點(diǎn)云數(shù)據(jù)在變電站改擴(kuò)建工程中的運(yùn)用,光學(xué)論文

點(diǎn)云數(shù)據(jù)在變電站改擴(kuò)建工程中的運(yùn)用,光學(xué)論文摘要：針對(duì)變電站改擴(kuò)建項(xiàng)目中傳統(tǒng)地形圖測(cè)量技術(shù)無(wú)法保證安全的問(wèn)題，提出一種將三維激光掃描儀應(yīng)用于變電站擴(kuò)建改造工程測(cè)量中的新方式方法，從點(diǎn)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(cè)、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(kuò)建改造經(jīng)過(guò)中的各種應(yīng)用情況，以為該方式方法是確實(shí)可行的。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：三維激光掃描儀;變電站;點(diǎn)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(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，區(qū)域用電負(fù)荷增長(zhǎng)較快，同時(shí)很多變電站面臨著設(shè)備老化的問(wèn)題，因而越來(lái)越多的變電站面臨著擴(kuò)建改造問(wèn)題。變電站的擴(kuò)建改造需要用測(cè)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(kuò)建改造的經(jīng)過(guò)中仍在帶電運(yùn)行，若是采用傳統(tǒng)的技術(shù)方式方法在變電站帶電運(yùn)行情況下進(jìn)行測(cè)量具有很大的危險(xiǎn)性。三維激光掃描技術(shù)是最近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)，其具有不接觸被量測(cè)目的、掃描速度快、點(diǎn)位和精度分布均勻、獲得數(shù)據(jù)真實(shí)全面等特點(diǎn)。采用三維激光掃描儀獲取變電站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有下面幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：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(kuò)建對(duì)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(yùn)作的情況下保證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量安全；三是地形圖測(cè)量效率高，花費(fèi)較短時(shí)間就能得到完好的數(shù)據(jù)；四是能夠?yàn)樽冸娬镜娜S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(kuò)建工程中的應(yīng)用。1、點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集三維激光掃描儀利用激光測(cè)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(kāi)場(chǎng)掃描工作之前，應(yīng)制定具體的掃描計(jì)劃，規(guī)劃好掃描道路、架站位置，確立掃描密度?，F(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集不能一味追求過(guò)高的點(diǎn)密度，過(guò)高的點(diǎn)密度只會(huì)增加數(shù)據(jù)采集的時(shí)間及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的強(qiáng)度，也就不能真實(shí)地具體表現(xiàn)出三維激光掃描技術(shù)在快速數(shù)據(jù)測(cè)量方面的優(yōu)勢(shì)，因而有必要對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)采集方案進(jìn)行優(yōu)化處理[2]。天天外業(yè)掃描結(jié)束后，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)處理2.1、點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)要構(gòu)成一個(gè)整體，還需要把各測(cè)站獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。當(dāng)前，點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方式方法主要有下面3種：利用標(biāo)靶進(jìn)行點(diǎn)云匹配、利用特征點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云匹配，以及利用已經(jīng)知道控制點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云匹配。本文采用的是特征點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，是對(duì)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(diǎn)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€(gè)模型看作是多個(gè)簡(jiǎn)單幾何模型的組合，將模型進(jìn)行拆分，分別完成拆分模型的建模工作，然后進(jìn)行重組，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)實(shí)體模型的建模[4]。在變電站三維模型建立經(jīng)過(guò)中，對(duì)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(lái)完成。對(duì)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(duì)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊建模，然后將這些模型進(jìn)行組合。另一種方式方法就是將不規(guī)則設(shè)備、物體的點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)在變電站改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用3.1、基于點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)后，為了使所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)知足地形圖有關(guān)坐標(biāo)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(cè)量區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后采用GNSSRTK測(cè)量獲取三維激光掃描儀架設(shè)位置的坐標(biāo)和高程，將架設(shè)站點(diǎn)的坐標(biāo)、高程以及儀器高輸入點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone，就能夠?qū)Ⅻc(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到本工程的坐標(biāo)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(shí)以一定間距提取地面點(diǎn)云坐標(biāo)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(jì)專業(yè)需要的地形圖成果，見(jiàn)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(zhǔn)確可靠，采用GPSRTK測(cè)量對(duì)儀器能夠使用的道路特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)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(jìn)行比對(duì)，結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)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(xiàng)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(cè)變電站內(nèi)構(gòu)架和設(shè)備支架運(yùn)行數(shù)年后往往會(huì)因各種原因?qū)е聝A斜，為了保證變電站的正常運(yùn)行，有必要對(duì)其構(gòu)架和設(shè)備支架定期進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。采用三維激光掃描儀獲取構(gòu)架、設(shè)備支架的點(diǎn)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(zhǔn)，計(jì)算頂部幾何中心與它的偏移量，即可計(jì)算出該構(gòu)支架的傾斜值[5]。為了驗(yàn)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(cè)量得出的偏移值進(jìn)行比擬。本文選擇了編號(hào)為A3、A6、B1和B4的4個(gè)設(shè)備立柱進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果如表2所示。表2三維激光掃描儀與全站儀測(cè)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(cè)量結(jié)果最大相差-1.74mm?？紤]到全站儀免棱鏡測(cè)量形式本身存在一定誤差，可見(jiàn)利用三維激光掃描儀進(jìn)行變電站構(gòu)支架的傾斜觀測(cè)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(gè)重要的組成部分。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)主流方式方法是利用二維設(shè)計(jì)圖紙來(lái)進(jìn)行變電站的三維建模，但是早期變電站設(shè)計(jì)資料往往是紙質(zhì)版或者設(shè)計(jì)資料不完好，因而利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)變電站進(jìn)行實(shí)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(diǎn)云數(shù)據(jù)建立的模型，其尺寸和空間位置的信息非常準(zhǔn)確。將該模型導(dǎo)入三維可視化管理平臺(tái)，在平臺(tái)上不僅可對(duì)其進(jìn)行量測(cè)，還能夠?qū)γ總€(gè)設(shè)備、甚至于零部件進(jìn)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(lái)是實(shí)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(wèn)題。把模型導(dǎo)入正確位置后，添加燈光和天空盒子，進(jìn)行場(chǎng)景的美化渲染，讓整個(gè)場(chǎng)景顯得愈加真實(shí)。同時(shí)，編寫javascript文本給場(chǎng)景添加主攝像機(jī)，以實(shí)現(xiàn)通過(guò)鍵盤和鼠標(biāo)完成場(chǎng)景的遨游。在完成以上工作后，生成1個(gè)后綴名為．exe格式的可執(zhí)行文件和1個(gè)數(shù)據(jù)文件夾。運(yùn)行．exe文件，就能夠進(jìn)入變電站的三維可視化平臺(tái)。運(yùn)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(yǔ)將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于變電站擴(kuò)建改造工程中，不僅能夠快速獲得變電站現(xiàn)在狀況的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，給設(shè)計(jì)人員提供更為準(zhǔn)確的現(xiàn)在狀況二維、三維模型資料，還能夠?yàn)槿蘸笞冸娬驹O(shè)備立柱、架構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立的變電站三維模型，能夠?yàn)樽冸娬镜娜S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(shí)的目的和研究對(duì)象。以下為參考文獻(xiàn)[1]李志良．基于點(diǎn)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