點云數(shù)據(jù)在變電站改擴建工程中的運用,光學(xué)論文

點云數(shù)據(jù)在變電站改擴建工程中的運用,光學(xué)論文摘要：針對變電站改擴建項目中傳統(tǒng)地形圖測量技術(shù)無法保證安全的問題，提出一種將三維激光掃描儀應(yīng)用于變電站擴建改造工程測量中的新方式方法，從點云數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理、變電站三維模型的建立、在三維環(huán)境下獲取變電站現(xiàn)在狀況二維地形圖、變電站設(shè)備的變形監(jiān)測、變電站的三維可視化等方面入手，以某220kV變電站為例，具體分析了三維激光掃描儀在變電站擴建改造經(jīng)過中的各種應(yīng)用情況，以為該方式方法是確實可行的。本文關(guān)鍵詞語：三維激光掃描儀;變電站;點云數(shù)據(jù);三維可視化;Abstract：Aimingattheproblemthattraditionaltopographicmapmeasurementtechnologycannotguaranteesafetyinsubstationreconstructionandexpansionprojects,anewmethodofapplyingthree-dimensionallaserscannerstosubstationexpansionandreconstructionengineeringmeasurementisproposed,frompointclouddataacquisitionandpreprocessing,andsubstationthree-dimensionalmodelstartwiththeestablishmentandacquisitionoftwo-dimensionaltopographicmapsofsubstationstatusinathree-dimensionalenvironment,deformationmonitoringofsubstationequipment,andthree-dimensionalvisualizationofsubstations.Takinga220kVsubstationasanexample,adetailedanalysisofthethree-dimensionallaserscannerintheprocessofsubstationexpansionandtransformation.Itisconsideredthatthismethodisindeedfeasible.Keyword：3Dlaserscanner;substation;pointclouddata;3Dvisualization;隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，區(qū)域用電負荷增長較快，同時很多變電站面臨著設(shè)備老化的問題，因而越來越多的變電站面臨著擴建改造問題。變電站的擴建改造需要用測繪的手段提供基礎(chǔ)的現(xiàn)在狀況數(shù)據(jù)，而很多變電站在擴建改造的經(jīng)過中仍在帶電運行，若是采用傳統(tǒng)的技術(shù)方式方法在變電站帶電運行情況下進行測量具有很大的危險性。三維激光掃描技術(shù)是最近幾年發(fā)展起來的一種新技術(shù)，其具有不接觸被量測目的、掃描速度快、點位和精度分布均勻、獲得數(shù)據(jù)真實全面等特點。采用三維激光掃描儀獲取變電站的點云數(shù)據(jù)，具有下面幾個優(yōu)勢：一是獲取的變電站地形圖數(shù)據(jù)比擬完好，能夠知足變電站改擴建對于地形圖資料的需要；二是安全可靠，在不影響變電站正常運作的情況下保證現(xiàn)場測量安全；三是地形圖測量效率高，花費較短時間就能得到完好的數(shù)據(jù)；四是能夠為變電站的三維可視化管理提供真三維模型。下面以河北某220kV變電站為例，具體介紹三維激光掃描儀在變電站改擴建工程中的應(yīng)用。1、點云數(shù)據(jù)采集三維激光掃描儀利用激光測距原理獲得真三維幾何構(gòu)造形狀的外表三維信息[1]。三維激光掃描儀開場掃描工作之前，應(yīng)制定具體的掃描計劃，規(guī)劃好掃描道路、架站位置，確立掃描密度。現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集不能一味追求過高的點密度，過高的點密度只會增加數(shù)據(jù)采集的時間及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的強度，也就不能真實地具體表現(xiàn)出三維激光掃描技術(shù)在快速數(shù)據(jù)測量方面的優(yōu)勢，因而有必要對外業(yè)數(shù)據(jù)采集方案進行優(yōu)化處理[2]。天天外業(yè)掃描結(jié)束后，應(yīng)在現(xiàn)場對獲取的點云數(shù)據(jù)進行初步的質(zhì)量分析，檢查采集到的數(shù)據(jù)能否符合要求。2、點云數(shù)據(jù)處理2.1、點云數(shù)據(jù)拼接獲取的點云數(shù)據(jù)要構(gòu)成一個整體，還需要把各測站獲取的數(shù)據(jù)進行拼接。當前，點云數(shù)據(jù)拼接方式方法主要有下面3種：利用標靶進行點云匹配、利用特征點進行點云匹配，以及利用已經(jīng)知道控制點進行點云匹配。本文采用的是特征點匹配的方式方法，拼接好的結(jié)果如此圖1所示。圖1變電站點云示意2.2、變電站三維模型的建立三維激光掃描儀外業(yè)獲取的是離散的點云數(shù)據(jù)，是對空間目的外表的采樣，為了分析目的物外表的特征和形狀，有必要把這些不規(guī)則分布的點云數(shù)據(jù)表示成三維外表信息，建立目的物的外表模型[3]。能夠?qū)⒁粋€模型看作是多個簡單幾何模型的組合，將模型進行拆分，分別完成拆分模型的建模工作，然后進行重組，能夠?qū)崿F(xiàn)整個實體模型的建模[4]。在變電站三維模型建立經(jīng)過中，對于較規(guī)則的墻體、設(shè)備圓形立柱、矩形基座等，可采用Cyclone本身攜帶的box、cylinder、patch等模型組件來完成。對于不規(guī)則的高壓絕緣子串、變壓器設(shè)備等模型的建立能夠采用下面2種方式方法。一是利用Cyclone軟件對這些點云數(shù)據(jù)進行分塊建模，然后將這些模型進行組合。另一種方式方法就是將不規(guī)則設(shè)備、物體的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入GeomagicStudio軟件，在該軟件下完成不規(guī)則模型的建立。本文采用第一種方式方法完成變電站模型的建立，結(jié)果如此圖2所示。圖2變電站三維模型整體3、點云數(shù)據(jù)在變電站改擴建工程中的應(yīng)用3.1、基于點云數(shù)據(jù)的變電站地形圖的獲取三維激光掃描儀獲取改造變電站的點云數(shù)據(jù)后，為了使所獲取的點云數(shù)據(jù)知足地形圖有關(guān)坐標系的要求，采用GNSS+三維激光掃描儀的作業(yè)形式，即采用三維激光掃描儀獲取測量區(qū)域點云數(shù)據(jù)，然后采用GNSSRTK測量獲取三維激光掃描儀架設(shè)位置的坐標和高程，將架設(shè)站點的坐標、高程以及儀器高輸入點云數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone，就能夠?qū)Ⅻc云數(shù)據(jù)的坐標系轉(zhuǎn)換到本工程的坐標系下。從頂視圖的視角下，畫出各種地物，輸出成平面CAD格式；同時以一定間距提取地面點云坐標高程信息，輸出成文本格式，整理后輸入到Cass數(shù)字化地形地籍成圖系統(tǒng)V7.0，整飾完成后輸出設(shè)計專業(yè)需要的地形圖成果，見圖3。圖3輸出的平面圖和最終整理的地形為了確保三維激光掃描儀獲取的地形圖資料準確可靠，采用GPSRTK測量對儀器能夠使用的道路特征點進行測量，并將結(jié)果與三維激光掃描儀生成的地形圖數(shù)據(jù)進行比對，結(jié)果統(tǒng)計見表1。表1精度比照由以上數(shù)據(jù)能夠看出，由三維激光掃描儀獲取的地形圖知足精度要求，三維激光掃描儀應(yīng)用于變電站改造項目的地形圖數(shù)據(jù)獲取完全可行。3.2、變電站設(shè)備構(gòu)造的變形監(jiān)測變電站內(nèi)構(gòu)架和設(shè)備支架運行數(shù)年后往往會因各種原因?qū)е聝A斜，為了保證變電站的正常運行，有必要對其構(gòu)架和設(shè)備支架定期進行變形監(jiān)測。采用三維激光掃描儀獲取構(gòu)架、設(shè)備支架的點云數(shù)據(jù)，在建好的構(gòu)支架模型中提取設(shè)備支架、架構(gòu)體上下兩端的幾何中心，以底部幾何中心為基準，計算頂部幾何中心與它的偏移量，即可計算出該構(gòu)支架的傾斜值[5]。為了驗證本方式方法精度的可靠性，將其算出的偏移值與采用徠卡TS30超高精度全站儀免棱鏡形式測量得出的偏移值進行比擬。本文選擇了編號為A3、A6、B1和B4的4個設(shè)備立柱進行比對，結(jié)果如表2所示。表2三維激光掃描儀與全站儀測量結(jié)果比擬從表2能夠看出，三維激光掃描儀與全站儀測量結(jié)果最大相差-1.74mm?？紤]到全站儀免棱鏡測量形式本身存在一定誤差，可見利用三維激光掃描儀進行變電站構(gòu)支架的傾斜觀測是可行的。3.3、變電站的三維可視化變電站的三維可視化是電網(wǎng)數(shù)字化管理中一個重要的組成部分。當前，國內(nèi)主流方式方法是利用二維設(shè)計圖紙來進行變電站的三維建模，但是早期變電站設(shè)計資料往往是紙質(zhì)版或者設(shè)計資料不完好，因而利用三維激光掃描技術(shù)對變電站進行實景復(fù)制，是建立變電站三維模型的一種行之有效的方式方法。利用點云數(shù)據(jù)建立的模型，其尺寸和空間位置的信息非常準確。將該模型導(dǎo)入三維可視化管理平臺，在平臺上不僅可對其進行量測，還能夠?qū)γ總€設(shè)備、甚至于零部件進行屬性查詢，完成變電站資產(chǎn)設(shè)備的可視化管理。本文采用Unity3D軟件來是實現(xiàn)變電站的三維可視化。首先需要將建立好的模型導(dǎo)入到Unity3D軟件。模型的導(dǎo)入需要注意軸向、模型比例及材質(zhì)的問題。把模型導(dǎo)入正確位置后，添加燈光和天空盒子，進行場景的美化渲染，讓整個場景顯得愈加真實。同時，編寫javascript文本給場景添加主攝像機，以實現(xiàn)通過鍵盤和鼠標完成場景的遨游。在完成以上工作后，生成1個后綴名為．exe格式的可執(zhí)行文件和1個數(shù)據(jù)文件夾。運行．exe文件，就能夠進入變電站的三維可視化平臺。運行后的效果如此圖4所示。圖4變電站三維可視化效果4、結(jié)束語將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于變電站擴建改造工程中，不僅能夠快速獲得變電站現(xiàn)在狀況的點云數(shù)據(jù)，給設(shè)計人員提供更為準確的現(xiàn)在狀況二維、三維模型資料，還能夠為日后變電站設(shè)備立柱、架構(gòu)的變形監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支持，具有一定的現(xiàn)實意義。同時，利用點云數(shù)據(jù)建立的變電站三維模型，能夠為變電站的三維可視化管理提供所需的地理信息數(shù)據(jù)，為變電站的管理和決策提供愈加直接、真實的目的和研究對象。以下為參考文獻[1]李志良．基于點云數(shù)據(jù)的真三維建模方式方法研究[D]．太原：太原理工大學(xué)，2020.[2]劉求龍，胡伍生，王驄，等．三維激光掃描儀在惠泉變電站三維模型構(gòu)建中