三維激光掃描技術(shù)在變電站擴建中的應(yīng)用研究及精度評定

劉峰 李鵬飛 高興國

摘 要：本文利用RIEGL三維激光掃描技術(shù)提取某變電站擴建項目的三維空間數(shù)據(jù)，經(jīng)過測站間匹配后，建立其三維表面模型。然后，根據(jù)生成的三維模型提取變電站重要部位的點、線、面，生成設(shè)計專業(yè)所需的立體圖、側(cè)面圖和平面圖。與傳統(tǒng)全站儀測量方法相比，新方法提供三維可視化圖形，工作效率高，并保證相當?shù)臏y量精度。

關(guān)鍵詞：RIEGL三維激光掃描技術(shù)；三維模型；點、線、面；立體圖；側(cè)面圖；精度評定

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.172

1 引言

隨著地面三維激光掃描技術(shù)的不斷成熟，其應(yīng)用也越來越廣泛，無論是從儀器的精度還是軟件更新，都在不斷的完善和進步[1]。其非接觸式測量的特點可以使其很好地應(yīng)用于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境危險的變電站擴建項目[2-3]，獲取的海量三維數(shù)據(jù)，可以更精細的對變電站架構(gòu)、走線進行局部表達。不僅從一定程度上節(jié)省人力，而且可以通過海量數(shù)據(jù)為設(shè)計專業(yè)提供不同需求的參數(shù)，這些特點為其在變電站擴建項目中的應(yīng)用提供良好的基礎(chǔ)。

因此，本文利用RIEGL三維激光掃描技術(shù)對某變電站擴建項目進行掃描作業(yè)，對控制網(wǎng)布設(shè)、測站分布、標靶布置、數(shù)據(jù)去噪、測站配準、特征點、線、面提取等進行研究，意在通過三維激光掃描技術(shù)獲取的高精度海量點云數(shù)據(jù)，高效構(gòu)變電站局部精細的三維模型，從而為設(shè)計專業(yè)提供準確的基礎(chǔ)資料，形成外業(yè)數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的流程化，以提高測繪產(chǎn)品生產(chǎn)效率，保證成果精度。

2 硬軟件介紹

2.1 RIEGL VZ400I三維激光掃描儀

RIEGL VZ-400I三維激光掃描成像系統(tǒng)擁有RIEGL獨一無二的全回波技術(shù)和實時全波形數(shù)字化處理和分析技術(shù)，每秒可發(fā)射高達1200，000點的纖細激光束。其高精度高速激光測距可同時探測到多重乃至無窮多重目標的細節(jié)信息，是傳統(tǒng)單次回波反映物體技術(shù)所無法比擬的。除此之外，基于RIEGL獨特的多棱鏡快速旋轉(zhuǎn)掃描技術(shù)，能夠產(chǎn)生完全線性、均勻分布、單一方向、完全平行的掃描激光點云線。其主要技術(shù)指標如下：

（1）測量距離：可達800m；

（2）精度：可達5mm；

（3）重復(fù)精度：可達3mm；

（4）掃描角度范圍：垂直100°（+60°/-40°）；水平360°；

（5）激光發(fā)射頻率高達120萬點/秒。

2.2 主要應(yīng)用軟件

2.2.1 RIEGL三維激光掃描儀軟件—Riscan PRO

Riscan PRO是RIEGL地面三維激光掃描系統(tǒng)的配套軟件，以樹狀結(jié)構(gòu)方式，系統(tǒng)的將用戶的測量數(shù)據(jù)、影像、坐標系統(tǒng)完整的存儲在Riscan PRO中，以方便用戶的編輯及查閱[4-6]。其中包括掃描站、精細掃描數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、控制點坐標和標靶點，以及拼接完好的每站點云及大地坐標系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。

2.2.2 點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件—Autodesk ReCap

Autodesk ReCap軟件是一個獨立的應(yīng)用程序，它可以通過引用多個索引的掃描文件（RCS）來創(chuàng)建一個點云投影文件（RCP）。該軟件默認隨AutoCAD 2014一起安裝。可以通過Windows開始菜單或從Autodesk ReCap桌面圖標中啟動它。Autodesk ReCap將掃描文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點云格式，使其能在其它產(chǎn)品中查看和編輯。Autodesk ReCap處理大規(guī)模的數(shù)據(jù)集，能夠聚合掃描文件，并對其進行清理、分類、空間排序、壓縮、測量和形象化。

3 項目實例

3.1 控制網(wǎng)布設(shè)

根據(jù)測區(qū)情況，布設(shè)4個一級導(dǎo)線控制點，平均邊長約60m，采用Leica TS06全站儀進行角度和邊長測量，測得角度閉合差為-12"，測角中誤差為3.75"，最弱邊相對測距中誤差為1/47000，滿足工程測量一級導(dǎo)線的精度要求。

3.2 測站布設(shè)

本次所測變電站設(shè)備機組普遍高度較高，細部結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜。掃描儀布站本著由遠至近原則，先在距離機組較遠位置架若干站，采集整體場站點云及周邊環(huán)境。再將掃描儀架設(shè)至各機組近處，采集設(shè)備機組細節(jié)信息。三維激光掃描儀在本次測量工作中全程開啟獲取彩色點云，為后續(xù)的內(nèi)業(yè)處理工作提供更加直觀便利的條件。本次作業(yè)，共采集22站數(shù)據(jù)，其中遠距離約12站，近距離約10站。

3.3 三維點云模型建立

首先，導(dǎo)入原始掃描數(shù)據(jù)自動解壓后對采集的單站點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理去噪。然后，根據(jù)點云數(shù)據(jù)自動生成所有測站的公共面片（Riscan PRO通過各站點之間公共部分所生成的公共面片可以自動對多站點之間的點云位置進行自動拼接平差處理）。最后，使用軟件自帶的多站點自動拼接功能進行多站點自動拼接，拼接完成后彈出拼接精度檢查報告（見圖1），得到完整的實景三維點云數(shù)據(jù)。

由圖1可知，點云配準殘差符合高斯分布特點，主要的值分布在0附近，大的差值明顯少于小的差值，正負差值數(shù)量基本一致，統(tǒng)計后標準差STD為0.006m，說明配準后生成的三維點云模型（見圖2）精度滿足工程要求。

3.4 特征點、線、面提取

根據(jù)設(shè)計專業(yè)的需求，利用導(dǎo)入到CAD軟件的點云，提取重點架構(gòu)的立體圖（見圖4）和側(cè)面圖（見圖5）。

利用高精度的點云模型，利用CAD軟件，提取局部高精細的特征線，生成如圖4的立體圖和圖5的側(cè)面圖。在立體圖和側(cè)面圖中，設(shè)計專業(yè)可以量取相應(yīng)架構(gòu)的距離、構(gòu)筑物的長度、寬度，從而獲取準確的避讓距離，確定擴建變壓器的位置，實現(xiàn)帶電不停電環(huán)境的三維設(shè)計及優(yōu)化。

3.5 精度評定

為評定生成的立體圖、側(cè)面圖及平面圖的精度，利用傳統(tǒng)的Leica TS06全站儀對相同部件的長度進行測量，并進行對比，結(jié)果如圖6所示。

RIEGL代表掃描儀成果，LS06代表全站儀成果，共對20個部件進行了對比，最大差值約12mm，平均差值約1.65mm，均方根誤差約6.47mm，說明二者精度一致。

4 分析與結(jié)論

通過對某變電站擴建項目的實例，總結(jié)利用RIEGL三維激光掃描技術(shù)進行作業(yè)的流程，包括：

（1）外業(yè)數(shù)據(jù)采集：如何設(shè)置測站及標靶位置，如何設(shè)置掃描儀掃描頻率及強度，如何設(shè)置相機參數(shù)等；

（2）數(shù)據(jù)處理：首先進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后進行點云去噪和測站配準，平差結(jié)果的殘差需滿足高斯分布的要求；

（3）特征線提取：剪切重要部位的點云數(shù)據(jù)，適當抽稀后，轉(zhuǎn)換格式后導(dǎo)入到CAD軟件，根據(jù)點云模型進行特征線提取。

結(jié)果表明，RIEGL三維激光掃描儀可用于困難測量區(qū)域的三維點云建模，生成高精度的立體圖、側(cè)面圖和平面圖，極大提高工作效率，保障作業(yè)人員安全，為設(shè)計專業(yè)提供準確基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

參考文獻：

[1]楊必勝，梁福遜，黃榮剛. 三維激光掃描點云數(shù)據(jù)處理研究進展、挑戰(zhàn)與趨勢[J]. 測繪學報，2017，46（10）：1509-1516.

[2]劉求龍，胡伍生，王驄，徐君民.三維激光掃描儀在惠泉變電站三維模型構(gòu)建中的應(yīng)用[J].測繪科學，2011，36（02）：210-212.

[3]劉求龍，胡伍生，王驄，徐君民.三維激光掃描儀在惠泉變電站三維模型構(gòu)建中的研究與實現(xiàn)[J].測繪通報，2010（09）：35-37.

[4]臧克.基于Riegl三維激光掃描儀掃描數(shù)據(jù)的初步研究[J].首都師范大學學報（自然科學版），2007（01）：77-82.

[5]高珊珊.基于三維激光掃描儀的點云配準[D].南京理工大學，2008.

[6]黃颯.三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于古建筑測繪及其數(shù)據(jù)處理研究[D].河南理工大學，2012.

作者簡介：劉峰（1986-），男，山東濟南人，本科，工程師，注冊測繪師，主要從事電力工程測繪工作。