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三维激光扫描仪在变电站改扩建工程中的应用

发表时间：2021/6/4 来源：《基层建设》2021年第2期作者：张立军韦红杰

[导读] 摘要：近年来我国综合国力的不断增强，工业的迅猛发展，对电能的需求也逐渐增加。

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        摘要：近年来我国综合国力的不断增强，工业的迅猛发展，对电能的需求也逐渐增加。区域用电负荷增长较快，同时许多变电站面临着设备老化的问题，因此越来越多的变电站面临着扩建改造问题。变电站的扩建改造需要用测绘的手段提供基础的现状数据，而很多变电站在扩建改造的过程中仍在带电运行，若是采用传统的技术方法在变电站带电运行情况下进行测量具有很大的危险性。三维激光扫描技术是近几年发展起来的一种新技术，其具有不接触被量测目标、扫描速度快、点位和精度分布均匀、获得数据真实全面等特点。本文就三维激光扫描仪在变电站改扩建工程中的应用展开探讨。
        关键词：三维激光扫描仪；变电站；点云数据；三维可视化
        引言
        三维激光扫描采用逆向重构技术，根据目标物体的三维信息及计算机软件建构物体的模型，建模成功后可得物体的真实形态，问世之初被称为“实景复制”技术。相较于传统技术，三维激光扫描技术不受时间和地点限制，操作简单，大量节省人力、物力资源，可远距离、二十四小时工作，凭借其高精度、高效率、无接触、范围广等优点，被广泛应用于文物数字化保护、土木工程、结构测量和测绘工程等领域，实现三维模型重建。
        1变电站三维模型的建立
        三维激光扫描仪外业获取的是离散的点云数据，是对空间目标表面的采样，为了分析目标物表面的特征和形状，有必要把这些不规则分布的点云数据表示成三维表面信息，建立目标物的表面模型。可以将一个模型看作是多个简单几何模型的“组合”，将模型进行拆分，分别完成拆分模型的建模工作，然后进行重组，可以实现整个实体模型的建模。在变电站三维模型建立过程中，对于较规则的墙体、设备圆形立柱、矩形基座等，可采用Cy－clone自身携带的box、cylinder、patch等模型组件来完成。对于不规则的高压绝缘子串、变压器设备等模型的建立可以采用以下2种方法。一是利用Cyclone软件对这些点云数据进行分块建模，然后将这些模型进行组合。另一种方法就是将不规则设备、物体的点云数据导入GeomagicStudio软件，在该软件下完成不规则模型的建立。本文采用第一种方法完成变电站模型的建立。
        2电力线点云提取
        首先获取三维激光扫描仪架站扫描数据，通过统计原始数据各点云的高程信息，得到点云的高程均值，地面点高程小于该均值，而电力线与树冠等信息要大于该均值。结合高等级电力线设计高度大于树木自然生长高度的特点，可两次计算均值线上的点云高程均值，以此作为提取阈值。并用密度分割方法找到铁塔或部分混在电力线点云中的树冠点云，最终提取高等级电力线点云数据。高程均值见式（1）。

（1）
        式中：h＇为高程均值；h1为各点高程值；n为点云数量。针对其他等级电力线，结合铁塔、高大树木等地物，一般点云数据量大，而电力线呈线性，单位面积点云数据量不是很大，可通过类似密度聚类算法（DBSCAN）的基于密度分割方法剔除噪声而提取电力线点云。本文针对电力线的空间分布特征（线性分布）与点云密度特征，提出了基于密度聚类筛出非电力线点云的方法。DBSCAN是基于密度的聚类算法，其核心思想就是先发现密度较高的点，然后把相近的高密度点逐步连成一片，进而生成各种簇。本文以每个点云数据为圆心，以一定的半径R画圆，圆内的点数就是点密度。这里要根据测站区域的实际情况，首先确定半径R与密度阈值PS。具体步骤如下：（1）首先确定密度搜索的圆圈半径R和密度阈值PS，从任意点云数据开始，以其为中心，R为半径，搜索圆内的点密度（数量），若密度值大于或等于密度阈值PS，则圆圈内的点标记为非电力线点云（噪声）。（2）重复（1）的步骤，直到遍历点云中所有点，发现所有非电力线点云，提取电力线点云数据。这其中最重要的便是如何确定搜索圆圈半径R及密度阈值PS，本文基于单根电力线点云成线性分别的特点，与铁塔、树冠等多层次面状分布的特点相比，点云数据明显较小，同时高等级电力线的导线间有相当大的间隔，可根据水平间隔、单根电力线单位直径的点云数据确定最终的搜索圆圈半径R及密度阈值PS。
        3变电站的三维可视化
        变电站的三维可视化是电网数字化管理中一个重要的组成部分。目前，国内主流方法是利用二维设计图纸来进行变电站的三维建模，但是早期变电站设计资料往往是纸质版或者设计资料不完整，因此利用三维激光扫描技术对变电站进行“实景复制”，是建立变电站三维模型的一种行之有效的方法。利用点云数据建立的模型，其尺寸和空间位置的信息非常准确。将该模型导入三维可视化管理平台，在平台上不仅可对其进行量测，还可以对每个设备、甚至于零部件进行属性查询，完成变电站资产设备的可视化管理。本文采用Unity3D软件来是实现变电站的三维可视化。首先需要将建立好的模型导入到Unity3D软件。模型的导入需要注意轴向、模型比例及材质的问题。把模型导入正确位置后，添加灯光和天空盒子，进行场景的美化渲染，让整个场景显得更加真实。同时，编写javsacript文本给场景添加主摄像机，以实现通过键盘和鼠标完成场景的漫游。在完成以上工作后，生成1个后缀名为．exe格式的可执行文件和1个数据文件夹。运行．exe文件，就可以进入变电站的三维可视化平台。
        4变电站改扩建工程的安全管理
        4.1过程监督管理
        检查作业现场“两票”“三措一案”、现场勘察记录等资料是否齐全、正确、完备；作业内容是否和作业计划一致，工作票所列安全措施是否满足作业要求并与现场一致；作业人员与工作票所列人员是否相符，人员精神状态是否良好；工作许可人对工作负责人，工作负责人对工作班成员是否进行安全教育交底；现场使用的机具、安全工器具和劳动防护用品是否良好，是否按周期试验并正确使用，高处作业、邻近带电作业、起重作业等高风险作业是否指派专责监护人进行监护，专责监护人在工作前是否知晓危险点和安全注意事项等；现场是否存在可能导致触电、物体打击、高处坠落、设备倾覆、电杆倒杆等风险和人员违章作业行为；是否严格旅行领带干部和管理人员到岗到位要求。
        4.2间隔扩建时施工新思路
        分析电缆进站时电压互感器、避雷器拆除的原因发现，电缆耐压试验时，电缆的试验电压与电压互感器避雷器的耐压试验电压不同，例如110kV电缆的交流耐压试验电压为128kV，而110kV电压互感器、避雷器的通电试验的试验电压为73kV。但如果能在气室外解决电缆耐压试验的问题，电压互感器、避雷器就没有拆除必要。如电缆在空气中做耐压试验，最主要的问题是耐压试验时，电缆头与相邻GIS设备或地面的安全距离不足。只要将安全距离的问题解决，即可满足不拆除电压互感器、避雷器的目标。为了达到试验要求的安全距离，需要增加电缆头与相邻设备或地面的爬电距离，因此，需要制作一种工具以达到该要求。
        结语
        将三维激光扫描技术应用于变电站扩建改造工程中，不仅可以快速获得变电站现状的点云数据，给设计人员提供更为准确的现状二维、三维模型资料，还可以为日后变电站设备立柱、架构的变形监测提供数据支持，具有一定的现实意义。同时，利用点云数据建立的变电站三维模型，可以为变电站的三维可视化管理提供所需的地理信息数据，为变电站的管理和决策提供更加直接、真实的目标和研究对象。
        参考文献：
        [1]张志强．地面三维激光扫描仪在大比例尺测图中的应用[D]．北京：中国地质大学，2018．
        [2]沈小军，秦川，杜勇等．复杂地形电力线机载激光雷达点云自动提取方法[J]．同济大学学报，2018，46（07）：982-984．
        [3]阳锋，徐祖舰．三维激光雷达技术在输电线路运行与维护的应用[J]．南方电网技术，2019，3（2）：62-64．