CN114549784A - 一种基于激光点云的变电站电缆沟道三维模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光点云的变电站电缆沟道三维模型构建方法，包括：在变电站电缆沟道等土建工程建设完成后，首先采用三维激光扫描仪扫描获取电缆沟道激光点云数据，然后对其中的电缆沟道壁点云采用平面模型进行拟合，再对其中的电缆支架点云采用长方体模型进行拟合，最后建立电缆支架和电缆沟道壁的位置关系，输出完整的变电站电缆沟道三维模型。本方法高效、精确得实现了变电站电缆沟道的三维可视化，利于工作人员直观了解电缆沟道施工情况，可为后续电缆敷设方案设计提供直接指导。

Description

一种基于激光点云的变电站电缆沟道三维模型构建方法

技术领域

本发明涉及输变电工程建设技术领域，更具体的涉及一种基于激光点云的变电站电缆沟道三维模型构建方法。

背景技术

电缆敷设作业一直是变电站建设的重要组成部分，目前，施工人员参照2D设计图纸完成电缆敷设作业依旧为主要形式，该方法耗时费力且不易发现问题。具体来说，一方面施工人员需搜索相应位置的2D图纸信息，并在脑海中建立相应的三维立体模型，然后将该模型叠加到工作人员当下所看到的工程现场中，确定模型无误后进行后续施工，然而这需要工作人员较好的空间想象能力且极易出现判断失误的情况；另一方面，在变电站电缆沟道等土建工程建设完成后，实际情况可能与设计图纸出现偏差，此时若仍按照原有图纸施工，则必然会出现施工问题。因此，亟待引入新方法和新技术，来改善变电站电缆敷设作业的现状。

发明内容

本发明实施例提供一种基于激光点云的变电站电缆沟道三维模型构建方法，包括：

获取电缆沟道激光点云数据、并切分电缆沟道点云数据，获得划分后的电缆沟道点云；

基于划分后的电缆沟道点云，提取电缆沟道壁点云，并将电缆沟道壁点云采用平面模型进行拟合，获得电缆沟道壁模型；

基于电缆沟道壁模型，识别电缆沟道内的电缆支架点云，并将识别出的电缆支架点云数据用长方体模型进行拟合，获得电缆支架模型；

基于电缆沟道壁模型和电缆支架模型构建电缆沟道三维几何模型。

近一步，获取电缆沟道激光点云数据、并对电缆沟道点云数据切分，包括：

采用地面式或地下空区式三维激光扫描仪扫描获取电缆沟道激光点云数据，每隔一段距离设置一站扫描点；

采用点云拼接软件对各站扫描点的点云数据进行拼接；

将电缆沟道点云数据置于俯视图下，沿电缆沟道走向每隔一定距离人工标注电缆沟道中心点，其中，电缆沟道转角处必须标注；

根据标注的中心点拟合出代表电缆沟道走向的直线方程；

根据直线方程对电缆沟道点云数据进行切分，获得划分后的电缆沟道点云；

采用统计分析方法滤除电缆沟道点云中的离群点。

近一步，获得电缆沟道壁模型的步骤，包括：

对划分后的电缆沟道点云进行体素下采样，减少点云数量；

采用随机抽样一致算法提取电缆沟道壁四个平面点云；

将提取出的电缆沟道壁的四个平面点云分别用四个平面方程拟合，获得平面方程P1、P2、P3、P4，其中P1和P2为垂直于地面的电缆沟道的两个侧平面，P3和P4为平行于地面的电缆沟道的底面和顶面；

计算每个平面方程的法向量，检验相邻平面是否为相互垂直；

计算每两个相邻平面所形成的交线，构建出封闭长方体，滤除无关点云。

近一步，获取电缆支架模型的步骤，包括：

提取四个平面所形成的封闭长方体内的点云q；

由P1和P2求取中间平面PO；

以中间平面PO为分界线，将点云q分成两部分点云q1和点云q2；

分别在点云q1和点云q2中采用随机抽样一致算法对其中的直线点云进行提取；

对每条直线点云采用直线方程拟合，计算直线点云上每个点到直线的距离{d₁,d₂,...,d_n}，其中，n为该条直线点云点的数量，取dist＝max{d₁,d₂,...d_n}，并令

为该电缆支架的横截面宽度；

计算直线点云在直线方程上的投影长度，以此作为该电缆支架的长度。

近一步，构建电缆沟道三维模型的步骤，包括：

根据电缆支架模型的每条直线方程与电缆沟道壁模型平面的交点{P₁,P₂,...,P_m}，其中，m为电缆支架的数量，获得各电缆支架的位置；

将获取的电缆支架模型依次置于对应交点处；

生成glTF格式的电缆沟道三维几何模型。

本发明实施例提供一种基于激光点云的变电站电缆沟道三维模型构建方法，与现有技术相比，其有益效果如下：

本发明在变电站电缆沟道土建工程建设完成后，采用三维激光扫描仪获取其激光点云数据，并逆向重建得其三维模型，为电缆敷设方案的三维设计提供指导。本发明可真实还原变电站电缆沟道施工现场，提高了电缆敷设方案设计的可视化水平，降低了施工问题出现的概率，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于激光点云的变电站电缆沟道三维模型构建方法的实施流程图；

图2为本发明实施例提供的一种基于激光点云的变电站电缆沟道三维模型构建方法的电缆沟道激光点云数据；

图3为本发明实施例提供的一种基于激光点云的变电站电缆沟道三维模型构建方法的经过切分的电缆沟道激光点云数据；

图4为本发明实施例提供的一种基于激光点云的变电站电缆沟道三维模型构建方法的经体素滤波后的电缆沟道点云数据；

图5为本发明实施例提供的一种基于激光点云的变电站电缆沟道三维模型构建方法的提取后的电缆沟道壁点云；

图6为本发明实施例提供的一种基于激光点云的变电站电缆沟道三维模型构建方法的提取的电缆支架点云；

图7为本发明实施例提供的一种基于激光点云的变电站电缆沟道三维模型构建方法的构建完成的电缆沟道三维模型；

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。

参见图1～7，本发明提供了一种基于激光点云的变电站电缆沟道三维模型构建方法，此处以江苏省无锡市110kV东桥变电站为例，来详细说明本发明的实施过程。

如图1本发明实施流程图所示，一种基于激光点云的变电站电缆沟道三维模型构建方法包括以下步骤：

(1)扫描获取电缆沟道激光点云数据，滤除噪声点，并对电缆沟道点云进行划分，步骤(1)包括如下步骤：

1-1)本实施例采用Faro350地面式三维激光扫描仪扫描获取电缆沟道激光点云数据，每隔10米设置一站扫描点；

1-2)采用Scene点云处理软件对各站扫描点的点云数据进行拼接，拼接完成的电缆沟道点云数据如图2所示，点云大小为57373996个点，如此大规模的点云很难直接处理，因此要对电缆沟道点云进行切分；

1-3)将电缆沟道点云数据置于俯视图下，沿电缆沟道走向每隔两米人工标注电缆沟道中心点，其中，电缆沟道转角处必须标注；

1-4)根据标注的中心点拟合出代表电缆沟道走向的直线方程；

1-5)根据直线方程对电缆沟道点云数据进行切分，使每部分电缆沟道点云长度在5～10米之间，形成点云集合Q{q₁,q₂,...q_n}，其中n为划分所得的点云数量，如图3所示为其中一处划分所得的电缆沟道点云，点云大小为12757595个点，点云规模依旧很大。

1-6)因此采用统计分析方法滤除电缆沟道点云中的离群点，其中邻域点设为6个，距离阈值设为0.5m，经处理后，点云大小变为10626535个点；

(2)采用随机抽样一致算法提取电缆沟道壁点云，并将电缆沟道壁点云采用平面模型进行拟合，步骤(2)包括如下步骤：

2-1)对电缆沟道点云进行体素下采样，此处所采用的体素网格为边长0.05m的正方体，体素滤波后点云大小为16368个点，如图4所示，可见点云规模大大减小，有利于提高后续计算效率；

2-2)采用随机抽样一致算法提取点云中的平面，其中判断识别局内点的阈值δ设为0.05米，共提取4次得4个平面点云，如图5所示，其中提取出的不同平面选用不同颜色标示。

2-3)将提取出的四个平面点云分别用四个平面方程拟合，得平面方程P1,P2,P3,P4,如下式：

P1:-.0020765x+0.587724y+0.809059z＝-2.57564

P2:-0.00520926x+0.595778y+0.80313z＝-1.17696

P3:0.277154x-0.765081y+0.581237z＝-0.793404

P4:0.281456x-0.76606y+0.577871z＝0.356916

其中P1和P2为垂直于地面的电缆沟道两个侧平面，P3和P4为平行于地面的电缆沟道的底面和顶面；

2-4)分别计算每个平面方程的法向量，校验其与相邻平面是否为相互垂直的位置关系；

2-5)计算每两个相邻平面所形成的交线，将四个平面所形成的封闭长方体外的无关点云滤除。

(3)采用直线模型识别电缆沟道内的电缆支架点云，并将识别出的电缆支架点云数据用长方体模型进行拟合，步骤(3)包括如下步骤：

3-1)提取在步骤(2)中四个平面所形成的封闭长方体内的点云q，如图6所示，可以看到电缆沟道壁两侧布满了电缆支架；

3-2)由P1和P2求取中间平面PO：

PO:-0.00364289x+0.591752y+0.806095z＝-1.8763

3-3)以中间平面PO为分界线，将点云q分成两部分q1和q2；

3-4)分别在点云q1和q2中采用随机抽样一致算法对其中的直线点云进行提取，其中判断识别局内点的阈值ε设为0.1米，每条直线点云所拥有点数大于50则保留该直线点云，否则舍弃；

3-5)对每条直线点云采用直线方程拟合，计算直线点云上每个点到直线的距离{d₁,d₂,...,d_n}(n为该条直线点云点的数量)，取dist＝max{d₁,d₂,...d_n}，并令

为该电缆支架的横截面宽度；

3-6)计算直线点云在直线方程上的投影长度L，以此作为该电缆支架的长度。

(4)拼接步骤(2)中形成的电缆沟道壁模型和步骤(3)中形成的电缆支架模型，生成电缆沟道三维模型，步骤(4)包括如下步骤：

4-1)计算每条直线方程与所属平面的交点{P₁,P₂,...,P_m}(m为电缆支架的数量)，即各电缆支架的位置；

4-2)将代表电缆支架的长方体模型依次置于对应交点处，如图7所示；

4-3)生成glTF格式的电缆沟道三维模型。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于激光点云的变电站电缆沟道三维模型构建方法，其特征在于，包括：

获取电缆沟道激光点云数据、并切分电缆沟道点云数据，获得划分后的电缆沟道点云；

基于划分后的电缆沟道点云，提取电缆沟道壁点云，并将电缆沟道壁点云采用平面模型进行拟合，获得电缆沟道壁模型；

基于电缆沟道壁模型，识别电缆沟道内的电缆支架点云，并将识别出的电缆支架点云数据用长方体模型进行拟合，获得电缆支架模型；

基于电缆沟道壁模型和电缆支架模型构建电缆沟道三维几何模型。

2.如权利要求1所述的一种基于激光点云的变电站电缆沟道三维模型构建方法，其特征在于，所述获取电缆沟道激光点云数据、并对电缆沟道点云数据切分，包括：

采用地面式或地下空区式三维激光扫描仪扫描获取电缆沟道激光点云数据，每隔一段距离设置一站扫描点；

采用点云拼接软件对各站扫描点的点云数据进行拼接；

将电缆沟道点云数据置于俯视图下，沿电缆沟道走向每隔一定距离人工标注电缆沟道中心点，其中，电缆沟道转角处必须标注；

根据标注的中心点拟合出代表电缆沟道走向的直线方程；

根据直线方程对电缆沟道点云数据进行切分，获得划分后的电缆沟道点云；

采用统计分析方法滤除电缆沟道点云中的离群点。

3.如权利要求2所述的一种基于激光点云的变电站电缆沟道三维模型构建方法，其特征在于，所述获得电缆沟道壁模型的步骤，包括：

对划分后的电缆沟道点云进行体素下采样，减少点云数量；

采用随机抽样一致算法提取电缆沟道壁四个平面点云；

将提取出的电缆沟道壁的四个平面点云分别用四个平面方程拟合，获得平面方程P1、P2、P3、P4，其中P1和P2为垂直于地面的电缆沟道的两个侧平面，P3和P4为平行于地面的电缆沟道的底面和顶面；

计算每个平面方程的法向量，检验相邻平面是否为相互垂直；

计算每两个相邻平面所形成的交线，构建出封闭长方体，滤除长方体外的点云。

4.如权利要求3所述的一种基于激光点云的变电站电缆沟道三维模型构建方法，其特征在于，所述获取电缆支架模型的步骤，包括：

提取四个平面所形成的封闭长方体内的点云q；

由P1和P2求取中间平面PO；

以中间平面PO为分界线，将点云q分成两部分点云q1和点云q2；

分别在点云q1和点云q2中采用随机抽样一致算法对其中的直线点云进行提取；

对每条直线点云采用直线方程拟合，计算直线点云上每个点到直线的距离{d₁,d₂,...,d_n}，其中，n为该条直线点云点的数量，取dist＝max{d₁,d₂,...d_n}，并令

为该电缆支架的横截面宽度；

计算直线点云在直线方程上的投影长度，以此作为该电缆支架的长度。

5.如权利要求4所述的一种基于激光点云的变电站电缆沟道三维模型构建方法，其特征在于，所述构建电缆沟道三维几何模型的步骤，包括：

根据电缆支架模型的每条直线方程与电缆沟道壁模型平面的交点{P₁,P₂,...,P_m}，其中，m为电缆支架的数量，获得各电缆支架的位置；

将获取的电缆支架模型依次置于对应交点处；

生成glTF格式的电缆沟道三维几何模型。

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