基于AR技术与三维数字化点云重建解决方案的研究

郑宗安

通过对电力领域的三维 GIS管理系统的深入研究，变电所三维重构建模的建立越来越受到关注，这已成为研究的热点。变电所的三维点群重构是利用三维激光扫描技术扫描变电所，然后基于三维点群信息实现变电所的自动数字重构。要利用您掌握的数据挖掘、模式识别、智能决策和计算机技术实现变电站的自动建模，研究了基于点云的三维实体分类和识别算法，研究了变电站及其他地区的现场扫描三维点云数据。实现三维变电所工程学的自动分割和工学本体论的分类和识别，保证变电所实现三维自动建模。利用三维虚拟全景技术实现智能变电所场景的三维全景显示。提供基于三维虚拟环境的变压器和设备维护管理数据管理功能，以构建智能变电站环境的视觉平台、设备和管理信息。变电站，三维全景显示器，动态场景融合，提供活力、方便的平台。智能变电站管理操作维护对象管理和相关监控信息集成视图。管理维护人员不需要现场移动、数据透明度和数据可见性管理。能够把握三维变电环境中的智能变电所管理运用维护中的有效信息。

一、相关技术概述

（一）增强现实技术

增强现实（Augmented Reality，AR）该技术使用软件生成部分信息，使用计算机模拟现实世界，从而增强和扩展现实场景。增强现实感技术可以看作是虚拟现实的另一种发展形式或其分支。增强现实感技术和虚拟现实有着非常密切的关系。增强真实感技术的实现使用许多其他领域，如交互式技术、传感器技术和光电子现实技术。AR技术等将用户与现实世界的情景结合起来，人们可以感觉到假想3维环境是周围现实环境的一部分。

（二）三维点云处理技术

由各种三维信息获取装置收集的数据通常被称为三维点群数据，它们最初与非结构化三维点一起使用，即表示同一空间参照系下的对象的空间分布和表面特性的1组3维点的形式来表示。点云模型易于访问（直接从设备输出，无需重建）、简单的数据结构（无需维护拓扑连接）。它具有灵活性（可以轻松删除和添加操作）和强大的表现力（可以描述复杂的模型）。作为新的三维模型表现法，它受到了学术界的极大关注。三维点组在许多领域成为通用处理对象，并被视为三维模型的列表。关于三维点群的研究主要集中在取得、登记、強调、表面重构、特征提取、简单化等方面。这些处理技术为基于点的渲染方法和基于点的图形的发展和发展做出了贡献。

二、变电站三维点云数据采集

点云数据只是文件中的坐标值，理解变电站云数据的分布是不明智的，而依赖这些简单值是不明智的。显示表单，以直观地观察变电站设备的点云分布。这有助于变电站设备的点云分析和处理。在本稿中，使用“三维激光扫描+全景照片”这一移动映射法，得到了变电所整体的三维建模所必需的基础数据。使用IMS 三维移动映射系统收集变电站的三维激光点云。使用DPI-8手持式三维激光扫描仪获取详细的三维点云，并使用Street-View全景相机系统收集全景图像数据。收集变电站中主要零件的全景图像数据和属性信息，并在图像中标记主要位置。

（一）点云数据的结构及特点

点云数据由空间三维坐标值、激光反射强度和距离组成。点云是点的集合。严格地说，激光雷达扫描系统获取的数据包括以下各种数据：位置、角度、时间、距离、强度等。在本文中，仅使用位置（x，y）和高度（Z）数据。与图像数据相比，点云数据在内容和形式上都有自己的特点。对于地面三维激光扫描仪，采样方法是按照水平和垂直方向采集数据。角度越大，采样点之间的间隔越大，以及各种误差的影响，点云数据的空间分布不均匀。

（二）设备简介

1、 Street View采集全景影像数据

Street View摄像系统是一个完整的全景图像采集系统，包含从记录显示开始的所有步骤。不需要额外的零件或开发。摄像机可以记录每秒7帧，30M像素的分辨率。全球导航卫星系统（GNSS）接收器在全球范围内拥有4个独立的高精度GPS检测。专用硬件电平传感器，用于校正正在拍摄的相机的倾斜。处理每个全景时的完整地理参考纬度和经度、高度、方向、GPS日期和时间以及本地日期和时间的自动水平。因此，全景是与地理信息系统（GIS）组合而成的集合解决办法。

2、IMS三维采集三维激光点云数据

利用IMS三维移动测绘系统对变电站三维激光点云进行采集并存储为原始数据。IMS三维可以在没有GPS的情况下使用SLAM算法采集点云数据。利用IMS三维移动地图系统获取二维地图数据，记录光检测测距（LIDAR）的时间位置信息，制作彩色三维点群图。精细扫描使用DPI-8手持式三维扫描仪对主要设备细节执行详细的三维激光点云捕获。将其保存为原始数据。DPI-8是手持式三维激光扫描仪的快速获取和应用方便的三维数据。这是面向寻求高效、高质量数据且开箱即用的专业人士。DPI-8具有可直接实时读取、处理、显示和保存获取的点云的三维数据成像系统。

（三）数据采集

1、卫星遥感影像的获取

获取变电所所在区域设备、建筑物及周边输电线路走廊的1000m带宽，正片摄影图像、数字标高模型（DEM）、数字表面模型（DSM）、长5km。在数字高程模型模拟的三维地形表面上应用数字或照片贴图（DOM）作为纹理图像。提高三维地形模拟的真实感。设备型号库DOM用于分辨率为08米的卫星。遥感图像的高分辨率建模要求。

2、全景影像采集及数据处理应用

Street View摄像系统实现全景图像数据采集。收集变电站关键部件的全景图像数据和属性信息，并在图像中标注关键位置。全景相机采集装置随机后处理软件对采集到的数据进行全自动沉降处理，最终得到沉降轨迹和标定后的全景图像数据。对于问题数据，及时进行恢复和恢复。将文本注释、图片、语音视频等链接到全景图像。通过发布服务（IIS或tomcat）将全景图像数据作为Web服务发布，并按照“一次一个地址”的原则提供URL信息。有必要确保URL在浏览器打开时可以直接看到，而不需要登录正确的图片。

3、变电站高精度三维激光点云获取

变电所三维激光点云由IMS以三维方式收集并存储为原始数据。IMS 三维可准确收集室内和室外点云数据。扫描设备时，将获取所有可见设备的位置数据、记录光学数据并生成彩色三维点云数据。有时，IMS 三维无法开始扫描，使用DPI-8手持式三维激光扫描仪扫描设备的详细结构。这是IMS 三维的补充。

三、变电站三维点云数据的处理

（一）点云数据去噪

当扫描时，一些因素会阻碍和阻塞扫描目标。例如，在对炼油厂进行扫描时，如车辆、行人、树木等造成的障碍物，以及实体本身固有的非反射性等客观因素，都会产生采集点云。在数据中加入不稳定点和噪声点。如果要执行其他工作内容，必须清除这些噪声点，这有助于将来的建模。此过程用于消除点云数据的噪音，也称为点云过滤。

（二）点云数据拼接

三维激光扫描器基于激光测距原理，因此在扫描固体物体时，只能扫描所测量物体的一部分。就像人观察东西一样，只能观察物体的正面。如果想查看对象的背面，则只能到达对象的另一侧。三维激光扫描仪也是如此。当物体被完全表现出来时，应测量的物体只能从不同角度进行扫描。所谓点云连接，是指在追踪实际测量位置时，将多个站点的云数据以不同的坐标系合并为一个坐标系。典型的点云拼接方法包括目标拼接、点云特征点拼接、。和控制点拼接。本文为了完成变电站的点群数据连接，使用了旋风机软件的特征点匹配法。具体处理如下：（1）选择一致2个相邻站之间的3个共同特征点，监控重复处理中的错误大小及发生率；（2）数据登记后显示错误，直到满足每3cm再接收错误的精度要求为止，位置对位超过错误界限；（3）剩余位置间的点群数据的剪接按照步骤（1）和（2）依次完成，最后一致的点群一致。一起受限制以完成所有站点之间的拼接。拼接后的结果如图1所示。

（三）变电站三维模型的建立

三维激光扫描儀获取的数据是离散的点云数据，这是一个抽样的表面空间目标，为了分析对象物的表面特性并赋予特征，需要表示不规则分布的点群数据的三维表面信息。确立目标的表面模型。其中，模型可以看作是多个单纯的几何学模型的“组合”。只要将所有的“分割”简单几何模型的建模工作逐一完成，就可以成功地重构出整个实体模型（见图2）。

1、规则几何模型的建立

在建立变电所三维模型的过程中，对于较规则的墙体、设备圆柱、矩形底座等，可以采用旋流器所携带的箱体、圆筒、补片等模型构件。例如，创建一个墙，您可以直接创建一个框模型，扩展模型使其接近点云，然后打破框。

2、不规则物体模型的建立

对于不规则高压绝缘子串、变压器设备模型设置有两种方法：一种是先使用Cyclone软件截取这些点云数据，然后再将这些模型组合起来。以变电所高压绝缘子为例，旋风软件的表面自动扩大以形成中间有孔的薄表面，并结合在一起，变压器模型为了确立正确的三维模型，通过结合表面扩张和长方体来确立。另一种方法是将不规则的设备和对象点云数据导入到Geo magic Studio软件中。在软件内完成不规则模型的确立。

四、基于AR技术的三维变电站的管理

（一）变电站三维建模管理

在高精度现场站扫描结果建模的基础上，实现了对现有变电站三维模型的引入，充分考虑了同一区域多站模型切换，实现了三维模型管理。对于相机、风速仪等辅助监控设备，支持可变调节，可在场景中添加、删除、移动，灵活响应实际环境的变化，提高模型对实际站恢复的准确性。该系统采用地面激光扫描技术，从现场实际环境中快速采集点云数据，同时使用全景相机在现场拍摄高分辨率全景照片。在以后的阶段，通过计算机辅助建模，利用收集到的高精度点云数据，生成三维模型相同的场景，和各种设备的细节，仪器、电缆、铭牌、等变电站的准确复制，然后真正的地图是根据创建全景照片。使模型美观，达到精确建模要求。对三维模型进行了系统的校核和校核，并结合网格的拓扑关系，根据站点的实际接线图对改进后的模型进行了详细的定义。严格数字化现实场景，为其他功能提供数据基础。

（二）场景漫游管理

显示1：1数字化变电站三维场景，显示细化模型，场景内漫游浏览。该模型包括主设备区、室外厂区和室内厂区。通过场景漫游浏览，通过在现场远程理解和直观地查看场景，可以更轻松地了解场景，提高运维效率。室内造型主要包括车站内的房间，如防护室、开关室、直流设备室等。保护面板等电力设备的特写是对现场拍摄的实际高清照片的再现，能够准确反映设备面板的实际情况。在漫游浏览过程中，操作员可以通过鼠标和键盘在场景范围内执行无限漫游浏览。能够独立控制前进、后退、上升、下降及转向。同时，基于运营商的问题可能不熟悉车站设施，整个车站地图添加导航显示，和变电站顶视图100：1放大地图，和变电站与当前位置有关，所以点击地图可以快速定位当前视角到目标位置。并在移动时将当前坐标与地图中的向导同步。

五、结语

将基于AR和三维数字点云重构的可视化管理应用于变电站建设管理效果中，既能在宏观层面把握动态，又能准确计算细节。其优点体现在无人机数据采集速度快，三维全景图建设周期短，文件传输速度快，显示方便，有利于移动办公。可视化管理是可跟踪的，是一个开放透明的平台，对领域的约束力更强。管理者可以更直观地把握场景的动态，为分析和决策提供强有力的支持。可见，AR和三维数字点云重构为未来可视化管理平台的构建提供了基础。

作者单位：国网福建省电力有限公司