基于AR技術與三維數(shù)字化點云重建解決方案的研究

鄭宗安

通過對電力領域的三維 GIS管理系統(tǒng)的深入研究，變電所三維重構建模的建立越來越受到關注，這已成為研究的熱點。變電所的三維點群重構是利用三維激光掃描技術掃描變電所，然后基于三維點群信息實現(xiàn)變電所的自動數(shù)字重構。要利用您掌握的數(shù)據(jù)挖掘、模式識別、智能決策和計算機技術實現(xiàn)變電站的自動建模，研究了基于點云的三維實體分類和識別算法，研究了變電站及其他地區(qū)的現(xiàn)場掃描三維點云數(shù)據(jù)。實現(xiàn)三維變電所工程學的自動分割和工學本體論的分類和識別，保證變電所實現(xiàn)三維自動建模。利用三維虛擬全景技術實現(xiàn)智能變電所場景的三維全景顯示。提供基于三維虛擬環(huán)境的變壓器和設備維護管理數(shù)據(jù)管理功能，以構建智能變電站環(huán)境的視覺平臺、設備和管理信息。變電站，三維全景顯示器，動態(tài)場景融合，提供活力、方便的平臺。智能變電站管理操作維護對象管理和相關監(jiān)控信息集成視圖。管理維護人員不需要現(xiàn)場移動、數(shù)據(jù)透明度和數(shù)據(jù)可見性管理。能夠把握三維變電環(huán)境中的智能變電所管理運用維護中的有效信息。

一、相關技術概述

（一）增強現(xiàn)實技術

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）該技術使用軟件生成部分信息，使用計算機模擬現(xiàn)實世界，從而增強和擴展現(xiàn)實場景。增強現(xiàn)實感技術可以看作是虛擬現(xiàn)實的另一種發(fā)展形式或其分支。增強現(xiàn)實感技術和虛擬現(xiàn)實有著非常密切的關系。增強真實感技術的實現(xiàn)使用許多其他領域，如交互式技術、傳感器技術和光電子現(xiàn)實技術。AR技術等將用戶與現(xiàn)實世界的情景結合起來，人們可以感覺到假想3維環(huán)境是周圍現(xiàn)實環(huán)境的一部分。

（二）三維點云處理技術

由各種三維信息獲取裝置收集的數(shù)據(jù)通常被稱為三維點群數(shù)據(jù)，它們最初與非結構化三維點一起使用，即表示同一空間參照系下的對象的空間分布和表面特性的1組3維點的形式來表示。點云模型易于訪問（直接從設備輸出，無需重建）、簡單的數(shù)據(jù)結構（無需維護拓撲連接）。它具有靈活性（可以輕松刪除和添加操作）和強大的表現(xiàn)力（可以描述復雜的模型）。作為新的三維模型表現(xiàn)法，它受到了學術界的極大關注。三維點組在許多領域成為通用處理對象，并被視為三維模型的列表。關于三維點群的研究主要集中在取得、登記、強調、表面重構、特征提取、簡單化等方面。這些處理技術為基于點的渲染方法和基于點的圖形的發(fā)展和發(fā)展做出了貢獻。

二、變電站三維點云數(shù)據(jù)采集

點云數(shù)據(jù)只是文件中的坐標值，理解變電站云數(shù)據(jù)的分布是不明智的，而依賴這些簡單值是不明智的。顯示表單，以直觀地觀察變電站設備的點云分布。這有助于變電站設備的點云分析和處理。在本稿中，使用“三維激光掃描+全景照片”這一移動映射法，得到了變電所整體的三維建模所必需的基礎數(shù)據(jù)。使用IMS 三維移動映射系統(tǒng)收集變電站的三維激光點云。使用DPI-8手持式三維激光掃描儀獲取詳細的三維點云，并使用Street-View全景相機系統(tǒng)收集全景圖像數(shù)據(jù)。收集變電站中主要零件的全景圖像數(shù)據(jù)和屬性信息，并在圖像中標記主要位置。

（一）點云數(shù)據(jù)的結構及特點

點云數(shù)據(jù)由空間三維坐標值、激光反射強度和距離組成。點云是點的集合。嚴格地說，激光雷達掃描系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)包括以下各種數(shù)據(jù)：位置、角度、時間、距離、強度等。在本文中，僅使用位置（x，y）和高度（Z）數(shù)據(jù)。與圖像數(shù)據(jù)相比，點云數(shù)據(jù)在內容和形式上都有自己的特點。對于地面三維激光掃描儀，采樣方法是按照水平和垂直方向采集數(shù)據(jù)。角度越大，采樣點之間的間隔越大，以及各種誤差的影響，點云數(shù)據(jù)的空間分布不均勻。

（二）設備簡介

1、 Street View采集全景影像數(shù)據(jù)

Street View攝像系統(tǒng)是一個完整的全景圖像采集系統(tǒng)，包含從記錄顯示開始的所有步驟。不需要額外的零件或開發(fā)。攝像機可以記錄每秒7幀，30M像素的分辨率。全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）接收器在全球范圍內擁有4個獨立的高精度GPS檢測。專用硬件電平傳感器，用于校正正在拍攝的相機的傾斜。處理每個全景時的完整地理參考緯度和經(jīng)度、高度、方向、GPS日期和時間以及本地日期和時間的自動水平。因此，全景是與地理信息系統(tǒng)（GIS）組合而成的集合解決辦法。

2、IMS三維采集三維激光點云數(shù)據(jù)

利用IMS三維移動測繪系統(tǒng)對變電站三維激光點云進行采集并存儲為原始數(shù)據(jù)。IMS三維可以在沒有GPS的情況下使用SLAM算法采集點云數(shù)據(jù)。利用IMS三維移動地圖系統(tǒng)獲取二維地圖數(shù)據(jù)，記錄光檢測測距（LIDAR）的時間位置信息，制作彩色三維點群圖。精細掃描使用DPI-8手持式三維掃描儀對主要設備細節(jié)執(zhí)行詳細的三維激光點云捕獲。將其保存為原始數(shù)據(jù)。DPI-8是手持式三維激光掃描儀的快速獲取和應用方便的三維數(shù)據(jù)。這是面向尋求高效、高質量數(shù)據(jù)且開箱即用的專業(yè)人士。DPI-8具有可直接實時讀取、處理、顯示和保存獲取的點云的三維數(shù)據(jù)成像系統(tǒng)。

（三）數(shù)據(jù)采集

1、衛(wèi)星遙感影像的獲取

獲取變電所所在區(qū)域設備、建筑物及周邊輸電線路走廊的1000m帶寬，正片攝影圖像、數(shù)字標高模型（DEM）、數(shù)字表面模型（DSM）、長5km。在數(shù)字高程模型模擬的三維地形表面上應用數(shù)字或照片貼圖（DOM）作為紋理圖像。提高三維地形模擬的真實感。設備型號庫DOM用于分辨率為08米的衛(wèi)星。遙感圖像的高分辨率建模要求。

2、全景影像采集及數(shù)據(jù)處理應用

Street View攝像系統(tǒng)實現(xiàn)全景圖像數(shù)據(jù)采集。收集變電站關鍵部件的全景圖像數(shù)據(jù)和屬性信息，并在圖像中標注關鍵位置。全景相機采集裝置隨機后處理軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行全自動沉降處理，最終得到沉降軌跡和標定后的全景圖像數(shù)據(jù)。對于問題數(shù)據(jù)，及時進行恢復和恢復。將文本注釋、圖片、語音視頻等鏈接到全景圖像。通過發(fā)布服務（IIS或tomcat）將全景圖像數(shù)據(jù)作為Web服務發(fā)布，并按照“一次一個地址”的原則提供URL信息。有必要確保URL在瀏覽器打開時可以直接看到，而不需要登錄正確的圖片。

3、變電站高精度三維激光點云獲取

變電所三維激光點云由IMS以三維方式收集并存儲為原始數(shù)據(jù)。IMS 三維可準確收集室內和室外點云數(shù)據(jù)。掃描設備時，將獲取所有可見設備的位置數(shù)據(jù)、記錄光學數(shù)據(jù)并生成彩色三維點云數(shù)據(jù)。有時，IMS 三維無法開始掃描，使用DPI-8手持式三維激光掃描儀掃描設備的詳細結構。這是IMS 三維的補充。

三、變電站三維點云數(shù)據(jù)的處理

（一）點云數(shù)據(jù)去噪

當掃描時，一些因素會阻礙和阻塞掃描目標。例如，在對煉油廠進行掃描時，如車輛、行人、樹木等造成的障礙物，以及實體本身固有的非反射性等客觀因素，都會產(chǎn)生采集點云。在數(shù)據(jù)中加入不穩(wěn)定點和噪聲點。如果要執(zhí)行其他工作內容，必須清除這些噪聲點，這有助于將來的建模。此過程用于消除點云數(shù)據(jù)的噪音，也稱為點云過濾。

（二）點云數(shù)據(jù)拼接

三維激光掃描器基于激光測距原理，因此在掃描固體物體時，只能掃描所測量物體的一部分。就像人觀察東西一樣，只能觀察物體的正面。如果想查看對象的背面，則只能到達對象的另一側。三維激光掃描儀也是如此。當物體被完全表現(xiàn)出來時，應測量的物體只能從不同角度進行掃描。所謂點云連接，是指在追蹤實際測量位置時，將多個站點的云數(shù)據(jù)以不同的坐標系合并為一個坐標系。典型的點云拼接方法包括目標拼接、點云特征點拼接、。和控制點拼接。本文為了完成變電站的點群數(shù)據(jù)連接，使用了旋風機軟件的特征點匹配法。具體處理如下：（1）選擇一致2個相鄰站之間的3個共同特征點，監(jiān)控重復處理中的錯誤大小及發(fā)生率；（2）數(shù)據(jù)登記后顯示錯誤，直到滿足每3cm再接收錯誤的精度要求為止，位置對位超過錯誤界限；（3）剩余位置間的點群數(shù)據(jù)的剪接按照步驟（1）和（2）依次完成，最后一致的點群一致。一起受限制以完成所有站點之間的拼接。拼接后的結果如圖1所示。

（三）變電站三維模型的建立

三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)是離散的點云數(shù)據(jù)，這是一個抽樣的表面空間目標，為了分析對象物的表面特性并賦予特征，需要表示不規(guī)則分布的點群數(shù)據(jù)的三維表面信息。確立目標的表面模型。其中，模型可以看作是多個單純的幾何學模型的“組合”。只要將所有的“分割”簡單幾何模型的建模工作逐一完成，就可以成功地重構出整個實體模型（見圖2）。

1、規(guī)則幾何模型的建立

在建立變電所三維模型的過程中，對于較規(guī)則的墻體、設備圓柱、矩形底座等，可以采用旋流器所攜帶的箱體、圓筒、補片等模型構件。例如，創(chuàng)建一個墻，您可以直接創(chuàng)建一個框模型，擴展模型使其接近點云，然后打破框。

2、不規(guī)則物體模型的建立

對于不規(guī)則高壓絕緣子串、變壓器設備模型設置有兩種方法：一種是先使用Cyclone軟件截取這些點云數(shù)據(jù)，然后再將這些模型組合起來。以變電所高壓絕緣子為例，旋風軟件的表面自動擴大以形成中間有孔的薄表面，并結合在一起，變壓器模型為了確立正確的三維模型，通過結合表面擴張和長方體來確立。另一種方法是將不規(guī)則的設備和對象點云數(shù)據(jù)導入到Geo magic Studio軟件中。在軟件內完成不規(guī)則模型的確立。

四、基于AR技術的三維變電站的管理

（一）變電站三維建模管理

在高精度現(xiàn)場站掃描結果建模的基礎上，實現(xiàn)了對現(xiàn)有變電站三維模型的引入，充分考慮了同一區(qū)域多站模型切換，實現(xiàn)了三維模型管理。對于相機、風速儀等輔助監(jiān)控設備，支持可變調節(jié)，可在場景中添加、刪除、移動，靈活響應實際環(huán)境的變化，提高模型對實際站恢復的準確性。該系統(tǒng)采用地面激光掃描技術，從現(xiàn)場實際環(huán)境中快速采集點云數(shù)據(jù)，同時使用全景相機在現(xiàn)場拍攝高分辨率全景照片。在以后的階段，通過計算機輔助建模，利用收集到的高精度點云數(shù)據(jù)，生成三維模型相同的場景，和各種設備的細節(jié)，儀器、電纜、銘牌、等變電站的準確復制，然后真正的地圖是根據(jù)創(chuàng)建全景照片。使模型美觀，達到精確建模要求。對三維模型進行了系統(tǒng)的校核和校核，并結合網(wǎng)格的拓撲關系，根據(jù)站點的實際接線圖對改進后的模型進行了詳細的定義。嚴格數(shù)字化現(xiàn)實場景，為其他功能提供數(shù)據(jù)基礎。

（二）場景漫游管理

顯示1：1數(shù)字化變電站三維場景，顯示細化模型，場景內漫游瀏覽。該模型包括主設備區(qū)、室外廠區(qū)和室內廠區(qū)。通過場景漫游瀏覽，通過在現(xiàn)場遠程理解和直觀地查看場景，可以更輕松地了解場景，提高運維效率。室內造型主要包括車站內的房間，如防護室、開關室、直流設備室等。保護面板等電力設備的特寫是對現(xiàn)場拍攝的實際高清照片的再現(xiàn)，能夠準確反映設備面板的實際情況。在漫游瀏覽過程中，操作員可以通過鼠標和鍵盤在場景范圍內執(zhí)行無限漫游瀏覽。能夠獨立控制前進、后退、上升、下降及轉向。同時，基于運營商的問題可能不熟悉車站設施，整個車站地圖添加導航顯示，和變電站頂視圖100：1放大地圖，和變電站與當前位置有關，所以點擊地圖可以快速定位當前視角到目標位置。并在移動時將當前坐標與地圖中的向導同步。

五、結語

將基于AR和三維數(shù)字點云重構的可視化管理應用于變電站建設管理效果中，既能在宏觀層面把握動態(tài)，又能準確計算細節(jié)。其優(yōu)點體現(xiàn)在無人機數(shù)據(jù)采集速度快，三維全景圖建設周期短，文件傳輸速度快，顯示方便，有利于移動辦公?？梢暬芾硎强筛櫟?，是一個開放透明的平臺，對領域的約束力更強。管理者可以更直觀地把握場景的動態(tài)，為分析和決策提供強有力的支持?？梢?，AR和三維數(shù)字點云重構為未來可視化管理平臺的構建提供了基礎。

作者單位：國網(wǎng)福建省電力有限公司