基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法与流程

本发明涉及一种建模方法，尤其涉及一种对变电站绝缘子进行建模的方法。

背景技术：

绝缘子是指安装在不同电位的导体之间或导体与地电位构件之间，能够耐受电压和机械应力作用的器件。目前，变电站三维可视化、智能化监管已得到业内人士的重视，进行变电站实景三维重构是实现变电站三维可视化的基础。为实现变电站实景三维重构，需对变电站内部各种设备进行准确高效地三维重构。目前可考虑用于变电站绝缘子的建模方法主要包括：

(1)基于虚拟现实建模语言的建模方法。

虚拟现实建模语言(virtualrealitymodelinglanguage，vrml)不仅是一种建模语言，也是一种描绘3d场景中对象行为的场景语言。vrml通过编程语言以立方体、圆锥体、圆柱体、球体等为原始对象构造绝缘子、隔离开关、断路器、电压与电流互感器等电气设施及建筑模型，并给模型贴上特定材质，然后拼接这些模型以完成整个变电站的三维场景建模。vrml脚本节点(script)对应的java语言可以利用变电站模型进行人机交互，进而实现变电站虚拟现实系统。vrml建模法虽可方便地进行人机交互，但拟合的模型由于采用立方体、圆锥体、圆柱体、球体的组合构建，必然造成变电站模型缺乏真实感，模型精度差。

(2)基于几何造型的建模方法。

几何造型建模方法依据变电站数码图片、设计图纸和厂家设施图纸，利用autocad、3dmax、maya等专业软件，按照一定比例采用立方体、圆柱体、圆锥体、圆环等建立变电站各种电气设施的三维模型，然后设置模型贴图与材质，拼接电气设施模型完成变电站三维场景建模，该建模方法获取的模型主要有三种:线框模型、表面模型与实体模型。几何造型建模法效率和直观性较好，但难以实现真实场景建模。

以上两种建模方法作为目前可用于变电站模型三维重构的常规方法，均无法实现变电站模型真实、高精度的模型重构，只能适用于一些对模型精度要求低、对真实性要求不高的场合中，无法满足变电站三维可视化运用的要求。需特别指出的是，绝缘子作为变电站中最为常见的电气设备，实现其高效、精准的三维模型重构具有重要意义。但是目前已有的可用于变电站绝缘子的两种建模方法都存在着精度低、真实性不足以及建模效率低等问题，难以满足对于绝缘子模型高精度、高质量的要求。因此，为了实现变电站的实景三维重构，必须对变电站中的绝缘子建模方法进行研究，寻找一种全新的方法。

(3)基于激光点云的建模方法。

近年来，随着激光测量技术的发展，利用激光雷达扫描仪获取物体表面的激光点云具备高精度、高效率等优点。点云数据是指利用激光、摄影等测量手段获取物体表面的特征点，这些特征点有可能包含物体的空间三维坐标、颜色信息或反射强度信息等，由于点数量很大，因此称为点云。由于地面三维激光雷达采集到的被测对象点云数据具有高精度、全数字特征、图像化等优点，依据点云数据全数字特征与图像化相结合的优势，可为三维重构提供数据支持，且利用该方法构建模型具有精度高、效率高、可调整等优点，弥补了传统建模手段效率低、精度差等不足。该方法已被广泛地应用于文物保护、建筑测绘、交通运输、船舶制造等多个领域，并取得了很好的应用效果。但是这些应用局限于一些简单规则物体的建模以及测量方面，比如边界单一的建筑物建模、结构单一的公共设施建模以及距离、高度、体积等测量，很少涉及到复杂模型的重构。鉴于变电站结构的特殊性，其他领域中的一些建模方法无法简单的移植到变电站模型重构当中，直接使用其他领域的建模方法进行变电站模型的重构会造成模型精度差、细节缺失等问题。因此，期望获得一种可用于变电站绝缘子的基于点云数据的建模方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法，该方法可用于准确高效地对变电站绝缘子进行建模以实现变电站绝缘子的三维重构，从而可进一步实现变电站的实景三维重构，为变电站三维可视化、智能化监管提供良好的基础。

根据上述发明目的，本发明提出了一种基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法，其包括步骤：

(1)采用多次扫描的方式采集变电站绝缘子的点云数据，所述点云数据至少包含三维坐标数据；

(2)将多次扫描获得的变电站绝缘子的点云数据进行拼接，以实现点云数据所包含的三维坐标数据的归一化；

(3)对点云数据进行消噪处理；

(4)对消噪后的点云数据进行抽稀；

(5)根据抽稀后的点云数据，提取绝缘子中心线，并以绝缘子中心线为z轴建立空间直角坐标系；

(6)以xoz平面为对称面，提取平行于xoz平面的绝缘子点云数据，生成绝缘子xoz面的点云切片；

(7)基于绝缘子的点云切片，用二维多义线勾勒绝缘子的二维轮廓线，并经绝缘子中心线形成闭合曲线；

(8)以二维轮廓线上的点为旋转对象，以绝缘子中心线为旋转轴进行三维旋转，得到绝缘子模型。

本发明所述的基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法通过采集变电站绝缘子的点云数据并进行一系列的数据处理，然后基于变电站绝缘子的实际结构提取绝缘子中心线，并以绝缘子中心线为z轴建立空间直角坐标系，然后基于该空间直角坐标系中的xoz平面生成绝缘子xoz面的点云切片，并基于该绝缘子的点云切片得到包含绝缘子的二维轮廓线和绝缘子中心线的闭合曲线，最后以二维轮廓线上的点为旋转对象，以绝缘子中心线为旋转轴进行三维旋转，得到绝缘子模型。其中：

步骤(1)中，所述多次扫描通常是通过多个扫描站点分别从不同的角度对所述变电站绝缘子进行扫描，其目的主要是为了尽可能全方位地采集变电站绝缘子的点云数据。所述多次扫描可以利用激光雷达扫描仪进行扫描，其获取点云数据属于现有技术，因此此处不作详细描述。

步骤(2)中，所述三维坐标数据的归一化的方法可以是通过布置球形标靶对三维坐标数据进行定位以实现归一化。

步骤(3)中，所述消噪处理包括自动消噪，即采用自动消噪算法将大部分噪点(主要是空气中细小颗粒形成的噪点)消除。适用于点云的自动消噪算法很多，其为现有技术，因此此处不作详细描述。

步骤(4)中，抽稀是指在保证矢量曲线形状基本不变的情况下，最大限度地减少数据点个数，从而节约存储空间和减少后续处理的计算量。

步骤(5)中，所述直角坐标系通常包括两两垂直的x轴、y轴以及z轴。

步骤(6)中，所述xoz平面指x轴、z轴及直角坐标系原点o形成的平面。所述绝缘子xoz面的点云切片的厚度通常根据绝缘子尺寸决定，以可反映绝缘子外围轮廓、厚度尽量小为原则。

步骤(8)中，由于变电站绝缘子的结构特点是旋转中心对称，因此以二维轮廓线上的点为旋转对象，以绝缘子中心线为旋转轴进行三维旋转，即可得到绝缘子模型。

本发明方法可准确高效地对变电站绝缘子进行建模以实现变电站绝缘子的三维重构，从而可进一步实现变电站的实景三维重构，为变电站三维可视化、智能化监管提供良好的基础。

进一步地，本发明所述的基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法中，在所述步骤(3)中，采用“自动消噪-手动消噪-自动消噪”依次更替循环的方式对点云数据进行消噪处理。

上述方案中，在自动消噪的基础上进行手动消噪，手动消噪对象可以包括地面、围墙、建筑、其他设备、人物等一切无关绝缘子点云以及未消除干净的空气噪点；然后对手动消噪后的噪点进行再次自动消噪，这是因为通常手动消噪后会将大部分噪点消除，但是仍会残留部分细小孤立噪点，这部分噪点是由于初次自动消噪残留或者由于手动消噪时对噪点簇进行消除时残留导致，通过再次自动消噪可以极大地减少这部分噪点，实现消噪效果的进一步优化。

更进一步地，上述基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法中，循环的次数至少为一次。

进一步地，本发明所述的基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法中，所述点云数据还包含颜色信息和反射强度信息的至少其中之一。

上述方案中，通过所述颜色信息和反射强度信息可以确定相应的表面颜色和材质。

进一步地，本发明所述及上述任一基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法中，所述步骤(4)包括：

对于任意一区域内的点云数据，计算各个点的法向量；

寻找临近区域内与计算得到的法向量相似的点以及法向量突变的点，其中将法向量相似的点作为待删减点，将法向量突变的点作为保留点；

然后根据选定的比例对法向量相似的点进行删减。

上述方案中，通常对于任意一区域内点云中的任意一点pk，其法向量nk计算公式为：

其中l为以pk为顶点的三角形个数，αi为第i个三角形在顶点pk处的相对角，vi为第i个三角形的法向量。所述比例可依据采集到的点云精度进行合理选择。该方法可以很好地保持原有的轮廓特征，简化效率较高。

更进一步地，上述基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法中，判断法向量相似以及法向量突变的方法为：计算两个法向量间的夹角，若所述夹角小于等于设定的阈值，则判断为法向量相似；若所述夹角大于所述阈值，则判断为法向量突变。

上述方案中，通常任意两个法向量间的夹角计算方法如下：

进一步地，本发明所述的基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法中，所述步骤(5)包括：

(5a)测量绝缘子相邻两个伞裙间的间距l；

(5b)寻找绝缘子最下端的伞裙，在其下方l/2距离处选取一点作为断面初始点p；

(5c)以断面初始点p所在的水平面为初始平面，提取该平面内的绝缘子圆柱横断面s1；

(5d)以圆柱横断面s1为起点，以相邻两伞裙间距l为间距，以竖直方向为平移方向，分别提取绝缘子点云数据中所有的圆柱横断面s2、s3...sn；

(5e)分别在每一个绝缘子圆柱横断面点云上选取至少三点，依据该至少三点创建特征圆，以得到一系列的横断面特征圆；

(5f)提取每一个横断面特征圆的圆心oi(xi，yi，zi),并依此计算绝缘子的理论圆心

(5g)经过on(xn，yn，zn)的直线即为绝缘子的中心线，并以该中心线为z轴建立空间直角坐标系。

上述方案中，步骤(5f)中的绝缘子的理论圆心的计算方法可以是：

其中，出于建模需求考虑，人为选定圆心位于绝缘子最下方，规定取值为最低点z1，即圆柱横断面s1的特征圆的圆心的z轴坐标。

本发明所述的基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法的优点和有益效果包括：

(1)准确高效地对变电站绝缘子进行建模以实现变电站绝缘子的三维重构，从而可进一步实现变电站的实景三维重构，为变电站三维可视化、智能化监管提供良好的基础。

(2)解决了传统建模方法精度低、真实性差的问题，并实现了利用激光点云实现绝缘子的高质量、高精度的建模，满足绝缘子实景、高效以及高真实性的建模要求。

(3)可以参考实际物体的规格尺寸对所建模型进行参数调整，具有可更改的优势。

附图说明

图1为本发明所述的基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法在一种实施方式下的流程图。

图2为一种变电站绝缘子的实景图。

图3为本发明所述的基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法在一种实施方式下的点云数据中各点法向量的计算原理示意图。

图4为本发明所述的基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法在一种实施方式下提取的绝缘子的点云数据图。

图5为本发明所述的基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法在一种实施方式下提取的圆柱横断面的点云数据图。

图6为本发明所述的基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法在一种实施方式下生成的横断面特征圆图。

图7为本发明所述的基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法在一种实施方式下提取的绝缘子的中心线图。

图8为本发明所述的基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法在一种实施方式下生成的绝缘子xoz面的点云切片图。

图9为本发明所述的基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法在一种实施方式下生成的闭合曲线图。

图10为本发明所述的基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法在一种实施方式下生成的绝缘子三维轮廓线模型图。

图11为本发明所述的基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法在一种实施方式下生成的绝缘子三维实体模型图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法做进一步的详细说明。

图1显示了本发明所述的基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法在一种实施方式下的流程。图2显示了一种变电站绝缘子的实景图。图3显示了本发明所述的基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法在一种实施方式下的点云数据中各点法向量的计算原理。图4显示了本实施例提取的绝缘子的点云数据。图5显示了本实施例提取的圆柱横断面的点云数据。图6显示了本实施例生成的横断面特征圆。图7显示了本实施例提取的绝缘子的中心线。图8显示了本实施例生成的绝缘子xoz面的点云切片。图9显示了本实施例生成的闭合曲线。图10显示了本实施例生成的绝缘子三维轮廓线模型。图11显示了本实施例生成的绝缘子三维实体模型。

如图1所示，该实施方式下的基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法可以通过激光三维扫描仪、计算机及其上运行的软件实现，包括步骤：

步骤110：采用多次扫描的方式采集变电站绝缘子的点云数据，所述点云数据至少包含三维坐标数据。其中，点云数据还可以包含颜色信息和/或反射强度信息。

本实施例中，首先勘察现场，结合变电站内相关安全运行规程，在保证安全的前提下，确定扫描对象并规划扫描路线；然后利用激光雷达扫描仪分扫描站点采集变电站绝缘子点云数据，采集时需要布设球形标靶，主要作用是为后期数据处理提供空间标识，便于数据拼接。变电站绝缘子的实景图如图2所示。

步骤120：将多次扫描获得的变电站绝缘子的点云数据进行拼接，以实现点云数据所包含的三维坐标数据的归一化。

本实施例中，依据扫描时布设的球形标靶，利用球形标靶的空间三维坐标实现不同扫描站点的空间坐标对齐，达到不同扫描站点的点云数据坐标归一化的目的，从而实现点云数据的拼接，得到完整的绝缘子点云数据。

步骤130：对点云数据进行消噪处理。

本实施例中，采用“自动消噪-手动消噪-自动消噪”依次更替循环的方式对点云数据进行消噪处理。其中，循环的次数至少为一次。具体来说，首先，采用自动消噪算法将大部分噪点(主要是空气中细小颗粒形成的噪点)消除；其次，在自动消噪的基础上进行手动消噪，手动消噪对象包含地面、围墙、建筑、其他设备、人物等一切无关点云以及未消除干净的空气噪点；最后，对手动消噪后的噪点进行再次自动消噪，通常来说手动消噪后会将大部分噪点消除，但是仍会残留部分细小孤立噪点，这部分噪点是由于初次自动消噪残留或者由于手动消噪时对噪点簇进行消除时残留导致，通过再次自动消噪可以极大地减少这部分噪点，实现消噪效果的最优。

步骤140：对消噪后的点云数据进行抽稀。

本实施例中，该步骤具体包括：对于任意一区域内的点云数据，计算各个点的法向量；寻找临近区域内与计算得到的法向量相似的点以及法向量突变的点，其中将法向量相似的点作为待删减点，将法向量突变的点作为保留点；然后根据选定的比例对法向量相似的点进行删减。其中，对于任意一区域内点云中的任意一点pk，其法向量nk计算公式为：

其中l为以pk为顶点的三角形个数，αi为第i个三角形在顶点pk处的相对角，vi为第i个三角形的法向量。图3显示了顶点pk和其周围的五个点a1-a5形成的五个三角形，该五个三角形分别对应的相对角为α1-α5，相应的法向量为v1-v5，顶点pk的法向量为nk。上述比例依据采集到的点云精度进行合理选择。上述判断法向量相似以及法向量突变的方法为：计算两个法向量间的夹角，若该夹角小于等于设定的阈值，则判断为法向量相似；若该夹角大于设定的阈值，则判断为法向量突变。其中，任意两个法向量间的夹角计算方法如下：

通过上述步骤110～步骤140，实现了建模对象绝缘子的点云数据提取，提取结果如图4所示。

步骤150：根据抽稀后的点云数据，提取绝缘子中心线，并以绝缘子中心线为z轴建立空间直角坐标系。

本实施例中，该步骤具体包括：

(150a)测量绝缘子相邻两个伞裙间的间距l。

(150b)寻找绝缘子最下端的伞裙，在其下方l/2距离处选取一点作为断面初始点p。

(150c)以断面初始点p所在的水平面为初始平面，提取该平面内的绝缘子圆柱横断面s1。

(150d)以圆柱横断面s1为起点，以相邻两伞裙间距l为间距，以竖直方向为平移方向，分别提取绝缘子点云数据中所有的圆柱横断面s2、s3...sn，如图5所示。

(150e)分别在每一个绝缘子圆柱横断面点云上选取三点，依据该三点创建特征圆，以得到一系列的横断面特征圆，如图6所示。

(150f)提取每一个横断面特征圆的圆心oi(xi，yi，zi),并依此计算绝缘子的理论圆心

本实施例中，该步骤中的绝缘子的理论圆心的计算方法是：

其中，出于建模需求考虑，人为选定圆心位于绝缘子最下方，规定取值为最低点z1，即圆柱横断面s1的特征圆的圆心的z轴坐标。

(150g)经过on(xn，yn，zn)的直线即为绝缘子的中心线，如图7中箭头所示，并以该中心线为z轴建立空间直角坐标系，该直角坐标系包括两两垂直的x轴、y轴以及z轴。

步骤160：以xoz平面为对称面，提取平行于xoz平面的绝缘子点云数据，生成绝缘子xoz面的点云切片，如图8所示。

本实施例中，上述xoz平面指x轴、z轴及直角坐标系原点o形成的平面。上述绝缘子xoz面的点云切片的厚度根据绝缘子尺寸决定，以可反映绝缘子外围轮廓、厚度尽量小为原则。

步骤170：基于绝缘子的点云切片，用二维多义线勾勒绝缘子的二维轮廓线，并经绝缘子中心线形成闭合曲线，如图9所示。

步骤180：以二维轮廓线上的点为旋转对象，以绝缘子中心线为旋转轴进行三维旋转，得到绝缘子模型。

本实施例中，该步骤具体包括：

以二维轮廓线上的点位旋转对象，以绝缘子中心线为旋转轴进行三维旋转，对于轮廓线上任意一点(xi,yi,zi)，旋转后对应的曲线方程为x²+y²+(z-zi)²＝xi²+yi²，从而得到绝缘子三维轮廓线模型，如图10所示。

将三维轮廓线模型转换为三维实体模型，即得到绝缘子三维实体模型，如图11所示。

利用上述方法构建绝缘子三维实体模型具有建模效率高、模型精度高等优点，而且可以参考实际物体的规格尺寸对所建模型进行参数调整，具有可更改等优势，是一项值得推广应用的绝缘子类模型高效率建模方法。