CN112800514B - 一种采用激光点云加bim建模技术运用到换流站可视化管控平台的方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用激光点云加BIM建模技术运用到换流站可视化管控平台的方法，其特征在于包括以下步骤：首先通过三维激光扫描仪或传感器获取数据，直到获得全部点云数据，对采集的三维点云数据进行点云过滤，接着对数据进行定位和拼接，最后将点云数据导入到BIM模型中，进而描绘出变电站空间立体的形态，本发明有效的将点云数据以及BIM模型数据融入到了视点坐标系中，通过两次视图矩阵变换形成了准确的最终视点坐标，进行经纬度调整并通过投影矩阵的变换进行融合，最后将实时视频画面按照实际内容在可视化管控平台上进行全方位的逼真展现，使决策者能得到全面的实时信息，更加准确快速的做出决策。
Description
技术领域
本发明涉及一种建模技术运用到换流站可视化管控平台的方法，尤其涉及一种采用激光点云加BIM建模技术运用到换流站可视化管控平台的方法，属于数据处理技术领域。
背景技术
长期以来，在电力工程项目的建设过程中，有许多规模小、专业化的参与者，但设计、施工和运营过程基本相互隔绝，缺少一种共同的交互平台，信息无法整合和共享，造成信息流失、信息传递失误，导致信息的无序流动，阻碍工程建设。同时，我国电力系统的变电站规模越来越大，导致信息的无序流动，阻碍工程建设。变电站结构越来越复杂，设备更加先进，传统的变电站施工管理及运维管理模式正面临巨大的挑战。
国外建筑设计领域已广泛应用建筑信息技术(BIM)，核心是一个由计算机三维模型所形成的数据库，以还原真实空间的三维复杂形态，引入虚拟现实技术，实现在虚拟建筑中的漫游，展示建筑成长的过程。这些数据库信息在建筑全过程中动态变化调整，并可以及时准确的调用系统数据库中包含的相关数据，加快决策进度、提高决策质量，使设计、施工、运维等进行信息的共享和管理，从而提高项目质量，降低项目成本。
一直缺乏一种能够将电力工程中，特别是将变电站涉及的建筑、设备、管道、水电等所有物理存在形式及相关各类信息进行数字化，并将各类视频信息进行融合，形成逼真直观的三维模型，以高度仿真的形式可视化管控平台上进行全方位的逼真展现，使决策者能得到全面的实时信息。
发明内容
本发明的目的是针对现有的变电站项目在设计、施工和运营过程基本相互隔绝，信息无法整合和共享，无法形成逼真直观的三维模型，不能以高度仿真的形式进行呈现的缺陷和不足的问题，提供一种科学高效，算法合理，解决了变电站项目在设计、施工和运营过程中的信息互通和共享，能够将各类视频信息进行融合，形成逼真直观的三维模型，并能以高度仿真的形式进行呈现的一种采用激光点云加BIM建模技术运用到换流站可视化管控平台的方法。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种采用激光点云加BIM建模技术运用到换流站可视化管控平台的方法，其特征在于包括以下步骤：
a、首先获取点云数据，在测区布设GPS参考点，并且加密图根测量点，并在各控制点上架设三维激光扫描仪或传感器设备，连接各种数据线和电源线，利用三维激光扫描仪对变电站外立面进行激光扫描；
b、接着在相邻控制点上架设仪器标靶，作为后视定向点，并对标靶进行精确地对中整平；
c、操作控制三维激光扫描仪对相邻控制点上的标靶进行瞄准扫描，扫描控制在每一站都有30％重叠以上，控制三维激光扫描仪对被测电气进行扫描，得到电气的部分点云数据，在每个控制点上重复这一过程进行扫描，直到获得全部点云数据；
d、再对变电站内部设备进行BIM建模，形成BIM模型数据；
e、其次通过WebGL技术加载点云数据并转化为WGS-84坐标，构建以观察者的眼睛为中心的视点坐标系，通过视图矩阵变换的方式将WGS-84坐标变换为初步视点坐标；
f、随后通过WebGL技术加载BIM模型数据，通过视图矩阵变换的方式将WGS-84坐标变换为最终视点坐标；
g、然后对点云数据以及BIM模型数据进行经纬度调整并通过投影矩阵的变换进行融合，将换流站的全貌三维图像通过Web技术加载在屏幕上显示出来；
h、最后集成换流站安全管控应用业务模型，统一在平台中实现激光点云+BI模型的统一融合应用到可视化管控平台。
进一步的，所述c步骤中精确地对获取的数据进行处理采用了标志点匹配技术，具体是先将逐次扫描开始的第一幅点云标志点集合，按照空间坐标与距离值，在动态划分层的前提下形成层嵌套；其次设逐次扫描开始的第一幅点云为基准，对逐次扫描开始的第一幅点云与第二幅点云进行标志点匹配时，要预先估计符合运动规律的数据采集区域，按照区域数据匹配的方法，将处理结果数据加入相应的数据层，进行下一步的预测估计，同时动态的修正数据层不断加以优化。
进一步的，所述c步骤中三维激光扫描仪工作过程中首先进行垂直方向的线扫描，然后按照设定的水平角分辨率水平转动，再进行垂直方向线扫描。
进一步的，所述e步骤或f步骤中视图矩阵变换的具体算法如下：
其中，
经过视图矩阵的变换就可以得出视点坐标。
进一步的，所述g步骤中投影矩阵的变换公式为：
其中，变换前的坐标为A(xright，ybottom，-znear)，变换后的坐标为B(xright，ytop，-znear)。
本发明的有益效果是：
1.本发明通过三维激光扫描仪或传感器获取数据，直到获得全部点云数据，对采集的三维点云数据进行点云过滤，接着对数据进行定位和拼接，最后将点云数据导入到BIM模型中，根据点云位置使用点线面工具勾绘出电气部件三维模型，进而描绘出变电站空间立体的形态，解决了变电站项目在设计、施工和运营过程中的信息互通和共享，能够将各类视频信息进行融合，形成逼真直观的三维模型，并能以高度仿真的形式进行呈现。
2、本发明有效的将点云数据以及BIM模型数据融入到了视点坐标系中，通过两次视图矩阵变换形成了准确的最终视点坐标，进行经纬度调整并通过投影矩阵的变换进行融合，最后将实时视频画面按照实际内容在可视化管控平台上进行全方位的逼真展现，使决策者能得到全面的实时信息，更加准确快速的做出决策。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
本发明的一种采用激光点云加BIM建模技术运用到换流站可视化管控平台的方法，包括以下步骤：
a、首先获取点云数据，在测区布设GPS参考点，并且加密图根测量点，并在各控制点上架设三维激光扫描仪或传感器设备，连接各种数据线和电源线，利用三维激光扫描仪对变电站外立面进行激光扫描；
b、接着在相邻控制点上架设仪器标靶，作为后视定向点，并对标靶进行精确地对中整平；
c、操作控制三维激光扫描仪对相邻控制点上的标靶进行瞄准扫描，扫描控制在每一站都有30％重叠以上，控制三维激光扫描仪对被测电气进行扫描，得到电气的部分点云数据，在每个控制点上重复这一过程进行扫描，直到获得全部点云数据；
d、再对变电站内部设备进行BIM建模，形成BIM模型数据；
e、其次通过WebGL技术加载点云数据并转化为WGS-84坐标，构建以观察者的眼睛为中心的视点坐标系，通过视图矩阵变换的方式将WGS-84坐标变换为初步视点坐标；
f、随后通过WebGL技术加载BIM模型数据，通过视图矩阵变换的方式将WGS-84坐标变换为最终视点坐标；
g、然后对点云数据以及BIM模型数据进行经纬度调整并通过投影矩阵的变换进行融合，将换流站的全貌三维图像通过Web技术加载在屏幕上显示出来；
h、最后集成换流站安全管控应用业务模型，统一在平台中实现激光点云+BI模型的统一融合应用到可视化管控平台。
所述c步骤中精确地对获取的数据进行处理采用了标志点匹配技术，具体是先将逐次扫描开始的第一幅点云标志点集合，按照空间坐标与距离值，在动态划分层的前提下形成层嵌套；其次设逐次扫描开始的第一幅点云为基准，对逐次扫描开始的第一幅点云与第二幅点云进行标志点匹配时，要预先估计符合运动规律的数据采集区域，按照区域数据匹配的方法，将处理结果数据加入相应的数据层，进行下一步的预测估计，同时动态的修正数据层不断加以优化。
所述c步骤中三维激光扫描仪工作过程中首先进行垂直方向的线扫描，然后按照设定的水平角分辨率水平转动，再进行垂直方向线扫描。
所述e步骤或f步骤中视图矩阵变换的具体算法如下：
其中，
经过视图矩阵的变换就可以得出视点坐标。
所述g步骤中投影矩阵的变换公式为：
其中，变换前的坐标为A(xright，ybottom，-znear)，变换后的坐标为B(xright，ytop，-znear)。
本发明首先需要获取点云数据，点云数据的获取有多种方式，例如三维激光扫描仪、高清摄像头或其它传感器设备获取点云数据。地面三维激光扫描获得的原始数据由离散矢量距离点构成，它是一个点的集合，称之为“点云”。建筑物的表面模型即由这些点集构成。在利用三维激光扫描仪对建筑物进行数据采集之前，需依据实地的地形、建筑物的大小与复杂程度等因素，设计合理的扫描路线，确定标靶数与标靶位置，确定合理的扫描范围、采样密度以及扫描距离。三维激光扫描仪最终获取的数据包括被扫描建筑物的点云数据与外置相机获取的影像信息。
在测区布设GPS参考点，并且加密图根测量点，并在各控制点上架设三维激光扫描仪或传感器设备，连接各种数据线和电源线，使三维激光扫描仪内置屏幕开机扫描。三维激光扫描仪工作过程中首先进行垂直方向的线扫描，然后按照设定的水平角分辨率水平转动，再进行垂直方向线扫描。这样的工作过程虽然很有规律的，但是得到的点云其实仍然比较散乱，建模之前对点云进行平滑是必要的。另外对于相当一部分建模对象，原始点云数据的密度过大，无谓增加了数据量，数据简化也是必要的。例如：扫描密度为：20cm/70m，扫描点云数据中存在植被等地物及噪声信息，为了提取三维立体模型，需要对此信息进行处理。
如果采用其它传感器进行数据的获取，要精确地对获取的多传感器数据进行处理，主要涉及很多技术环节，主要包括深度图像平面分割、数据匹配和三维建模。数据匹配的目的是定义明确的数据绝对坐标，匹配过程基于参考点进行。在集成应用中选择全站仪或者GPS接收机来测量参考点准确的位置信息，来校正检验数据融合的准确程度。标志点匹配方法是先将逐次扫描开始的第一幅点云标志点集合，按照空间坐标与距离值，在动态划分层的前提下形成层嵌套；其次设逐次扫描开始的第一幅点云为基准，对逐次扫描开始的第一幅点云与第二幅点云进行标志点匹配时，要预先估计符合运动规律的数据采集区域，按照区域数据匹配的方法，将处理结果数据加入相应的数据层，进行下一步的预测估计，同时动态的修正数据层不断加以优化。
接着在相邻控制点上架设仪器标靶，作为后视定向点，并对标靶进行精确地对中整平。操作控制三维激光扫描仪对相邻控制点上的标靶进行瞄准扫描，扫描控制在每一站都有30％重叠以上，控制三维激光扫描仪对被测电气进行扫描，得到电气的部分点云数据，在每个控制点上重复这一过程进行扫描，直到获得全部点云数据。随后对得到的电站云数据进行检查，查找是否有遗漏或扫描效果不好的区域，如果存在需要进行及时的修补扫描或进行点云加密扫描，直到确证获得完成可靠的数据。
再对变电站内部设备进行BIM建模，形成BIM模型数据，本发明的三维模型建模工作主要分为两个部分，一是对变电站精细化建模；对采集到的点云数据进行深层次加工，从点云模型中分离出变压器、GIS、电压互感器、电流互感器以及土建等单体模型的过程，依据变电站三维建模技术规范对变电站的土建、电气等专业进行精细化建模。二是对周边以及地形进行普通建模；具体是根据总平面图和现场照片，对变电站周边地形、绿化、道路等进行普通建模。
三维建模完成后通过对模型分析之后，确认模型可用，并对模型进行优化处理，对原始的3DMAX文件进行转换，精度5级别，既不影响肉眼查看效果，又大大降低了模型文件的大小，转换处理完成后，生成平台文件供入库使用。再对模型入库，确定依据以后，开始对模型文件进行轻量化处理并进行入库操作，同时提取台账中模型的属性和类型属性并对其进行过滤，从而完成模型的轻量化入库过程。在数据入库过程中，空间立体可视化管控平台会将模型的图形信息与属性信息分开存储，图形信息以离散的构件文件存储，属性信息存放于数据库，两者保证相互独立性，纵然两者都泄露，不了解数据库结构与数据组织关系也无法查看变电站的整体模型，确保了三维模型数据的安全性。
其次通过WebGL技术加载点云数据并转化为WGS-84坐标，构建以观察者的眼睛为中心的视点坐标系，通过视图矩阵变换的方式将WGS-84坐标变换为初步视点坐标。随后通过WebGL技术加载BIM模型数据，通过视图矩阵变换的方式将WGS-84坐标变换为最终视点坐标。通过两次视图矩阵变换，有效的将点云数据以及BIM模型数据融入到了视点坐标系中，并形成了准确的最终视点坐标。对点云数据以及BIM模型数据进行经纬度调整并通过投影矩阵的变换进行融合，将换流站的全貌三维图像通过Web技术加载在屏幕上显示出来，在三维窗口中将实时视频画面按照实际内容进行展现。
在视图矩阵变换中定义视觉原点坐标为(x，y，z)，视图矩阵变换的具体算法如下：
其中，
经过视图矩阵的变换就可以得出视点坐标。
另外，投影矩阵的变换公式为：
其中，变换前的坐标为A(xright，ybottom，-znear)，变换后的坐标为B(xright，ytop，-znear)。在三维环境中，对于对象位置的变化，是通过控制对象模型的矩阵变化而实现的。如平移、缩放、旋转等。此过程中，采取的是齐次坐标系的方式表示物体在世界坐标系中的位置，用n+1维向量表示n维向量，比如用(x，y，z，h)作为可变参数，(x/h，y/h，z/h)则就表示三维空间中的坐标。
可视化管控平台包含对整个系统的三维地理空间及综合业务信息支撑部分，包含空间数据构建引擎、空间数据服务引擎和空间数据承载应用等。平台层通过各类地理空间数据的融合处理以及业务员数据的组织调用，为各类三维空间的应用提供支持，同时依托强大的二次开发接口，可以支持对已有信息化建设投资的保护和继承。另外，还支持异构系统的接入、功能子模块的增加，以及其他特殊应用的扩展。统一在可视化管控平台中实现激光点云+BI模型的统一融合，将整个建筑作为一个电子沙盘搬到屏幕上，用户可以使用平台查看建筑的实际环境与地形的关系。提供二维逻辑图与三维模型对应的管理形式，通过点击逻辑图上的图元对象，三维视图可以自动定位到对应的机房或者模型，实现联动功能。可视化管控平台给决策提供了一个实时的全方位的包括了地理信息，建筑内部信息，周边的环境信息，让决策更能符合实际，使决策者能得到全面的实时信息，更加准确快速的做出决策。
以上内容是结合具体实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认为本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，本发明还会有各种简单替换、改进和变化，所做出的各种简单替换、改进和变化，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种采用激光点云加BIM建模技术运用到换流站可视化管控平台的方法，其特征在于包括以下步骤：
a、首先获取点云数据，在测区布设GPS参考点，并且加密图根测量点，并在各控制点上架设三维激光扫描仪或传感器设备，连接各种数据线和电源线，利用三维激光扫描仪对变电站外立面进行激光扫描；
b、接着在相邻控制点上架设仪器标靶，作为后视定向点，并对标靶进行精确地对中整平；
c、操作控制三维激光扫描仪对相邻控制点上的标靶进行瞄准扫描，扫描控制在每一站都有30％重叠以上，控制三维激光扫描仪对被测电气进行扫描，得到电气的部分点云数据，在每个控制点上重复这一过程进行扫描，直到获得全部点云数据；该步骤中精确地对获取的数据进行处理采用了标志点匹配技术，具体是先将逐次扫描开始的第一幅点云标志点集合，按照空间坐标与距离值，在动态划分层的前提下形成层嵌套；其次设逐次扫描开始的第一幅点云为基准，对逐次扫描开始的第一幅点云与第二幅点云进行标志点匹配时，要预先估计符合运动规律的数据采集区域，按照区域数据匹配的方法，将处理结果数据加入相应的数据层，进行下一步的预测估计，同时动态的修正数据层不断加以优化；三维激光扫描仪工作过程中首先进行垂直方向的线扫描，然后按照设定的水平角分辨率水平转动，再进行垂直方向线扫描；
d、再对变电站内部设备进行BIM建模，形成BIM模型数据；
e、其次通过WebGL技术加载点云数据并转化为WGS-84坐标，构建以观察者的眼睛为中心的视点坐标系，通过视图矩阵变换的方式将WGS-84坐标变换为初步视点坐标；
f、随后通过WebGL技术加载BIM模型数据，通过视图矩阵变换的方式将WGS-84坐标变换为最终视点坐标；
g、然后对点云数据以及BIM模型数据进行经纬度调整并通过投影矩阵的变换进行融合，将换流站的全貌三维图像通过Web技术加载在屏幕上显示出来；
h、最后集成换流站安全管控应用业务模型，统一在平台中实现激光点云+BI模型的统一融合应用到可视化管控平台；
所述e步骤或f步骤中视图矩阵变换的具体算法如下：
其中，
经过视图矩阵的变换就可以得出视点坐标；
所述g步骤中投影矩阵的变换公式为：
其中，变换前的坐标为A(xright,ybottom,-znear)，变换后的坐标为B(xright，ytop，-znear)。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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