三维激光扫描仪在惠泉变电站三维模型构建中的应用
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三维激光扫描仪的应用研究不失为一个新的发展方向。文中以无锡惠泉变电站为对象，探讨如何利 用三维激光扫描技术获取空间数据并建立相应的三维模型的研究方法。
2
工程概况
坐落在无锡惠山区线桥镇稍塘村的无锡地区第四座 500 KV 变电站——惠泉变电站，于 2006 年
10 月 18 日开工建设，至 2007 年 12 月 29 日正式投入运行。是全国首座 500KV “两型一化”变电站 示范工程。全站围墙内占地面积 43.5 亩，变电站按无人值班模式建设，全站采用综合自动化监控系 统，具有程序化和远方操作功能，是国家电网公式首座 500 KV 无人值班变电站。为实现惠泉变电站 资源、景观、安全、环境管理等社会资源的数字化、网络化及动态可视化，首先需要建立变电站的 三维模型。
1
引言
随着三维GIS管理系统在电力领域的深入研究，建立变电站三维仿真模型日益成为研究的热点。
传统的三维建模方法（张祖勋等，2003）主要是由航空摄影测量来实现的。但是，通过这种方式建 立几何模型工作量很大，精度也不高，不能快速获取三维空间数据、精确地建立模型，也不适合区 域面积小的变电站的数据采集。三维激光扫描是近年来迅速发展起来的一种新型空间数据获取手段 和工具， 在三维仿真建模研究与应用方面受到越来越广泛的关注。 I Stamos和P Allen （2000） 、 El-Hakim 等（1998）以及Y Yu等（2001）在利用激光扫描仪获取真实场景的3D数据并进而构建出具有真实感 的3D模型方面作了大量工作。H Zhao（1999）和C Frueh（2001）则进一步构造了动态3D数据系统获 取三维场景模型。V Sequeira等人（1999）通过集成激光扫描数据和CCD影像构建了真实感三维场景 模型 。国内部分学者也在利用激光扫描数据重建三维模型方面作了大量研究。例如，胡少兴等 （2006）利用三维激光扫描仪进行云冈石窟三维特征提取研究，提出建立真三维、真纹理的古文物 数字化模型方法 。朱凌等（2008）从计算平面分辨率的理论公式出发，进行从目标点云中提取目 标细节的方案研究。 已有的先进测绘仪器（如全站仪、GPS）在变电站这种特殊的领域不能进行正常的作业，利用三 维点云数据对物体进行测量可以较好地解决传统测量方法的不足 ，而采用三维激光扫描仪进行非 接触式测量方式，能解决特殊环境的测量工作。为了能精确而完整地测量出变电站的建筑物数据，
5）令矩阵 H 33 p /j q /j T ，这一过程是以点云为参照，将点云进行平移，其中：
j 1 n
2
p /j p j
/ / 1 1 n p j , q /j q j q j ，此时点云误差的目标函数可进一步表述为： d j Rp j q j n j 1 n j 1
3
数据采集
地面三维激光扫描仪大大地超越了传统的测量手段所获取的点位信息，它所采集的是大量点云
来表征的物体的表面模型。相比传统的测量仪器而言，激光扫描可以获得海量的点位信息；为了优 化测量的数据，激光扫描精度分析不仅关注单点点位误差的大小，而且更注重分析对象表面模型的 精度 。而对于变电站这类特殊的工作场所，作为智能化管理所需要的三维仿真模型，在现场的数 据采集中，一味追求过高的点密度也是不可取的，只会增加数据采集的时间与难度，加大内业处理 的强度，也就不能真实地体现三维激光扫描技术在快速数据测量方面的优势。文献[7]认为合适的点 密度可用式（1）表示：
[6]
m Q 1 （ ）
（1）
式中，Q是获得的点云质量，m为目标表面的点间隔，λ为目标表面最小的特征尺寸，或所需的
5 点密度。如用5mm的点密度去记录特征尺寸为2mm的目标时， Q 1 （ ） 1.5 ，是不合适的；而当点 2
1 密度为1mm时， Q 1 （ ） 0.5 ，则表明目标上细节可被识别的信任度达到50%。 2
Application of the 3D laser scanner to the Hui-Quan substation modeling
Abstract: A three-dimensional modeling study on spatial object was carried out using the spatial data captured via ground-based 3D laser scanner in Hui-Quan substation. First of all, the density of points to data acquisition influence was discussed. The whole matching correction was implemented after the target object was recognized and the features of point, line and polygon were extracted. Afterwards, the original measurement data were re-sampled and registered. Finally, triangular meshes were built to generate a three-dimensional surface model. As a new method, terrestrial 3D laser scanner can easily and quickly acquire the complex geometric data from buildings, objects and so on. It should be an innovation in this area because it changes the way of conventional surveying and data processing. The experiment result showed that rapid 3D visualization modeling on buildings could be achieved via the methods and procedures mentioned above. It solved the problem that the traditional equipment and the measuring technique is insufficiency in the special domain. It would bring the application mode and technical advantage, which traditional measuring instruments can not have. A platform for three-dimensional model of the substation can be achieved for the digital, dynamic visualization. Key words: 3D Laser scanner; three-dimensional modeling; data registration; Hui-Quan substation ①② ② ③ ③ LIU Qiu-long , HU Wu-sheng , WANG Cong , XU Jun-min (①Highway Engineering Department, Nanjing Communications Institute of Technology, Nanjing 211188, China; ②School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China; ③Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102, China)
DOI：CNKI:11-4415/P.20101119.1817.050 网络出版时间：2010-11-19 18:17 网络出版地址：/kcms/detail/11.4415.p.20101119.1817.050.html
三维激光扫描仪在惠泉变电站三维模型构建中的应用
n
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。
6）对矩阵H做SVD分解得： H U V T ( diag (d j ), d1 d2 d3 0) ，平移变换矩阵
作为现代林业的重要组成部分的基层数字林场建设有其广阔的应用前景基于组件gis业地理信息平台必将成为现代林业的有力工具和必然选择并将为林业更大更好地发挥生态资源环境效益做出重要的贡献10地理信息系统在森林资源管理与监测中的应用林火研究综述ivgis在林火管理中应用现状及发展趋势3s技术在林业上的应用现状及发展趋势展望林业调查规划设计200530gis在森林资源管理中的应用组件技术在gis系统中的研究与应用黑龙江省森林防火地理信息辅助决策支持系统设计北京林业大学学报200527增刊3s技术支持下的林场生产管理系统的基于gis的营林信息系统的研基于supermapobjects的森林资源管理系统的设计与实现哈尔滨师范大学学报2006fstar林场地理信息系统平台设计思想功能及200527增刊forestgeographicinformationplatformbasedsupermapabstract
根据扫描距离与点密度的关系以及变电站三维模型建立的精度要求 （目标表面最小的特征尺寸 为不大于20mm），在外业数据采集时，使用的三维激光扫描仪为徕卡HDS6000。
4
点云数据配准
野外采集数据的配准一直是地面三维激光扫描技术应用与研究的重点和难点,配准的精度直接
影响到后期成果的精度。 数据配准就是把不同测站点采集的空间数据统一到一个坐标系下面,使之成 为一个整体。 每个测站点采集的数据都有一个独立的测站坐标系,就是要找出两个测站坐标系的关系, 而这种关系就是空间坐标转换关系。目前,应用于大地测量、摄影测量及工程测量领域中的空间直角 坐标转换模型主要为小角度旋转模型,如布尔沙模型、莫洛金斯基模型和武测模型等 。而本项目主 要以管道为对象的三维仿真模型的建立，空间数据配准采用迭代最近点法(ICP算) ，该算法对于工 业设备及其模具等具有光滑自由曲面的表面,可以取得很好的效果 4.1 迭代最近点法(ICP算) 迭代最近点法又叫作ICP(iterative closest point )算法,这种算法是基于点云数据来配准的,需要寻 找给定点集内的点在另一点集的最近点,并计算与最近点的距离
刘求龙 ，胡伍生 ，王 骢 ，徐君民 （①南京交通职业技术学院公路工程系，南京 211188；②东南大学交通学院，南京 210096；③江 苏省电力设计院，南京 211102） 【摘 要】文中通过利用地面三维激光扫描仪获取的空间数据，进行了惠泉变电站三维空间地物建 模研究。首先探讨点的密度对数据采集的影响；然后通过整体匹配纠正并对原始测量数据进行拼接 配准；最后建立了三维表面模型。通过研究发现利用三维激光扫描技术可以快速的建立三维空间的 可视化模型，解决了传统的测量仪器与测量方法在变电站等特殊领域的不足。为能够实现变电站资 源的数字化，提供了一个变电站三维模型构建的新方向。 【关键词】三维激光扫描仪；三维建模；数据配准；惠泉变电站 【中图分类号】P208 【文献标识码】A 【文章编号】1009-2307（2011）02①② ② ③ ③
2）在P中选取一典型坐标点pi,在Q中选取与pi距离最近的一点qi,形成配准集合(pi,qi)。 3）配准建立两集合范围内的所有点的配准集合,寻找两集合点的重心点(pm,qm)，其关系可以描 述为:qm=Rpm+T+σ ，其中R为空间三维坐标的旋转矩阵,T 为三维平移向量，σ 为数据序列的平方和:dj =‖( Rpj +T-qj )·n‖ ，并以此式为目 标函数，其中n为点集合的数量，使用封闭式求解的SVD算法求其最优解，降低误差，可最大限度地 提高其配准精度，程序的实现过程也比较简单。
[11] [10] [9] [8]
。
。根据变电站点云数据的特征,并
结合SVD(singular value decomposition)算法在坐标转换和ICP算法在点集配准的优势,选择综合使 用邻近点迭代ICP算法联合奇异值分解SVD算法来进行点云数据的合并。 1）在两个点云数据集中分别选取部分典型坐标点集P={ pi}和Q={ qi } ,比如:P ={ p1,p2,p3,„,pn},Q={q1,q2,q3,„,qn},这里P和Q应该有一部分的交叉重复坐标。
三维激光扫描仪的应用研究不失为一个新的发展方向。文中以无锡惠泉变电站为对象，探讨如何利 用三维激光扫描技术获取空间数据并建立相应的三维模型的研究方法。
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工程概况
坐落在无锡惠山区线桥镇稍塘村的无锡地区第四座 500 KV 变电站——惠泉变电站，于 2006 年
10 月 18 日开工建设，至 2007 年 12 月 29 日正式投入运行。是全国首座 500KV “两型一化”变电站 示范工程。全站围墙内占地面积 43.5 亩，变电站按无人值班模式建设，全站采用综合自动化监控系 统，具有程序化和远方操作功能，是国家电网公式首座 500 KV 无人值班变电站。为实现惠泉变电站 资源、景观、安全、环境管理等社会资源的数字化、网络化及动态可视化，首先需要建立变电站的 三维模型。
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随着三维GIS管理系统在电力领域的深入研究，建立变电站三维仿真模型日益成为研究的热点。
传统的三维建模方法（张祖勋等，2003）主要是由航空摄影测量来实现的。但是，通过这种方式建 立几何模型工作量很大，精度也不高，不能快速获取三维空间数据、精确地建立模型，也不适合区 域面积小的变电站的数据采集。三维激光扫描是近年来迅速发展起来的一种新型空间数据获取手段 和工具， 在三维仿真建模研究与应用方面受到越来越广泛的关注。 I Stamos和P Allen （2000） 、 El-Hakim 等（1998）以及Y Yu等（2001）在利用激光扫描仪获取真实场景的3D数据并进而构建出具有真实感 的3D模型方面作了大量工作。H Zhao（1999）和C Frueh（2001）则进一步构造了动态3D数据系统获 取三维场景模型。V Sequeira等人（1999）通过集成激光扫描数据和CCD影像构建了真实感三维场景 模型 。国内部分学者也在利用激光扫描数据重建三维模型方面作了大量研究。例如，胡少兴等 （2006）利用三维激光扫描仪进行云冈石窟三维特征提取研究，提出建立真三维、真纹理的古文物 数字化模型方法 。朱凌等（2008）从计算平面分辨率的理论公式出发，进行从目标点云中提取目 标细节的方案研究。 已有的先进测绘仪器（如全站仪、GPS）在变电站这种特殊的领域不能进行正常的作业，利用三 维点云数据对物体进行测量可以较好地解决传统测量方法的不足 ，而采用三维激光扫描仪进行非 接触式测量方式，能解决特殊环境的测量工作。为了能精确而完整地测量出变电站的建筑物数据，
5）令矩阵 H 33 p /j q /j T ，这一过程是以点云为参照，将点云进行平移，其中：
j 1 n
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p /j p j
/ / 1 1 n p j , q /j q j q j ，此时点云误差的目标函数可进一步表述为： d j Rp j q j n j 1 n j 1
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数据采集
地面三维激光扫描仪大大地超越了传统的测量手段所获取的点位信息，它所采集的是大量点云
来表征的物体的表面模型。相比传统的测量仪器而言，激光扫描可以获得海量的点位信息；为了优 化测量的数据，激光扫描精度分析不仅关注单点点位误差的大小，而且更注重分析对象表面模型的 精度 。而对于变电站这类特殊的工作场所，作为智能化管理所需要的三维仿真模型，在现场的数 据采集中，一味追求过高的点密度也是不可取的，只会增加数据采集的时间与难度，加大内业处理 的强度，也就不能真实地体现三维激光扫描技术在快速数据测量方面的优势。文献[7]认为合适的点 密度可用式（1）表示：
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m Q 1 （ ）
（1）
式中，Q是获得的点云质量，m为目标表面的点间隔，λ为目标表面最小的特征尺寸，或所需的
5 点密度。如用5mm的点密度去记录特征尺寸为2mm的目标时， Q 1 （ ） 1.5 ，是不合适的；而当点 2
1 密度为1mm时， Q 1 （ ） 0.5 ，则表明目标上细节可被识别的信任度达到50%。 2
Application of the 3D laser scanner to the Hui-Quan substation modeling
Abstract: A three-dimensional modeling study on spatial object was carried out using the spatial data captured via ground-based 3D laser scanner in Hui-Quan substation. First of all, the density of points to data acquisition influence was discussed. The whole matching correction was implemented after the target object was recognized and the features of point, line and polygon were extracted. Afterwards, the original measurement data were re-sampled and registered. Finally, triangular meshes were built to generate a three-dimensional surface model. As a new method, terrestrial 3D laser scanner can easily and quickly acquire the complex geometric data from buildings, objects and so on. It should be an innovation in this area because it changes the way of conventional surveying and data processing. The experiment result showed that rapid 3D visualization modeling on buildings could be achieved via the methods and procedures mentioned above. It solved the problem that the traditional equipment and the measuring technique is insufficiency in the special domain. It would bring the application mode and technical advantage, which traditional measuring instruments can not have. A platform for three-dimensional model of the substation can be achieved for the digital, dynamic visualization. Key words: 3D Laser scanner; three-dimensional modeling; data registration; Hui-Quan substation ①② ② ③ ③ LIU Qiu-long , HU Wu-sheng , WANG Cong , XU Jun-min (①Highway Engineering Department, Nanjing Communications Institute of Technology, Nanjing 211188, China; ②School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China; ③Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102, China)
DOI：CNKI:11-4415/P.20101119.1817.050 网络出版时间：2010-11-19 18:17 网络出版地址：/kcms/detail/11.4415.p.20101119.1817.050.html
三维激光扫描仪在惠泉变电站三维模型构建中的应用
n
2 [11]
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6）对矩阵H做SVD分解得： H U V T ( diag (d j ), d1 d2 d3 0) ，平移变换矩阵
作为现代林业的重要组成部分的基层数字林场建设有其广阔的应用前景基于组件gis业地理信息平台必将成为现代林业的有力工具和必然选择并将为林业更大更好地发挥生态资源环境效益做出重要的贡献10地理信息系统在森林资源管理与监测中的应用林火研究综述ivgis在林火管理中应用现状及发展趋势3s技术在林业上的应用现状及发展趋势展望林业调查规划设计200530gis在森林资源管理中的应用组件技术在gis系统中的研究与应用黑龙江省森林防火地理信息辅助决策支持系统设计北京林业大学学报200527增刊3s技术支持下的林场生产管理系统的基于gis的营林信息系统的研基于supermapobjects的森林资源管理系统的设计与实现哈尔滨师范大学学报2006fstar林场地理信息系统平台设计思想功能及200527增刊forestgeographicinformationplatformbasedsupermapabstract
根据扫描距离与点密度的关系以及变电站三维模型建立的精度要求 （目标表面最小的特征尺寸 为不大于20mm），在外业数据采集时，使用的三维激光扫描仪为徕卡HDS6000。
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点云数据配准
野外采集数据的配准一直是地面三维激光扫描技术应用与研究的重点和难点,配准的精度直接
影响到后期成果的精度。 数据配准就是把不同测站点采集的空间数据统一到一个坐标系下面,使之成 为一个整体。 每个测站点采集的数据都有一个独立的测站坐标系,就是要找出两个测站坐标系的关系, 而这种关系就是空间坐标转换关系。目前,应用于大地测量、摄影测量及工程测量领域中的空间直角 坐标转换模型主要为小角度旋转模型,如布尔沙模型、莫洛金斯基模型和武测模型等 。而本项目主 要以管道为对象的三维仿真模型的建立，空间数据配准采用迭代最近点法(ICP算) ，该算法对于工 业设备及其模具等具有光滑自由曲面的表面,可以取得很好的效果 4.1 迭代最近点法(ICP算) 迭代最近点法又叫作ICP(iterative closest point )算法,这种算法是基于点云数据来配准的,需要寻 找给定点集内的点在另一点集的最近点,并计算与最近点的距离
刘求龙 ，胡伍生 ，王 骢 ，徐君民 （①南京交通职业技术学院公路工程系，南京 211188；②东南大学交通学院，南京 210096；③江 苏省电力设计院，南京 211102） 【摘 要】文中通过利用地面三维激光扫描仪获取的空间数据，进行了惠泉变电站三维空间地物建 模研究。首先探讨点的密度对数据采集的影响；然后通过整体匹配纠正并对原始测量数据进行拼接 配准；最后建立了三维表面模型。通过研究发现利用三维激光扫描技术可以快速的建立三维空间的 可视化模型，解决了传统的测量仪器与测量方法在变电站等特殊领域的不足。为能够实现变电站资 源的数字化，提供了一个变电站三维模型构建的新方向。 【关键词】三维激光扫描仪；三维建模；数据配准；惠泉变电站 【中图分类号】P208 【文献标识码】A 【文章编号】1009-2307（2011）02①② ② ③ ③
2）在P中选取一典型坐标点pi,在Q中选取与pi距离最近的一点qi,形成配准集合(pi,qi)。 3）配准建立两集合范围内的所有点的配准集合,寻找两集合点的重心点(pm,qm)，其关系可以描 述为:qm=Rpm+T+σ ，其中R为空间三维坐标的旋转矩阵,T 为三维平移向量，σ 为数据序列的平方和:dj =‖( Rpj +T-qj )·n‖ ，并以此式为目 标函数，其中n为点集合的数量，使用封闭式求解的SVD算法求其最优解，降低误差，可最大限度地 提高其配准精度，程序的实现过程也比较简单。
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。根据变电站点云数据的特征,并
结合SVD(singular value decomposition)算法在坐标转换和ICP算法在点集配准的优势,选择综合使 用邻近点迭代ICP算法联合奇异值分解SVD算法来进行点云数据的合并。 1）在两个点云数据集中分别选取部分典型坐标点集P={ pi}和Q={ qi } ,比如:P ={ p1,p2,p3,„,pn},Q={q1,q2,q3,„,qn},这里P和Q应该有一部分的交叉重复坐标。