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

李 炜， 王红训， 李德强

(中国电力技术装备有限公司郑州电力设计院，河南 郑州 450000)

1 概述

变电站涉及到的三维数字化设计，是一项采用构建数字化技术体系，加以工程设计中使用变电工程数字化设计技术，达到输变电工程全寿命周期每一个环节数据交互强化，起始于项目立项，前后不仅涵盖工程科研、初步设计以及项目评审，还衔接施工图设计、工程建设施工和生产交付，另外还附带调度和运维等过程的一项数字化应用，它可以除去信息孤岛，达到信息共享，并有效提升传统变电工程设计的水平，显著提高工作效率和管理水平。

变电工程一旦开始土建设计，则需要站址范围地形图(该图由测量专业完成)，依照地形图开展土方量计算、道路规划和给排水设计以及平面布置等工作，因此，若要完成变电站工程的三维数字化设计，前提是完成站址地形图的三维数字化设计，其中最常用的方法是通过全站仪或GPS获取单点三维坐标，然后形成的是二维数字化地形图，但不符合三维设计的要求。

三维激光扫描技术是最近几年兴起的一项技术，并迅速成为采集空间数据的核心技术手段之一。使用该技术可以迅速和精确地采集到地物三维地理坐标，并且不和地物表面接触来进行三维构建，正因如此，该技术在涉及到三维数字化设计使用的行业中受到日益广泛的青睐。该文引用的案例是北京某220 kV变电站工程，通过地面三维激光扫描设备采集区域空间数据，之后对数据进行处理和重建，从而给变电站的三维设计输入了三维地形地物数据。

2 工程概况

该项目在北京朝阳区内。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。

3 三维激光扫描作业流程

3.1 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(一种地面三维激光扫描仪，如图1所示)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。

图1 Trimble TX8型地面激光扫描仪

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2所示。

3.2 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。

3.3 点云数据处理

借助Trimble RealWorks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。

图2 地面三维激光扫描仪站点图

3.3.1 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。

3.3.2 点云数据拼接

通过Trimble RealWorks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1 cm。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。

3.3.3 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Trimble RealWorks“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。

3.3.4 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Trimble RealWorks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Scan Explorer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3ds Max来开展，前提是云数据的格式要进行转换。

4 总结及展望

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。