三維激光掃描儀在變電站三維模型構建中的應用

楊珀 羅沙 胡育蓉

摘 要：隨著科學技術的發展，測繪技術越來越先進，測繪速度也越來越快，變電站對于構建三維模型的需求得到了完美地滿足，該文介紹了三維激光掃描儀的掃描原理，以及三維激光掃描儀在變電站三維模型構建中的應用。

關鍵詞：三維激光掃描儀 變電站 三維模型

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（b）-0046-01

GPS技術的出現，是測繪領域的革命性技術，然而GPS這種測量技術，在變電站這種特殊地區，無法進行有效的測繪，而另一項突破性技術，三維激光掃描技術，它非接觸式測量點云數據的測繪方式，能夠很好地解決這個問題。

1 三維激光掃描儀

1.1 三維激光掃描儀簡介

三維激光掃描儀采用的是三維激光掃描技術，三維激光掃描技術是一項能夠對實景進行三維復制的技術，它和GPS技術一樣，都是在測繪領域屬于突破性的技術。相比起采用單點測量的傳統測繪方法，三維激光掃描不僅測繪效率高，而且精準也遠超過單電測量技術，這是三維激光掃描技術的獨特優勢。三維激光掃描技術通過對目標物體進行掃描，從而得出三維點云數據，對三維點云數據進行相應的處理，就可以構件目標物體的三維模型了，由此構建出來的三維模型，不僅精度高，分辨率也很高。

1.2 三維激光掃描儀原理

三維激光掃描技術就是利用激光掃描的原理，對目標物體進行掃描，并得出相應的數據，對數據進行處理后建立三維模型。其中，需要對目標物體表面進行掃描的信息包括大量點坐標、材質反射率和表面紋理等，通過對這些數據進行處理，即可快速構建目標物體的三維模型，并且蘊含線、面、體等數據。三維激光掃描技術和單點測量技術的區別在于，單點測量技術是對單點進行測量，而三維激光掃描技術是對大量的點進行測量，大量密集的點，就相當于是面，所以三維激光掃描技術是從點到面的技術突破。

2 三維激光掃描儀在變電站三維模型構建中的應用

2.1 掃描站點布設

三維激光掃描儀測程和測量速度的不同，對掃描站點的布設有很大的影響，掃描站點在布設時，需要考慮到各個站點之間的互補性、相鄰站點之間的通視性，并且要保證站點的覆蓋面能夠囊括整個變電站。如果掃描站點布設不合理，很可能會導致數據采集不夠完整，最終構建的變電站三維模型有缺失現象。

2.2 標靶布設

保證點云數據配準的精度是一件十分重要的工作，如果點云數據配準的精度不高，那么后期處理數據對變電站三維模型構建時，同樣會出現精度不高的現象。所以，對采集到的點云數據進行精確配準一直都是三維激光掃描技術中的重難點，而標靶的存在，能夠很好地保證多個掃描站點采集到的數據，能夠精準的統一到同一個數據集里去。所以標靶在布設時，應該分布均勻，保證每個掃描站點至少能看見四個標靶，標靶與控制點的連接方法是：在標靶中心粘貼測距反射片，令掃描儀和全站儀都能觀測到同一個坐標點。

2.3 數據采集

在對變電站進行數據采集時，可以利用RiSCAN PRO軟件對三維激光掃描儀進行控制，操縱其對變電站的實體和反射參照點進行掃描，最終得出變電站的幾何位置信息、點云發射密度和相機獲取的影響信息，這三類信息會被RiSCAN PRO軟件統統保存在新工程文件中。在制作正射影像圖時，需要完整的原始像素，這就要求在對變電站進行掃描時，數碼相機的鏡頭應始終保持與目標物體的立面平行。

另外，在對變電站進行數據采集時，需要注意點密度的控制，三維激光掃描相對于傳統掃描，在技術上有了重大突破，從“點掃描”變成了“面掃描”，其實所謂的面掃描，就是由大量的點構成的，三維激光掃描儀能夠通過激光掃描獲取大量的三維點坐標，而構成一個面所需要的點數量，即點密度，點密度關系到模型的精度，可是點密度必須合理控制，尤其是在對變電站進行三維建模時，因為變電站的三維模型構建，其目的是為了方便智能化管理，對于模型精度要求并不高，如果過對追求點密度，就會導致采集數據所需要的工作時間增長，對變電站這種大型建筑群進行采集數據的難度也會隨之增大，并且由于數據過多，軟件處理起來也更加緩慢，而這就與三維激光掃描技術的“快速測量”初衷就相違背了。

所以，分析變電站三維模型構建的需求，可以在對變電站進行激光掃描時，選擇奧地利RIEGL 公司VZ-1000型三維激光掃描儀。

2.4 數據處理

可以使用RIEGL 公司VZ-1000型三維激光掃描系統提供的RiSCAN PRO軟件，來對采集到的變電站點云數據進行預處理，預處理主要包括點云拼接、影像匹配、點云裁剪和點云輸出等。其中，點云拼接是把不同的掃描站點進行拼接，使得這些掃描站點的數據能夠統一到一個數據集里去。RiSCAN PRO軟件提供了三種點云拼接方法，分別是：基于“測站點+后視點”的點云拼接、基于標靶的點云拼接和基于點云數據的點云拼接。最后運用Geomagic Studio軟件的建模功能對點云進行模型建立。

2.5 三維模型構建

當采集到的變電站點云數據處理完成后，可以采用Geomagic Studio軟件對變電站的三維構型進行構建，該軟件的主要功能是：對點云數據進行預處理，將其轉換為多邊形，然后對多邊形進行快速處理，減少其數目，之后將多邊形轉換成可以進行曲面分析的NURBS曲面，最后將處理完成的數據進行多種格式輸出。相比起傳統的CAD軟件，Geomagic Studio軟件擁有很多優勢，比如用戶獲得的多邊形和NURBS曲面是十分完美的，而且在Geomagic Studio軟件在處理各種復雜形狀如曲面、圓柱等時，運行速度更快，等等。在對變電站進行三維模型構建時，變電站的高壓絕緣子可以通過Geomagic Studio軟件的獨特曲面功能進行組合；變電站的變壓器采用曲面延伸與長方體組合生成方式，建立確切的三維模型，細節后期可以通過紋理的粘貼進行完善。高壓支柱瓷絕緣子套管采用柱體、球體、管狀體等幾種組合圖形，利用其自動匹配方式進行各自模型的生成，然后根據點云組合模型。

3 結語

綜上所述，使用三維激光掃描儀，能夠快速的采集點云數據，并通過相應的軟件對數據進行處理，從而實現變電站三維模型的構建。

參考文獻

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