摘要：当今时代，数字化变电站是未来发展必然趋势，变电站作为电力系统的重要环节，其日常监测与维护显得尤为重要。电力系统的稳定性与社会发展息息相关，而变电站对配电网的安全运行的作用也越来越重要。因此，应用地面三维激光扫描技术，利用3dsMax等建模软件，模拟出变电站实际情况，能够直观地展现出变电站的具体情况，让工作人员清楚、直观地了解变电站工程规划布局、生产运行、设备参数、辅助设施等一系列三维数字化信息，为变电站工程检修和电网线路规划设计、生产指挥、模拟运行、智能管理等提供良好的信息支撑。
关键词：地面三维激光扫描技术；变电站；三维数字化设计
引言
近年来，地面三维激光扫描技术已成为测绘领域1个新的研究热点，相比于传统测量，具有快速（100000点/s）、非接触、高精度（单点测距精度3mm）、抗电磁干扰、全数字特征、自动化和高密度数据获取等特点。对三维激光扫描技术在建构物变形监测中的应用进行了研究，解决了复杂环境下的建构筑物变形监测；对基于三维激光扫描技术的隧道检测技术进行了研究。
1工程概况
该项目场地地势较为平坦，交通便利，其北侧为空置土地，绿植很少，且上空横跨两条高压线路，其南侧是一座不锈钢城，大多为二至三层房屋。
2地面三维激光扫描技术在变电站三维数字化设计中的应用
2.1点云数据获取
采集点云数据之前都要开展现场实地踏勘，依据测区地形和地物分布的实际状态，策划出一条用于扫描的路线，同时还要标定出扫描站点的位置，以使得扫描仪在其作用范围内物尽其用，且规避重复扫描。另外，还需要在扫描区使用标靶纸或者是标靶球作为标靶，数量最少为3，标靶用于坐标系转换(由测站扫描坐标系变至测量坐标系)。
设置好扫描站点和标靶后，在扫描点上对TrimbleTX8型激光扫描仪进行整平。设备布置妥当后，打开设备设置参数，开始扫描。待扫描结束后，可通过显示屏查阅点云数据，如对点云数据某些区域不满意或某些区域比较复杂，可调整局部扫描级别再一次进行局部扫描。该项目架站次数共计22次，采集到该区域相关的激光点云数据，如图1所示。
图1地面三维激光扫描仪站点图
2.2全景照片拍摄及制作
开展扫描作业时，可通过仪器内置相机来得到全景HDR影像，另外，借助PTGui软件可完成全景照片的拼接工作，形成测站的全景照片，该照片可以借助全景照片查看软件查看。
2.3点云数据处理
借助TrimbleRealWorks软件可完成点云数据的分析，其内容分别是点云数据去噪、点云数据拼接、坐标系转换以及成果输出等。
2.3.1点云数据去噪
扫描时，一些因素会妨碍和阻断扫描目标，比如正在扫描炼油厂时，诸如行驶的车辆和行人以及树木带来的阻挡，外加实体自身反射性不均等客观因素，都会造成采集到的点云数据中混入不稳定点以及噪声点如果要接着开展其他作业内容，必须把这些噪声点清除干净，这对后面的建模是有益的，此过程就是点云数据去噪，也被称为点云的过滤。
2.3.2点云数据拼接
通过TrimbleRealWorks可以使得无标靶点云自动拼接，完成相互有关联的测站区域的拼接工作。一旦拼接误差超出允许范围，可借助手动拼接，该软件将会核查自动拼接的精度，以确保两站的拼接精度不大于1cm。如此循环，完成所有相邻站间的拼接工作后，就会生成完整的三位点云数据。
2.3.3坐标系统转换
拼接后的点云数据坐标系不是所需坐标系，要把坐标系调整至炼油厂设计和施工时沿用的测量坐标系。变换坐标系时，需要在测量坐标系下通过全站仪采集到目标标靶的三维坐标，具体操作为:
(1)可以通过TrimbleRealWorks“配准”菜单中的“目标分析工具”命令完成对目标标靶的选择以及重命名，此时，最少选择3个目标标靶来切换坐标系。为确保和便于审核结果的精准度，选择4个目标标靶来切换坐标系。
(2)在“配准”菜单中选择“大地基准工具”命令来切换坐标系。根据要求，需要顺序输入4个目标标靶扫描坐标系坐标和测量坐标系坐标，然后在下侧会出现平均误差，该误差毫米级是最理想的，选中“应用”，即可完成点云数据坐标系切换。
2.3.4成果输出
三维激光扫描的所取得的结果有系统的点云数据和三维实景浏览网页发布成果以及点云数据建模成果(该数据均为测量坐标系下数据)。通过TrimbleRealWorks中的RealColor版块，可以把点云数据和全景照片相互匹配，之后还可以通过ScanExplorer来完成三维实景浏览工作。待完成上述内容后，依据测站可以通过IE浏览器查看三维实景，同时还能完成测距，不仅包括随意两点的距离，还有水平距离和垂直距离，另外，还可以完成切片分析。如需要还原变电站测区扫描目标的真实状态，就要把扫描数据通过三维模型体现出来，此时要对点云数据开展两项工作:三维建模工作、纹理贴图工作。三维建模和纹理贴图工作需要把云数据导入3dsMax来开展，前提是云数据的格式要进行转换。
2.4三维建模可视化
若变电站结构复杂，多是不规则构筑物，因而需要对不规则构筑物先进行点云切割，根据侧视图对不规则构筑物进行轮廓线提取与拟合建模。对于规则的圆柱形、管状型构筑物，利用软件直接进行自动拟合建模，无需对其进行光顺处理。且对不规则构筑物，必须用Photoshop对图片进行截取，然后分别对构筑物各个面贴图，调整贴图坐标，使图片与构筑物表面相吻合，最后得到每个模型的纹理效果[15]。三维建模步骤为:①用TrimbleＲealworks软件进行点云数据的配准和去噪，之后导出LAS文件;②利用AutodeskＲecap打开LAS云数据，并将其转化成ＲCP格式点云文件;③将ＲCP格式点云文件导入3dsMax软件，根据现场采集的近景拍摄相片，采用参数化结合点云建模的方式，进行构筑物表面的纹理贴图，并导出ASE文件;④将ASE文件导入750kV变电站三维可视化平台，实现三维可视化。由于变电站内仪器的种类和数量非常多，因此需要对设备进行单个建模，才能逐步完成整个测区的三维建模可视化。
结语
该项目通过地面三维激光扫描仪，不仅采集变电站测区内的点云数据，得到了影像资料，从而制作完成三维实景模型，这不仅给后续变电站的三维数字化设计搭建了数据库，还给其后续运营和维护和以及管理搭建了平台，这些无疑为输变电工程的三维设计工作中三维模型的获取提供新的解决方案。三维激光扫描技术成长迅速，它能更好地将高精度点云和高分辨率影像数据同地理信息等技术相融合，这不仅给电厂、变电站和输电线路的设计工作带来很大价值，给三维建模以及其后期的运营维护带来更大价值。
参考文献:
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论文作者:林青壮
论文发表刊物:《电力设备》2019年第12期
论文发表时间:2019/10/24
标签：坐标系论文; 数据论文; 变电站论文; 激光论文; 建模论文; 构筑物论文; 全景论文; 《电力设备》2019年第12期论文;