CN107025323A - 一种基于模板库的变电站快速建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模板库的变电站快速建模方法，包括以下步骤：利用三维激光扫描仪获得变电站信息点云数据；经数据预处理得到点云模型；通过精细建模构建出用CAD模型表示的设备精细模型和三维地景模型，经贴图和管理***组织形成模型库；创建变电站整体布局，进行重复结构检测，得到并提取出变电站的模式主子图；基于创建的模型库，采用形状检索方法，将点云模型与模型库中对应的CAD模型进行模板拟合，输出与点云模型相似度最大的CAD模型；通过配准和调用模式，实现快速重建；融合设备精细模型和三维地景模型，获得变电站的三维整体模型。有益效果：实现了变电站模型的快速重建，在保证模型精度的同时，大大提高了建模的效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种建模方法，特别是涉及一种基于模板库的变电站快速建模方法，属于智能电网建设技术领域。
背景技术
在现行的发展战略及规划中，对电网设备运行的进一步智能化提出了高标准的建设目标和充实的建设内容。在智能电网建设背景下，数据可视化、一体化、智能化、辅助分析能力代表了新型管理***的重要特征和发展方向。随着智能设备理念的不断发展，智能电网理论的不断完善，虚拟现实技术已经被深入运用到了电网运行的众多方面。虚拟现实技术有可视性、直观性、真实性和实时的交互性，可为设计、培训、运维和决策部门提供直观的参考。
然而，虚拟现实技术仍存在着一些障碍，其中关键之一就是三维模型的快速创建。当应用到电网运行的时候，变电站三维模型的快速重建便成了关键。传统的变电站三维建模方式工作量大、精准度低的劣势十分明显。近几年兴起的三维激光扫描技术虽解决了数据采集速度和建模精度的问题，但繁杂的数据处理和纯手动的内业建模仍需要较长的周期。因此，如何以快速、精准的方式实现变电站的整体建模仍是一项间距的任务。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种基于模板库的变电站快速建模方法，实现了变电站模型的快速重建，在保证模型精度的同时，大大提高了建模的效率。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于模板库的变电站快速建模方法，包括以下步骤：
1)采集数据；
利用三维激光扫描仪对变电站的外部结构和内部设备进行扫描，获得变电站外部结构和内部设备的变电站信息点云数据；
2)数据预处理；
去除变电站信息点云数据中的电力线及地面数据，并将变电站中各独立部件分割出来，完成点云分割后获得变电站独立部件的点云数据；
将变电站独立部件的点云数据和变电站信息点云数据中的地面数据进行聚类得到点云模型，点云模型包括独立部件点云模型和地面点云模型；
3)创建模型库；
基于变电站独立部件的点云数据，对变电站的结构单元或设备单体进行精细建模，构建出用CAD模型表示的设备精细模型；
基于变电站信息点云数据中的地面数据，对变电站的地景单元进行精细建模，构建出用CAD模型表示的三维地景模型；
并对设备精细模型和三维地景模型进行贴图，再利用相应的管理***将贴图好的设备精细模型和三维地景模型组织起来，形成模型库；
4)创建模式；
基于步骤2)得到的点云模型，创建变电站整体布局；对变电站整体布局进行重复结构检测，得到并提取出变电站的模式主子图，完成模式创建；
5)模板拟合；
提取并输入步骤2)得到的点云模型、或根据步骤1)至步骤2)得到的经重新扫描并处理的更新变电站的点云模型，基于步骤3)创建的模型库，采用形状检索方法，将点云模型与模型库中对应的CAD模型进行模板拟合，输出与点云模型相似度最大的CAD模型；
将输出的CAD模型与点云模型进行配准，调用步骤4)所创建的模式，进行快速重建得到整个变电站的独立而精确的设备精细模型和三维地景模型；
6)获得变电站的三维整体模型；
融合设备精细模型和三维地景模型，获得变电站的三维整体模型。
本发明进一步设置为：所述步骤1)中的变电站的外部结构包括变压器、隔离开关、接地刀闸、断路器、接地避雷器、电流互感器、电压互感器、耦合电容器、熔断器、电力电容器和电抗器的装置外形、规格和位置信息。
本发明进一步设置为：所述步骤1)中的变电站的内部设备包括稳定控制装置、电容补偿装置和综合保护自动化装置的设备规格和位置信息。
本发明进一步设置为：所述步骤2)中的去除变电站信息点云数据中的电力线及地面数据，包括电力线的去除和地面数据的去除；所述电力线的去除是采用高度滤波和空间密度滤波相结合的方法进行预提取得到电力线备选，再利用霍夫变换和欧氏距离聚类的方法得到独立的电力线后将电力线去除。
本发明进一步设置为：所述地面数据的去除是沿着X-Y平面将变电站信息点云数据分割成n块互不重叠的连通区域，利用区域分割的方法将每块区域在阈值距离之间的点识别为地面，删除每块区域识别为地面的点即完成去除。
本发明进一步设置为：所述步骤2)中的将变电站中各独立部件分割出来是采用区域增长的方法。
本发明进一步设置为：所述步骤3)中的精细建模是参考变电站设备的影像数据和设计标准通过3ds Max进行构建，贴图是根据变电站设备的影像数据进行颜色和纹理的提取、并通过3ds Max将颜色和纹理附到对应的模型上。
本发明进一步设置为：所述步骤4)中的重复结构检测，具体为，
4-1)将聚类后的点云模型沿着Z轴向X-Y平面上正交投影，并创建每个单体部件二维平面上的包围盒；
4-2)将每个包围盒视为一个节点，搜索每个节点在设定邻域内的邻近节点，根据距离的关系将邻近节点连接起来，构建包围盒拓扑图；
4-3)根据几何误差、规律性和复杂性的约束来定义能量方程，采用基于迭代图割技术的α扩展算法来最小化能量方程，实现从包围盒拓扑图提取重复的节点，即提取出具有相应的重复结构的模式主子图，每一个子图都包含了大量具有相同模式的图顶点。
本发明进一步设置为：所述步骤5)中的形状检索方法，具体为，
5-1)计算输入的点云模型的包围盒，构造一个含有三个元素的特征向量Bf，Bf描述了包围盒的整体形状；
5-2)沿着X轴将包围盒均匀地分割成12个部分，分别计算每个部分点云数量xi(i＝0,1,…,11)占包围盒内点云总量N的比例Xf，同样，沿着Y轴、Z轴分别构造12个元素组成的特征向量，即
5-3)将步骤5-1)和步骤5-2)得到的四个特征向量Bf、Xf、Yf、Zf组合起来，得到点云模型的特征描述子Df；
5-4)采用基于曲率的采样离散法将模型库中对应的CAD模型离散成点云模型，根据步骤5-1)至步骤5-3)的特征描述方法，定义模型库中对应的CAD模型，得到CAD模型的特征描述子Mf；
5-5)计算输入的点云模型与模型库中所有CAD模型之间的空间距离，得出模型间的相似度，返回与点云模型相似度最大的CAD模型。
本发明进一步设置为：所述步骤5)中的配准，是将输出的与点云模型相似度最大的CAD模型的中心与点云模型的中心重合而得到初配准结果，再采用ICP算法来最小化点云模型与CAD模型之间的距离，实现模型的精配准。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
利用三维激光扫描仪对变电站的外部结构和内部设备进行扫描来实现数据采集，不仅采集效率高，而且数据精度高；充分利用了三维点云模型的形状和位置信息，通过创建模型库，基于模板库将CAD模型与点云模型进行匹配，极大地降低了手动建模的复杂度，显著提高了建模的效率和精度，特别是针对大规模的电站模型，重建效率更为明显；另外，可以应用到各种新老变电站的数字化建模，模型库可以实时更新，从而弥补模型种类不足、尺寸不一的情况，具有良好的普适行和有效性。
上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程图；
图2为本发明实施例中利用三维激光扫描仪扫描得到的变电站点云图；
图3为本发明实施例中将图2的变电站点云图进行数据预处理后得到的示意图；
图4是本发明实施例快速建模得到的未融合三维地景模型的变电站的三维整体模型图；
图5是本发明实施例快速建模得到的融合了三维地景模型的变电站的三维整体模型图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
本发明提供一种基于模板库的变电站快速建模方法，如图1所示，包括以下步骤：
1)采集数据；
勘查变电站场景并进行路径规划和站点布置，利用三维激光扫描仪ScanStationP20对变电站的外部结构和内部设备进行扫描，扫描仪分辨率使用6.3mm@10m，获得变电站外部结构和内部设备的变电站信息点云数据。
其中，变电站的外部结构包括变压器、隔离开关、接地刀闸、断路器、接地避雷器、电流互感器、电压互感器、耦合电容器、熔断器、电力电容器和电抗器等结构单元或设备单体的装置外形、规格和位置信息。
其中，变电站的内部设备包括稳定控制装置、电容补偿装置和综合保护自动化装置等结构单元或设备单体的设备规格和位置信息。
2)数据预处理；
去除变电站信息点云数据中的电力线及地面数据，并采用区域增长的方法将变电站中各独立部件分割出来，完成点云分割后获得变电站独立部件的点云数据；
将变电站独立部件的点云数据和变电站信息点云数据中的地面数据进行聚类得到点云模型，点云模型包括独立部件点云模型和地面点云模型。
其中，电力线的去除是采用高度滤波和空间密度滤波相结合的方法进行预提取得到电力线备选，再利用霍夫变换和欧氏距离聚类的方法得到独立的电力线后将电力线去除。
其中，地面数据的去除是沿着X-Y平面将变电站信息点云数据分割成n块互不重叠的连通区域，利用区域分割的方法将每块区域在阈值距离之间的点识别为地面，删除每块区域识别为地面的点即完成去除。
3)创建模型库；
基于变电站独立部件的点云数据，对变电站的结构单元或设备单体进行精细建模，构建出用CAD模型表示的设备精细模型；
基于变电站信息点云数据中的地面数据，对变电站的地景单元进行精细建模，构建出用CAD模型表示的三维地景模型；
并对设备精细模型和三维地景模型进行贴图，再利用相应的管理***将贴图好的设备精细模型和三维地景模型组织起来，形成模型库。
其中，精细建模是参考变电站设备的影像数据和设计标准通过3ds Max进行构建，贴图是根据变电站设备的影像数据进行颜色和纹理的提取、并通过3dsMax将颜色和纹理附到对应的模型上。
4)创建模式；
基于步骤2)得到的点云模型，创建变电站整体布局；对变电站整体布局进行重复结构检测，得到并提取出变电站的模式主子图，完成模式创建。
重复结构检测，是采用一种基于二维平面包围盒拓扑结构的重复结构检测算法，将平面点云的重复结构检测转化为对包围盒的重复结构检测，并根据能量方程的推导实现模式主子图的提取，具体为，
4-1)将聚类后的点云模型沿着Z轴向X-Y平面上正交投影，并创建每个单体部件二维平面上的包围盒；
4-2)将每个包围盒视为一个节点，搜索每个节点在设定邻域内的邻近节点，根据距离的关系将邻近节点连接起来，构建包围盒拓扑图；
4-3)根据几何误差、规律性和复杂性的约束来定义能量方程，采用基于迭代图割技术的α扩展算法来最小化能量方程，实现从包围盒拓扑图提取重复的节点，即提取出具有相应的重复结构的模式主子图，每一个子图都包含了大量具有相同模式的图顶点。
其中，能量方程为
能量方程中的第一项测量了节点θi(设备单体包围盒)与模式fi之间的几何误差，其中的而几何误差d(θi,fi)由两项来表示：一是图顶点θi与模式fi之间表面上的区别；二是图顶点θi与模式fi的排列规律程度，可用公式表示
能量方程中的第二项R(fm,fn)是基于任何两个属于Θ的图顶点θm和θn的模式定义的，其利用了Potts模型，如果fi≠fk，则R(·)为1，否则为0。权重函数w(θm,θn)进一步评估θm和θn的排列规律。通过观察发现，平行排列或者垂直排列的两个图顶点更有可能属于同一个模式。于是，权重函数可用公式表示
能量方程中的第三项β|Φ(f)|，可以减少模式的数量，从而降低模式主子图提取的复杂度。
5)模板拟合；
提取并输入步骤2)得到的点云模型、或根据步骤1)至步骤2)得到的经重新扫描并处理的更新变电站的点云模型，基于步骤3)创建的模型库，采用形状检索方法，将点云模型与模型库中对应的CAD模型进行模板拟合，输出与点云模型相似度最大的CAD模型；
将输出的CAD模型与点云模型进行配准，调用步骤4)所创建的模式，进行快速重建得到整个变电站的独立而精确的设备精细模型和三维地景模型。
其中的形状检索方法，具体为，
5-1)计算输入的点云模型的包围盒，构造一个含有三个元素的特征向量Bf，Bf描述了包围盒的整体形状；
5-2)沿着X轴将包围盒均匀地分割成12个部分，分别计算每个部分点云数量xi(i＝0,1,…,11)占包围盒内点云总量N的比例Xf，同样，沿着Y轴、Z轴分别构造12个元素组成的特征向量，即
5-3)将步骤5-1)和步骤5-2)得到的四个特征向量Bf、Xf、Yf、Zf组合起来，得到点云模型的特征描述子Df；
5-4)采用基于曲率的采样离散法将模型库中对应的CAD模型离散成点云模型，根据步骤5-1)至步骤5-3)的特征描述方法，定义模型库中对应的CAD模型，得到CAD模型的特征描述子Mf；
5-5)计算输入的点云模型与模型库中所有CAD模型之间的空间距离，得出模型间的相似度，返回与点云模型相似度最大的CAD模型。
其中的配准，是将输出的与点云模型相似度最大的CAD模型的中心与点云模型的中心重合而得到初配准结果，再采用ICP算法来最小化点云模型与CAD模型之间的距离，实现模型的精配准。
6)获得变电站的三维整体模型；
融合设备精细模型和三维地景模型，获得变电站的三维整体模型。
本发明的创新点在于，在数据采集和预处理的基础上，通过精细建模构建出用CAD模型表示的设备精细模型和三维地景模型，经贴图和管理***组织形成模型库；创建变电站整体布局，运用重复结构检测，得到并提取出变电站的模式主子图；再基于创建的模型库，采用形状检索方法，将点云模型与模型库中对应的CAD模型进行模板拟合，输出与点云模型相似度最大的CAD模型；最后通过配准和调用模式，实现快速重建出变电站的三维整体模型。不仅重建效率高，而且模型精度高。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种基于模板库的变电站快速建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采集数据；
利用三维激光扫描仪对变电站的外部结构和内部设备进行扫描，获得变电站外部结构和内部设备的变电站信息点云数据；
2)数据预处理；
去除变电站信息点云数据中的电力线及地面数据，并将变电站中各独立部件分割出来，完成点云分割后获得变电站独立部件的点云数据；
将变电站独立部件的点云数据和变电站信息点云数据中的地面数据进行聚类得到点云模型，点云模型包括独立部件点云模型和地面点云模型；
3)创建模型库；
基于变电站独立部件的点云数据，对变电站的结构单元或设备单体进行精细建模，构建出用CAD模型表示的设备精细模型；
基于变电站信息点云数据中的地面数据，对变电站的地景单元进行精细建模，构建出用CAD模型表示的三维地景模型；
并对设备精细模型和三维地景模型进行贴图，再利用相应的管理***将贴图好的设备精细模型和三维地景模型组织起来，形成模型库；
4)创建模式；
基于步骤2)得到的点云模型，创建变电站整体布局；对变电站整体布局进行重复结构检测，得到并提取出变电站的模式主子图，完成模式创建；
5)模板拟合；
提取并输入步骤2)得到的点云模型、或根据步骤1)至步骤2)得到的经重新扫描并处理的更新变电站的点云模型，基于步骤3)创建的模型库，采用形状检索方法，将点云模型与模型库中对应的CAD模型进行模板拟合，输出与点云模型相似度最大的CAD模型；
将输出的CAD模型与点云模型进行配准，调用步骤4)所创建的模式，进行快速重建得到整个变电站的独立而精确的设备精细模型和三维地景模型；
6)获得变电站的三维整体模型；
融合设备精细模型和三维地景模型，获得变电站的三维整体模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于模板库的变电站快速建模方法，其特征在于：所述步骤1)中的变电站的外部结构包括变压器、隔离开关、接地刀闸、断路器、接地避雷器、电流互感器、电压互感器、耦合电容器、熔断器、电力电容器和电抗器的装置外形、规格和位置信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于模板库的变电站快速建模方法，其特征在于：所述步骤1)中的变电站的内部设备包括稳定控制装置、电容补偿装置和综合保护自动化装置的设备规格和位置信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于模板库的变电站快速建模方法，其特征在于：所述步骤2)中的去除变电站信息点云数据中的电力线及地面数据，包括电力线的去除和地面数据的去除；
所述电力线的去除是采用高度滤波和空间密度滤波相结合的方法进行预提取得到电力线备选，再利用霍夫变换和欧氏距离聚类的方法得到独立的电力线后将电力线去除。
5.根据权利要求4所述的一种基于模板库的变电站快速建模方法，其特征在于：所述地面数据的去除是沿着X-Y平面将变电站信息点云数据分割成n块互不重叠的连通区域，利用区域分割的方法将每块区域在阈值距离之间的点识别为地面，删除每块区域识别为地面的点即完成去除。
6.根据权利要求1所述的一种基于模板库的变电站快速建模方法，其特征在于：所述步骤2)中的将变电站中各独立部件分割出来是采用区域增长的方法。
7.根据权利要求1所述的一种基于模板库的变电站快速建模方法，其特征在于：所述步骤3)中的精细建模是参考变电站设备的影像数据和设计标准通过3ds Max进行构建，贴图是根据变电站设备的影像数据进行颜色和纹理的提取、并通过3ds Max将颜色和纹理附到对应的模型上。
8.根据权利要求1所述的一种基于模板库的变电站快速建模方法，其特征在于：所述步骤4)中的重复结构检测，具体为，
4-1)将聚类后的点云模型沿着Z轴向X-Y平面上正交投影，并创建每个单体部件二维平面上的包围盒；
4-2)将每个包围盒视为一个节点，搜索每个节点在设定邻域内的邻近节点，根据距离的关系将邻近节点连接起来，构建包围盒拓扑图；
4-3)根据几何误差、规律性和复杂性的约束来定义能量方程，采用基于迭代图割技术的α扩展算法来最小化能量方程，实现从包围盒拓扑图提取重复的节点，即提取出具有相应的重复结构的模式主子图，每一个子图都包含了大量具有相同模式的图顶点。
9.根据权利要求1所述的一种基于模板库的变电站快速建模方法，其特征在于：所述步骤5)中的形状检索方法，具体为，
5-1)计算输入的点云模型的包围盒，构造一个含有三个元素的特征向量Bf，Bf描述了包围盒的整体形状；
5-2)沿着X轴将包围盒均匀地分割成12个部分，分别计算每个部分点云数量xi(i＝0,1,…,11)占包围盒内点云总量N的比例Xf，同样，沿着Y轴、Z轴分别构造12个元素组成的特征向量，即
5-3)将步骤5-1)和步骤5-2)得到的四个特征向量Bf、Xf、Yf、Zf组合起来，得到点云模型的特征描述子Df；
5-4)采用基于曲率的采样离散法将模型库中对应的CAD模型离散成点云模型，根据步骤5-1)至步骤5-3)的特征描述方法，定义模型库中对应的CAD模型，得到CAD模型的特征描述子Mf；
5-5)计算输入的点云模型与模型库中所有CAD模型之间的空间距离，得出模型间的相似度，返回与点云模型相似度最大的CAD模型。
10.根据权利要求1所述的一种基于模板库的变电站快速建模方法，其特征在于：所述步骤5)中的配准，是将输出的与点云模型相似度最大的CAD模型的中心与点云模型的中心重合而得到初配准结果，再采用ICP算法来最小化点云模型与CAD模型之间的距离，实现模型的精配准。
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