CN105719277A - 一种基于测绘与二维图像的变电站三维建模方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于测绘与二维图像的变电站三维建模方法及系统。所述方法包括：获取变电站设备的二维图像；采用K?means算法对所述二维图像中的物体进行分割；采用快速傅里叶算法提取所述物体形状的形状特征；从形状库中检索出与所述形状特征相匹配的三维形状；将所述三维形状组合形成所述变电设备的三维模型；获取对于所述变电站设备的测绘数据，所述测绘数据至少包括所述变电站设备的实际尺寸、实际间距；根据所述测绘数据，确定各个所述三维模型之间的相对位置关系；采用各个所述三维模型建立所述变电站设备所在的变电站的三维场景模型。采用本发明的方法或系统，可以自动实现变电站三维建模，极大的降低建模成本与时间，提高效率。

Description

一种基于测绘与二维图像的变电站三维建模方法及系统

技术领域

本发明涉及图形建模领域，特别是涉及一种基于测绘与二维图像的变电站三维建模方法及系统。

背景技术

当前电网规模日益扩大，变电站站内设备布局复杂化程度不断提高，建立变电站三维模型可方便新训员工熟悉变电站环境。

现有技术中，通常采用三维建模技术建立变电站的场景模型，以供新训员工熟悉变电站环境。具体的，主要有两种类型的三维建模方法：基于三维激光扫描技术的变电站三维建模方法，和基于几何造型的变电站三维建模方法。基于激光扫描技术的变电站三维建模方法，主要利用地面三维激光扫描仪获取的空间数据建立三维仿真模型。基于几何造型的变电站三维建模方法，主要依据变电站数码图片、设计图纸和厂家设备图纸，设置模型贴图与材质，拼接电气设备模型完成变电站三维场景建模。

但是，基于激光扫描技术的变电站三维建模方法，需要依靠高精度扫描获取海量点位信息，扫描数据也需要后台处理软件复杂而精确的处理，才可以转化为真实的三维设备模型，因此工作量和成本较大。基于几何造型的变电站三维建模方法，需要人工根据变电站设备图片，在软件中选取相似形状进行组合建模，无法实现自动化匹配建模。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于测绘与二维图像的变电站三维建模方法及系统，能够在已有三维形状库的基础之上，通过对变电站设备二维照片中的不同物体进行分割，从形状库中检索出相应形状并组成设备模型，从而自动实现变电站三维建模，极大的降低建模成本与时间，提高效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于测绘与二维图像的变电站三维建模方法，包括：

获取变电站设备的二维图像；

采用K-means算法对所述二维图像中的物体进行分割，得到分割后的物体形状；

采用快速傅里叶算法提取所述物体形状的形状特征；

从形状库中检索出与所述形状特征相匹配的三维形状；

将所述三维形状组合形成所述变电设备的三维模型；

获取对于所述变电站设备的测绘数据，所述测绘数据至少包括所述变电站设备的实际尺寸、实际间距；

根据所述测绘数据，确定各个所述三维模型之间的相对位置关系；

基于所述相对位置关系，采用各个所述三维模型建立所述变电站设备所在的变电站的三维场景模型。

可选的，所述采用K-means算法对所述二维图像中的物体进行分割，具体为：

采用K-means算法对所述二维图像中的物体所具有的相似形状进行聚类分割。

可选的，所述从形状库中检索出与所述形状特征相匹配的三维形状，具体包括：

确定所述形状库中的各个三维形状的形状特征；

将所述形状库中的各个三维形状的形状特征与物体形状的形状特征进行比对，得到比对结果；

从所述比对结果中确定与所述物体形状的相似度最高的三维形状。

可选的，所述确定各个所述三维模型之间的相对位置关系，具体包括：

根据所述实际尺寸确定所述变电站设备对应的三维模型的像素尺寸；

根据所述实际间距确定所述变电站设备对应的三维模型的像素间距；

所述基于所述相对位置关系，采用各个所述三维模型建立所述变电站设备所在的变电站的三维场景模型，具体包括：

根据所述像素尺寸确定所述三维模型的显示轮廓大小；

根据所述像素间距确定所述三维模型在所述三维场景模型中的显示位置。

一种基于测绘与二维图像的变电站三维建模系统，包括：

二维图像获取单元，用于获取变电站设备的二维图像；

形状分割单元，用于采用K-means算法对所述二维图像中的物体进行分割，得到分割后的物体形状；

形状特征提取单元，用于采用快速傅里叶算法提取所述物体形状的形状特征；

匹配形状检索单元，用于从形状库中检索出与所述形状特征相匹配的三维形状；

三维模型生成单元，用于将所述三维形状组合形成所述变电设备的三维模型；

测绘数据获取单元，用于获取对于所述变电站设备的测绘数据，所述测绘数据至少包括所述变电站设备的实际尺寸、实际间距；

相对位置关系确定单元，用于根据所述测绘数据，确定各个所述三维模型之间的相对位置关系；

三维场景模型建立单元，用于基于所述相对位置关系，采用各个所述三维模型建立所述变电站设备所在的变电站的三维场景模型。

可选的，所述形状分割单元，具体包括：

形状分割子单元，用于采用K-means算法对所述二维图像中的物体所具有的相似形状进行聚类分割。

可选的，所述匹配形状检索单元，具体包括：

形状特征确定子单元，用于确定所述形状库中的各个三维形状的形状特征；

形状特征比对子单元，用于将所述形状库中的各个三维形状的形状特征与物体形状的形状特征进行比对，得到比对结果；

相似三维形状确定子单元，用于从所述比对结果中确定与所述物体形状的相似度最高的三维形状。

可选的，所述相对位置关系确定单元，具体包括：

像素尺寸确定子单元，用于根据所述实际尺寸确定所述变电站设备对应的三维模型的像素尺寸；

像素间距确定子单元，用于根据所述实际间距确定所述变电站设备对应的三维模型的像素间距；

所述三维场景模型建立单元，具体包括：

显示轮廓大小确定子单元，用于根据所述像素尺寸确定所述三维模型的显示轮廓大小；

显示位置确定子单元，用于根据所述像素间距确定所述三维模型在所述三维场景模型中的显示位置。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明实施例中的基于测绘与二维图像的变电站三维建模方法，首先对变电站内设备进行多角度拍摄(得到二维图像)，并对各设备进行位置信息测绘(得到测绘数据)，根据比例尺得到设备尺寸、设备位置坐标等信息。之后对所拍摄设备图片进行像素分割，提取特征点后在形状库内检索与设备各部分相似模块(三维形状)，根据设备图片所占像素计算出各模块三维尺寸大小，将库内模块组合成设备三维模型，再根据测绘数据确定设备间距等方面信息，从而构成变电站三维模型。能够在已有三维形状库的基础之上，通过对变电站设备二维照片中的不同物体进行分割，从形状库中检索出相应形状并组成设备模型，从而自动实现变电站三维建模，极大的降低建模成本与时间，提高效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的基于测绘与二维图像的变电站三维建模方法实施例的流程图；

图2为本发明中的二维图片示意图；

图3为对二维图片中的物体进行形状分割后的示意图；

图4为变电站设备的三维模型示意图；

图5为本发明的基于测绘与二维图像的变电站三维建模系统实施例的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的基于测绘与二维图像的变电站三维建模方法实施例的流程图。如图1所示，该方法可以包括：

步骤101：获取变电站设备的二维图像；

步骤102：采用K-means算法对所述二维图像中的物体进行分割，得到分割后的物体形状；

步骤103：采用快速傅里叶算法提取所述物体形状的形状特征；

步骤104：从形状库中检索出与所述形状特征相匹配的三维形状；

步骤105：将所述三维形状组合形成所述变电设备的三维模型；

步骤106：获取对于所述变电站设备的测绘数据，所述测绘数据至少包括所述变电站设备的实际尺寸、实际间距；

步骤107：根据所述测绘数据，确定各个所述三维模型之间的相对位置关系；

步骤108：基于所述相对位置关系，采用各个所述三维模型建立所述变电站设备所在的变电站的三维场景模型。

本实施例中的基于测绘与二维图像的变电站三维建模方法，首先对变电站内设备进行多角度拍摄(得到二维图像)，并对各设备进行位置信息测绘(得到测绘数据)，根据比例尺得到设备尺寸、设备位置坐标等信息。之后对所拍摄设备图片进行像素分割，提取特征点后在形状库内检索与设备各部分相似模块(三维形状)，根据设备图片所占像素计算出各模块三维尺寸大小，将库内模块组合成设备三维模型，再根据测绘数据确定设备间距等方面信息，从而构成变电站三维模型。能够在已有三维形状库的基础之上，通过对变电站设备二维照片中的不同物体进行分割，从形状库中检索出相应形状并组成设备模型，从而自动实现变电站三维建模，极大的降低建模成本与时间，提高效率。

具体的，本方法的有益效果如下：

(1)本发明由于采用通过对二维图像进行处理的方式建立三维模型，因此所需采集数据量较小。

(2)本发明采用K-means算法及快速傅里叶法实现图像分割及形状重组，效率较高。

(3)本发明采用对拍摄设备形状进行形状库检索的方法，能够实现变电站设备形状自动匹配重组，无需人工选择形状及设备种类，准确性较高。

(4)本发明对变电站内部设备进行概略建模，而不做细节精确描述，可以满足工作人员对变电站内部环境了解的需要，同时节约计算成本。

上述实施例中，步骤102的具体实现方式可以如下：

将二维图像的中拍摄的物体的边分为n连接边和t连接边。连接边是指连接两相邻节点的边，t连接边是指连接端点和相邻节点之间的边。可以定义分割代价，分割代价越小，分割效果越好。而分割代价为所有边能量权值之和，如式(1)所示：

$E\left(X\right)=\underset{p\∈\mathrm{\δ}}{\Σ}{E}_1(x_p,s|t)+\mathrm{\λ}\underset{(p,q)\∈\mathrm{\ϵ}}{\Σ}{E}_2(x_p,x_q)---\left(1\right)$

式(1)中，E₁为t连接所有像素能量值之和，E₂为n连接所有像素能量值之和。s为源端点，t为目标端点，二者所连边即为t连接边。p、q为两相邻节点，二者所连边即为n连接边，x_p、x_q为两点像素值。δ为节点的集合，ε为边的集合。

对于t连接分量，可以建立数组来存储分量能量值，从源端点s出发到端点t的边定义为O_n，节点到端点的欧式距离为欧式距离越短则该节点与端点越相似，属于该定义集合O_n，为该边E₁赋值0，反之则为E₁赋值1，并以此点作为下一源点重复上述过程，直至遍历图中所有节点。

图2为本发明中的二维图片示意图。

对于n连接分量，其能量值E₂是根据像素与周围关系来确定的。当p、q两节点越相似时E₂值越大，两节点差异越大E₂值将越趋向于0，根据两像素的颜色距离，可将p、q两节点的n连接分量能量值定义为

$E_2(x_p,x_q)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}\exp (-\frac{\left|\right|x_p-x_q|{|}^2}{2})---\left(2\right)$

最后求解能量函数，能够确定不同形状外轮廓与型心，进而可将图像分割为不同部分。，实现将图2中的二维图片中不同物体进行分割，如图3所示。

上述实施例中，步骤103至105的具体实现方式可以如下：

可以采用快速傅里叶变换法对分割后每部分图像进行特征提取，然后再与形状库内500个形状的特征向量进行对比，进行相似性排序后得到最相似形状作为匹配形状，再根据图片所占像素，按比例尺计算出各模块三维尺寸大小，按照图像分割中所确定的各聚类位置关系进行设备模块重组。

需要说明的是，匹配的仅仅是简单的三维形状，如圆柱体圆锥体，可保证匹配可靠性。再将简单形状进行组合即可得到变电站设备的三维模型。

图4为变电站设备的三维模型示意图。

本发明还公开了一种基于测绘与二维图像的变电站三维建模系统。

图5为本发明的基于测绘与二维图像的变电站三维建模系统实施例的结构图。如图5所示，该系统可以包括：

二维图像获取单元501，用于获取变电站设备的二维图像；

形状分割单元502，用于采用K-means算法对所述二维图像中的物体进行分割，得到分割后的物体形状；

形状特征提取单元503，用于采用快速傅里叶算法提取所述物体形状的形状特征；

匹配形状检索单元504，用于从形状库中检索出与所述形状特征相匹配的三维形状；

三维模型生成单元505，用于将所述三维形状组合形成所述变电设备的三维模型；

测绘数据获取单元506，用于获取对于所述变电站设备的测绘数据，所述测绘数据至少包括所述变电站设备的实际尺寸、实际间距；

相对位置关系确定单元507，用于根据所述测绘数据，确定各个所述三维模型之间的相对位置关系；

三维场景模型建立单元508，用于基于所述相对位置关系，采用各个所述三维模型建立所述变电站设备所在的变电站的三维场景模型。

实际应用中，所述形状分割单元502，具体包括：

形状分割子单元，用于采用K-means算法对所述二维图像中的物体所具有的相似形状进行聚类分割。

实际应用中，所述匹配形状检索单元504，具体包括：

形状特征确定子单元，用于确定所述形状库中的各个三维形状的形状特征；

形状特征比对子单元，用于将所述形状库中的各个三维形状的形状特征与物体形状的形状特征进行比对，得到比对结果；

相似三维形状确定子单元，用于从所述比对结果中确定与所述物体形状的相似度最高的三维形状。

实际应用中，所述相对位置关系确定单元507，具体包括：

像素尺寸确定子单元，用于根据所述实际尺寸确定所述变电站设备对应的三维模型的像素尺寸；

像素间距确定子单元，用于根据所述实际间距确定所述变电站设备对应的三维模型的像素间距；

所述三维场景模型建立单元，具体包括：

显示轮廓大小确定子单元，用于根据所述像素尺寸确定所述三维模型的显示轮廓大小；

显示位置确定子单元，用于根据所述像素间距确定所述三维模型在所述三维场景模型中的显示位置。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于测绘与二维图像的变电站三维建模方法，其特征在于，包括：

获取变电站设备的二维图像；

采用K-means算法对所述二维图像中的物体进行分割，得到分割后的物体形状；

采用快速傅里叶算法提取所述物体形状的形状特征；

从形状库中检索出与所述形状特征相匹配的三维形状；

将所述三维形状组合形成所述变电设备的三维模型；

获取对于所述变电站设备的测绘数据，所述测绘数据至少包括所述变电站设备的实际尺寸、实际间距；

根据所述测绘数据，确定各个所述三维模型之间的相对位置关系；

基于所述相对位置关系，采用各个所述三维模型建立所述变电站设备所在的变电站的三维场景模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用K-means算法对所述二维图像中的物体进行分割，具体为：

采用K-means算法对所述二维图像中的物体所具有的相似形状进行聚类分割。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从形状库中检索出与所述形状特征相匹配的三维形状，具体包括：

确定所述形状库中的各个三维形状的形状特征；

将所述形状库中的各个三维形状的形状特征与物体形状的形状特征进行比对，得到比对结果；

从所述比对结果中确定与所述物体形状的相似度最高的三维形状。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定各个所述三维模型之间的相对位置关系，具体包括：

根据所述实际尺寸确定所述变电站设备对应的三维模型的像素尺寸；

根据所述实际间距确定所述变电站设备对应的三维模型的像素间距；

所述基于所述相对位置关系，采用各个所述三维模型建立所述变电站设备所在的变电站的三维场景模型，具体包括：

根据所述像素尺寸确定所述三维模型的显示轮廓大小；

根据所述像素间距确定所述三维模型在所述三维场景模型中的显示位置。

5.一种基于测绘与二维图像的变电站三维建模系统，其特征在于，包括：

二维图像获取单元，用于获取变电站设备的二维图像；

形状分割单元，用于采用K-means算法对所述二维图像中的物体进行分割，得到分割后的物体形状；

形状特征提取单元，用于采用快速傅里叶算法提取所述物体形状的形状特征；

匹配形状检索单元，用于从形状库中检索出与所述形状特征相匹配的三维形状；

三维模型生成单元，用于将所述三维形状组合形成所述变电设备的三维模型；

测绘数据获取单元，用于获取对于所述变电站设备的测绘数据，所述测绘数据至少包括所述变电站设备的实际尺寸、实际间距；

相对位置关系确定单元，用于根据所述测绘数据，确定各个所述三维模型之间的相对位置关系；

三维场景模型建立单元，用于基于所述相对位置关系，采用各个所述三维模型建立所述变电站设备所在的变电站的三维场景模型。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述形状分割单元，具体包括：

形状分割子单元，用于采用K-means算法对所述二维图像中的物体所具有的相似形状进行聚类分割。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述匹配形状检索单元，具体包括：

形状特征确定子单元，用于确定所述形状库中的各个三维形状的形状特征；

形状特征比对子单元，用于将所述形状库中的各个三维形状的形状特征与物体形状的形状特征进行比对，得到比对结果；

相似三维形状确定子单元，用于从所述比对结果中确定与所述物体形状的相似度最高的三维形状。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述相对位置关系确定单元，具体包括：

像素尺寸确定子单元，用于根据所述实际尺寸确定所述变电站设备对应的三维模型的像素尺寸；

像素间距确定子单元，用于根据所述实际间距确定所述变电站设备对应的三维模型的像素间距；

所述三维场景模型建立单元，具体包括：

显示轮廓大小确定子单元，用于根据所述像素尺寸确定所述三维模型的显示轮廓大小；

显示位置确定子单元，用于根据所述像素间距确定所述三维模型在所述三维场景模型中的显示位置。