一种变电站三维实景模型建立方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种变电站三维实景模型建立方法，其包括：(1)获取变电站原始点云数据；(2)对变电站原始点云数据进行预处理；(3)采用高程阈值分割算法将经过预处理的变电站点云数据划分为带有噪声点的设备点云和地面点云；(4)采用二维子空间密度差值分割法从带有噪声点的设备点云中提取出设备点云，同时采用一维子空间密度差值对地面点云进行抽稀；(5)采用提取出的设备点云和经过抽稀的地面点云建立变电站三维实景模型。此外，本发明专利技术还公开了用于变电站三维实景模型建立的系统，系统包括处理模块，该处理模块基于获取的变电站原始点云数据进行操作。该变电站三维实景模型建立方法有效抑制噪声干扰，实现变电站设备的准确提取与定位。

A method and system for building three-dimensional real scene model of Substation

【技术实现步骤摘要】
一种变电站三维实景模型建立方法及系统
本专利技术涉及一种建立模型的方法及系统，尤其涉及一种实景模型建立方法及系统。
技术介绍
随着地球空间信息管理系统相关研究在电力领域的进一步发展，变电站三维信息可视化作为实现变电站运维更高效的技术，日渐成为了研究的焦点。变电站的三维实景模型重建作为变电站三维可视化的技术基础，高精度模型重建是实现三维可视化效果更为清楚直观的关键。目前，变电站三维实景建模的方法主要有VRML建模法、几何造型建模法、基于点云数据的建模方法。其中前两种方法建模精度和效率较低，而基于点云数据的建模方法采用地面三维激光扫描技术，采取非接触式的测量采集技术便可准确采集变电站设备以及连接线的三维点云数据，在实际应用中能够有效避免传统测量方式的不足，已逐渐成为变电站三维实景建模的发展趋势。然而，目前，在现有技术中，基于点云数据的建模方法仍存在一定不足，例如基于地面激光雷达的变电站设备建模技术会产生海量的点云数据，扫描得到的变电站点云数量庞大，且除了电气设备点云之外，还含有地面点云以及大量由于外部环境干扰所产生的干扰噪声点云，因此，如何快速高效地实现特高压变电站的地物、电力设备以及相关附件的点云数据地分割提取，就成为了有效提升该项技术的时效性和工程应用价值的关键。现有的文献研究虽然对此有一定的关注，但相关研究尚处于起步阶段，存在一定的不足缺陷，例如说：适用对象局限较大，只能适用于形状比较单一，特殊形状比较少的对象；或者，具有方法步骤繁琐，效率低的问题；又或者，方法过于依赖大数据处理方法，无法在复杂的外部条件下保持比较高的效率和准确性，在实际建模使用当中有一定的局限性。此外，需要指出的是，电气设备点云数据三维点云数据量极其庞大，一个设备大概有几万到几十万个点，然而，在对变电站三维仿真模型重建进行初步研究分析的时候，超大数据量设备点云的自动提取处理是通过人力用肉眼识别，并手动通过特定软件进行处理，不仅要投入大量的人力和时间，而且效率和处理准确度都比较低。基于现有技术存在的上述问题，期望获得一种变电站三维实景模型建立方法，其可以快速有效地对点云数据进行处理，用计算机代替人对电气设备的点云数据进行自动提取，识别对应目标设备点云以及噪声点云并进行分类去除。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种变电站三维实景模型建立方法，该变电站三维实景模型建立方法克服了现有技术中的对于大数据算法依赖程度高，效率较低的不足，其从变电站地面雷达点云数据结构特征出发，基于三维激光点云数据进行多维度子空间网格密度差值分割，从而最终实现对数据的高效自动化提取，进而降低三维实景模型的建模成本，为缩短周期节省成本奠定基础。根据上述专利技术目的，本专利技术提出了一种变电站三维实景模型建立方法，其包括步骤：(1)获取变电站原始点云数据；(2)对变电站原始点云数据进行预处理；(3)采用高程阈值分割算法将经过预处理的变电站点云数据划分为带有噪声点的设备点云和地面点云；(4)采用二维子空间密度差值分割法从带有噪声点的设备点云中提取出设备点云，同时采用一维子空间密度差值对地面点云进行抽稀；(5)采用提取出的设备点云和经过抽稀的地面点云建立变电站三维实景模型。本专利技术所述的变电站三维实景模型建立方法中基于多维度子空间网格密度差进行三维激光点分割，其首先获取变电站原始点云数据后，对变电站原始点云数据进行预处理，例如去除点云数据中的飞点并对点云数据进行精简，随后根据点云数据特征划分为设备点云与地面点云，并将其分别用于三维实景建模与模型精准定位。其中，采用二维子空间密度差值分割法提取设备点云，在xoy和yoz平面分别将长距离地形进行划分，转换为多个小距离尺度空间的组合，对所有子空间内的点云依据高程密度差进行有效分割，实现特高压变电站设备的自动提取；而采用一维子空间密度差值稀释地面点云，进而获取清晰定位点。最终，采用提取出的设备点云和经过抽稀的地面点云建立变电站三维实景模型。本专利技术所述的变电站三维实景模型建立方法可以有效抑制干扰点噪声干扰，实现变电站设备的准确提取与定位，算法效率较高，具有较强的工程应用性。进一步地，在本专利技术所述的变电站三维实景模型建立方法中，在步骤(1)中，通过三维激光雷达扫描得到变电站原始点云数据。进一步地，在本专利技术所述的变电站三维实景模型建立方法中，在步骤(2)中，所述预处理包括飞点去除和点云数据精简。进一步地，在本专利技术所述的变电站三维实景模型建立方法中，步骤(3)包括步骤：(3a)基于经过预处理的变电站原始点云数据，确定初始点云空间M0：其中，(x，y，z)为任意一个点云的空间坐标值；xmin、xmax、ymin、ymax、zmin和zmax表示初始点云空间在x、y、z三个方向上的边界；(3b)采用划分尺度dx沿x轴将初始点云空间划分成N个子空间：式中，|xmax-xmin|表示求取不大于(xmax-xmin)的最大整数；(3c)统计每个子空间Mi(i＝1,2，….,N)中的点与最低点的高程差δi，以δi作为特征值，其中δi＝zi-zmin；(3d)将特征值δi与设定的特征阈值δ0进行比较，若δi≤δ0，则该点为地面点云，否则为带有噪声点的设备点云。进一步地，在本专利技术所述的变电站三维实景模型建立方法中，在步骤(4)中，采用二维子空间密度差值分割法从带有噪声点的设备点云中提取出设备点云包括步骤：(4a)将带有噪声点的设备点云投影至xoy平面获得设备点云的第一初始空间Ms10，对其进行边界定位，采用划分尺度dsx，dsy，分别沿x，y轴将第一初始空间Ms10划分成m×n个第一子空间Ms1i，j，其中i＝1，2……m,j＝1，2……n：其中xs1min、xs1max、ys1min、ys1max表示第一初始空间Ms10在x、y方向上的边界；(4b)统计每个第一子空间Ms1i，j的点云数量值C1i，j，以C1i，j作为该第一子空间的第一特征值；(4c)将第一特征值C1i，j与第一设定阈值C10进行比较，若C1i，j≥C10则将该点作为设备点，否则将该点作为噪声点，予以去除；(4d)将上一步所得的所有设备点构成的设备点云作为第二初始空间Ms20，采用划分尺度dy，dz分别沿y，z轴将第二初始空间Ms20划分成p×q个第二子空间Ms2i，j，其中i＝1，2……p,j＝1，2……q：(4e)统计每个第二子空间Ms2i，j的点云数量值C2i，j，以C2i，j作为该第二子空间的第二特征值；(4f)将第二特征值C2i，j与第二设定阈值C20进行比较，若C2i，j≥C20则将该点作为设备点予以提取保留，否则将该点作为噪声点，予以去除。进一步地，在本专利技术所述的变电站三维实景模型建立方法中，在步骤(4)中，采用一维子空间密度差值对地面点云进行抽稀包括步骤：(i)将地面点云投影至xoy平面获得地面点云的初始空间Md本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变电站三维实景模型建立方法，其特征在于，包括：/n(1)获取变电站原始点云数据；/n(2)对变电站原始点云数据进行预处理；/n(3)采用高程阈值分割算法将经过预处理的变电站点云数据划分为带有噪声点的设备点云和地面点云；/n(4)采用二维子空间密度差值分割法从带有噪声点的设备点云中提取出设备点云，同时采用一维子空间密度差值对地面点云进行抽稀；/n(5)采用提取出的设备点云和经过抽稀的地面点云建立变电站三维实景模型。/n

【技术特征摘要】
1.一种变电站三维实景模型建立方法，其特征在于，包括：
(1)获取变电站原始点云数据；
(2)对变电站原始点云数据进行预处理；
(3)采用高程阈值分割算法将经过预处理的变电站点云数据划分为带有噪声点的设备点云和地面点云；
(4)采用二维子空间密度差值分割法从带有噪声点的设备点云中提取出设备点云，同时采用一维子空间密度差值对地面点云进行抽稀；
(5)采用提取出的设备点云和经过抽稀的地面点云建立变电站三维实景模型。


2.如权利要求1所述的变电站三维实景模型建立方法，其特征在于，在步骤(1)中，通过三维激光雷达扫描得到变电站原始点云数据。


3.如权利要求1所述的变电站三维实景模型建立方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述预处理包括飞点去除和点云数据精简。


4.如权利要求1所述的变电站三维实景模型建立方法，其特征在于，步骤(3)包括步骤：
(3a)基于经过预处理的变电站原始点云数据，确定初始点云空间M0：



其中，(x，y，z)为任意一个点云的空间坐标值；xmin、xmax、ymin、ymax、zmin和zmax表示初始点云空间在x、y、z三个方向上的边界；
(3b)采用划分尺度dx沿x轴将初始点云空间划分成N个子空间：



式中，|xmax-xmin|表示求取不大于(xmax-xmin)的最大整数；
(3c)统计每个子空间Mi(i＝1,2，….,N)中的点与最低点的高程差δi，以δi作为特征值，其中δi＝zi-zmin；
(3d)将特征值δi与设定的特征阈值δ0进行比较，若δi≤δ0，则该点为地面点云，否则为带有噪声点的设备点云。


5.如权利要求1-4中任意一项所述的变电站三维实景模型建立方法，其特征在于，在步骤(4)中，采用二维子空间密度差值分割法从带有噪声点的设备点云中提取出设备点云包括步骤：
(4a)将带有噪声点的设备点云投影至xoy平面获得设备点云的第一初始空间Ms10，对其进行边界定位，采用划分尺度dsx，dsy，分别沿x，y轴将第一初始空间Ms10划分成m×n个第一子空间Ms1i，j，其中i＝1，2……m,j＝1，2……n：



其中xs1min、xs1max、ys1min、ys1max表示第一初始空间Ms10在x、y方向上的边界；
(4b)统计每个第一子空间Ms1i，j的点云数量值C1i，j，以C1i，j作为该第一子空间的第一特征值；
(4c)将第一特征值C1i，j与第一设定阈值C10进行比较，若C1i，j≥C10则将该点作为设备点，否则将该点作为噪声点，予以去除；
(4d)将上一步所得的所有设备点构成的设备点云作为第二初始空间Ms20，采用划分尺度dy，dz分别沿y，z轴将第二初始空间Ms20划分成p×q个第二子空间Ms2i，j，其中i＝1，2……p,j＝1，2……q：






(4e)统计每个第二子空间Ms2i，j的点云数量值C2i，j，以C2i，j作为该第二子空间的第二特征值；
(4f)将第二特征值C2i，j与第二设定阈值C20进行比较，若C2i，j≥C20则将该点作为设备点予以提取保留，否则将该点作为噪声点，予以去除。


6.如权利要求1所述的变电站三维实景模型建立方法，其特征在于，在步骤(4)中，采用一维子空间密度差值对地面点云进行抽稀包括步骤：
(i)将地面点云投影至xoy平面获得地面点云的初始空间Md0，对其进行边界定位，采用划分尺度ddx，ddy，分别沿x，y轴将初始空间Md0划分成m×n个地面点云子空间Mdi，j，其中i＝1，2……m,j＝1，2……n：



其中xdmin、xdmax、ydmin、ydmax表示地面点云的初始空间Md0在x、y方向上的边界；
(ii)统计每个地面点云子空间Mdi，j的点云数量值Cdi，j，以Cdi，j作为该地面点云子空间的特征值；
(iii)将地...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟辉，沈小军，张海龙，孙广，范胜国，武一夫，张久生，于忻乐，陈佳，吴小东，张世冬，
申请(专利权)人：国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司，上海慕荣电气有限公司，
类型：发明
国别省市：内蒙;15