基于GIS的三维管线激光扫描建模专题研究

2013-08-29

大众科技 2013年3期

（广州供电局信息部，广东广州 510620）

1 引言

南方电网公司明确提出在“十二五”期间，“以三个融合为内涵、以三个转变为导向、以四个提升为手段，实现国内领先，国际先进目标”。随着广州电网三维GIS的建设，已经初步实现主网结构的多维度可视化展示和主网状态的实时监视，为企业的规划计划、运营管理和应急指挥提供支撑，但传统的三维管线照片建模方式已经不能满足日益发展的业务需要，存在模型建设周期长、成本高、建模因人而异、模型精度不高、真实感较差、不可批量复制等缺点，只有把三维管线模型建设工作经济化、精细化、批量化，才能更好的为规划、管理与决策提供有力支撑。

2 广州供电局三维GIS建模技术现状

广州随着业务部门对三维GIS系统功能的日益依赖，由于三维模型建设条件和管理手段的局限，目前大部分三维模型还处在人工建立阶段，精细化程度较差，建模时间较长，人工成本较高，不能快速全面满足三维电网GIS系统的需求，其问题主要体现在以下几点：

（1）模型建设周期长，往往系统功能已经开发完成，但是模型还未建好。

（2）模型精度不高，时常因测量误差等原因导致模型与实际差距较大。

（3）不能批量化建模，人工建模往往因为细小差别导致原有模型不能复用而必须重新建立。

（4）成本较高，建模周期较长导致了建模成本居高不下。

以上几点恰是影响三维模型建设关键因素，对现有三维GIS平台的发展造成了阻碍，无法更好的发挥三维GIS平台的优势。利用广州供电局现有的三维GIS平台，结合更先进的三维建模手段，建立“基于三维GIS的管线模型”提高三维GIS平台利用率，实现完全实景模拟现场环境，有效降低电网线路的运行和维护费用，缩短故障处理时间，决策支持支撑力。

3 解决方案

根据以上问题分析，其解决方向主要在以下五个方面：

（1）建立激光扫描建模模型库。

确立采用激光扫描建模设备及技术；现场采集数据后，自动建立三维模型，并加入现有GIS系统，对原有模型进行替换。

（2）完善营配一体化系统接口。

通过高精度的配电网模型，把营配一体化GIS平台特有的管理分析功能与业务管理应用相结合，描述整个电力企业真实运作的环境，更好的实现对客户、配电网的分析、维护和管理。

（3）完善安全生产系统接口。

通过建立高精度的主网设备模型，完善基于主网GIS系统，更好的实现主网数据的地理位置、电网拓扑以及主配一体化管理。

（4）完善数字供电系统接口。

建立全景准实时数字电网模型，提供精细化管理电网规划计划、基建工程、生产运行、调度指挥、检修维护和应急指挥，更好的促进业务由部门条块化管理向企业跨部门的企业级应用转变，成为企业级集成应用建设的关键契机，也为综合停电管理集成应用和综合绩效管理集成应用等高级集成应用提供了高精度的数字电网模型。

（5）完善准实时数据平台接口。

通过准实时数据平台获取SVG图形和数据，展示主网和配网的SVG图形，在高精度模型基础上展示主配网的实时运行状态等数据，更好的量化管理配网巡检，也更好的促进电缆管理的标准化建设工作。

4 基于GIS的激光扫描建模建设方案

4.1 激光扫描建模技术

激光扫描建模技术，是近年来发展起来的一项高新技术，可全天候、快速、直接、高精度的采集大范围区域的三维信息，并且随着三维激光扫描技术的不断发展和三维激光扫描仪价格的不断下降，运用三维激光扫描仪获取点云数据并对该数据进行分析和处理并建模，已经成为现实。

4.2 激光扫描建模技术在三维建模领域中的优势

利用激光扫描建模技术应用三维模型领域的优势在于：

（1）扫描速度快，每秒可以扫描上百万个点。

（2）仪器一体化集成，方便操作及携带。

（3）全景化的扫描，更加灵活并更加适合复杂的测量环境，效率高。

（4）高精度，高密度扫描,单点精度可达±2 mm,间隔最小1 mm。

三维激光扫描仪原理工作原理：使用激光扫描技术，由一组接收/发射设备和信息标识器及信息处理系统组成，其工作原理见下图：

图1 三维激光扫描仪工作原理图Fig.1 3D laser scanner schematic

4.3 建立基于激光扫描建模应用

（1）数据采集

数据采集主要的步骤为：踏勘现场及布设控制点、控制测量、靶标布设、扫描、靶标测量与提取。

踏勘场地，根据场地情况估算扫描测试站的数量和位置，尽量保证扫描区域有公共部分，减少其他物体遮挡，保证扫描距离在扫描仪有效范围内。控制点的布设在扫描测站初步设置完毕后，按照扫描测站的情况进行，重点是要保证每一控制点和至少两个其他控制点通视，且控制点通视区域应尽可能包含所有目标扫描区域。将控制测量分为平面控制与高程控制测量，并分别进行测量与平差计算，获得高精度的靶标定位，并为后续的配准提供精确的转换坐标。根据扫描后顺序码，采用由左至右进行靶标编号。调整扫描仪分辨率至合适数值，使之能够准确的提取靶标中心点。采用全站仪测量靶标，以获取其在控制网坐标系的坐标。

（2）数据过滤

原始采集的数据还不能直接应用最终的模型数据必须经过一定的处理：点云去噪与补洞、点云配准、表面重建，原籍的原始数据质量较差，含有较大的噪声，先进行初略的去噪，然后进一步细化，在经过手工的补洞后初步去噪完成。在点云去噪和补洞后开始配准，靶标齐全的点云，使用控制点配准，将点云配准到控制网坐标系下；靶标缺失的点云，利用公共区域寻找同名点对其进行两辆配准，当同名点缺失时，手工进行配准。由于点云的离散型，生成的模型存在一定的缺陷，需要在多边形阶段对其进行修补、调整。经过上述处理后得到数字三维模型。

图2 杆塔扫描点云效果图Fig.2 The tower scanning point cloud effect diagram

（3）三维建模及渲染

利用三维处理软件对模型进行渲染和三维处理，最终得到三维模型图。

图3 杆塔三维效果图Fig.3 The tower 3D effect diagram

5 精细化模型与GIS系统可视化数据接入

通过与主网生产、雷电定位、隧道在线监测、变电站数据监测等系统的整合，建设对各种电网相关数据及指标进行多维度、多视角的展示与分析的可视化系统，实现查询分析结果的多维展示。同时满足可扩展性要求，能够对外提供接口和服务，使系统与其他新增业务可以进行整合、对接。

5.1 主网安全生产系统接口

通过从主网安全生产系统中获取线路设备台账数据、生产计划、缺陷、隐患及特殊区段、工作牌、巡视任务等数据，对这些数据按照人员和班组进行统计，将统计结果进行展现，并可根据展现数据链接直接显示相关明细。

5.2 雷电定位系统接口

从广东电网公司雷电定位系统定时获取雷电数据，主要包括：雷电发生时间、雷击电流、电流极性、雷击坐标等数据，将这些数据进行保存，作为雷电分析所需的基础数据来源。

通过与雷电系统建立实时数据更新的接口。在用户选择好起止时间后，会在三维系统中以雷雨云的图标显示出这段时间内发生雷电的地点，点击雷雨云图标后，会以气泡窗的方式展示该雷电点相关的信息，效果图如下：

图4 雷电发生时间段效果图Fig.4 The thunder time period effect diagram

图5 雷电详细信息效果图Fig.5 The thunder detail effect diagram

5.3 隧道在线监测接口

通过与状态监测系统接口，获取到隧道内部监测点名称、编号等信息存储数据库并与三维隧道内部监测模型做关联。当用户需要查看各子系统数据时，选中隧道内监测设备模型再通过页面集成方式展示监测数据。同时2-3分钟通过接口获取所有监测点的实时数据，将数据的高低分为几个档次，每个档次对应不同的颜色，如过高是红色，正常是绿色等，然后根据每个监测点的实时数据，将其渲染成对应的颜色。并勾勒出电缆的走向及温度监测情况。

获取到电缆温度、时间、位置、最高温度、平均温度、最大尖峰值等数据。实时展现电缆测点温度数据，也可对指定时间范围内的电缆温度变化趋势进行查看。