基于地面激光掃描的輸電線路走廊三維建模方法

盛金馬 鄧清軍 常江

（1.國網(wǎng)安徽省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院 合肥 230022 2.中國能源建設(shè)集團安徽省電力設(shè)計院有限公司 合肥 230601）

基于地面激光掃描的輸電線路走廊三維建模方法

盛金馬1鄧清軍2常江1

（1.國網(wǎng)安徽省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院 合肥 230022 2.中國能源建設(shè)集團安徽省電力設(shè)計院有限公司 合肥 230601）

本文研究了地面三維激光掃描測量基本原理、數(shù)據(jù)采集流程、點云數(shù)據(jù)預(yù)處理及三維建模等，并結(jié)合具體工程驗證其用于輸電線路走廊三維建模的可行性，研究結(jié)論為三維激光掃描進(jìn)一步應(yīng)用推廣提供借鑒和經(jīng)驗。

地面三維激光掃描；數(shù)據(jù)采集；三維建模；紋理映射

1 引言

輸電線路長距離、走廊復(fù)雜、交叉跨越多、地域氣候差異大且數(shù)量逐年增加與線路運行維護(hù)人員數(shù)量相對不足的矛盾日趨突出，迫切需要能夠直觀反映輸電線路實際走向、交叉跨越關(guān)系及距離的三維走廊，以提供輸電線路走廊的清晰、完整、可讀取量測的全面數(shù)據(jù)，三維實景化展示現(xiàn)場通道情況，實現(xiàn)任意空間距離的精確三維測量，開展線路運維危險點的智能化監(jiān)測分析與預(yù)警。

地面三維激光掃描技術(shù)是一種不需接觸測量目標(biāo)而能快速獲取物體表面三維坐標(biāo)的測量技術(shù)，又稱“實景復(fù)制技術(shù)”。與傳統(tǒng)測繪技術(shù)不同，它的出現(xiàn)使三維數(shù)據(jù)獲取方式向連續(xù)、海量的自動化方向轉(zhuǎn)變，海量點云影像數(shù)據(jù)為三維建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，拓寬了測繪技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，其重要應(yīng)用方面是三維建模，為輸電線路走廊建模提供了技術(shù)支撐。

2 地面三維激光掃描測量原理

地面三維激光掃描儀是一種集成多種高新技術(shù)的新型測繪儀器，利用非接觸式高速激光測量模式，以點云形式獲取地形及復(fù)雜物體三維表面的陣列式幾何圖形數(shù)據(jù)。在掃描儀器內(nèi)，掃描控制模塊控制和測量每個脈沖激光的角度，針對每一個掃描點可測得測站至掃描點的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點與測站的空間相對坐標(biāo)[2]，原理如圖 1。

3 數(shù)據(jù)采集

地面三維激光掃描外業(yè)數(shù)據(jù)采集主要包括以下幾部分：

（1）控制測量：控制點應(yīng)根據(jù)地形地貌布設(shè)并組成相關(guān)網(wǎng)形，控制測量應(yīng)符合現(xiàn)行規(guī)程i規(guī)范精度要求。

（2）掃描站布測：站點應(yīng)設(shè)置在視野開闊、安全穩(wěn)定區(qū)域，掃描范圍覆蓋整個掃描目標(biāo)，并根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境相應(yīng)增加掃描站點。坐標(biāo)測量時嚴(yán)格根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行。

圖1 地面三維激光掃描儀測量原理

（3）標(biāo)靶布測：標(biāo)靶或特征點選擇應(yīng)均勻分布且有高低錯落，相鄰掃描站公共標(biāo)靶或特征點不少于3個；測量標(biāo)靶或特征點三維坐標(biāo)時，注意較差和校核。

（4）采集掃描：通過設(shè)置采樣分辨率、掃描距離以及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，采集過程中注意實時數(shù)據(jù)檢查，外業(yè)結(jié)束導(dǎo)出數(shù)據(jù)并備份。

（5）紋理圖像采集：選擇合適的像元和有利的拍攝環(huán)境，并保證不少于30%的重疊區(qū)域，紋理影像數(shù)據(jù)由掃描系統(tǒng)自帶數(shù)碼相機獲取。

4 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于地面三維激光儀掃描所獲得的原始點云數(shù)據(jù)具有密度大、冗余、辨別難度大等缺點，所以三維建模前必須對其進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要工作有去噪平滑、匹配拼接、轉(zhuǎn)標(biāo)轉(zhuǎn)換、壓縮抽稀等。

4.1 點云數(shù)據(jù)去噪平滑

在實際掃描過程中受到各種人為或隨機誤差因素的影響，所獲得點云數(shù)據(jù)不可避免地存在噪聲點，所以在對點云數(shù)據(jù)處理前需要進(jìn)行去噪。判斷一數(shù)據(jù)是否是噪聲點，根據(jù)判定方式不同常用判斷辦法：有人為判定法、弦長閾值判定法、角度閾值判定法和曲線檢查法。

由于測量系統(tǒng)本身存在機械誤差和測量時的振動誤差，以及外界光、熱等因素對系統(tǒng)造成的影響，會給點云數(shù)據(jù)帶來微小的系統(tǒng)誤差和隨機誤差，為減少對后續(xù)建模質(zhì)量的影響，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，常用數(shù)據(jù)平滑方法有：中值法、平均值法、高斯濾波法。

4.2 點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

由于目標(biāo)物、掃描儀自身視角及周邊環(huán)境等影響，各測站獲取的數(shù)據(jù)只是目標(biāo)物的一部分，點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)目的是解決不同測站數(shù)據(jù)拼接的問題，將不同測站的三維點云影像資料經(jīng)過加工處理，提取到同一基準(zhǔn)線下構(gòu)成的三維點云數(shù)據(jù)集合。根據(jù)不同的作業(yè)方法，通常利用相鄰掃描區(qū)域內(nèi)3個及以上控制點、同名點或控制標(biāo)靶進(jìn)行匹配，常用算法：四元數(shù)配準(zhǔn)算法、七參數(shù)配準(zhǔn)算法、迭代最近點算法（ICP）及其改進(jìn)算法。

4.3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

為滿足工程測量、地理信息數(shù)據(jù)庫等生產(chǎn)應(yīng)用需要，需將掃描點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系或地理坐標(biāo)系下，獲得點云數(shù)據(jù)精確的地理位置坐標(biāo)。不同掃描儀設(shè)計性能不同，所采用的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方式不同，通常采用兩種轉(zhuǎn)換方式：一種轉(zhuǎn)換方式：通過計算已知測站點和后視點的空間坐標(biāo)將掃描點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到空間直角坐標(biāo)下。另一種轉(zhuǎn)換方式：已知3個參考點在掃描坐標(biāo)和空間直角坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計算，將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到空間直角坐標(biāo)系下。

4.4 點云數(shù)據(jù)抽稀

三維激光掃描具有速度快、采樣率高、非接觸性等特點，在短時間內(nèi)可獲得海量點云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在存儲、操作、輸出、顯示等方面都會占用大量內(nèi)存空間，使得數(shù)據(jù)處理速度緩慢、效率低下，因而需要對點云數(shù)據(jù)作抽稀處理。在保證精度的情況下，需要對海量的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和抽稀。目前，點云數(shù)據(jù)抽稀有多重方法，較為常用的方法有基于曲線擬合與采樣的點云壓縮方法、點云數(shù)據(jù)的區(qū)域重心壓縮方法和基于最小二乘配置的點云壓縮。

5 三維建模

三維建模就是利用三維數(shù)據(jù)將現(xiàn)實中的三維物體或場景在計算機中進(jìn)行重建，最終實現(xiàn)在計算機上模擬出真實的三維物體或場景。三維建模是地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的一個重要方面，三維激光掃描數(shù)據(jù)的模型重建技術(shù)是根據(jù)獲得的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)加工處理，提取建模所需要的重要數(shù)據(jù)，對物體進(jìn)行實體建模，以得到三維模型。根據(jù)存儲方法和在計算機處理過程可分為：點云模型、三維線框模型、三維表面模型、三維實體模型。

5.1 點云數(shù)據(jù)建模

根據(jù)三維數(shù)學(xué)模型的表達(dá)方式不同，點云數(shù)據(jù)構(gòu)建模型有兩種方法：一種是利用三維點云的點陣模型進(jìn)行建模，對處理后的點云數(shù)據(jù)封裝構(gòu)造網(wǎng)格，再通過曲面擬合生成點云模型；一種是規(guī)則網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建，對區(qū)域空間劃分為規(guī)則的格網(wǎng)單元，每一個格網(wǎng)對應(yīng)一個數(shù)據(jù)，把點云按照高程點分布在格網(wǎng)中，一種高程不同給予不同的顏色，生成直觀的數(shù)學(xué)模型。

5.2 紋理映射

紋理映射是把紋理圖像值映射到三維物體的表面技術(shù)，以便于使用簡單的幾何圖產(chǎn)生豐富逼真的視覺效果圖像，其意義在于：用圖像技術(shù)替代物體模型中的細(xì)節(jié)，提高模擬逼真度和系統(tǒng)顯示的速度。點云模型建立后，為增加模型的逼真性，通常需要在三維模型上增加紋理，使其成為具有真實紋理的三維模型。

多數(shù)目標(biāo)物并不是一個簡單的表面，而是具有復(fù)雜圖案表面，如果每一個模型細(xì)節(jié)都用三維模型表示將大大增加數(shù)據(jù)量以及模型的復(fù)雜程度，也會影響系統(tǒng)運行速度，通過紋理映射的方法模擬出這些細(xì)節(jié)，則會解決這個問題。

我們采用獲取的點云強度信息和同步外置相機獲取的影像信息對已建立的三維模型進(jìn)行紋理映射，可實現(xiàn)目標(biāo)物的三維可視化顯示[3]。首先，對目標(biāo)物進(jìn)行三維模型投影轉(zhuǎn)換，選取對應(yīng)點，將二維紋理圖像的像素信息賦予對應(yīng)的三維數(shù)據(jù)點，然后通過計算，將三個頂點的顏色平均值賦予此三角面片，于是得到了具有真實紋理的三維彩色模型。

6 應(yīng)用實例

6.1 工程概況

實驗工程為某輸電線路工程，全長約49km。線路經(jīng)過地區(qū)以平原為主，高程起伏較小，建筑物、交叉跨越較多，具有較強的代表性。三維激光掃描儀為拓普康GLS-2000，儀器內(nèi)置全站儀的作業(yè)模式，能夠進(jìn)行360°水平掃描和270°垂直掃描，測量距離350m。

6.2 點云數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)前期現(xiàn)場踏勘，收集到相關(guān)輸電線路資料，編制野外作業(yè)方案，采用網(wǎng)絡(luò)CORS-RTK技術(shù)進(jìn)行測站點、標(biāo)靶或特征點三維控制坐標(biāo)采集，高程成果采用似大地水準(zhǔn)面成果進(jìn)行高程改化計算。點云數(shù)據(jù)和紋理圖像數(shù)據(jù)則利用掃描自帶裝置進(jìn)行信息采集，采集時注意觀察儀器工作狀態(tài)。

6.3 點云數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理軟件采用拓普康隨機軟件Topcon McanMaster，處理流程：導(dǎo)入數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)拼接→獲取影像色彩→制作彩色點云→導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

6.4 三維建模

Kubit公司PointCloud軟件為繪圖、建模、分析處理提供了大量高效工具，直接支持Faro、Riegl、Leica、Trimble等掃描工程文件，通過點云走勢自動得到適配線，提交平、立面圖成果，自動計算點云擬合3D模型，通過照片與點云匹配進(jìn)行3D建模，快速進(jìn)行彩色切片，對點云及模型進(jìn)行沖突檢測等等。將處理后的拼接數(shù)據(jù)導(dǎo)出，通過PointCloud軟件快速制作模型。

圖2 三維通道

7 結(jié)語

同常規(guī)三維建模數(shù)據(jù)獲取方法相比，利用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描技術(shù)進(jìn)行建模，具有非常突出的優(yōu)點，是目前獲取地面形狀和構(gòu)筑物等真實場景3D模型的理想解決方案。本文將地面三維激光掃描技術(shù)用于輸電線路三維通道建模，做了一次應(yīng)用實踐研究，獲得相應(yīng)的工作經(jīng)驗并驗證其可行性，為地面三維激光掃描技術(shù)推廣應(yīng)用提供經(jīng)驗，將其應(yīng)用于電力行業(yè)具有廣闊發(fā)展前景與應(yīng)用空間。

[1]謝宏全，侯坤.地面三維激光技術(shù)與工程應(yīng)用.武漢大學(xué)出版社，2013.[2]施貴剛.地面三維激光掃描數(shù)據(jù)處理技術(shù)與作業(yè)方法研究[D].2007：10～15.

[3]張會霞，朱文博.三維激光掃描數(shù)據(jù)處理理論及應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，2015.

[4]羅寒，王建強.基于地面三維激光掃描兩種模型重建技術(shù).測繪與空間地理信息，2015（7）：63～65.

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1004-7344（2016）01-0085-02

2015-12-1