三维激光扫描技术在变电站扩建中的应用研究及精度评定

刘峰 李鹏飞 高兴国

摘 要：本文利用RIEGL三维激光扫描技术提取某变电站扩建项目的三维空间数据，经过测站间匹配后，建立其三维表面模型。然后，根据生成的三维模型提取变电站重要部位的点、线、面，生成设计专业所需的立体图、侧面图和平面图。与传统全站仪测量方法相比，新方法提供三维可视化图形，工作效率高，并保证相当的测量精度。

关键词：RIEGL三维激光扫描技术；三维模型；点、线、面；立体图；侧面图；精度评定

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

1 引言

随着地面三维激光扫描技术的不断成熟，其应用也越来越广泛，无论是从仪器的精度还是软件更新，都在不断的完善和进步[1]。其非接触式测量的特点可以使其很好地应用于一些结构复杂、工作环境危险的变电站扩建项目[2-3]，获取的海量三维数据，可以更精细的对变电站架构、走线进行局部表达。不仅从一定程度上节省人力，而且可以通过海量数据为设计专业提供不同需求的参数，这些特点为其在变电站扩建项目中的应用提供良好的基础。

因此，本文利用RIEGL三维激光扫描技术对某变电站扩建项目进行扫描作业，对控制网布设、测站分布、标靶布置、数据去噪、测站配准、特征点、线、面提取等进行研究，意在通过三维激光扫描技术获取的高精度海量点云数据，高效构变电站局部精细的三维模型，从而为设计专业提供准确的基础资料，形成外业数据采集及内业数据处理的流程化，以提高测绘产品生产效率，保证成果精度。

2 硬软件介绍

2.1 RIEGL VZ400I三维激光扫描仪

RIEGL VZ-400I三维激光扫描成像系统拥有RIEGL独一无二的全回波技术和实时全波形数字化处理和分析技术，每秒可发射高达1200，000点的纤细激光束。其高精度高速激光测距可同时探测到多重乃至无穷多重目标的细节信息，是传统单次回波反映物体技术所无法比拟的。除此之外，基于RIEGL独特的多棱镜快速旋转扫描技术，能够产生完全线性、均匀分布、单一方向、完全平行的扫描激光点云线。其主要技术指标如下：

（1）测量距离：可达800m；

（2）精度：可达5mm；

（3）重复精度：可达3mm；

（4）扫描角度范围：垂直100°（+60°/-40°）；水平360°；

（5）激光发射频率高达120万点/秒。

2.2 主要应用软件

2.2.1 RIEGL三维激光扫描仪软件—Riscan PRO

Riscan PRO是RIEGL地面三维激光扫描系统的配套软件，以树状结构方式，系统的将用户的测量数据、影像、坐标系统完整的存储在Riscan PRO中，以方便用户的编辑及查阅[4-6]。其中包括扫描站、精细扫描数据、影像数据、GPS数据、控制点坐标和标靶点，以及拼接完好的每站点云及大地坐标系之间的转换矩阵。

2.2.2 点云数据转换软件—Autodesk ReCap

Autodesk ReCap软件是一个独立的应用程序，它可以通过引用多个索引的扫描文件（RCS）来创建一个点云投影文件（RCP）。该软件默认随AutoCAD 2014一起安装。可以通过Windows开始菜单或从Autodesk ReCap桌面图标中启动它。Autodesk ReCap将扫描文件数据转换成点云格式，使其能在其它产品中查看和编辑。Autodesk ReCap处理大规模的数据集，能够聚合扫描文件，并对其进行清理、分类、空间排序、压缩、测量和形象化。

3 项目实例

3.1 控制网布设

根据测区情况，布设4个一级导线控制点，平均边长约60m，采用Leica TS06全站仪进行角度和边长测量，测得角度闭合差为-12"，测角中误差为3.75"，最弱边相对测距中误差为1/47000，满足工程测量一级导线的精度要求。

3.2 测站布设

本次所测变电站设备机组普遍高度较高，细部结构极为复杂。扫描仪布站本着由远至近原则，先在距离机组较远位置架若干站，采集整体场站点云及周边环境。再将扫描仪架设至各机组近处，采集设备机组细节信息。三维激光扫描仪在本次测量工作中全程开启获取彩色点云，为后续的内业处理工作提供更加直观便利的条件。本次作业，共采集22站数据，其中远距离约12站，近距离约10站。

3.3 三维点云模型建立

首先，导入原始扫描数据自动解压后对采集的单站点云数据进行预处理去噪。然后，根据点云数据自动生成所有测站的公共面片（Riscan PRO通过各站点之间公共部分所生成的公共面片可以自动对多站点之间的点云位置进行自动拼接平差处理）。最后，使用软件自带的多站点自动拼接功能进行多站点自动拼接，拼接完成后弹出拼接精度检查报告（见图1），得到完整的实景三维点云数据。

由图1可知，点云配准残差符合高斯分布特点，主要的值分布在0附近，大的差值明显少于小的差值，正负差值数量基本一致，统计后标准差STD为0.006m，说明配准后生成的三维点云模型（见图2）精度满足工程要求。

3.4 特征点、线、面提取

根据设计专业的需求，利用导入到CAD软件的点云，提取重点架构的立体图（见图4）和侧面图（见图5）。

利用高精度的点云模型，利用CAD软件，提取局部高精细的特征线，生成如图4的立体图和图5的侧面图。在立体图和侧面图中，设计专业可以量取相应架构的距离、构筑物的长度、宽度，从而获取准确的避让距离，确定扩建变压器的位置，实现带电不停电环境的三维设计及优化。

3.5 精度评定

为评定生成的立体图、侧面图及平面图的精度，利用传统的Leica TS06全站仪对相同部件的长度进行测量，并进行对比，结果如图6所示。

RIEGL代表扫描仪成果，LS06代表全站仪成果，共对20个部件进行了对比，最大差值约12mm，平均差值约1.65mm，均方根误差约6.47mm，说明二者精度一致。

4 分析与结论

通过对某变电站扩建项目的实例，总结利用RIEGL三维激光扫描技术进行作业的流程，包括：

（1）外业数据采集：如何设置测站及标靶位置，如何设置扫描仪扫描频率及强度，如何设置相机参数等；

（2）数据处理：首先进行数据预处理，然后进行点云去噪和测站配准，平差结果的残差需满足高斯分布的要求；

（3）特征线提取：剪切重要部位的点云数据，适当抽稀后，转换格式后导入到CAD软件，根据点云模型进行特征线提取。

结果表明，RIEGL三维激光扫描仪可用于困难测量区域的三维点云建模，生成高精度的立体图、侧面图和平面图，极大提高工作效率，保障作业人员安全，为设计专业提供准确基础数据。

参考文献：

[1]杨必胜，梁福逊，黄荣刚. 三维激光扫描点云数据处理研究进展、挑战与趋势[J]. 测绘学报，2017，46（10）：1509-1516.

[2]劉求龙，胡伍生，王骢，徐君民.三维激光扫描仪在惠泉变电站三维模型构建中的应用[J].测绘科学，2011，36（02）：210-212.

[3]刘求龙，胡伍生，王骢，徐君民.三维激光扫描仪在惠泉变电站三维模型构建中的研究与实现[J].测绘通报，2010（09）：35-37.

[4]臧克.基于Riegl三维激光扫描仪扫描数据的初步研究[J].首都师范大学学报（自然科学版），2007（01）：77-82.

[5]高珊珊.基于三维激光扫描仪的点云配准[D].南京理工大学，2008.

[6]黄飒.三维激光扫描技术应用于古建筑测绘及其数据处理研究[D].河南理工大学，2012.

作者简介：刘峰（1986-），男，山东济南人，本科，工程师，注册测绘师，主要从事电力工程测绘工作。