式的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)發(fā)展[12]。