基于地面激光扫描的输电线路走廊三维建模方法

盛金马 邓清军 常江

（1.国网安徽省电力公司经济技术研究院 合肥 230022 2.中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司 合肥 230601）

基于地面激光扫描的输电线路走廊三维建模方法

盛金马1邓清军2常江1

（1.国网安徽省电力公司经济技术研究院 合肥 230022 2.中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司 合肥 230601）

本文研究了地面三维激光扫描测量基本原理、数据采集流程、点云数据预处理及三维建模等，并结合具体工程验证其用于输电线路走廊三维建模的可行性，研究结论为三维激光扫描进一步应用推广提供借鉴和经验。

地面三维激光扫描；数据采集；三维建模；纹理映射

1 引言

输电线路长距离、走廊复杂、交叉跨越多、地域气候差异大且数量逐年增加与线路运行维护人员数量相对不足的矛盾日趋突出，迫切需要能够直观反映输电线路实际走向、交叉跨越关系及距离的三维走廊，以提供输电线路走廊的清晰、完整、可读取量测的全面数据，三维实景化展示现场通道情况，实现任意空间距离的精确三维测量，开展线路运维危险点的智能化监测分析与预警。

地面三维激光扫描技术是一种不需接触测量目标而能快速获取物体表面三维坐标的测量技术，又称“实景复制技术”。与传统测绘技术不同，它的出现使三维数据获取方式向连续、海量的自动化方向转变，海量点云影像数据为三维建模提供基础数据，拓宽了测绘技术的应用领域，其重要应用方面是三维建模，为输电线路走廊建模提供了技术支撑。

2 地面三维激光扫描测量原理

地面三维激光扫描仪是一种集成多种高新技术的新型测绘仪器，利用非接触式高速激光测量模式，以点云形式获取地形及复杂物体三维表面的阵列式几何图形数据。在扫描仪器内，扫描控制模块控制和测量每个脉冲激光的角度，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标[2]，原理如图 1。

3 数据采集

地面三维激光扫描外业数据采集主要包括以下几部分：

（1）控制测量：控制点应根据地形地貌布设并组成相关网形，控制测量应符合现行规程i规范精度要求。

（2）扫描站布测：站点应设置在视野开阔、安全稳定区域，扫描范围覆盖整个扫描目标，并根据现场环境相应增加扫描站点。坐标测量时严格根据规范要求进行。

图1 地面三维激光扫描仪测量原理

（3）标靶布测：标靶或特征点选择应均匀分布且有高低错落，相邻扫描站公共标靶或特征点不少于3个；测量标靶或特征点三维坐标时，注意较差和校核。

（4）采集扫描：通过设置采样分辨率、扫描距离以及环境参数进行数据获取，采集过程中注意实时数据检查，外业结束导出数据并备份。

（5）纹理图像采集：选择合适的像元和有利的拍摄环境，并保证不少于30%的重叠区域，纹理影像数据由扫描系统自带数码相机获取。

4 点云数据预处理

由于地面三维激光仪扫描所获得的原始点云数据具有密度大、冗余、辨别难度大等缺点，所以三维建模前必须对其进行数据预处理，主要工作有去噪平滑、匹配拼接、转标转换、压缩抽稀等。

4.1 点云数据去噪平滑

在实际扫描过程中受到各种人为或随机误差因素的影响，所获得点云数据不可避免地存在噪声点，所以在对点云数据处理前需要进行去噪。判断一数据是否是噪声点，根据判定方式不同常用判断办法：有人为判定法、弦长阈值判定法、角度阈值判定法和曲线检查法。

由于测量系统本身存在机械误差和测量时的振动误差，以及外界光、热等因素对系统造成的影响，会给点云数据带来微小的系统误差和随机误差，为减少对后续建模质量的影响，需要对数据进行平滑处理，常用数据平滑方法有：中值法、平均值法、高斯滤波法。

4.2 点云数据配准

由于目标物、扫描仪自身视角及周边环境等影响，各测站获取的数据只是目标物的一部分，点云数据配准目的是解决不同测站数据拼接的问题，将不同测站的三维点云影像资料经过加工处理，提取到同一基准线下构成的三维点云数据集合。根据不同的作业方法，通常利用相邻扫描区域内3个及以上控制点、同名点或控制标靶进行匹配，常用算法：四元数配准算法、七参数配准算法、迭代最近点算法（ICP）及其改进算法。

4.3 坐标系转换

为满足工程测量、地理信息数据库等生产应用需要，需将扫描点云数据转换到大地坐标系或地理坐标系下，获得点云数据精确的地理位置坐标。不同扫描仪设计性能不同，所采用的坐标转换方式不同，通常采用两种转换方式：一种转换方式：通过计算已知测站点和后视点的空间坐标将扫描点坐标转换到空间直角坐标下。另一种转换方式：已知3个参考点在扫描坐标和空间直角坐标系下的三维坐标，通过坐标转换计算，将点云数据转换到空间直角坐标系下。

4.4 点云数据抽稀

三维激光扫描具有速度快、采样率高、非接触性等特点，在短时间内可获得海量点云数据，数据在存储、操作、输出、显示等方面都会占用大量内存空间，使得数据处理速度缓慢、效率低下，因而需要对点云数据作抽稀处理。在保证精度的情况下，需要对海量的点云数据进行压缩和抽稀。目前，点云数据抽稀有多重方法，较为常用的方法有基于曲线拟合与采样的点云压缩方法、点云数据的区域重心压缩方法和基于最小二乘配置的点云压缩。

5 三维建模

三维建模就是利用三维数据将现实中的三维物体或场景在计算机中进行重建，最终实现在计算机上模拟出真实的三维物体或场景。三维建模是地面三维激光扫描技术应用的一个重要方面，三维激光扫描数据的模型重建技术是根据获得的点云数据，经过数据加工处理，提取建模所需要的重要数据，对物体进行实体建模，以得到三维模型。根据存储方法和在计算机处理过程可分为：点云模型、三维线框模型、三维表面模型、三维实体模型。

5.1 点云数据建模

根据三维数学模型的表达方式不同，点云数据构建模型有两种方法：一种是利用三维点云的点阵模型进行建模，对处理后的点云数据封装构造网格，再通过曲面拟合生成点云模型；一种是规则网络模型构建，对区域空间划分为规则的格网单元，每一个格网对应一个数据，把点云按照高程点分布在格网中，一种高程不同给予不同的颜色，生成直观的数学模型。

5.2 纹理映射

纹理映射是把纹理图像值映射到三维物体的表面技术，以便于使用简单的几何图产生丰富逼真的视觉效果图像，其意义在于：用图像技术替代物体模型中的细节，提高模拟逼真度和系统显示的速度。点云模型建立后，为增加模型的逼真性，通常需要在三维模型上增加纹理，使其成为具有真实纹理的三维模型。

多数目标物并不是一个简单的表面，而是具有复杂图案表面，如果每一个模型细节都用三维模型表示将大大增加数据量以及模型的复杂程度，也会影响系统运行速度，通过纹理映射的方法模拟出这些细节，则会解决这个问题。

我们采用获取的点云强度信息和同步外置相机获取的影像信息对已建立的三维模型进行纹理映射，可实现目标物的三维可视化显示[3]。首先，对目标物进行三维模型投影转换，选取对应点，将二维纹理图像的像素信息赋予对应的三维数据点，然后通过计算，将三个顶点的颜色平均值赋予此三角面片，于是得到了具有真实纹理的三维彩色模型。

6 应用实例

6.1 工程概况

实验工程为某输电线路工程，全长约49km。线路经过地区以平原为主，高程起伏较小，建筑物、交叉跨越较多，具有较强的代表性。三维激光扫描仪为拓普康GLS-2000，仪器内置全站仪的作业模式，能够进行360°水平扫描和270°垂直扫描，测量距离350m。

6.2 点云数据获取

根据前期现场踏勘，收集到相关输电线路资料，编制野外作业方案，采用网络CORS-RTK技术进行测站点、标靶或特征点三维控制坐标采集，高程成果采用似大地水准面成果进行高程改化计算。点云数据和纹理图像数据则利用扫描自带装置进行信息采集，采集时注意观察仪器工作状态。

6.3 点云数据处理

数据处理软件采用拓普康随机软件Topcon McanMaster，处理流程：导入数据→数据拼接→获取影像色彩→制作彩色点云→导出数据。

6.4 三维建模

Kubit公司PointCloud软件为绘图、建模、分析处理提供了大量高效工具，直接支持Faro、Riegl、Leica、Trimble等扫描工程文件，通过点云走势自动得到适配线，提交平、立面图成果，自动计算点云拟合3D模型，通过照片与点云匹配进行3D建模，快速进行彩色切片，对点云及模型进行冲突检测等等。将处理后的拼接数据导出，通过PointCloud软件快速制作模型。

图2 三维通道

7 结语

同常规三维建模数据获取方法相比，利用三维激光扫描仪进行扫描技术进行建模，具有非常突出的优点，是目前获取地面形状和构筑物等真实场景3D模型的理想解决方案。本文将地面三维激光扫描技术用于输电线路三维通道建模，做了一次应用实践研究，获得相应的工作经验并验证其可行性，为地面三维激光扫描技术推广应用提供经验，将其应用于电力行业具有广阔发展前景与应用空间。

[1]谢宏全，侯坤.地面三维激光技术与工程应用.武汉大学出版社，2013.[2]施贵刚.地面三维激光扫描数据处理技术与作业方法研究[D].2007：10～15.

[3]张会霞，朱文博.三维激光扫描数据处理理论及应用.电子工业出版社，2015.

[4]罗寒，王建强.基于地面三维激光扫描两种模型重建技术.测绘与空间地理信息，2015（7）：63～65.

TM769

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1004-7344（2016）01-0085-02

2015-12-1