用于工程碳计量的变电站倾斜摄影与设计模型比对方法与流程

本发明涉及变电站，尤其是用于工程碳计量的变电站倾斜摄影与设计模型比对方法。

背景技术：

1、近年来，随着社会经济的快速发展和环境问题的日益突出，低碳经济和碳排放控制成为了世界各国共同关注的热点问题。在能源消耗和温室气体排放的三大部门中，建筑建造是其中之一，而工程碳排放测算作为低碳建设的重要内容之一，对于实现碳排放控制和减缓气候变化具有重要意义。

2、在电力行业中，倾斜摄影技术的出现使得三维建模和三维数据展示成为可能，同时也为电力行业的数字化建设提供了新的手段。然而，随着倾斜摄影测量技术在电力行业的广泛应用，其存在的问题也日益凸显，如模型数据量大、时间跨度长、缺乏自动化建模以及无法实现实时对比等。

3、因此，本文提出了一种基于倾斜摄影建模的工程碳排放测算方法，并通过对比不同模型的碳排放量进行分析，得出了一种基于倾斜摄影模型对比的工程碳排放测算方法。该方法可以实现对电力行业三维实景模型与设计模型进行比对分析，保障电力生产安全、提高电网建设效率、降低电网建设成本，具有实际应用价值。

技术实现思路

1、本发明解决了单一使用倾斜摄影测量技术或三维实景模型均存在一定的局限性的问题，提出用于工程碳计量的变电站倾斜摄影与设计模型比对方法，本方法可为变电站建设建筑变化过程中的碳排测算应用提供指标参考。

2、为实现上述目的，提出以下技术方案：

3、用于工程碳计量的变电站倾斜摄影与设计模型比对方法，包括以下步骤：

4、步骤1， 以三角片面积权重提取建筑信息模型表面随机点；

5、步骤2， 利用对象元素的差异度量方式计算几何相似度；

6、步骤3， 结合线性权重法对模型构件进行相似度结合；

7、步骤4， 基于超级四点全等集算法为点云粗配准建立索引；

8、步骤5， 通过主成分分析法对两个模型点云数据进行粗配准；

9、步骤6， 基于点云最近点迭代算法对建筑模型的点云坐标系进行精细配准；

10、步骤7， 利用同类构件之间的欧式距离计算模型构件位置相似度；

11、步骤8， 利用几何和位置相似度得到的结合相似度进行构件匹配；

12、步骤9，根据建筑建设过程的相似度差距分类多目标碳排放源。

13、本发明在变电站建设过程中提出了新的思路，同时利用变电站倾斜摄影模型与设计模型对变电站进行建设，并提出新的对比方法，对变电站倾斜摄影模型与设计模型进对比，本方法可为变电站建设建筑变化过程中的碳排测算应用提供指标参考，对于保障电力生产安全、提高电网建设效率、降低电网建设成本具有重要意义。

14、作为优选，所述步骤1具体包括以下步骤：

15、从设计图纸建筑信息模型中提取几何信息与空间信息，为后续变电站倾斜摄影模型的比对提供参考对象；

16、根据几何信息三角面索引的顺序进行三角面面积的计算；

17、在三角面总面积之间选择一个随机面积sr和选择随机点；

18、完成构件模型三角面选择随机点，从而完成了建筑信息模型构件随机点的选取。

19、本发明步骤1具体的需要先从设计图纸建筑信息模型中提取几何信息与空间信息，为后续变电站倾斜摄影模型的比对提供参考对象。其次，根据几何信息三角面索引的顺序进行三角面面积的计算；然后，在三角面总面积之间选择一个随机面积sr，然后利用sr选择随机点，采用的二分法判断随机面积sr在面积数组sl中的位置；最后，完成构件模型三角面选择随机点，从而完成了建筑信息模型构件随机点的选取，为后面模型几何要素的相似度对比提供参考点数据基础。

20、作为优选，所述步骤2具体包括以下步骤：

21、对随机点组成的点、向量和三维对象元素的差异度量方式计算几何相似度，所述差异度量方式的计算分别基于皮尔森相关系数、向量余弦相似度以及矩阵变换中的坐标系变换统一。

22、本发明步骤2具体为：衡量随机点数据集之间线性相关性基于皮尔森相关系数。衡量两个向量相似度，通过计算两个向量数据集之间夹角的余弦值来评估。衡量三维对象元素的相似度，需要先基于矩阵变换中的旋转、平移比例缩放等变换统一到同一参考坐标系下，对建筑信息模型单位三维元素进行刚性变换，进而在后续进行两个模型的形状相似度评估。通过量化以上三个几何信息对象的差异，为建筑信息模型的形状相似度提供单元参数基础。

23、作为优选，所述步骤3具体包括以下步骤：评估变电站倾斜摄影模型和设计模型的建筑信息模型的形状分布相似度，再用稀疏矩阵gs来存储相似度。

24、本发明经过上述点、向量、单元体的形状构造差异量化后，接下来评估几何相似度 g s，则需要先评估两个建筑信息模型的形状分布相似度 s( sp 1, sp 2)， sp 1和 sp 2分别为两个构件的形状分布之间的相似度。得到以上出变电站倾斜摄影模型与设计模型之间构件的几何相似度之后，用稀疏矩阵 g s( m a, m b)来存储相似度， m a和 m b分别表示设计建筑信息模型和现场实时信息建模模型。几何相似度稀疏矩阵 g s的形成，为和两者模型后续的位置相似度稀疏矩阵 p s的结合做出准备。

25、作为优选，所述步骤4具体包括以下步骤：

26、将变电站倾斜摄影模型与设计模型的集合p和集合q的角度匹配映射到对一组法线的索引，从集合q中提取对点并进行总体的四点同余集的提取，最后以每个集合p几何信息点为球心提取同等集{qi,qj}∈q，在相交体积的点和超球中心之间建立变电站倾斜摄影模型与设计模型的信息几何的索引对。

27、本发明在计算变电站倾斜摄影模型与设计模型的构件位置相似度之前，需要基于超级四点全等集算法在模型点云粗配准过程建立索引，其方法经过：将两个模型集合 p和 q角度匹配映射到对一组法线的索引；从集合 q中提取对点，进行总体的四点同余集的提取，构成向量的发现存储在单元格的正常索引中；分别以每个集合 p几何信息点为球心，提取同等集{ q i, q j}∈ q，在相交体积的点和超球中心之间建立两个模型信息几何的索引对。通过上述索引与存储方式，为后续点云配准的顺序提供逻辑链和存储方式。

28、作为优选，所述步骤5具体包括以下步骤：

29、构造变电站倾斜摄影模型与设计模型的点云集合坐标系的欧式变换矩阵数学模型，完成变电站倾斜摄影模型与设计模型的点云数据的主轴坐标系直接对齐，并对应在数据集的相同部位，实现点云数据的粗略配准。

30、本发明要得到模型之间的位置相似度之前，需要将现场实时建模的点云信息进行粗配准和细配准。具体做法为利用主成分分析法对两个模型构件的点云数据集进行粗配准，构造两个模型点云集合坐标系的欧式变换矩阵数学模型，具体做法包括：将两片点云数据集 p和 q坐标重心化；构造 p、 q的协方差矩阵；建立两个点集新的坐标系；两个坐标系的坐标轴单位化过程中得到其主成分矩阵 m p和 m q；最后获得两者的平移矩阵 t。通过以上步骤完成两片点云数据的主轴坐标系直接对齐，实现点云数据的粗略配准，此时两片点云的主轴分别对应在数据集的相同部位，为下一步精细配准做好准备。

31、作为优选，所述步骤6具体包括以下步骤：

32、对已知点云粗配准中的欧式变换结果，基于最小二乘法对其进行迭代计算，使得误差平方和达到极小值；然后进行点云最近点迭代算法的迭代，直到收敛条件为止。

33、本发明根据上一步骤点云信息粗配准的数学模型结果，本步骤基于点云最近点迭代算法对建筑模型的点云坐标系进行细配准。首先，对已知点云粗配准中的欧式变换结果，基于最小二乘法对其进行迭代计算，使得误差平方和达到极小值；然后进行点云最近点迭代算法的迭代，直到收敛条件为止，从而为配准之后的模型的进行位置相似度 p s计算。

34、作为优选，所述步骤7具体包括以下步骤：

35、利用同类构件之间的欧式距离d计算模型构件位置相似度ps对所有维度分别进行处理，并从而为构件之间的位置相似度评估提供判断分类范围依据。

36、本发明基于点云精确配准后的两个模型，本步骤则是利用同类构件之间的欧式距离 d计算模型构件位置相似度 p s对所有维度分别进行处理。首先需要计算配准之后的同类构件之间的标准化欧式距离 d，从而为构件之间的位置相似度评估提供判断分类范围依据。在计算完所有同类构件之间的位置相似度之后，将所有相似度存储为稀疏矩阵 p s( m a, m b)，为此结合步骤3)中的形状相似度稀疏矩阵 g s为后续两个建筑模型的整体相似度差异评估和对比提供数学模型基础。

37、作为优选，所述步骤8具体包括以下步骤：

38、采用了线性权值方法来结合几何相似度 g s与位置相似度 p s，得到变电站倾斜摄影模型与设计模型的构件之间的结合相似度 c s( m a, m b)，结合相似度的计算为变电站倾斜摄影模型与设计模型的建筑模型的差异评估提供判断指标，当变电站倾斜摄影模型与设计模型的对应构件相似度达到评判标准后，变电站倾斜摄影模型与设计模型的构件进行符合条件的构件匹配。

39、 本发明利用步骤3和步骤5中几何相似度和位置相似度进行两种模型之间构件匹配，因此需要整体评估两种模型的相似度。结合构件相似度时，本发明采用了线性权值方法来结合几何相似度 g s与位置相似度 p s，得到两种模型构构件之间的结合相似度 c s( m a, m b)=  α g s+ βp s，其中 α和 β分别为几何相似度和位置相似度的权值，结合相似度的计算为两种建筑模型的差异评估提供判断指标。当两种模型的对应构件相似度达到评判标准后，接下来进行符合条件的构件匹配，两种模型构件匹配方法是 g( g s, p s)=( m, a, d)，其中 m为匹配的构件集， a和 d分别为新增和删除的构件集。完成匹配的构件表示现场建筑施工的建筑结构符合建筑设计图纸的要求，可以继续深化施工和后续使用；未完成匹配的构件表示该现场建筑结构不符合设计图纸的要求，根据前期的整体相似度的评估范围，为与设计预期有差异的建造部分进行拆除、修正、改造等方案提供指标参考。

40、作为优选，所述步骤9具体包括以下步骤：采用图像处理技术提取建筑现场中的碳排放源，计算碳排放源之间的相似度并判断是否为同一排放源，两种模型的对应构件相似度达到评判标准，并判断建筑目标变化及其碳排情况变化。

41、 对于每个建筑目标，在相邻时间点之间进行相似度对比，计算出两个时间点之间 ∆t的相似度差值 u t( ∆µ1,  ∆ µ2, …,  ∆ µn)，并将建筑目标的变化情况与相应的碳排放数据进行对比，确定每个建筑建设构件变化对应的碳排放因子[ i1, i2, …, in]及其碳排放变化 w t( ∆ω1,  ∆ω2, …,  ∆ωn)和对应碳强度 y t( y1, y2…, y n)，从而实现变电站模型与对应变化碳排信息的匹配 u← w, y。最终完成变电站倾斜摄影模型与设计模型的比对在工程碳排测量的应用工作。

42、本发明的有益效果是：本发明在变电站建设过程中提出了新的思路，同时利用变电站倾斜摄影模型与设计模型对变电站进行建设，并提出新的对比方法，对变电站倾斜摄影模型与设计模型进对比，可为变电站构件过程与设计预期有差异的建造部分进行拆除、修正、改造等方案提供指标参考，对于保障电力生产安全、提高电网建设效率、降低电网建设成本具有重要意义。