基于点云数据对变电站母线进行建模的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于点云数据对变电站母线进行建模的方法，其包括步骤：(1)采用多次扫描的方式采集变电站母线的点云数据；(2)将多次扫描获得的变电站母线的点云数据进行拼接；(3)对点云数据进行消噪处理；(4)对消噪后的点云数据进行抽稀；(5)基于抽稀后的母线点云数据，提取母线的任意N个截面圆，获取各截面圆的半径和圆心；(6)基于各截面圆的半径计算出该N个截面圆的半径的平均值R，并将其作为母线的半径；基于各截面圆的圆心构建母线延伸轨迹；(7)基于母线的半径和母线延伸轨迹建立母线模型。本发明专利技术方法可准确高效地对变电站母线进行建模，为变电站三维可视化、智能化监管提供良好的基础。

Method for modeling substation bus based on point cloud data

The invention discloses a method for point cloud data based on the substation bus model, which comprises the following steps: (1) using multiple scanning point cloud data acquisition substation bus; (2) multiple scanning point cloud data obtained by the substation bus are spliced; (3) the point cloud data to eliminate noise; (4) the denoised point cloud data sparsing; (5) bus point cloud data thinning based on the extraction of bus N arbitrary circular section, the section of the radius of the circle and the center; (6) calculate the average radius of the R N section of the circle each section based on the radius of the circle, and the radius of the bus; each section of the circle center building bus extension based on trajectory; (7) bus and bus radius extending path model based on a bus. The method of the invention can accurately and efficiently model the substation bus, and provides a good basis for the three-dimensional visualization and intelligent supervision of the substation.

【技术实现步骤摘要】
基于点云数据对变电站母线进行建模的方法
本专利技术涉及一种建模方法，尤其涉及一种对变电站母线进行建模的方法。
技术介绍
母线是指用高导电率的材料例如铜、铝制成的用以传输电能、汇集和分配电力的产品，是电站、变电站输送电能用的总导线。通常通过母线把发电机、变压器或整流器输出的电能输送给各个用户或其他变电所。目前，变电站三维可视化、智能化监管已得到业内人士的重视，进行变电站实景三维重构是实现变电站三维可视化的基础。为实现变电站实景三维重构，需对变电站内部各种设备进行准确高效地三维重构。母线是变电站中不可缺少的组成部分，是变电站与外界连通的枢纽，对其进行高效、精准的三维模型重构具有重要意义。目前可考虑用于变电站母线模型重构的方法主要包括：(1)基于虚拟现实建模语言的建模方法。虚拟现实建模语言(VirtualRealityModelingLanguage，VRML)不仅是一种建模语言，也是一种描绘3D场景中对象行为的场景语言。VRML通过编程语言以立方体、圆锥体、圆柱体、球体等为原始对象构造均压环、隔离开关、断路器、电压与电流互感器等电气设施及建筑模型，并给模型贴上特定材质，然后拼接这些模型以完成整个变电站的三维场景建模。VRML脚本节点(script)对应的Java语言可以利用变电站模型进行人机交互，进而实现变电站虚拟现实系统。VRML建模法虽可方便地进行人机交互，但拟合的模型由于采用立方体、圆锥体、圆柱体、球体的组合构建，必然造成变电站模型缺乏真实感，模型精度差。(2)基于几何造型的建模方法。几何造型建模方法依据变电站数码图片、设计图纸和厂家设施图纸，利用AutoCAD、3dMax、Maya等专业软件，按照一定比例采用立方体、圆柱体、圆锥体、圆环等建立变电站各种电气设施的三维模型，然后设置模型贴图与材质，拼接电气设施模型完成变电站三维场景建模，该建模方法获取的模型主要有三种:线框模型、表面模型与实体模型。几何造型建模法效率和直观性较好，但难以实现真实场景建模。以上两种建模方法作为目前可用于变电站模型三维重构的常规方法，均无法实现变电站模型真实、高精度的模型重构，只能适用于一些对模型精度要求低、对真实性要求不高的场合中，无法满足变电站三维可视化运用的要求。而母线是变电站中不可缺少的组成部分，是变电站与外界连通的枢纽。高精度的母线三维模型对于未来母线的检测，例如长度、粗细、弯曲测量有着重要意义，因此需要针对母线开发高精度的建模方法。(3)基于激光点云的建模方法。近年来，随着激光测量技术的发展，利用激光雷达扫描仪获取物体表面的激光点云具备高精度、高效率等优点。点云数据是指利用激光、摄影等测量手段获取物体表面的特征点，这些特征点有可能包含物体的空间三维坐标、颜色信息或反射强度信息等，由于点数量很大，因此称为点云。由于地面三维激光雷达采集到的被测对象点云数据具有高精度、全数字特征、图像化等优点，依据点云数据全数字特征与图像化相结合的优势，可为三维重构提供数据支持，且利用该方法构建模型具有精度高、效率高、可调整等优点，弥补了传统建模手段效率低、精度差等不足。该方法已被广泛地应用于文物保护、建筑测绘、交通运输、船舶制造等多个领域，并取得了很好的应用效果。但是这些应用局限于一些简单规则物体的建模以及测量方面，比如边界单一的建筑物建模、结构单一的公共设施建模以及距离、高度、体积等测量，很少涉及到复杂模型的重构。鉴于变电站结构的特殊性，其他领域中的一些建模方法无法简单的移植到变电站模型重构当中，直接使用其他领域的建模方法进行变电站模型的重构会造成模型精度差、细节缺失等问题。因此，期望获得一种可用于变电站母线的基于点云数据的建模方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于点云数据对变电站母线进行建模的方法，该方法可用于准确高效地对变电站母线进行建模以实现变电站母线的三维重构，从而可进一步实现变电站的实景三维重构，为变电站三维可视化、智能化监管提供良好的基础。根据上述专利技术目的，本专利技术提出了一种基于点云数据对变电站母线进行建模的方法，其包括步骤：(1)采用多次扫描的方式采集变电站母线的点云数据，所述点云数据至少包含三维坐标数据；(2)将多次扫描获得的变电站母线的点云数据进行拼接，以实现点云数据所包含的三维坐标数据的归一化；(3)对点云数据进行消噪处理；(4)对消噪后的点云数据进行抽稀；(5)基于抽稀后的母线点云数据，提取母线的任意N个截面圆，获取各截面圆的半径和圆心；(6)基于各截面圆的半径计算出该N个截面圆的半径的平均值R，并将其作为母线的半径；基于各截面圆的圆心构建母线延伸轨迹；(7)基于母线的半径和母线延伸轨迹建立母线模型。本专利技术所述的基于点云数据对变电站母线进行建模的方法中，由于母线结构特征明显，不同部位的横截面均为具有基本相同半径的规则二维圆面，可将母线视为规则二维平面圆沿着光滑母线延伸路径形成的三维实体，因此通过采集变电站母线的点云数据并进行一系列的数据处理，然后通过提取母线的任意N个截面圆得到母线的半径和延伸轨迹，最后基于母线的半径和母线延伸轨迹建立变电站母线模型。其中：步骤(1)中，所述多次扫描通常是通过多个扫描站点分别从不同的角度对所述变电站母线进行扫描，其目的主要是为了尽可能全方位地采集变电站母线的点云数据。所述多次扫描可以利用激光雷达扫描仪进行扫描，其获取点云数据属于现有技术，因此此处不作详细描述。步骤(2)中，所述三维坐标数据的归一化的方法可以是通过布置球形标靶对三维坐标数据进行定位以实现归一化。步骤(3)中，所述消噪处理包括自动消噪，即采用自动消噪算法将大部分噪点(主要是空气中细小颗粒形成的噪点)消除。适用于点云的自动消噪算法很多，其为现有技术，因此此处不作详细描述。步骤(4)中，抽稀是指在保证矢量曲线形状基本不变的情况下，最大限度地减少数据点个数，从而节约存储空间和减少后续处理的计算量。步骤(5)中，所述N个截面圆由于是随机的，因此通常不会出现分布特别集中的现象，从而保证为后续步骤提供合理分布的样本。需要说明的是，为了保证样本的质量，通常遵循“略过稀点，选取点云较为密集、均匀的区域”的原则，从而保证样本来自母线点云而非母线周边噪点。此外，通常需要建立一个用户坐标系，在该用户坐标系下描述圆心位置。该用户坐标系的建立方法可以包括：选取母线曲率较小段作为参考，建立用户坐标系，通常选取母线与金具连接处一小段点云数据为参考，其可近似看成标准圆柱体，基于该标准圆柱体的底面建立用户三维坐标系，其中底面圆心作为坐标系的原点O，底面所在的平面为XOY面，水平方向为X轴，标准圆柱体轴线为Z轴。步骤(6)中，基于各截面圆的半径计算出该N个截面圆的半径的平均值R，并将其作为母线的半径，可以减小误差，其公式为：其中，Ri表示第i个截面圆的半径。步骤(7)中，基于母线的半径和母线延伸轨迹建立母线模型通常根据数学上的微积分原理，将母线等分为n等份，n趋于无穷大，则每一小段长度极小。在母线上任取一极小线段dx为轴线，以半径R的截面圆为底面构建圆柱体，将这些圆柱体沿着母线延伸轨迹进行拼接即可得到母线的三维模型。线段长度很短，故可以认为这段线段方向为沿着Z轴，且构建的圆柱体之间连接部分很平滑，与真实的母线十分接近，有很高的精度。本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于点云数据对变电站母线进行建模的方法，其特征在于，包括步骤：(1)采用多次扫描的方式采集变电站母线的点云数据，所述点云数据至少包含三维坐标数据；(2)将多次扫描获得的变电站母线的点云数据进行拼接，以实现点云数据所包含的三维坐标数据的归一化；(3)对点云数据进行消噪处理；(4)对消噪后的点云数据进行抽稀；(5)基于抽稀后的母线点云数据，提取母线的任意N个截面圆，获取各截面圆的半径和圆心；(6)基于各截面圆的半径计算出该N个截面圆的半径的平均值R，并将其作为母线的半径；基于各截面圆的圆心构建母线延伸轨迹；(7)基于母线的半径和母线延伸轨迹建立母线模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于点云数据对变电站母线进行建模的方法，其特征在于，包括步骤：(1)采用多次扫描的方式采集变电站母线的点云数据，所述点云数据至少包含三维坐标数据；(2)将多次扫描获得的变电站母线的点云数据进行拼接，以实现点云数据所包含的三维坐标数据的归一化；(3)对点云数据进行消噪处理；(4)对消噪后的点云数据进行抽稀；(5)基于抽稀后的母线点云数据，提取母线的任意N个截面圆，获取各截面圆的半径和圆心；(6)基于各截面圆的半径计算出该N个截面圆的半径的平均值R，并将其作为母线的半径；基于各截面圆的圆心构建母线延伸轨迹；(7)基于母线的半径和母线延伸轨迹建立母线模型。2.如权利要求1所述的基于点云数据对变电站母线进行建模的方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，采用“自动消噪-手动消噪-自动消噪”依次更替循环的方式对点云数据进行消噪处理。3.如权利要求2所述的基于点云数据对变电站母线进行建模的方法，其特征在于，循环的次数至少为一次。4.如权利要求1所述的基于点云数据对变电站母线进行建模的方法，其特征在于，所述点云数据还包含颜色信息和反射强度信息的至少其中之一...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜勇，沈小军，王浩，秦川，姚京松，李柏松，刘晓华，吴军，张锐，何莲，
申请(专利权)人：国网湖北省电力公司检修公司，同济大学，上海慕荣电气有限公司，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42