基于点云数据对变电站GIS设备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GIS设备进行建模的方法，其包括步骤：(1)采用多次扫描的方式采集变电站GIS设备的点云数据；(2)将多次扫描获得的变电站GIS设备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)基于变电站GIS设备的实际结构对点云数据进行分割；(6)根据点云数据的分类指标对分割后的点云数据进行分类；(7)基于分类后的点云数据进行模型分类重构；(8)拼接得到完整的变电站GIS设备模型。本发明专利技术方法可准确高效地对变电站GIS设备进行建模以实现变电站GIS设备的三维重构，为变电站三维可视化、智能化监管提供良好的基础。

Method for modeling substation GIS equipment based on point cloud data

The invention discloses a method for point cloud data based on the GIS substation equipment model, which comprises the following steps: (1) the point cloud data of multiple scans collected substation GIS equipments; (2) multiple scanning point cloud data obtained by the GIS substation equipment splicing; (3) to the point cloud data denoising; (4) the denoised point cloud data sparsing; (5) the actual structure of the GIS substation equipment segmentation based on cloud data; (6) according to the classification index of point cloud data to classify the segmented point cloud data; (7) model the classification of reconstruction after classification based on cloud data; (8) splicing the integrity of GIS substation equipment model. The method of the invention can accurately and efficiently model the substation GIS equipment to realize the three-dimensional reconstruction of the substation GIS equipment, and provides a good foundation for the three-dimensional visualization and intelligent supervision of the transformer substation.

【技术实现步骤摘要】
基于点云数据对变电站GIS设备进行建模的方法
本专利技术涉及一种建模方法，尤其涉及一种对变电站GIS设备进行建模的方法。
技术介绍
在电力行业中，GIS是指六氟化硫封闭式组合电器，国际上称为“气体绝缘金属封闭开关设备”(GasInsulatedSwitchgear)，简称GIS。它将一座变电站中除变压器以外的一次设备，包括母线、断路器、电流互感器、电压互感器、隔离开关、避雷器等，经优化设计有机地组合成一个整体。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准确高效地进行三维重构。目前可考虑用于变电站三维重构的建模方法主要包括：(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变压器、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。需特别指出的是，GIS作为变电站中的关键电气设备，精确高效的建模至关重要。但是目前已有的可用于变电站GIS的建模方法主要包括虚拟现实建模语言建模法以及几何造型建模法，这些方法都存在着精度低、真实性不足以及建模效率低等问题，难以满足GIS模型高精度、高质量的要求。因此，为了实现变电站的实景三维重构，必须对变电站中的GIS建模方法进行研究，寻找一种全新的方法。(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括物体的空间三维坐标、颜色信息和反射强度信息，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。鉴于变电站结构的复杂性和特殊性，其他领域中应用的建模方法无法简单地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GIS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GIS设备进行建模的方法，该方法可用于准确高效地对变电站GIS设备进行建模以实现变电站GIS设备的三维重构，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GIS设备进行建模的方法，其包括步骤：(1)采用多次扫描的方式采集变电站GIS设备的点云数据，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GIS设备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)基于变电站GIS设备的实际结构对点云数据进行分割；(6)根据点云数据的分类指标对分割后的点云数据进行分类，所述分类指标包括：点云曲率、边界形式、点云密度、结构特征和高程信息的至少其中之一；(7)基于分类后的点云数据进行模型分类重构；(8)拼接得到完整的变电站GIS设备模型。本专利技术所述的基于点云数据对变电站GIS设备进行建模的方法通过采集变电站GIS设备的点云数据并进行一系列的数据处理，然后基于变电站GIS设备的实际结构对点云数据进行分割和分类，再基于分割和分类的点云数据进行分类重构得到分割的模型，最后对该分割的模型进行拼接得到完整的变电站GIS设备模型。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GIS设备进行扫描，其目的主要是为了尽可能全方位地采集变电站GIS设备的点云数据。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，基于变电站GIS设备的实际结构对点云数据进行分割可以很好地解决目前的三维建模局限于简单结构物体的问题，以及建模不规范、构建的模型不符合实际结构特征、无法进行拆分等问题。具体来说，可以基于结构图、维护手册来分割GIS，对GIS的可拆分组成部分分别构建模型，这样做的好处是十分有利于后期利用该模型进行GIS组装、维护等模拟操作，能够更好地满足本专利技术的初衷，即为变电站三维可视化提供模型支撑。其中，所述分割可以通过手动截取实现。步骤(6)和步骤(7)中，由于目前还没有一个标准的三维模型重构的指导体系，且没有一种建模方法可用于GIS这种复杂模型的高精度重构当中，因此专利技术人提出对GIS分块建模的思想，包括：①依据GIS的分割后点云数据的基本特征，选定点云数据的分类指标，具体可包括点云曲率、边界形式、点云密度、结构特征、高程信息的至少其中之一。②依据上述选定的分类指标对分割后的点云进行分类。③依据点云类型进行模型分类重构。其中，所述分类的类别可以包括柱状类、不规则类、中心旋转对称类、圆环类、导线类以及圆柱组合类，对应不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于点云数据对变电站GIS设备进行建模的方法，其特征在于，包括步骤：(1)采用多次扫描的方式采集变电站GIS设备的点云数据，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GIS设备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)基于变电站GIS设备的实际结构对点云数据进行分割；(6)根据点云数据的分类指标对分割后的点云数据进行分类，所述分类指标包括：点云曲率、边界形式、点云密度、结构特征和高程信息的至少其中之一；(7)基于分类后的点云数据进行模型分类重构；(8)拼接得到完整的变电站GIS设备模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于点云数据对变电站GIS设备进行建模的方法，其特征在于，包括步骤：(1)采用多次扫描的方式采集变电站GIS设备的点云数据，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GIS设备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)基于变电站GIS设备的实际结构对点云数据进行分割；(6)根据点云数据的分类指标对分割后的点云数据进行分类，所述分类指标包括：点云曲率、边界形式、点云密度、结构特征和高程信息的至少其中之一；(7)基于分类后的点云数据进行模型分类重构；(8)拼接得到完整的变电站GIS设备模型。2.如权利要求1所述的基于点云数据对变电站GIS设备进行建模的方法，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GIS设备进行建模的方法，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GIS设备进行建模的方法，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。5.如权利要求1-4中任意一项所述的基于点云数据对变电站GIS设备进行建模的方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：对于任意一区域内的点云数据，计算各个点的法向量；寻找临近区域内与计算得到的法向量相似的点以及法向量突变的点，其中将法向量相似的点作为待删减点，将法向量突变的点作为保留点；然后根据选定的比例对法向量相似的点进行删...

【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