基于虛擬透視技術(shù)的地下電纜現(xiàn)場(chǎng)展示終端的研究

馬進(jìn)+楊義軍+于金亮

摘 要：目前，我國(guó)高壓電力電纜管理絕大多數(shù)依賴于從業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)電纜網(wǎng)絡(luò)的熟悉程度，人員專業(yè)素質(zhì)直接影響到電力電纜的運(yùn)行維護(hù)水平，甚至影響到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。現(xiàn)階段由于種種原因，部分線路的資料不全，且有關(guān)資料精度不高或與現(xiàn)狀不符，甚至有的直埋電纜沒(méi)有路徑走向圖，工作人員在電纜井內(nèi)工作時(shí)，分不清進(jìn)出井內(nèi)的電纜是哪條線路。因此，如何利用科學(xué)的技術(shù)和管理手段對(duì)電力電纜信息迸行有效管理，使電力電纜的管理步入定量化、科學(xué)化、自動(dòng)化、現(xiàn)代化的軌道，己成為電力行業(yè)當(dāng)前十分緊迫的任務(wù)。針對(duì)以上問(wèn)題，提出以虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)、實(shí)景地理信息系統(tǒng)、移動(dòng)定位技術(shù)、電纜運(yùn)行檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，建立電力電纜檔案管理系統(tǒng)，切實(shí)解決當(dāng)前電力電纜及管溝管理的落后狀態(tài)，提高電纜管理水平，為電網(wǎng)智能化管理提供技術(shù)保障，彌補(bǔ)電纜管理空白，對(duì)電纜線路運(yùn)維提供一手資料。

關(guān)鍵詞：電纜管理；虛擬透視；現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)；三維掃描；數(shù)字化全息

本設(shè)備將解決電纜線路增線施工、運(yùn)行維護(hù)以下問(wèn)題：

1、應(yīng)用三維掃描成像技術(shù)進(jìn)行電纜溝道內(nèi)部建模，管理人員可以了解溝道內(nèi)真實(shí)電纜布置情況。

2、應(yīng)用手持機(jī)實(shí)現(xiàn)地下電纜的模擬顯示，“真實(shí)看見(jiàn)”地下電纜走向、相別、疊加、燃?xì)馀c供水等城市管網(wǎng)情況。

3、對(duì)電纜進(jìn)行立體化、多維度管理，臺(tái)賬、圖紙資料等信息與三維仿真模型結(jié)合地理信息系統(tǒng)對(duì)地下電纜實(shí)行數(shù)字化全息管理。

4、實(shí)現(xiàn)溝道作業(yè)方案三維仿真，模擬施工進(jìn)度與開(kāi)挖施工對(duì)周?chē)芫W(wǎng)的影響。

5、實(shí)現(xiàn)科學(xué)化、數(shù)字化、直觀化的三維全息電纜檔案與施工管理。

本設(shè)備采用現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)與三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)三維掃描成像技術(shù)構(gòu)建真實(shí)的電纜溝建模。將利用三維掃描成像技術(shù)將電纜溝內(nèi)的情況采集到三維地理信息系統(tǒng)，這與以往使用人工建立虛擬地下電纜不同，三維掃描成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)的地下電纜仿真。進(jìn)而結(jié)合城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)更加直觀、準(zhǔn)確的管理地下電纜與進(jìn)行施工方案制定。通過(guò)現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)將地下電纜仿真數(shù)據(jù)顯示在手持設(shè)備屏幕上，基于攝像頭采集的實(shí)時(shí)影像疊加，為現(xiàn)場(chǎng)人員提供地下電纜的情況模擬就像為現(xiàn)場(chǎng)人員提供了一雙“透視眼”。

本項(xiàng)目采用現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)與三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)三維掃描成像技術(shù)構(gòu)建真實(shí)的電纜溝建模。

本系統(tǒng)將利用三維掃描成像技術(shù)將電纜溝內(nèi)的情況采集到三維地理信息系統(tǒng)，這與以往使用人工建立虛擬地下電纜不同，三維掃描成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)的地下電纜仿真。進(jìn)而結(jié)合城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)更加直觀、準(zhǔn)確的管理地下電纜與進(jìn)行施工方案制定。通過(guò)現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)將地下電纜仿真數(shù)據(jù)顯示在手持設(shè)備屏幕上，基于攝像頭采集的實(shí)時(shí)影像疊加，為現(xiàn)場(chǎng)人員提供地下電纜的情況模擬就像為現(xiàn)場(chǎng)人員提供了一雙“透視眼”。

下面將逐一介紹本設(shè)備實(shí)現(xiàn)技術(shù)理論：

1、現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)

現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱AR技術(shù)）是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要分支，也是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)，是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，是通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的信息增加用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)世界感知的技術(shù)，并將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體、場(chǎng)景或系統(tǒng)提示信息疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)的“增強(qiáng)”。AR技術(shù)通常是以透過(guò)式空間顯示系統(tǒng)和注冊(cè)（AR技術(shù)中用戶觀察點(diǎn)和計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體的定位）系統(tǒng)相結(jié)合的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。AR技術(shù)是一個(gè)相對(duì)較新的研究領(lǐng)域，是一種利用計(jì)算機(jī)對(duì)使用者所看到的真實(shí)世界產(chǎn)生的附加信息進(jìn)行景象增強(qiáng)或擴(kuò)張的技術(shù)。AR技術(shù)不是把真實(shí)世界與使用者隔離，而是利用附加的圖形或文字信息，對(duì)周?chē)鎸?shí)世界的場(chǎng)景動(dòng)態(tài)地進(jìn)行增強(qiáng)。在AR環(huán)境中，使用者可以在看到周?chē)鎸?shí)環(huán)境的同時(shí)，看到計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的增強(qiáng)信息這種增強(qiáng)的信息可以是在真實(shí)環(huán)境中與真實(shí)環(huán)境共存的虛擬物體，也可以是關(guān)于存在的真實(shí)物體的非幾何信息。在使用者眼里，真實(shí)物體和虛擬物體是共存的，是互相增強(qiáng)或者互為補(bǔ)充的。AR技術(shù)是以現(xiàn)實(shí)圖像為主，而不是完全取代它。可見(jiàn)，AR技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)與真實(shí)世界之間架起了一座橋梁，使現(xiàn)場(chǎng)人員可以如同具有了“透視眼”穿透地表，“看見(jiàn)”地下真實(shí)的電纜與城市管網(wǎng)布置情況。

2、三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)

三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)作為本項(xiàng)目的核心處理平臺(tái)技術(shù)，為系統(tǒng)提供良好、直觀的操作交互界面，并利用其強(qiáng)大的分析功能進(jìn)行電纜溝橫、縱兩個(gè)截面的數(shù)據(jù)分析提取。視覺(jué)是理解空間最有用的感覺(jué)，因此三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱三維GIS）在很大程度上也依賴視覺(jué)表現(xiàn)提供更為豐富逼真的信息，各種用戶結(jié)合自己相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)與理解就可以做出準(zhǔn)確而快速的空間決策。三維可視化能使人們只有抽象概念而難以直接感知的空間現(xiàn)象現(xiàn)實(shí)化和直觀化，比如剖析地下結(jié)構(gòu)、反演不會(huì)重現(xiàn)的歷史過(guò)程、推演未來(lái)發(fā)展、仿真復(fù)雜的時(shí)空現(xiàn)象（洪水淹沒(méi)、內(nèi)部污染、事故影響、溫度變化）等，由此能獲得各種超越現(xiàn)實(shí)的空間感知經(jīng)驗(yàn)。目前，大多數(shù)三維GIS的三維能力甚至被認(rèn)為主要體現(xiàn)在三維可視化功能上，并且是區(qū)別于二維GIS最重要的特征之一。突出三維可視化功能的三維GIS在許多場(chǎng)合因此又被稱為“虛擬現(xiàn)實(shí)GIS”、“三維可視化GIS”等等。三維可視化越來(lái)越多地成為GIS的終端表現(xiàn)形式，并且被認(rèn)為是不同背景的用戶進(jìn)行空間信息交流和視覺(jué)分析與空間認(rèn)知的有效媒介。與傳統(tǒng)二維GIS固定的視角或視點(diǎn)觀察效果明顯不同，當(dāng)用戶把視點(diǎn)放在三維空間里時(shí)，不經(jīng)意的旋轉(zhuǎn)縮放和平移操作往往容易導(dǎo)致方位的迷失感，使得迅速定位產(chǎn)生困難。為了既能享受常規(guī)二維GIS地圖表示優(yōu)越的方位感，又能得到三維逼真顯示的真實(shí)感和沉浸感，多視點(diǎn)的多模態(tài)可視化視圖表示成為三維GIS最典型的界面特點(diǎn)。三維GIS基于數(shù)據(jù)庫(kù)能提供多種形式的交互式三維動(dòng)態(tài)可視化功能，比如，較宏觀的飛越漫游能迅速把握整個(gè)空間分布包括地形特征和地物布局，較微觀的穿行漫游則能準(zhǔn)確分辨地形的微小變化和地物的明顯特征，而且在運(yùn)動(dòng)中能及時(shí)更新可見(jiàn)的內(nèi)容并根據(jù)距離遠(yuǎn)近以不同的細(xì)節(jié)或尺度進(jìn)行表現(xiàn)。數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)裝載、圖形漸進(jìn)描繪、多重細(xì)節(jié)層次和虛擬現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)等因此成為三維GIS可視化的典型技術(shù)特征。

三維地理信息引擎及三維電纜模型庫(kù)集成，本設(shè)備具備依據(jù)三維掃描成像數(shù)據(jù)與電纜拓?fù)鋽?shù)據(jù)進(jìn)行空間全息投影能力。手持移動(dòng)應(yīng)用可現(xiàn)實(shí)三維電纜模型展示、臺(tái)賬信息查詢、電纜模型與施工方案全息投影等功能，同時(shí)手持移動(dòng)應(yīng)用具有三維地理信息展示功能，可以在現(xiàn)場(chǎng)直接觀察三維電纜模型在地理模型上的狀態(tài)。

結(jié)論

本設(shè)備將使電纜線路的日常運(yùn)維做到可視化、參數(shù)化、數(shù)字化，大大提高了管理人員對(duì)電纜線路的管理水平。同時(shí)，在曾設(shè)電纜施工作業(yè)時(shí)，可直觀的“看見(jiàn)”地下電纜與城市管網(wǎng)的情況，大大提高了施工安全水平，提升了作業(yè)效率。