本发明涉及一种电力工程设计的4D真实动态展示方法，属于电力工业设计的领域。
背景技术：
随着信息技术和计算机技术的迅速发展，在电力工程设计中已出现了许多新技术。为了能够详细、清晰、直观和动态地展示设计方案的技术特点和工程特质，随之又出现了许多展示方法，例如PPT动画影像方式、动画制作模式和三维全景漫游模式等，这些技术都具有各自的特点，已在不同的工程设计得到应用。
在电力工程设计过程中，如果能将设计方案以三维、全景、立体和动态的形式展示出来，不仅能够使设计人员身临其境，直观地了解自己的设计效果，边设计边校核，而且还能够让校核人员如同亲身勘察过工程现场一样，提升校核的针对性、准确度和有效性，从而达到提高设计质量、设计效率与设计经济效益的目的。在其它领域工程的实际设计中，设计单位采用各种各样的三维制图软件进行设计方案的展示，但是这些方式要么三维效果单调乏味，要么费用过高，不能为大多数设计单位所接受。如：PPT动画制作的方式耗费时间较少，费用也比较低，但这种方式是基于二维平面的，在当今3D影像应用普遍的时代，不仅落后且不够具体形象；3DMAX和Photoshop等组合软件可以制作出精细的电力设备实物模型，然后进行漫游录像，形成视频动画文件，这种方式效果很好，但是耗费时间较长，费用太高，形成的文件太大且并且兼容性差，无法满足大多数设计单位的需要。目前，市场上已经出现了与设计软件嵌合在一起的展示系统，但是大多数很粗略，三维影像模糊，不能够准确反映地形地貌，只是一种大体的描述与显示，不能完全达到三维动画真实展示的效果。另外，还有其他一些方式，比如利用特殊的三维显示设备制造3D效果和录屏制作等，展示效果都不理想。
在传统二维设计系统中，设计人员是用图纸将设计方案展示出来，提供给各级校核人员审核，虽然能展示大部分设计思路，但由于校核人员没有到过现场，无法针对工程的实际情况进行校核，往往会遗漏某些重要的现场因素。三维激光扫描技术是一项革命性的测绘手段，已经越来越多的利用在工程实际中，由于三维激光扫描的技术、操作和设置都是别具一格，不同于传统二维测量方式，能够合理廉价地取得反映实际地理空间信息的三维地形图，在地形图之上就可以进行一些创新性的处理与优化，最终形成准确的三维全景地形地貌图。从时间效益、经济效益、三维效果显示等方面全面去考量，目前国内还没有真正实用、方便、效果好和动态的电力工程设计方案4D真实动态展示系统。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种电力工程设计的4D真实动态展示方法。
本发明概述
本发明提供一种高效、动态、真实和形象的一种电力工程设计的4D真实动态展示方法，适用于任意电压等级的输配变电电力工程设计方案的全景动态真实展示。即在三维激光扫描的基础之上，提出4D动态概念，并将设计方案采用4D的方式动态展示出来，这相当于把室外现场原封不动搬到了室内，方便了校核人员结合现场进行审核，确保设计质量和可靠性。
本发明的技术方案如下：
一种电力工程设计的4D真实动态展示方法，包括步骤如下：
1)利用三维激光扫描对需要电力工程设计的地形地貌进行三维全景扫描，获取地形地貌的原始点云数据；
2)对步骤1)获取到的地形地貌的原始点云数据进行处理，得到4D全景动态真实展示；
所述处理包括依次采用设备设施动态模块处理、点云渲染建模分层处理、4D效果展示处理。
本发明针对测量精度、速度和范围等方面的具体要求，使得在实际操作三维激光扫描设备时的人力、物力和经济效益达到最优。
根据本发明优选的，在步骤1)中，利用三维激光扫描对需要电力工程设计的地形地貌进行三维全景扫描时：
a)根据电力工程种类决定三维测量策略：
当电力工程种类为变电专业时，由于变电站的所有设备设施都在一定的范围之内，区域跨度不大，在三维设备的架站方式上采用坐标拼接方式；在变电站内设备较多，分类精细，要求扫描的分辨率较高，才能形成清晰清楚的具体图像；在室内是有地面以上所有的物体，扫描视角为270度以上，站站之间要有比较大的公共部分，以能还原出最为真实清楚的图像；
当电力工程种类为线路专业时，区域跨度较大，所有线路设备设施在一个带状的范围之内，带状宽度为100-200米，在架站时综合采用标靶拼接、坐标拼接或特殊地物拼接方式；根据输电线路的施工图设计要求采用高分辨率扫描方式；扫描的距离为0.6-300m，线路走廊要求为100米，完全满足实际需要；扫描视角为270度以上；
当电力工程种类为配电专业时，区域跨度小，包括呈带状的部分和呈片形的部分，根据各部分要求，分别采用不同的扫描策略；所述呈带状的部分往往为30米左右，在一定范围内采用扫描一站即可，所述呈片形的部分设备较为精细，需要采用高精度的扫描；
b)设定扫描参数、并按扫描参数进行数据采集
所述扫描参数包括分辨率；按照设定的扫描参数采集以下数据：站站距离、控制点距离和坐标点；
c)控制测量精度
利用控制点坐标将相对坐标转化为大地坐标。控制点坐标的准确度与后期设计质量息息相关，如何能正确测得标靶所在位置控制点的准确坐标，是非常重要的一环。
根据本发明优选的，在步骤1)中，获取地形地貌的原始点云数据的方法包括：
i)将三维激光扫描设备固定在三脚架上，标靶放置在高处或较容易观察到的地方，用三维激光扫描测量标靶，站与站之间设置至少2个标靶；
ii)设定扫描参数：分辨率，开始全景扫描；
iii)全景扫描完成后，将广角相机安装在扫描设备上，用广角相机拍摄周围场景照片，完成对一站的扫描；
iv)按照步骤i)-iii)继续对下一站进行扫描。
根据本发明优选的，在步骤2)中所述设备设施动态模块处理、点云渲染建模分层处理和4D效果展示处理，包括具体步骤如下：
i)所述设备设施动态模块处理，用于将设备设施模型集成，形成电力工程设备库，包括电力工程设备的形状、尺寸、质地材料；
ii)所述点云渲染建模分层处理，对地形地貌图利用三维激光扫描设备测量得到的点云数据，经过去噪处理、抽希处理和优化处理，形成干净、整洁清晰的点云地形图；然后进行拟合处理，形成面式三维地形地貌真实模型；
iii)所述4D效果展示处理，是将电力工程设备及三维地形地貌真实模型制作完成以后，制作成4D视频，通过佩戴4D显示装置向工作人员展示4D效果。如佩戴4D眼睛可以让工作人员能够如同亲身进入了工程现场，真正实现了设计方案的4D真实动态展示系统。
根据本发明优选的，所述步骤2)中步骤i)中建立电力工程设备模型的标准是根据国家电网通用设计内容进行建立。此步骤集合有经验有实力的各专业设计人员，根据最新的国家电网通用设计内容，制作电力工程设备模型。
根据本发明优选的，所述步骤2)中步骤ii)中，所述点云渲染建模分层处理还包括对点云地形图与面式三维地形地貌真实模型进行随意切换。点云地形图偏重于介绍技术，面式三维地形地貌真实模型偏重于实际建设成显示的效果。值得一提的是，本发明在所有的设备设施和地形图上的物体，都是以坐标形式存在的，可以任意提取和转换各自的坐标，根据各自不同的坐标，便可以将各个部分嵌合在一起，既准确又方便，还能提供各种设备各个点的准确坐标，为以后数字化移交平台做准备。
根据本发明优选的，所述步骤2)中步骤i)中，电力工程设备库还包括电力工程设备在不同气象条件下的工作状态参数。根据不同的气象条件，能够内部进行计算和调整，能够在不同气象条件下显示不同的电力工程设备状况，例如大风时的风偏，雨雪天气时的雪花、雨点，高温时的太阳、弧垂变化等等，此部分使得汇报视频增添了乐趣，不再枯燥无味。
本发明的优点如下：
1、整合变电、线路和配电等专业的各种电力工程设备设施，从较大的变压器、铁塔到较小的仪表和防震锤等，全部都以精细、精准的三维图像包含在汇报系统设备库中，具有动态更新和替换更改功能；
2、根据电力设计方案的具体内容，在实际三维地形地貌图上进行设计方案的再现，形象直观真实的展示出设计方案的所有内容，包括电气安全距离、交跨距离和交跨物等；
3、根据不同运行工况下实现不同的动态影像，加入声音等效果，使人从视觉、听觉等方面全面了解设计方案，比如大风时的导线偏移、覆冰时的导线冰淞等实际气象，提高展示的质量，实现设计方案的4D显示；
4、通过佩戴4D体验设备，可以使工作人员如同亲身体验工程现场一般，现在看到了工程现场就是施工后的工程现场，最优的进行检查审核，可以进行多方面全方位的技术校核，大幅度提高了校核质量；
5、不用再花大量时间进行各种模型的制作，在系统内进行相应的调整与优化即可，避免了大量时间的耗费和金钱的投资，具有很强的经济性；
6、在三维点云地图上进行渲染建模，所展示的地形地貌完全反映实际地形，可以在地形图上进行长度、面积、体积及任一点坐标的提取，真实地反映现场地形地物的实际空间特征，在国际输配电设计技术领域实现了零的突破；
7、电力工程设计方案的展示是一项复杂而专业性极强的工作。本发明结合工作实际经验，配合各专业资深设计人员，开创性地提出了精确集成设备实施库、三维激光扫描技术获取三维地形图、各部分坐标拼接的思路，首次真正实现了各专业电力工程设计内容的4D全景真实动态展示，并且大大提高了方案展示的形象具体性，极大提高了设计人员的校核力度。另外，在系统完成之后，不但能够得到效果好、经济性好的动态视频，满足设计工作的各项要求，还能提供整个线路路径的地形地物坐标信息(包括线路设备本身，比如杆塔、弧垂最低点、金具民点)，为整条线路的运行维护和技术处理提供丰富的数据信息，可以极大的节约后期运行维护成本。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做详细的说明，但不限于此。
实施例1、
一种电力工程设计的4D真实动态展示方法，包括步骤如下：
1)利用三维激光扫描对需要电力工程设计的地形地貌进行三维全景扫描，获取地形地貌的原始点云数据；
2)对步骤1)获取到的地形地貌的原始点云数据进行处理，得到4D全景动态真实展示；
所述处理包括依次采用设备设施动态模块处理、点云渲染建模分层处理、4D效果展示处理。
实施例2、
如实施例1所述的方法，其区别在于，在步骤1)中，利用三维激光扫描对需要电力工程设计的地形地貌进行三维全景扫描时：
a)根据电力工程种类决定三维测量策略：
当电力工程种类为变电专业时，由于变电站的所有设备设施都在一定的范围之内，区域跨度不大，在三维设备的架站方式上采用坐标拼接方式；在变电站内设备较多，分类精细，要求扫描的分辨率较高，才能形成清晰清楚的具体图像；在室内是有地面以上所有的物体，扫描视角为270度以上，站站之间要有比较大的公共部分，以能还原出最为真实清楚的图像；
当电力工程种类为线路专业时，区域跨度较大，所有线路设备设施在一个带状的范围之内，带状宽度为100-200米，在架站时综合采用标靶拼接、坐标拼接或特殊地物拼接方式；根据输电线路的施工图设计要求采用高分辨率扫描方式；扫描的距离为0.6-300m，线路走廊要求为100米，完全满足实际需要；扫描视角为270度以上；
当电力工程种类为配电专业时，区域跨度小，包括呈带状的部分和呈片形的部分，根据各部分要求，分别采用不同的扫描策略；所述呈带状的部分往往为30米左右，在一定范围内采用扫描一站即可，所述呈片形的部分设备较为精细，需要采用高精度的扫描；
b)设定扫描参数、并按扫描参数进行数据采集
所述扫描参数包括分辨率；按照设定的扫描参数采集以下数据：站站距离、控制点距离和坐标点；
c)控制测量精度
利用控制点坐标将相对坐标转化为大地坐标。控制点坐标的准确度与后期设计质量息息相关，如何能正确测得标靶所在位置控制点的准确坐标，是非常重要的一环。
在步骤1)中，获取地形地貌的原始点云数据的方法包括：
i)将三维激光扫描设备固定在三脚架上，标靶放置在高处或较容易观察到的地方，用三维激光扫描测量标靶，站与站之间设置至少2个标靶；
ii)设定扫描参数：分辨率，开始全景扫描；
iii)全景扫描完成后，将广角相机安装在扫描设备上，用广角相机拍摄周围场景照片，完成对一站的扫描；
iv)按照步骤i)-iii)继续对下一站进行扫描。
在步骤2)中所述设备设施动态模块处理、点云渲染建模分层处理和4D效果展示处理，包括具体步骤如下：
i)所述设备设施动态模块处理，用于将设备设施模型集成，形成电力工程设备库，包括电力工程设备的形状、尺寸、质地材料；
ii)所述点云渲染建模分层处理，对地形地貌图利用三维激光扫描设备测量得到的点云数据，经过去噪处理、抽希处理和优化处理，形成干净、整洁清晰的点云地形图；然后进行拟合处理，形成面式三维地形地貌真实模型；
iii)所述4D效果展示处理，是将电力工程设备及三维地形地貌真实模型制作完成以后，制作成4D视频，通过佩戴4D显示装置向工作人员展示4D效果。如佩戴4D眼睛可以让工作人员能够如同亲身进入了工程现场，真正实现了设计方案的4D真实动态展示系统。
实施例3、
如实施例2所述步骤2)中步骤i)中建立电力工程设备模型的标准是根据国家电网通用设计内容进行建立。
实施例4、
如实施例2所述步骤2)中步骤ii)中，所述点云渲染建模分层处理还包括对点云地形图与面式三维地形地貌真实模型进行随意切换。
实施例5、
如实施例2所述步骤2)中步骤i)中，电力工程设备库还包括电力工程设备在不同气象条件下的工作状态参数。根据不同的气象条件，能够内部进行计算和调整，能够在不同气象条件下显示不同的电力工程设备状况，例如大风时的风偏，雨雪天气时的雪花、雨点，高温时的太阳、弧垂变化等等，此部分使得汇报视频增添了乐趣，不再枯燥无味。