CN109801358A - 一种基于slam扫描和点云影像融合的变电站三维勘测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变电站工程勘测技术领域，尤其涉及一种基于SLAM扫描和点云影像融合的变电站三维勘测方法。它包括以下步骤：S1、采用移动扫描系统同步获取点云和全景影像信息，并且同时还要得到获取的点云和全景影像的位置信息；S2、根据位置信息将点云和全景影像信息进行融合；S3、根据步骤S2融合后的点云和全景影像信息建立三维实景地图模型；S4、根据步骤S3得到的三维实景地图模型搭建变电站三维地图的展示平台。这种方法基于SLAM移动扫描获取变电站内部的空间和影像信息，通过点云和全景影像的融合技术，能够快速建立真正的变电站实景三维空间地图，实现变电站实景量测、施工核对、场景联动、方案比选等常规工程勘测内容。

Description

一种基于SLAM扫描和点云影像融合的变电站三维勘测方法

技术领域：

本发明涉及变电站工程勘测技术领域，尤其涉及一种基于SLAM扫描和点云影像融合的变电站三维勘测方法。

背景技术：

变电站作为电力行业重要的设备之一，需要确保设计、施工、审核、维护等多个环节的工作安全和效率。近年来，一些新的信息测绘技术逐步应用于变电站的相关工作中，但主要体现在变电站建设过程中的工程管理，使用过程中的设备信息巡检等工作，而在变电站设计勘测核验中应用较少。实际上，变电站设计勘测是发现变电站安全隐患，保证正常合理化使用的前提工作。当前变电站工程核验工作仍以传统的现场核验为主，存在人力、财力浪费，审核验收效率低下，对审核人员的经验依赖程度高等问题。

现有专利中，申请号201721318704.9，申请名为：一种基于BIM的变电站信息监测管理系统，具体公开了一种基于BIM的变电站信息监测管理系统，建立一种包括3D空间模型、时间、数据信息在内的5D数据库，并采用3D GIS+BIM融合技术和云技术，将变电站日常管理过程中不同阶段创建的BIM模型、资源构件按时间进行版本管理。这些版本在系统中均可查询、可追溯，由此实现变电站整体可视化表现和电气设备的综合监管。该系统以BIM为虚拟三维的模型相对于传统的二维平面，可读性更强。但是此系统采用的虚拟三维模型仍然是在抽象的基础上进行建模，并不能提供现实施工核验中需要的真实细节。

现有专利中，申请号201210383156.3，申请名为：一种将三维实景漫游技术用于电力设备状态可视化的方法。具体提出了一种利用三维漫游技术构建三维实景漫游平台，结合Web Service实现了电力设备状态诊断系统的数据关联和交互，以直观的图表方式在三维实景漫游场景中展现这些数据，实现了电力设备状态信息360度全方位的可视化应用和体验。上述方法虽然提供了变电站三维实景的查看方式，但是其建立的三维实景仅是视觉的“三维”，并不是具有空间信息的真三维，无法进行相关的空间计算，更无法实现工程核验中的基础功能。

现有专利中，申请号201610248934.6，申请名为：一种变电站三维实景仿真系统及实现方法，提出了一种包括安全区域监控单元，三维可视化展示单元，以及系统管理单元的变电站三维实景仿真系统。实现了变电站日常巡检及检修可视化管理、实时跟踪监控工作人员日常巡检和检修过程、安全警戒报警和智能记录管理的功能。该系统采用点云数据建立了变电站的三维空间，但没有提供同步配套的全景影像，其所用的虚拟三维平台只作为连接设备位置，没有真实感的实景体验。

总之，现有的技术无法满足变电站基于实景三维直观地变电站设计勘测，主要表现在下述几方面：

1.传统的实地审核对地形、地下管线、消防、土地等竣工图进行了过度的简化抽象，与工程审核需要丰富的场景和细节信息需求矛盾突出。新的测绘技术在变电站施工核验上的开发应用较少，亟需能够反映现场真实状况的实景三维模型改善传统的变电站施工核验方式。

2.目前已开发的变电站三维平台有虚拟三维和实景三维模型。虚拟的三维模型以BIM为例，实现了平面图纸的三维表示，但无法表现真实的现实细节；而实景三维模型没有基于全景和点云融合的平台；或者仅有影像信息，而无空间深度信息，建立的三维平台无法进行空间相关的操作；或者有空间信息却没有相应的全景影像，无法实现实景游览。

3.在构建变电站三维实景平台中效率不够高，虚拟三维模型时间精力耗费高，采用静态的激光点云方式，在复杂的环境中需要多次换站，后续的点云拼接过程也十分复杂且耗时。

即时定位与地图构建(Simultaneous Localization And Mapping，SLAM)是机器人领域的关键技术之一，近年来在移动测绘方面显示了极好的应用前景。其优势在于外业数据采集速度快，数据精度高，内业数据预处理时间段，自动化程度高，且能够连续采集，实现室内外一体化作业。

发明内容：

本发明所要要解决的技术问题是：提供一种基于SLAM扫描和点云影像融合的变电站三维勘测方法，这种方法基于SLAM移动扫描获取变电站内部的空间和影像信息，通过点云和全景影像的融合技术，能够快速建立真正的变电站实景三维空间地图，并且采用WebGL技术建立三维平台，实现变电站实景量测、施工核对、场景联动、方案比选等常规工程勘测内容。

本发明所采用的技术方案是：一种基于SLAM扫描和点云影像融合的变电站三维勘测方法，其特征在于，它包括以下步骤：

S1、采用移动扫描系统同步获取点云和全景影像信息，并且同时还要得到获取的点云和全景影像的位置信息；

S2、根据位置信息将点云和全景影像信息进行融合；

S3、根据步骤S2融合后的点云和全景影像信息建立三维实景地图模型；

S4、根据步骤S3得到的三维实景地图模型搭建变电站三维地图的展示平台。

作为优选，步骤S1中位置信息主要通过空间识别技术以及设置在移动扫描系统中的IMU惯性制导单元得到。

作为优选，所述步骤S1中位置信息还需要通过闭环检测进行矫正。

作为优选，步骤S2中点云和全景影像融合主要包括以下步骤：

S21、空间匹配；

S22、时间顺序匹配。

作为优选，所述步骤S2中点云和全景影像融合还包括步骤S23、点云着色。

作为优选，步骤S23中的点云着色具体是指：根据全景影像的物方点、像点和全景球心三点共线原理，求解共线方程能够得到二维全景影像和三维点云坐标之间的映射关系，即找到与点云中每个点P(X,Y,Z)，相对应的像点p1(θ,φ)，将p1的颜色属性值赋给P，P就成为有颜色的彩色点云，p1也能匹配到相应的点云空间位置，即实现点云染色和全景深度匹配等过程。

作为优选，步骤S3中三维实景地图模型的建立还需要生成和编辑导航路径实现地图内部的路径导航。

作为优选，步骤S4中搭建变电站三维地图的展示平台主要采用WebGL技术。

作为优选，步骤S1中移动扫描系统采用移动小车，且所述移动小车上四周均匀设置5个水平朝向的全景摄像机，并且移动小车顶部设有1个朝上设置的全景摄像机。

采用以上方法与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明采用的SLAM扫描技术可以同步记录场景空间信息中的激光点云和真实纹理的全景影像，根据空间位置融合激光点云和全景影像，得到信息更加丰富的彩色点云，并且基于此构建的三维平台相对于先前多种变电站的三维模型具有快速方便、真实可测的特点，更适用于变电站工程勘测。

2.本发明构建的三维平台可以定性和定量地实现变电站勘测中的主要工作，改进了传统的变电站现场勘测方法，提高勘测的效率，节约了勘测成本。

3.本发明构建的三维平台采用WebGL技术，无需安装插件和其他应用程序，直接在游览器中打开，通过多种客户端如手机、电脑等随时随地查看，减少了对设备和场景的依赖性，支持移动办公。

附图说明：

图1为本发明一种基于SLAM扫描和点云影像融合的变电站三维勘测方法的流程示意图。

图2为本发明一种基于SLAM扫描和点云影像融合的变电站三维勘测方法中点云和全景影像信息融合的技术原理图。

图3为本发明一种基于SLAM扫描和点云影像融合的变电站三维勘测方法中空间直角坐标系转换图。

具体实施方式：

以下结合附图与具体实施方式对本发明做进一步描述，但是本发明不仅限于以下具体实施方式。

具体实施例一：一种基于SLAM扫描和点云影像融合的变电站三维勘测方法，它包括以下步骤：

1、采用移动扫描系统同步获取点云和全景影像信息，并且同时还要得到获取的点云和全景影像的位置信息；

其中移动扫描系统主要包括一个移动小车，其上搭载了3台激光扫描仪和1台高清全景摄像机，并且此移动小车的车身可以水平转动，这台高清全景摄像机设置车身上，并且高清全景摄像机具有4592像素*3448像素高清鱼眼镜头。3台激光扫描仪在小车移动推扫中始终保持运作，每一台都可以捕捉30米内270°角度范围内的景象，按照一定的角度放置在移动小车上，能够保证全方位无间隙的获取场景三维空间信息。其中两台垂直激光扫描仪被安装在移动小车车身前方，其盲点指向地面，这样移动小车的任何一部分都不会处于激光扫描仪的扫描范围内。一台水平激光扫描仪安装在移动小车顶部照相装置上，帮助移动小车定位。

并且获取点云、深度全景数据的同时还需要获取精确的位置信息，这个精确的位置信息通过以下三种方法综合确定，即以空间识别识别技术为基础，结合IMU惯性制导单元，在短距离扫描时通过IMU精确测量扫描路径的加速度、角速度，实现位置信息的精密的推算。在较长距离的扫描中，考虑到IMU的累计误差影响，采用闭环检测不断校正制图误差，确保制图精度。以上多技术融合的定位方法很好地保证了扫描最终记录位置准确性，为后续数据拼接和最终模型的确定提供了保障。其中：

(1)空间识别定位

移动小车的顶部水平激光扫描仪记录了连续导航信息，采用多特征匹配方法对新获取的数据与数据库中的一系列连续已知点(即候选轨迹)进行比较，寻找匹配程度最高的点。具体使用中还会通过墙壁信息约束导航结果、使用路标提供定点位置更新、利用照片和楼层数据库匹配定位，以及磁场匹配和光匹配等策略帮助缩小匹配的范围，保证快速匹配，不断拼接成完整的环境地图和达到精准定位。

(2)内部IMU惯性制导单元定位

移动小车内部装有惯性制导单元IMU用于测量物体三轴姿态角和加速度，能够对位置进行精密的位置推算，将计算得到相对位置信息赋在每一个点云和全景数据中，是下一步点云和全景影像的匹配的基础。这种依赖于自身感知到的内在信息即航迹推算定位方法，其自主性能够不依赖于任何外部设备的布设，不易受到环境干扰，在短距离的测量中表现性尤为突出。

2、根据位置信息将点云和全景影像信息进行融合；

激光点云能够获取场景的三维空间信息，全景影像具有真实世界的纹理信息，这两个数据的融合能够最大程度的发挥数据优势，是构建真实可测的三维空间的基础。激光点云和全景影像的融合过程主要通过以下步骤：

(1)空间匹配

空间匹配主要是通过将点云以及全景影像两者坐标统一，即进行坐标转化。移动扫描系统在运行过程中精确地记录了的位置信息，赋予相应时刻点云和全景数据的位置信息。而点云和全景摄像机传感器之间的轴系空间位置关系有着严格的标定，将IMU坐标系转至全景球坐标系，即得到全景球坐标下的激光点云坐标。

坐标转换的目的是将各个传感器之间的数据统一到统一参考下，本次推车获取的数据涉及到以下几个坐标系：激光扫描仪极坐标系、激光扫描仪直角坐标系、相机坐标系、全景相机坐标系和平台坐标系。

设备最初采集到的点云数据即以扫描仪为坐标系原点、以扫描光束为极轴建立的激光扫描仪极坐标系。每台激光扫描仪均有各自的极坐标系，三台扫描仪构建一个自定义的直角坐标系。每台全景相机都以其摄影光心为成像平面中心，垂直成像平面为z轴构建的单独相机坐标系，单台或者多台全景相机共同组成全景相机坐标系。平台坐标系统为统一了内部各传感器的虚拟直角坐标系。空间数据的匹配需要通过以下坐标系的转换步骤：

1)激光扫描仪极坐标系统向直角坐标系统转换；

2)扫描仪、相机坐标系向平台系统转换。

据此实现数据的空间信息统一，原理如图3。

(2)时间顺序匹配

在数据采集时，点云是连续的，全景影像可根据需求设置曝光间隔，在曝光时间段内的所采集的点云均认为是与这张全景影像匹配的。由于激光点云和全景影像存储都是按照采集时间顺序进行的。反过来搜寻每个激光点P的最佳关联影像只需要在匹配的影像中按位置进行判断即可，和大范围的搜索方法相比，大大缩短了匹配时间。

3、建立三维实景地图模型

基于融合好的点云全景数据就能快速建立实景三维模型。但三维地图的实现还需要经过地理注册完成全部数据从本地坐标到地理坐标的转换，还需要生成和编辑导航路径实现地图内部的路径导航。

进一步地，地理注册即将室内地图的本地坐标转换成经纬度。具体通过多个控制点映射，连接到室外地图平台如百度、高德、天地图等平台，完成整体地图的坐标转换即室外的地理注册。

进一步地，导航路径生成采用Delaunay三角网格剖分方法，通过室内空间区域的剖分，提取小三角区域的移动方向和位置，自动生成相应的路径网。不同楼层之间采用手动连接三角网节点的方式，实现从二维空间到三维空间室内路网建模。利用三维室内路网模型与设计的属性数据可满足跨楼层导航、室内外联合导航等多种场景下的室内路径规划。

4、搭建变电站三维地图的展示平台

本次发明采用的HTML5和WebGL技术搭建变电站三维地图的展示平台，相对于传统的WebGIS技术，WebGL无需安装插件，具有很强的开放性和兼容性，直接通过浏览器就能打开。平台的结构由数据库、Web服务器和Web游览器组成。

进一步的，数据库用于储存组织和管理数据，包括空间数据和属性数据。Web服务器用于接收客户端游览器发出的请求，将客户请求的数据文件发送到客户端。Web浏览器即客户端用于解析服务器发送过来的json文件，将其绘制在网页上，通过调用WebGL API实现图形硬件加速。

基于此技术构建的三维实景平台实现变电站工程勘测的相关工作，包括变电站设计前的实地勘测、方案改选；施工完后的距离量测、图纸核验；甚至在投入使用后，也能满足进行日常巡检的部分工作。具体功能如下：

场景浏览：三维平台构建的真实的三维场景，通过鼠标和键盘的操作能够实现视角的放大、缩小、旋转、移动等操作。

实景量测：经过点云和全景的匹配，每个全景像素都具备相应的三维空间信息，点击图像中两个像素，运行量测功能就能实现全景影像上的距离测量。

图纸联动：具有地理信息的矢量图纸支持上传并能快速匹配到经过地理注册的三维地图上。实现图纸和实景的快速切换。

实时定位：操作人员进入场景内，可以通过Wi-Fi、蓝牙、视觉识别技术等多种方法进行快速实时定位，获取自己在地图中的所在位置。

路径导航：通过空间分割，在三维实景地图中生成的导航网格，自动获取可通行区域和不可通行区域，实现路径的导航。对不熟悉现场的作业人员而言需要提前进行路线规划实现安全巡检。

方案改选：由于构建是三维空间是具有真实空间信息的三维空间，当勘测过程中发现不合理的区域或设备(测量或者设备的)，可以自定义增删虚拟三维实体实现方案比选。

具体实施例二，与具体实施例一的区别在于，具体实施例二中采用的移动小车上设置有5台全景摄像机，其中四台全景摄像机均匀设置在移动小车的四周，另外一台全景摄像机设置在移动小车的顶部并且朝上设置，而且扫描时，由时间同步系统控制5个摄像机的镜头同步曝光。

具体实施例三，与具体实施例一的区别在于，具体实施例三中采用的移动小车上设置有6台全景摄像机，其中五台全景摄像机均匀设置在移动小车的四周，另外一台全景摄像机设置在移动小车的顶部并且朝上设置，而且扫描时，由时间同步系统控制6个摄像机的镜头同步曝光。

具体实施例四，与具体实施例一的区别在于，具体实施例四中得到位置信息还需要通过闭环检测进行校正，因为考虑到IMU惯性制导单元的位置测量误差具有累积性，在长距离长时间情景下的定位精度有所降低。因此加入独立于内部位姿估计的闭环检测，通过识别当前位置是否访问过，将闭环的结果作为控制信息，引入全局校正，从而降低累积误差的影响，提高最终的建图的质量。

具体实施例五，与具体实施例一的区别在于，具体实施例五中点云和全景影像信息进行融合时还需要进行点云着色，主要是在空间匹配与时间顺序匹配完成后。点云着色主要方法是找到激光点云对应的全景影像，再根据全景影像的物方点、像点和全景球心三点共线原理，求解共线方程能够得到二维全景影像和三维点云坐标之间的映射关系，即找到与激光点云中每个点P(X,Y,Z)，相对应的像点p1(θ,φ)，将p1的颜色属性值赋给P，P就成为有颜色的彩色点云，p1也能匹配到相应的点云空间位置，即实现点云染色和全景深度匹配等过程。通过位置信息的匹配，构建空间三维结构，最终建立的三维地图，包含了点云空间位置信息和全景的纹理信息的完全匹配，能够基于全景实现距离的量测、位置读取等。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。

Claims (9)

1.一种基于SLAM扫描和点云影像融合的变电站三维勘测方法，其特征在于，它包括以下步骤：

S1、采用移动扫描系统同步获取点云和全景影像信息，并且同时还要得到获取的点云和全景影像的位置信息；

S2、根据位置信息将点云和全景影像信息进行融合；

S3、根据步骤S2融合后的点云和全景影像信息建立三维实景地图模型；

S4、根据步骤S3得到的三维实景地图模型搭建变电站三维地图的展示平台。

2.根据权利要求1所述的一种基于SLAM扫描和点云影像融合的变电站三维勘测方法，其特征在于：步骤S1中位置信息主要通过空间识别技术以及设置在移动扫描系统中的IMU惯性制导单元得到。

3.根据权利要求2所述的一种基于SLAM扫描和点云影像融合的变电站三维勘测方法，其特征在于：所述步骤S1中位置信息还需要通过闭环检测进行矫正。

4.根据权利要求1所述的一种基于SLAM扫描和点云影像融合的变电站三维勘测方法，其特征在于：步骤S2中点云和全景影像融合主要包括以下步骤：

S21、空间匹配；

S22、时间顺序匹配。

5.根据权利要求4所述的一种基于SLAM扫描和点云影像融合的变电站三维勘测方法，其特征在于：所述步骤S2中点云和全景影像融合还包括步骤S23、点云着色。

6.根据权利要求5所述的一种基于SLAM扫描和点云影像融合的变电站三维勘测方法，其特征在于：步骤S23中的点云着色具体是指：根据全景影像的物方点、像点和全景球心三点共线原理，求解共线方程能够得到二维全景影像和三维点云坐标之间的映射关系，即找到与点云中每个点P(X,Y,Z)，相对应的像点p1(θ,φ)，将p1的颜色属性值赋给P，P就成为有颜色的彩色点云，p1也能匹配到相应的点云空间位置，即实现点云染色和全景深度匹配等过程。

7.根据权利要求1所述的一种基于SLAM扫描和点云影像融合的变电站三维勘测方法，其特征在于：步骤S3中三维实景地图模型的建立还需要生成和编辑导航路径实现地图内部的路径导航。

8.根据权利要求1所述的一种基于SLAM扫描和点云影像融合的变电站三维勘测方法，其特征在于：步骤S4中搭建变电站三维地图的展示平台主要采用WebGL技术。

9.根据权利要求1所述的一种基于SLAM扫描和点云影像融合的变电站三维勘测方法，其特征在于：步骤S1中移动扫描系统采用移动小车，且所述移动小车上四周均匀设置5个水平朝向的全景摄像机，并且移动小车顶部设有1个朝上设置的全景摄像机。