基于高精度三维数字技术的变电站运检虚拟场景构建研究

孙蓉 唐锦 卢茜

摘 要：随着计算机技术的不断发展，变电站的三维虚拟现实技術开发应用较多，这些技术的优劣各不相同，基于三维虚拟现实技术的电力可视化培训，有助于实现小学效果的快速实现。为了选取更为合理的变电站虚拟现实技术以实现资源的快速构建，此次对传统常见的三维虚拟现实技术优劣进行对比后，提出了基于融合技术方案的变电站高精度虚拟现实资源快速模型构建，并以此模型构建应用于实际的电力教学培训之中。此次的研究，为电力教学培训可视化教学提供了一种新型的高精度虚拟现实资源快速构建方法，能够广泛应用于智慧教室教学课件和教学过程之中。

关键词：变电站;场景;高精度;虚拟现实;教学

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）06-0152-05

Abstract：With the continuous development of computer technology， there are more development and application of three-dimensional virtual reality technology in substations， and the advantages and disadvantages of these technologies are different. The power visualization training based on three-dimensional virtual reality technology is conducive to the rapid realization of primary school effect. In order to select a more reasonable virtual reality technology of substation to realize the rapid construction of resources， after coMParing the advantages and disadvantages of the traditional three-dimensional virtual reality technology， this paper puts forward the rapid model construction of high-precision virtual reality resources of substation based on the fusion technology scheme， and applies this model construction to the actual power teaching and training. This research provides a new high-precision virtual reality resource rapid construction method for power teaching and training visualization teaching， which can be widely used in the teaching courseware and teaching process of smart classroom.

Key words：substation; scene; high precision; virtual reality; teaching

0 引言

可视化教学是一种现代新型教学的方式，是一种对互联网及计算机技术的教学应用。电力教学具有理论教学复杂、实操难度大的特点，将可视化教学应用其中，能够让学习者更为清楚直观了解到教学内容[1-3]。变电站运检场景高精度虚拟现实资源的快速构建，能够让教学者直接利用相关资源进行教学设计，应用于课件和教学过程之中[4]。教学的可视化技术，目前在诸多行业教学领域之中得到了一定的应用，但是其教学相关技术还在不断的探索。当前，基于可视化技术的智慧教室应用已经越发广泛，智慧教室的运用可以让学生在学习过程中更具有学习能力，能够让课堂变得更得更为高效、智能、简单。基于智慧教室的教学大多是在原有的多媒体教室基础上进行改建的，因而在一定程度上有利于进行传统媒体的重塑。此次的研究，旨在寻找到适应于电力教学的虚拟现实资源快速构建技术方法。

1 传统三维虚拟现实技术对比分析

1.1 传统三维软件建模

传统的三维建模软件包括Maya、3DMax等，一般是通过对采集拍照的照片进行手工建立模型，通过传统三维软件模型能够获取到模型结构准确且外型美观的数据模型，可维护性相对较高。然而采用改种方法的周期偏长，适用于对美观度和精度要求较好的场合。[4]在构建模型时，首先是靠人工外业获取图片、图纸数据，将数据导入三维软件之中。在同时进行较大场景的制作时，可以在建模之初就统一设置显示单位和系统单位，以便于进行操作[5-7]。其次是创建建筑空白模并修正及贴图制作使用，在白模创建完成后，需要修正后导出UV信息后在二维图形软件中制作UV贴图，并将其与模型匹配结合。

1.2 倾斜摄影矢量建模

倾斜摄影技术是近年来国际上新发展起来的一项高新技术，利用飞行平台搭建多台传感器，由一定倾斜角度的航摄像机获取影像。采集影像的角度可以是垂直也可以是切斜等不同的角度，是为了能够获取到更为完整准确的信息。一般采用的倾斜摄影技术有三相机和五相机的组合，虽然也有采用单相机或双相机的方案，但是会降低采集效率。在五相机方案之中，一般是一台获得垂直影响，其余4台从前后左右4个不同的角度方向获取影像数据[8]。为了获取较为完整的地物侧面轮廓纹理信息，相机的倾斜角度控制在40°～60°。因为摄影系统是搭载在飞行平台上面的，因而数据收集度快，成像效果好。相较于正向影像，倾斜影像从多个角度来观察地物并收集数据，因而可以反应地物周边的真实情况。在配套了相应软件后，能够直接应用基于倾斜影像中地物的长度、面积、角度、坡度等数据，实现单张影像的量测。将倾斜摄影技术应用于电力设备结构的建模时，可以从中批量提取出贴纹理，降低三维模型构建的所需要的时间成本。采用该方法获取的数据量较小，因而便于网络发布。

1.3 三维激光扫描建模

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是继GPS空间定位技术后的又一个先进的全自动高精度立体扫描技术。该项技术是利用激光测距原理在一瞬间获取得到空间三维坐标值，其获取数据具有高效、快速、准确的特点，是一种具有较高服务能力水平的新型测量技术。利用三维激光扫描技术进行数据扫描的时候，同时包含了R、G、B颜色信息及X、Y、Z的空间坐标信息，更为全面的数据信息能够使得构建的模型更为全面，在电脑中有一种真实的感觉[9]。该项技术和传统测量技术最大的区别，就是可以突破白天和黑夜的限制，在任何时间都能够对任意物体进行扫描以获得对应的数据，具有精度高、速度快、主动性强等特点，将数据导入软件后可以利用数据直接生成语句高精度的三维数字化模型，不需要再花费成本去进行数据处理，节约成本[11]。利用三维激光扫描技术进行地物数据模型的构建时，首先需要获取物体表面的原始数据，通畅采用三坐标测量的方式，利用扫描仪扫描得到密集的点云（Point Cloud）。由于被扫描的物体数据非常复杂，因而需要将不同的数据进行合并，从而构建出完整的表面模型。

1.4 三维模型构建技术对比分析研究

通过前面对3种三维模型构建技术的对比分析，可以了解到3种技术方案的原理、特点等，进一步进行3种技术方案的对比分析。对比分析的结果详如表1中所示。

针对3种虚拟现实技术的优缺点对比分析可以看出，倾斜摄影技术和三维激光扫描技术作为一种现代技术的新手段，相较于传统的三维软件建模技术在许多方面都具有共同性，有着各自的优点和缺点。其中的倾斜摄影模型既有真实的纹理，三维激光模型构建具有高精细度的部件结构，可以将两个技术整合和获取得到一些共性优势从而获得更为真实和准确的模型结果。结合电力设备的实际结构和项目需求的需要，此次确定了利用倾斜摄影技术和三维激光扫描模型构建技术结合形成一种新的技术方案来构建虚拟现实模型资源。

2 基于高精度三维数字技术的变电站模型构建

基于改进算法进行变电站的快速高精度模型构建，根据变电站设备构建特点，可以将其特征划分为两种，分别是和外形有关和无关的特征。变电站快速建模的流程图如图1所示。

根据变电站模型具有标准型和重复性的特点，首先利用三维激光扫描技术采集到整个变电站的云数据后，去除变电站地面点云后，利用高度滤波和空间密度滤波的方法提取变电站电力线，分割出独立部件点云模型。随后采用二维平面包围盒拓扑结构的点云重复结构检测算法。其次是利用点云形状和尺寸对模板库中的CAD模型进行检索，将检索到的模型和点云进行模板拟合后构建出最小重复单元模型。最后是利用构建好的最小单元模型按照检测重复模型重建后就可以快速得到整个变电站的精确模型。基于此次所提出算法快速构建的高精度模型如图2中所示。

利用专业的三维建模软件对于未覆盖设备特征进行高精度建模，并最终构建和真实场景比例一致的高精度变电站模型，并在模型中展现出变电站的周边地形环境和设备。三维模型包括了几何和纹理两个部分，为了便于管理人员的识别，因而需要加强对模型纹理映射以增强模型的可视化效果。在进行模型参数化处理的时候，应同时基于精准数字模型和设备照片数据准确接入设备纹理和铭牌信息，使得纹理像素匹配于几何面。如此可以实现模型具有良好的视觉感受，匹配相关属性，实现设备的状态管理。

最后整合前面的数据的数据后在电脑上实现快速建模，在建模的过程中，首先进行数据的预处理，其次利用区域增长算法后实现设备点云数据的独立化，最后利用基于组件匹配建模方法实现最小重复单元的建模，和重复结构模式结合后就可以得到变电站模型。由此得到添加地面之后的电站场景重建效果图，如图3所示。

3 基于变电站运检场景高精度虚拟现实资源快速

构建方法的电力教学应用

3.1 教学课程设计

此次以电气设备结构原理与典型故障的场景化互动教学课件设计为例，课件设计分为三个章节，分别是典型变压器结构原理和典型故障场景化教学、典型互感器结构原理和典型故障场景化教学以及典型GIS开关设备结构原理和典型故障场景化教学，一共38课时。教学主要分为理论教学和实操演练两个模块，通过理论教学首先让学习者了解和掌握理论基础，从而为进行实操演练做好准备。如表2所示。

电力系统的运行以及电力结构概念相对抽象，学习者在学习过程中难度较大，通过更为形象的图形界面能够加深学生对于学习原理的理解，基于可视化仿真技术的电力教学，可以满足教学的各项要求。变电站的运行管理是一个综合的复杂过程，基于三维虚拟技术的可视化教学，能够将变电站的规划布局、运行管理、部件细节等都具体反映出来，学生在课堂中可以全方位了解所学知识的理论及实际工程中的具体情况。

3.2 智慧教室构建

基于可视化技术的智慧教室构建，特别是将其应用于电力教学之中有着非常好的教学效果。智慧教室是综合了现代计算机技术、互联网技术、虚拟现实技术等，实现了可视化、自动化、智能化、高效化的特点。为了能够实现智慧教室的各项功能，在主控系统中包含了可触控式主副屏、 交互式白板功能、 集成融媒體管理系统、 集成教学资源管理平台、 符合人体工学设计且高度可自由升降、 兼容主流VR/AR设备，如图4中将教室打造出具有浑然一体的全方位场景体验功能。

信息技术的发展对教育教学有着非常大的影响，多媒体技术的普及和课件的不断更新，教学方式和教学模式也在不断更新，特别是“智慧校园”的提出，已经成为当前构架科技发展的重点规划领域。在当前的智慧教学中，智慧教学是基于物联网技术实现教学相关所有人员的数据，并实现传功教学服务管理模式的突破，并将它们整合成为一个交互灵活的职能整体。电力智慧教室教学，能够实现感知、采集、分析、处理能力的智慧教学，实现教学人员共享教学资源、可视化教学目的。目前虽然智慧教学提出已久，在高校教学中应用颇多，但是单纯应用于电力教学中几无先例，更遑论教学效果。虚拟现实技术为智慧教学提供了基本的技术基础，可以真正实现智慧教学的终端功能。

4 结论

基于虚拟现实技术的可视化教学目前已经广泛应用于各个行业教学之中，电力教学的理论学习难度较大，学习者对相关概念缺乏一个直观的认知，而对于需要进行实操的部分，也很难具备进行实地、实物的操作演练，再加上电力系统的相关部件非常复杂，因而要进行实际的操练，可能会出现的错误较多。在智慧教室的教学中，将可视化融入其中，能够给学习者更为直观的教学效果和全新的教学体验，可以提高学习者的学习兴趣。通过对比3种三维虚拟现实技术的優劣，选择其中的激光三维扫描技术和倾斜矢量摄影构建技术融合技术来构建变电站虚拟现实技术快速构建资源以应用于智慧教室的教学之中，能够构建出新的教学模式，可以应用于现代电力教学之中。

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