基于多技术融合的输电线路施工质量管理方法

国网江苏连云港供电公司莫锋

国网江苏连云港三新供电服务有限公司刘东明

本文面向输电线路工程建设，结合应用三维激光点云技术和BIM 技术实现输电线路工程施工质量管理，并提出一种基于多技术融合的输电线路施工质量管理方法，通过三维激光点云技术实现输电线路施工现场的实时监测和BIM技术，实现输电线路工程全生命周期管理，构建三维数字化工地，满足各参建方协作需求、质量控制需求、效率提升需求和管理精益化需求。

技术支撑

三维激光点云技术

三维激光点云技术是一种新兴技术，因其可以快速、非接触地对周围环境信息进行三维模型重建，而在生活中获得广泛应用。

点云数据由三维激光扫描仪采集获得。三维激光扫描仪作业原理如下：三维激光扫描仪通过发射和接收的激光束扫描目标实体，利用激光束中心点来定位，并根据激光的飞行时间计算出每个点的三维坐标，如图1所示。

图1 三维激光扫描仪测距原理图

假设β为激光束的竖直方向角，α为激光束的水平方向角，S 为激光雷达到被测量点的斜距，则所测量点P（x，y，z）的坐标计算公式可表示为：

在机载式激光雷达系统中，将三维坐标（x，y，z）、激光反射强度、颜色信息（RGB）和目标实体表面丰富的影像信息，通过激光雷达系统同步采集的全球定位系统（GPS）数据、惯性测量单元（IMU）数据和测量系统所提供的各类技术参数的联合解算，获得联合定位信息（如图2所示），包括每一个激光点的空间坐标和每张数码影像的外方位元素，即完成了原始激光点云数据预处理的定位、定向、校准和坐标转换过程。完成空间纠正后的点云数据，形成数字地表模型，从而可以分辨出地物。

图2 机载式激光扫描仪工作原理图

BIM技术

BIM 是一个工程项目物理和功能特性的数字化表达，是一个工程项目信息可以分享的知识资源，为其全生命期的各种决策构成一个可靠的基础。BIM 技术也是数字技术在建筑工程中的直接应用，以解决建筑工程在软件中的描述问题，使设计人员和工程技术人员能够对各种建筑信息做出正确应对，并为协同工作提供坚实基础。BIM 同时又是一种应用于设计、建造、管理的数字化方法，整个过程是可视化的，这种方法支持建筑工程的集成管理环境，使建筑工程在整个进程中显著提高效率和大量减少风险。

研究现状

现阶段，有学者开发了输电线路施工管理系统，实现巡检数据记录、分析、辅助决策等，该系统仅相当于数据库的功能，为输电线路施工管理提供信息支撑；也有学者利用BIM技术建立输变电工程全生命周期管理平台，实现工程进度、质量、安全、技术和造价管理，并建立了多维施工的BIM 5D 模型（3D 实体+1D 时间+1D 内容），为施工人员提供可视化的输变电工程建设信息；另有学者以三维激光点云技术为基础，实现输电线路工程的巡检和质量检查，将施工人员的工作环境从施工场地转变为计算机前。然而，以上三种方法（系统）有个共同缺点：在施工质量检查时，需由检查人员现场手动操作获取，且质量检查过程烦琐。

现阶段BIM技术和三维激光点云技术的融合应用在输电线路施工质量管理中仍属空白；BIM模型与点云模型虽同属三维可视化模型，但二者间的相互转化和融合分析等关键技术仍有待突破。

基于多技术融合的输电线路施工质量管理方法

本文提出的基于多技术融合的输电线路施工质量管理方法以三维激光点云技术和BIM技术为支撑，总体工作思路分为三部分：

第一部分为BIM建模，利用BIM技术建立输电线路的BIM模型，此BIM模型为4D 形式（加时间轴），这样可以将各个施工阶段的BIM 模型以动画的形式展现在用户面前，在工程规划、设计、施工和运维阶段采用BIM 技术实现工程全生命周期管理。

第二部分为输电线路点云数据采集及处理，由工作人员到施工场地，采用地面式或机载式三维激光扫描仪对施工场地进行三维激光扫描，采集回来的点云数据经滤波去噪和分割分类等点云处理操作，获取一份质量较高的点云数据，为后续质量检查提供保障。

第三部分为输电线路质量检查，经过前两部分已获得各阶段施工的BIM模型和点云模型，而质量检查便是将这两种模型放在一起比对，从而清楚在施工中是否出现电力杆塔倾斜、两座电力杆塔之间间距是否与设计图纸不一致等。接下来，介绍一下这三部分内容的具体实现方法。

经过几十年的发展，地下水监测工作取得了长足进步，积累了大量的监测数据，在社会经济发展中发挥了重要作用，主要体现在以下方面：为生态文明建设提供技术支撑[4]，为科学防治地质灾害提供决策依据[5]，为水资源开发利用与保护提供及时服务[6]，为地质勘查及地下水环境科学研究提供基础资料[7]，同时在矿产资源评价[8]、地质遗迹保护[9]、矿山水害防治[10]、土地利用与国土规划、城市地下水空间利用[11]等领域也发挥了不可替代的作用。

BIM建模工作

这部分工作主要依据设计图纸和施工方案建立输电线路的4D 模型（含时间轴），整个施工过程以3D动画的形式展示在用户面前。

建立输电线路的BIM模型，有利于施工过程可视化，实现多个参建单位的高效协同工作，还可进行作业区布置、施工预演等，促进输电线路建设的全生命周期管理。

利用BIM 技术将施工过程制作成动画，形成3D施工方案，形象化地向评审人员介绍施工方案并指导作业人员规范、安全地操作，大大节省了方案审查、安全交底的时间，提升工作协同效率。

基于设计图纸建立的三维BIM 模型可以形成宝贵的三维模型数据库，有效对模型中所存在的数据进行分类汇总，形成系统性的技术知识库，用于后期的指导施工。对非结构化数据信息进行调整，确保在数据传输上可以实现无缝对接，实现平台之间的互相交流，有效对工艺和档案文件进行储存。

输电线路点云数据采集及处理工作

输电线路点云数据的采集由工作人员采用地面式或机载式三维激光扫描仪来完成，但采集回来的点云数据需要经过一系列的处理方能使用，这是因为点云数据受三维激光扫描仪自身固有误差、外界环境、被测目标以及配准误差等多种因素影响，得到的点云数据通常质量较差且数据量较大，这些问题很大程度上导致了点云数据业内处理时间的增长，无法为工程施工方案的调整和决策等提供有效的参考依据。本文对采集回来的点云数据采取如图3所示的流程进行处理。

点云金字塔化，即通过分析海量激光点云数据与影像数据的共同点，研究影像金字塔数据模型及其构建方法，对海量点云数据采取抽稀、切割分块的方法，构建一种类似于影像金字塔的“点云金字塔”数据模型，基于该数据模型进行四叉树空间索引的构建，采用一种面向“点云金字塔”的四叉树搜索算法，从而实现根据空间位置及比例尺动态的读取、显示点云数据，以达到海量点云数据的动态可视化的目的。

标记杆塔则是为了将输电线路点云数据按档距划分，点云处理时也分档距处理。

图3 点云处理流程图

采集的点云数据还有一个必经的点云处理流程是点云的滤波和去噪，例如点云滤波可以很大程度上缩小点云数据总量，提高后续点云处理速率。

图4 是滤波前后两幅输电线路点云数据量对比图，滤波方法采用统计滤波，第一幅图为统计滤波前，第二幅图为统计滤波后。从图中可以看到，虽然滤波前后点云模型的外观并无明显变化，但点云数据总量却减少了几十万个点，而这些点全部是统计滤波滤除的离群点（噪声点），由此可见，噪声点的滤除对整个工作效率有较大的提高。

在质量检查中将施工现场采集得到的点云数据和根据设计图纸建立的BIM 模型比对时，用户不希望拿整段的输电线路进行比对，而是分模块比对，一次在点云滤波去噪之后，还需对输电线路点云数据进行分类。

图4 滤波前后点云数据对比图

本文对于输电线路点云数据，首先根据输电线路本身固有特征将其自动分为地物点、杆塔点和电力线点三类（分类效果如图5所示），之后再采用手动方式进行绝缘子串、杆塔横担等更精细部件的细分，完成点云分类之后，便可进行最后一步点云处理操作，三维模型重建。

经过上述的点云处理流程，用户可以获得质量较好的点云数据，方便进行最后一步工作——质量检查。

输电线路施工质量检查工作

已得到输电线路的点云模型和BIM模型，要想实现输电线路施工质量检查，需将两模型转换为同一种模型，在同一个三维数据平台下展示，这里选择将输电线路的BIM 模型转换为点云模型，转换方法即为提取BIM模型中所有的面、线和顶点，并将顶点保持不变，而将面和线以均匀间隔点填充表示，这样即可将BIM模型转换为点云模型，点云数据量不易过多或过少。点量过多，会增加后续程序处理时间；点量过少，则难以表现电力设施的全部特征，一般一座电力杆塔用一万点表示即可。下文中统一称由BIM 模型转换而得的点云模型为设计模型。

由于BIM 模型转换而得的设计模型和点云模型分属不同坐标系，因此需进行两模型间的自动配准，配准前先对点云模型进行体素滤波，使滤波后的点云模型和设计模型有大致相同的点云总量，体素滤波同样是为了增快配准。点云模型和设计模型的配准分两步进行：粗配准和精配准，粗配准采用Super-4PCS（4-Points Congruent Sets）算法进行，该算法效率较高，且抗噪性较强；精配准则选用经典的ICP 算法，该算法精度高，可取得十分精准的配准效果。

图5 输电线路点云分类图

完成点云模型和设计模型间的配准之后，两个模型即可在同一点云显示界面、同一坐标系下进行展示，工作人员可通过手动测量来获得当前施工参数以及施工进度，进而了解当前施工质量状况，为下一步质量管理工作制定方案。

结论

本文提出的方法可显著优化和提升输电线路质量管理效果和效率，大幅降低输电线路“带病”投运的几率，实现工程质量和安全水平的提升、降低质检成本的目标，是电网基建改革的一个重要方向，其成果对指导三维模型结合物联网技术在输电工程质量管理中的应用具有重要的指导意义，同时为促进输电工程零缺陷建设和全生命周期管理的目标提供坚强的技术保障。■