基于海量点云数据的输电线路三维建模研究.pdf

信息技术XINXIJISHU2023年第9 期基于海量点云数据的输电线路三维建模研究张晓华，蔡巍”，武宇平，杜维柱，薛文祥，卢毅?（1.国网冀北电力有限公司，北京1 0 0 0 5 3；2.国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京1 0 0 0 45）摘要：为保障电网输电线路管理的规范化与精益化，设计了基于海量点云数据的输电线路三维建模方法。首先采集输电线路原始点云数据，对其进行预处理，根据点云数据提取输电线路轮廊线，然后采用3DMAX软件构建输电线路的完整三维几何模型，最后通过纹理映射此模型获取到最终输电线路三维模型。结果表明，该方法可精准拼接原始点云数据，有效去除点云数据的噪声点及障碍物等，提升点云数据的整体质量，可为电网输电线路规范化管理提供有效帮助。关键词：海量点云数据；输电线路；三维建模；点云数据处理；纹理映射中图分类号：TM743D0I:10.13274/ki.hdzj.2023.09.024Research on three-dimensional modeling of transmission lines based on massive point cloud dataZHANG Xiao-hua,CAI Wei?,WU Yu-ping,DU Wei-zhu,XUE Wen-xiang,LU Yi?(1.State Grid Jibei Electric Power Co.,Ltd.,Beijing 100053,China;2.Electric Power Research Institu-te of State Grid Jibei Electric Power Co.,Ltd.,Beijing 100045,China)Abstract:To ensure the standardization and lean management of the power grid transmission line,a three-dimensional modeling method of transmission line based on massive point cloud data is designed.Firstly,the instrument collects the original point cloud data of the transmission line,which would be preprocessed,and the transmission contour line is extracted according to the point cloud data,then the complete three-di-mensional geometric model of the transmission line is constructed in 3D MAX software,and finally the finalthree-dimensional model of the transmission line is obtained through texture mapping.The results show thatthis method can accurately splice the original point cloud data,effectively remove the noise points and ob-stacles of the point cloud data,and improve the overall quality of the point cloud data,which can provideeffective help for the standardized management of power grid transmission line.Key words:massive point cloud data;transmission line;three-dimensional modeling;point cloud dataprocessing;texture mapping0引 言对于逐渐扩大规模的电网输电线路而言，精益规范的管理是日常运营的关键，为规范化输电线路的管理，需建立生动直观的输电线路模型，便于电网监管部门的精益化管理1-3。三维模型具作者简介：张晓华（1 9 6 3），男，硕士，教授级高级工程师，研究方向为电网调控运行与生产管理。文献标识码：A文章编号：1 0 0 9-2 5 5 2(2 0 2 3)0 9-0 1 43-0 5有生动直观的呈现效果，可对复杂环境与结构等进行三维视觉呈现,成为当前主要研究方向4-5 1。当前的三维建模方法对于建模物体所处环境的要求较高，不能保证所建三维模型的位置和尺寸与实际情况相吻合，特别是处于环境多变的电网输电线路,无法达到高精度的建模需求6 。基于激光扫描技术的三维建模方法，可在不与目标物体接触的前提下通过激光扫描获取到建模物体一1 43 一基于海量点云数据的输电线路三维建模研究及环境的点云数据，为三维建模提供高精度的基础数据，能够实现大规模的建模物体三维空间数据采集，被广泛应用于电力维护管理、建筑修等领域-。为了获理想的输电线路三维建模效果，设计了基于海量点云数据的输电线路三维建模方法，运用激光扫描技术获取输电线路的海量原始点云数据,并对数据实施相应处理,最后构建目标输电线路三维模型，为电网实施规范化管理提供科学依据，保障电网输电线路的安全平稳运行。1基于海量点云数据的输电线路三维建模方法1.1三维建模过程设计基于海量点云数据的输电线路三维建模过程如图 1 所示。开始海量原始点云数据获取三维建模轮廓线提取儿何建模纹理映射输电线路三维模型生成图1 输电线路三维建模整体过程图海量原始点云数据获取。在目标输电线路现场运用激光扫描技术采集输电线路原始点云数据。点云数据处理。通过配准拼接、合并精简与降噪处理所采集的海量原始点云数据，得到精准完整的输电线路实体点云数据。输电线路三维建模。构建输电线路三维模型的主要步骤有轮廓线提取、几何建模以及纹理映射9 。其中,轮廓线的提取是实现三维建模的基础,在此选用CAD内的Kubit PointCloud 插件实现,所提取到的轮廓线包含目标输电线路形状的全部细节及特征；几何建模是通过3DMAX软件以所提取的轮廓线为依据，基于杆塔厚度等隐秘信息，构建输电线路几何模型；将现实纹理加人到所构建的几何模型表面,完善几何模型的形态，提升其整体质感与真实性，生成真实生动的输电一1 44一一张晓华等线路三维模型1.2海量点云数据获取与处理1.2.1海量点云数据的获取运用激光三维扫描仪扫描目标输电线路，获取输电线路的海量原始三维点云数据，具体的采集过程包括：准备阶段。包括现场勘探、布置控制网与扫描站点、草图绘制及布置标靶等1 0 。其中，现场勘探主要是对输电线路的环境、地形等特征实施观测,确定扫描范围；布置控制网与扫描站点是以所需扫描输电线路的分布状况及扫描区域的地形特点为依据,尽量避免扫描空白区域，同时需将扫描对象的全部信息扫描到，以此为前提尽可能少地布置控制网与扫描站点，降低拼接各站点数据的误差。点云数据处理采集阶段。高质量点云数据可提升三维模配准拼接降处理精简海量实体点云数据结束型构建质量。以所布置扫描站点的分布特点为依据，在最大限度降低重叠度与保证完全覆盖的前提下,对所有扫描站点的扫描范围实施合理地设定；与此同时，以输电线路与各个扫描站点之间的间距为依据,对激光三维扫描仪的频率与射程等参数进行设定；另外，以输电线路的纹理信息及现实需求为依据，采集其特征点坐标并拍摄图片，为之后三维建模中的纹理映射奠定基础。1.2.2海量点云数据的处理对所采集到的海量三维原始点云数据进行处理，包括点云数据导人、配准拼接处理、合并精简及降噪处理等,所运用到的软件为FAROscene与HD_3LS_SCENE。在对原始点云数据实施处理的过程中，应先配准拼接各扫描站点采集到的点云数据，再对重叠部分点云数据实施合并精简，降低总数据量，最后对点云数据实施降噪处理，提升整体点云数据的质量。具体过程为：配准拼接处理。由于激光三维扫描仪采集点云数据时所运用的作业方式为分站式，因此每个站点所采集到的点云数据的坐标均彼此独立，需通过配准各个单独坐标至相同的坐标系内,将全方位的点云数据获取到1 2 。向FAROscene软件内导入原始点云数据，对所导人数据实施配准拼接，也就是在相同坐标系内转化各个站点采集基于海量点云数据的输电线路三维建模研究的点云数据，通过拼接共有重叠区域的点云数据，通过将最高拟然函数的0 梯度点搜寻到,达建立一个整体。在此选用同名点与标靶相结合的到聚类处理原始点云数据的目的，滤除掉噪声点，拼接方式,通过将平面标靶粘贴在输电线路上,取实现对配准拼接后原始点云数据的降噪处理,获代同名点，以此提升同名点的精度，再运用得高精度、完整的输电线路实体点云数据。FAROscene软件实施配准拼接。先将全部扫描站1.3三维建模实现点两两分成一组，分组实施配准拼接，再拼接各组以处理后的高精度输电线路实体点云数据作的配准拼接结果，直至完全拼接为止。为基础数据，构建输电线路三维模型。主要构建合并精简。输电线路原始点云数据经配准步骤有轮廓线提取、几何建模及纹理映射。拼接处理后，点云数据内存在一定的重叠区域，导1.3.1提取轮廓线致数据量的增长与穴余数据的出现，会影响数据向CAD内导人实体点云数据，利用Kubit处理效率，因而，需对配准拼接后的点云数据实施PointCloud插件实施分层切片，实现输电线路轮合并精简处理。在此选用HD_3LS_SCENE软件廓线的提取1 4。具体过程为：运用KubitPoint-实现拼接后点云数据的合并，获取到精简之后的Cloud插件内的轮廓曲线工具,将各种高度与视输电线路点云数据，降低点云数据量。角的剖切面获取到,得到输电线路的杆塔、基座及降噪处理。因激光三维扫描仪在采集输电导线等平面位置；通过插件内的测量工具提取线路点云数据的过程中，受其自身精度、仪器使用出杆塔、避雷线及金具等部件的长度；以实际绘人员及现场环境等因素的影响，导致所采集的原图需求为依据，针对部分缺失的点云数据运用分始点云数据内具有一定程度的噪声。为了提升点层切片的方式依据各方位的截面实施曲线拟合，云数据的质量，保障三维建模的精度，应对合并精同时依据空间几何原理与实际采集的现场图片，简后的点云数据实施滤波降噪处理，有效去除掉将与此类缺失点云数据相对的特征线及点提取原始点云数据内的孔洞、离散点及噪声点1 3。在出，完成轮廓线的提取。此选用鲁棒降噪算法对合并精简后点云数据内的1.3.2几何建模噪声实施滤除处理。该算法通过将当下采样点内向3DMAX软件内导人所提取到的轮廓线，的局部最大点搜寻到,并将其作为聚类中心，通过构建输电线路的几何模型。主要过程为：对输移动顶点的方式搜寻到0 梯度的点，获得与实际电线路的导线部分与杆塔部分分别实施建模，在物体更接近的表面模型。构建模型时,为了降低之后纹理映射的难度,可将设合并精简后的点云数据为Q,且Q=iQ;i同属于一个部分的构件看作一个群组；将结构=1,2,m,核密度预估函数为E,则：统一的部分看作同一个组件,构成组件库,以此避E(x)=(x-Q;mgt=ig式中,和g表示密度核函数与核窗口。设定点Q,的领域为K(Q.）,并构建K(Q.)的协方差矩阵,对点Q:和K(Q.)的最低二乘曲面实施运算,以所得运算结果和K（Q）的间距为最高拟然函数,该函数以U,表示,其运算式为：U(x)=0(x-a,)(g-(x-a;)m,J(2)式中,表示常数。U,的梯度函数可表示为：VU,(x)=-2Ew;0,(x-a,)(x-a,)m,m;(3)式中，o表示权重。一张晓华等(1)免反复构建模型；针对其他不规则组件需建立三角网格完成建模；完成以上各部件的模型构建之后，对不同部件的坐标系进行统一，导入相同坐标系后，即可获得完整的输电线路三维几何模型。1.3.3纹理映射纹理映射是提升所构建三维模型逼真度的关键步骤。纹理重建的本质为由现场采集图像的影像空间向纹理空间、模型空间以及空间实体的转换过程1 5 。将模型空间和影像空间之间的转换，以摄像机投影矩阵C表示，二者之间的转换函数以br=h（b)表示;像素由纹理空间转换为模型一1 45 一基于海量点云数据的输电线路三维建模研究一张晓华等空间的转换函数以b=h（b）表示。h 为几何参数值,那么由影像空间转换为纹理空间的转换函数可表示为：b,=hi(h,b2)=CMb由于输电线路几何建模与纹理映射需具备完整性,故依据CCD将所拍摄的全景影像生成单个影像,构建激光点云同各个影像间的相对关系,实现单个影像和激光点云数据的配准。针对地面随机的某个目标点而言,其像点的扫描仪坐标和空间坐标分别为(U,V,W)和（u,u,w），二者之间的映射可表示成：UU=RV-XLWJLW式中,X表示扫描仪坐标和空间坐标间的平移量；R表示两个坐标系之间转换的旋转矩阵。2实验与分析为检验本文方法的实际应用效果与性能,以某区域输电线路为例，运用本文方法对其实施三维建模。实验输电线路部分原始点云数据见图2。图2 输电线路的部分原始点云数据对实验输电线路原始点云数据实施配准拼接处理,以其中任意1 次拼接结果为例,统计拼接位置的点位误差情况，结果如表1 所示。分析表1可得知,5 次配准拼接中各拼接点的拼接误差始终低于5 mm，可见，本文方法的配准拼接效果较好，拼接结果精度较高，能够实现点云数据的精准拼接。表1 配准拼接位置点位误差统计点号x轴14.16524.33632.157一1 46 一对拼接与精简后的点云数据实施降噪处理，实验结果如图3所示。通过图3能够看出，未经降噪处理前的实验输电线路原始点云数据存在多(4)余障碍物、离散点及噪声，数据模糊不清；通过本文方法实施降噪处理后，点云数据的噪声及障碍物明显减少，显著提升了数据的清晰度与质量。（a）原始点云数据（b）降噪后点云数据(5)图3降噪前后实验输电线路部分点云数据效果对本文方法所构建三维模型的精细程度实施检验。通过本文方法运用降噪后的点云数据构建实验输电线路的各部分三维几何模型，并选取出2个绝缘子模型、2 个杆塔模型及2 个基座模型，对各部分对应实物的尺寸实施测量，并将测量结果同模型的尺寸进行对比，分析本文方法构建模型的精度。所得结果如图4所示。由图4能够得出,本文方法所构建的实验输电线路各部分三维模型的尺寸与对应实物尺寸未出现较大偏差，其中误差相对最高的为杆塔1,其尺寸误差百分比为2.9 4%,误差相对最低的为基座2,它的尺寸误差百分比为0.9 2%，由此说明，本文方法所构建的输电线路各部分三维模型的精度较高，能够满足实际应用需求。一实物尺寸误差30T-模型尺寸3.5242.8W/%善182.1121.460.70绝缘绝缘杆塔1 杆塔2 基座1 基座2子子2部件名称(mm)图4各部分模型与实物尺寸对比情况y轴Z轴-1.0590.758-1.243-0.8990.8691.245本文方法构建的绝缘子、基座及杆塔三维模型效果如图5 所示。由图5 可看出，本文方法所构建的绝缘子、基座及杆塔三维模型清晰度高,各基于海量点云数据的输电线路三维建模研究部分模型生动逼真，呈现效果十分理想2王晓东,张森,宋丽，等.北斗/GPS组合相对定位方法及其在输电线路巡检中的应用J.电网与清洁能源,2 0 1 8,3 4(3):5 1-5 6.3官澜,李奥森,韩念遐，等.基于数字化三维模型的架空输电线路设计J.电测与仪表，2 0 2 0,5 7（3）：1 0 5-109.(a)绝缘子三(b)基座三维模型维模型图5 本文方法构建三维模型效果图通过本文方法统一各部分坐标系后，获得完整的实验输电线路三维几何模型，对其实施纹理映射后，可得到最终输电线路三维模型，与现场真实拍摄的输电线路场景图对比，检验本文方法的最终三维建模效果，见图6。通过图6 能够看出，本文方法所构建的输电线路三维模型生动逼真，与现场真实输电线路图片相似度非常高，没有出现失真现象，说明本文方法的输电线路三维建模效果较好，可满足实际应用需求。（a）现场真实拍摄图片图6 本文方法三维建模效果3结束语本文设计了一种基于海量点云数据的输电线路三维建模方法。创造性地将点云数据应用到输电线路三维建模方法的设计过程中，通过对点云数据的处理,完成最终输电线路三维模型的构建。结果表明，本文方法的点云数据配准拼接精度高，能够有效去除原始点云数据内的噪声点及障碍物等，显著提升了点云数据的清晰度与质量，输电线路三维建模效果理想，可为提升电网管理精益化提供帮助。参考文献：1黄俊杰,杨健晟,刘晓波，等.基于双目视觉监控的输电线路立体空间建模J.电力系统保护与控制，2018,46(19):102-108.一张晓华等(c）杆塔三【4王田芳，丁志广,饶帅雄,等.一种电塔线模型融人倾维模型斜摄影实景三维的方法J.测绘科学，2 0 1 8，43(11):152 156.5朱宏悦,陈彬,王小东，等.化工园区三维场景建模研究与实现J.系统仿真学报，2 0 1 8,30（1 2）：46 1 0-4617.6郝会龙,李平凡,黄钢，等.基于航测数据的空间视距计算方法研究J.中国安全科学学报,2 0 1 8,2 8（2）：4044.7余培永,刘昭华.三维激光扫描支持下的文化遗产建模应用分析J.测绘通报，2 0 1 8,49 7（8）：1 45-1 49.8彭飞，方芳，王红英.基于三维激光扫描的大麦籽粒力学建模与试验J.农业机械学报,2 0 1 8,49（1 1）：342-348.9陆婷婷,李潇,张尧，等.基于三维点云模型的空间目标光学图像生成技术J.北京航空航天大学学报，2020,46(2):274-286.10焦晓双,胡海峰,廉旭刚.基于三维激光扫描技术的矿区建筑物变形监测方法J金属矿山,2 0 1 8,5 0 2（b）三维建模效果图(4):150 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