改扩建现场的三维场景重建方法及装置与流程

1.本发明涉及三维重建技术领域。更具体地说，本发明涉及一种改扩建现场的三维场景重建方法及装置。


背景技术：

2.随着社会高速发展，土地资源日益减少，而人类对电力的需求量越来越大，故当前越来越多的变电站、输电线路面临着扩建改造问题。变电站、输电线路的扩建改造需要大量基础数据进行支撑，目前的常用方式是基于图纸以及测绘的手段获取完整的现状资料。然而输变电场景不可能因扩建改造测量而停止运行，故采用传统方法在输变电场景带电运行情况下测量具有很大的危险性，且表现内容不一定全面，而且工作量繁重。
3.目前，每年有海量的输变电现场改扩建工作，这其中又以没有数字化移交成果的老旧场景为主。由于缺少直观呈现现场信息的手段，目前通常采用聘请外业团队进行bim建模的方法，建模周期在3～5个月不等，且精度受限于图纸数据，与实际场景存在一定出入，精度无法保证。
4.输变电改扩建是一项系统工程，也是一个包含安全性、机械设备、措施项目及资源优化与调配的系统，改扩建施工过程有着时间长、资源消耗多、受环境影响较大等特点，需要在实际施工前对工程关键工序点进行与实践环境相符的数字化模拟(简称“仿真”)，从而预判在具体施工过程中潜在发生的风险或管理决策者未曾考虑周全的方面。因此进行大型改扩建工程施工仿真在项目管理中尤为重要。将快速实景重构用于大型改扩建现场踏勘，可真实反应设备高度剖面并模拟过程中关键工序的施工过程，如施工范围、安全作业区域等，从而预判在具体施工过程中潜在发生的风险或管理决策者未曾考虑周全的方面，从而辅助大型改扩建工程决策。
5.同时工程计量是大型改扩建项目的核心任务，因改扩建工程施工过程复杂、施工工艺及工序繁琐等，导致改扩建项目工程计量工作量大，且改扩建项目工程计量精确度和快慢程度将直接影响工程预算的速度与质量。通过快速实景三维重构与bim相结合的技术进行大型改扩建项目工程量计算可大幅度减少因人为原因造成的计算错误，可快速、准确计算大型改扩建项目工程量。而达成上述目标的关键在于建立精准的改扩建现场的三维重建图。


技术实现要素：

6.本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
7.为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种改扩建现场的三维场景重建方法，包括以下步骤：
8.步骤一、将待扫描区域划分为多个相邻的构图区，在每个构图区内选取至少一个设备，在该设备上设置标识物；
9.步骤二、采用三维激光雷达按顺序依次扫描各构图区，并回到起始的构图区，相邻
两个构图区具有重叠，重叠部分具有至少一个标识物；
10.步骤三、提取标识物特征点，计算标识物当前时刻的相对位姿的变换矩阵；
11.步骤四、基于变换矩阵校正当前时刻的当前构图区的点云数据，迭代变换直到完成所有构图区的校正；
12.步骤五、根据校正后的位姿将当前时刻的点云从雷达坐标系转换到世界坐标系；
13.步骤六、基于标识物的点云融合各构图区的世界坐标系的点云数据，即得改扩建现场的三维场景图。
14.优选的是，还包括：在步骤三之后，步骤四之前，计算相邻时刻之间三维激光雷达的线速度，如果线速度低于预设的第一阈值，并且步骤三中的变换矩阵小于第二阀值，则删除该相邻时刻其中一个时刻对应的点云。
15.优选的是，所述设备包括主变压器、配电装置、控制设备。
16.优选的是，所述标识物为圆柱体形或球体形，所述标识物悬空设置于所述设备正上方。
17.优选的是，步骤三中提取标识物特征点的方法具体为：根据标识物的点周围的局部曲率将当前时刻扫描到的点云区分为角点和平面点，任一点的曲率由该点周围的点与该点形成的和向量的模表示，并且根据三维激光雷达视角与局部点云的相对关系剔除断点和孤立点。
18.优选的是，步骤三中采用kd-tree最近邻查找算法在上一时刻的点云中寻找距离当前时刻的特征点最近的特征点，形成特征线与特征面，然后采用l-m算法求解关于该特征点到特征线和特征面的距离的最小二乘问题，得到相邻时刻的标识物位姿变换矩阵。
19.提供一种改扩建现场的三维场景重建装置，包括：
20.多个标识物，多个标识物分别设置在多个构图区内的设备上；
21.三维激光雷达，其用于按顺序依次扫描各构图区，并回到起始的构图区；
22.扫描推车，其用于装置三维激光雷达；
23.数据处理模块，其用于提取标识物特征点，计算标识物当前时刻的相对位姿的变换矩阵，用于基于变换矩阵校正当前时刻的当前构图区的点云数据，用于根据校正后的位姿将当前时刻的点云从雷达坐标系转换到世界坐标系，用于融合各构图区的世界坐标系的点云数据，即得改扩建现场的三维场景图。
24.优选的是，所述数据处理模块还用于在步骤三之后，步骤四之前，计算相邻时刻之间三维激光雷达的线速度，如果线速度低于预设的第一阈值，并且步骤三中的变换矩阵小于第二阀值，则删除该相邻时刻其中一个时刻对应的点云。
25.提供一种电子设备，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行上述任一项所述的方法。
26.提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时，实现上述任一项所述的方法。
27.本发明至少包括以下有益效果：采用在设备上设置标识物，然后基于该标识物的点云，提取其特征点，计算当前时刻的相对位姿变换矩阵，来校正当前时刻所有的点云，然后迭代变换直到完成所有构图区的校正，最后将多构图区的点云基于世界坐标系融合，得
到改扩建现场的三维场景图。不需要增加额外的大量的数据处理，数据处理速度快，显著提升变电场这种电线错综复杂场景的三维重建图精度。
28.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
29.图1为本发明的其中一种技术方案的三维重建框架图。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
31.需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.如图1所示，本发明提供一种改扩建现场的三维场景重建方法，包括以下步骤：
33.步骤一、将待扫描区域划分为多个相邻的构图区，在每个构图区内选取至少一个设备，在该设备上设置标识物；
34.步骤二、采用三维激光雷达按顺序依次扫描各构图区，并回到起始的构图区，相邻两个构图区具有重叠，重叠部分具有至少一个标识物；
35.步骤三、提取标识物特征点，计算标识物当前时刻的相对位姿的变换矩阵；
36.步骤四、基于变换矩阵校正当前时刻的当前构图区的点云数据，迭代变换直到完成所有构图区的校正；
37.步骤五、根据校正后的位姿将当前时刻的点云从雷达坐标系转换到世界坐标系；
38.步骤六、基于标识物的点云融合各构图区的世界坐标系的点云数据，即得改扩建现场的三维场景图。
39.由于变电场中尤其是老旧变电场中电线繁杂、错乱，设备位置分散，无规划，采用手绘方法需要耗费大量的时间和精力，且不准确。而如果采用三维激光雷达直接扫描，构建点云图像，则容易造成电线的点云不准，最终导致重构的三维场景电线错位。在上述技术方案中，变电场中有很多变电设备，比如变电器，通过先确定一些设备的位置，再由设备的位置校正电线的点云数据，以达到减少电线错位的目的。采用在设备上设置标识物，因为标识物是由新制作，其形状规则，放置的位置也容易识别，从而采用三维激光雷达扫描标识物得到的点云也是清晰准确的。然后基于该标识物的点云，提取其特征点，计算当前时刻的相对位姿变换矩阵，来校正当前时刻所有的点云，即包括电线点云、设备点云，从而可以使整个点云的位置更精准。由于变电场面积大，而三维激光雷达扫描的距离有一定局限，因此，可以通过设置环形扫描路线和重叠扫描结合，达到全方位的扫描，然后再将多构图区的点云基于世界坐标系融合，得到改扩建现场的三维场景图。在上述技术方案中，并不需要增加额外的大量的数据处理，即可显著提升变电场这种电线错综复杂场景的三维重建图精度。
40.在另一种技术方案中，还包括：在步骤三之后，步骤四之前，计算相邻时刻之间三维激光雷达的线速度，如果线速度低于预设的第一阈值，并且步骤三中的变换矩阵小于第二阀值，则删除该相邻时刻其中一个时刻对应的点云。
41.在上述技术方案中，由于点云量过大，每一次扫描均会产出成百万个点云，因此，通过设置第一阈值和第二阈值，可以达到大量删除冗余点云的技术作用，从而显著提升点云的数据处理速度。
42.在另一种技术方案中，所述设备包括变压器、配电装置、控制设备。变电场中的主要设备为主变压器、配电装置、控制设备，与电线连接最多的也是主变压器、配电装置、控制设备，因此，选择变压器、配电装置、控制设备为标识物放置对象，有利于提升主要设备的点云精准性。
43.在另一种技术方案中，所述标识物为圆柱体形或球体形，所述标识物悬空设置于所述设备正上方。当有一点角度变化时，圆柱体形和球体形的形状均能够产生对应的均匀的曲率变化，有利于提升变换矩阵的计算精度。
44.在另一种技术方案中，步骤三中提取标识物特征点的方法具体为：根据标识物的点周围的局部曲率将当前时刻扫描到的点云区分为角点和平面点，任一点的曲率由该点周围的点与该点形成的和向量的模表示，并且根据三维激光雷达视角与局部点云的相对关系剔除断点和孤立点。可以将标识物精准的识别出，并得到对应的曲率。
45.在另一种技术方案中，步骤三中采用kd-tree最近邻查找算法在上一时刻的点云中寻找距离当前时刻的特征点最近的特征点，形成特征线与特征面，然后采用l-m算法求解关于该特征点到特征线和特征面的距离的最小二乘问题，得到相邻时刻的标识物位姿变换矩阵。可以精准快速的计算出基于标识物的位姿变换矩阵。
46.提供一种改扩建现场的三维场景重建装置，包括：
47.多个标识物，多个标识物分别设置在多个构图区内的设备上；
48.三维激光雷达，其用于按顺序依次扫描各构图区，并回到起始的构图区；
49.扫描推车，其用于装置三维激光雷达；
50.数据处理模块，其用于提取标识物特征点，计算标识物当前时刻的相对位姿的变换矩阵，用于基于变换矩阵校正当前时刻的当前构图区的点云数据，用于根据校正后的位姿将当前时刻的点云从雷达坐标系转换到世界坐标系，用于融合各构图区的世界坐标系的点云数据，即得改扩建现场的三维场景图。
51.在上述技术方案中，采用在设备上设置标识物，因为标识物是由新制作，其形状规则，放置的位置也容易识别，从而采用三维激光雷达扫描标识物得到的点云也是清晰准确的。然后基于该标识物的点云，提取其特征点，计算当前时刻的相对位姿变换矩阵，来校正当前时刻所有的点云，即包括电线点云、设备点云，从而可以使整个点云的位置更精准。由于变电场面积大，而三维激光雷达扫描的距离有一定局限，因此，可以通过设置环形扫描路线和重叠扫描结合，达到全方位的扫描，然后再将多构图区的点云基于世界坐标系融合，得到改扩建现场的三维场景图。在上述技术方案中，并不需要增加额外的大量的数据处理，即可显著提升变电场这种电线错综复杂场景的三维重建图。
52.在另一种技术方案中，所述数据处理模块还用于在步骤三之后，步骤四之前，计算相邻时刻之间三维激光雷达的线速度，如果线速度低于预设的第一阈值，并且步骤三中的
变换矩阵小于第二阀值，则删除该相邻时刻其中一个时刻对应的点云。每一次扫描均会产出成百万个点云，因此，通过设置第一阈值和第二阈值，可以达到大量删除冗余点云的技术作用，从而显著提升数据处理模块数据处理速度。
53.提供一种电子设备，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行所述的方法。
54.提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时，实现所述的方法。
55.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。