摘 要： 针对变电站改扩建项目中传统地形图测量技术无法保证安全的问题，提出一种将三维激光扫描仪应用于变电站扩建改造工程测量中的新方法，从点云数据获取及预处理、变电站三维模型的建立、在三维环境下获取变电站现状二维地形图、变电站设备的变形监测、变电站的三维可视化等方面入手，以某220kV变电站为例，详细分析了三维激光扫描仪在变电站扩建改造过程中的各种应用情况，认为该方法是确实可行的。
关键词： 三维激光扫描仪; 变电站; 点云数据; 三维可视化;
Abstract： Aiming at the problem that traditional topographic map measurement technology cannot guarantee safety in substation reconstruction and expansion projects,a new method of applying three-dimensional laser scanners to substation expansion and reconstruction engineering measurement is proposed,from point cloud data acquisition and preprocessing,and substation three-dimensional model start with the establishment and acquisition of two-dimensional topographic maps of substation status in a three-dimensional environment,deformation monitoring of substation equipment,and three-dimensional visualization of substations.Taking a 220 kV substation as an example,a detailed analysis of the three-dimensional laser scanner in the process of substation expansion and transformation.It is considered that this method is indeed feasible.
Keyword： 3D laser scanner; substation; point cloud data; 3D visualization;
随着社会经济发展，区域用电负荷增长较快，同时许多变电站面临着设备老化的问题，因此越来越多的变电站面临着扩建改造问题。变电站的扩建改造需要用测绘的手段提供基础的现状数据，而很多变电站在扩建改造的过程中仍在带电运行，若是采用传统的技术方法在变电站带电运行情况下进行测量具有很大的危险性。
三维激光扫描技术是近几年发展起来的一种新技术，其具有不接触被量测目标、扫描速度快、点位和精度分布均匀、获得数据真实全面等特点。采用三维激光扫描仪获取变电站的点云数据，具有以下几个优势：一是获取的变电站地形图数据比较完整，可以满足变电站改扩建对于地形图资料的需要；二是安全可靠，在不影响变电站正常运作的情况下保证现场测量安全；三是地形图测量效率高，花费较短时间就能得到完整的数据；四是可以为变电站的三维可视化管理提供真三维模型。以下以河北某220kV变电站为例，详细介绍三维激光扫描仪在变电站改扩建工程中的应用。
1 、点云数据采集
三维激光扫描仪利用激光测距原理获得真三维几何结构形状的表面三维信息[1]。三维激光扫描仪开始扫描工作之前，应制定详细的扫描计划，规划好扫描路线、架站位置，确立扫描密度。现场的数据采集不能一味追求过高的点密度，过高的点密度只会增加数据采集的时间及内业数据处理的强度，也就不能真实地体现三维激光扫描技术在快速数据测量方面的优势，因此有必要对外业数据采集方案进行优化处理[2]。每天外业扫描结束后，应在现场对获取的点云数据进行初步的质量分析，检查采集到的数据是否符合要求。
2、 点云数据处理
2.1、 点云数据拼接
获取的点云数据要形成一个整体，还需要把各测站获取的数据进行拼接。目前，点云数据拼接方法主要有以下3种：利用标靶进行点云匹配、利用特征点进行点云匹配，以及利用已知控制点进行点云匹配。本文采用的是特征点匹配的方法，拼接好的结果如图1所示。
图1 变电站点云示意
2.2 、变电站三维模型的建立
三维激光扫描仪外业获取的是离散的点云数据，是对空间目标表面的采样，为了分析目标物表面的特征和形状，有必要把这些不规则分布的点云数据表示成三维表面信息，建立目标物的表面模型[3]。可以将一个模型看作是多个简单几何模型的“组合”，将模型进行拆分，分别完成拆分模型的建模工作，然后进行重组，可以实现整个实体模型的建模[4]。
在变电站三维模型建立过程中，对于较规则的墙体、设备圆形立柱、矩形基座等，可采用Cyclone自身携带的box、cylinder、patch等模型组件来完成。对于不规则的高压绝缘子串、变压器设备等模型的建立可以采用以下2种方法。一是利用Cyclone软件对这些点云数据进行分块建模，然后将这些模型进行组合。另一种方法就是将不规则设备、物体的点云数据导入Geomagic Studio软件，在该软件下完成不规则模型的建立。本文采用第一种方法完成变电站模型的建立，结果如图2所示。
图2 变电站三维模型整体
3、 点云数据在变电站改扩建工程中的应用
3.1、 基于点云数据的变电站地形图的获取
三维激光扫描仪获取改造变电站的点云数据后，为了使所获取的点云数据满足地形图有关坐标系的要求，采用GNSS+三维激光扫描仪的作业模式，即采用三维激光扫描仪获取测量区域点云数据，然后采用GNSS RTK测量获取三维激光扫描仪架设位置的坐标和高程，将架设站点的坐标、高程以及仪器高输入点云数据处理软件Cyclone，就可以将点云数据的坐标系转换到本工程的坐标系下。从顶视图的视角下，画出各种地物，输出成平面CAD格式；同时以一定间距提取地面点云坐标高程信息，输出成文本格式，整理后输入到Cass数字化地形地籍成图系统V7.0，整饰完成后输出设计专业需要的地形图成果，见图3。
图3 输出的平面图和最终整理的地形
为了确保三维激光扫描仪获取的地形图资料准确可靠，采用GPS RTK测量对仪器能够使用的道路特征点进行测量，并将结果与三维激光扫描仪生成的地形图数据进行比对，结果统计见表1。
表1 精度对比
由以上数据可以看出，由三维激光扫描仪获取的地形图满足精度要求，三维激光扫描仪应用于变电站改造项目的地形图数据获取完全可行。
3.2、 变电站设备结构的变形监测
变电站内构架和设备支架运行数年后往往会因各种原因导致倾斜，为了保证变电站的正常运行，有必要对其构架和设备支架定期进行变形监测。采用三维激光扫描仪获取构架、设备支架的点云数据，在建好的构支架模型中提取设备支架、架构体上下两端的几何中心，以底部几何中心为基准，计算顶部几何中心与它的偏移量，即可计算出该构支架的倾斜值[5]。
为了验证本方法精度的可靠性，将其算出的偏移值与采用徕卡TS30超高精度全站仪免棱镜模式测量得出的偏移值进行比较。本文选择了编号为A3、A6、B1和B4的4个设备立柱进行比对，结果如表2所示。
表2 三维激光扫描仪与全站仪测量结果比较
从表2可以看出，三维激光扫描仪与全站仪测量结果最大相差-1.74mm。考虑到全站仪免棱镜测量模式本身存在一定误差，可见利用三维激光扫描仪进行变电站构支架的倾斜观测是可行的。
3.3 、变电站的三维可视化
变电站的三维可视化是电网数字化管理中一个重要的组成部分。目前，国内主流方法是利用二维设计图纸来进行变电站的三维建模，但是早期变电站设计资料往往是纸质版或者设计资料不完整，因此利用三维激光扫描技术对变电站进行“实景复制”，是建立变电站三维模型的一种行之有效的方法。
利用点云数据建立的模型，其尺寸和空间位置的信息非常准确。将该模型导入三维可视化管理平台，在平台上不仅可对其进行量测，还可以对每个设备、甚至于零部件进行属性查询，完成变电站资产设备的可视化管理。本文采用Unity3D软件来是实现变电站的三维可视化。
首先需要将建立好的模型导入到Unity3D软件。模型的导入需要注意轴向、模型比例及材质的问题。把模型导入正确位置后，添加灯光和天空盒子，进行场景的美化渲染，让整个场景显得更加真实。同时，编写javascript文本给场景添加主摄像机，以实现通过键盘和鼠标完成场景的漫游。在完成以上工作后，生成1个后缀名为．exe格式的可执行文件和1个数据文件夹。运行．exe文件，就可以进入变电站的三维可视化平台。运行后的效果如图4所示。
图4 变电站三维可视化效果
4 、结束语
将三维激光扫描技术应用于变电站扩建改造工程中，不仅可以快速获得变电站现状的点云数据，给设计人员提供更为准确的现状二维、三维模型资料，还可以为日后变电站设备立柱、架构的变形监测提供数据支持，具有一定的现实意义。同时，利用点云数据建立的变电站三维模型，可以为变电站的三维可视化管理提供所需的地理信息数据，为变电站的管理和决策提供更加直接、真实的目标和研究对象。
参考文献
[1] 李志良．基于点云数据的真三维建模方法研究[D]．太原：太原理工大学，2014.
[2] 刘求龙，胡伍生，王骢，等．三维激光扫描仪在惠泉变电站三维模型构建中的研究与实现[J]．测绘通报，2010(9):35-37.
[3] 朱庆伟，马宇佼．基于三维激光扫描仪的建筑物建模应用研究[J]．地理与地理信息科学，2014,30(6):31-35.
[4] 樊琦，姚顽强，陈鹏．基于Cyclone的三维建模研究[J]．测绘通报，2015(5):76-79
[5] 刘江龙．地面三维激光扫描技术在变电站构支架倾斜测量中的应用[J]．内蒙古电力技术，2017,35(2):54-59.
