本發(fā)明涉及一種建模方法，尤其涉及一種對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法。

背景技術(shù)：

母線是指用高導(dǎo)電率的材料例如銅、鋁制成的用以傳輸電能、匯集和分配電力的產(chǎn)品，是電站、變電站輸送電能用的總導(dǎo)線。通常通過(guò)母線把發(fā)電機(jī)、變壓器或整流器輸出的電能輸送給各個(gè)用戶或其他變電所。目前，變電站三維可視化、智能化監(jiān)管已得到業(yè)內(nèi)人士的重視，進(jìn)行變電站實(shí)景三維重構(gòu)是實(shí)現(xiàn)變電站三維可視化的基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)變電站實(shí)景三維重構(gòu)，需對(duì)變電站內(nèi)部各種設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確高效地三維重構(gòu)。母線是變電站中不可缺少的組成部分，是變電站與外界連通的樞紐，對(duì)其進(jìn)行高效、精準(zhǔn)的三維模型重構(gòu)具有重要意義。目前可考慮用于變電站母線模型重構(gòu)的方法主要包括：

(1)基于虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言的建模方法。

虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言(virtualrealitymodelinglanguage，vrml)不僅是一種建模語(yǔ)言，也是一種描繪3d場(chǎng)景中對(duì)象行為的場(chǎng)景語(yǔ)言。vrml通過(guò)編程語(yǔ)言以立方體、圓錐體、圓柱體、球體等為原始對(duì)象構(gòu)造均壓環(huán)、隔離開(kāi)關(guān)、斷路器、電壓與電流互感器等電氣設(shè)施及建筑模型，并給模型貼上特定材質(zhì)，然后拼接這些模型以完成整個(gè)變電站的三維場(chǎng)景建模。vrml腳本節(jié)點(diǎn)(script)對(duì)應(yīng)的java語(yǔ)言可以利用變電站模型進(jìn)行人機(jī)交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變電站虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。vrml建模法雖可方便地進(jìn)行人機(jī)交互，但擬合的模型由于采用立方體、圓錐體、圓柱體、球體的組合構(gòu)建，必然造成變電站模型缺乏真實(shí)感，模型精度差。

(2)基于幾何造型的建模方法。

幾何造型建模方法依據(jù)變電站數(shù)碼圖片、設(shè)計(jì)圖紙和廠家設(shè)施圖紙，利用autocad、3dmax、maya等專(zhuān)業(yè)軟件，按照一定比例采用立方體、圓柱體、圓錐體、圓環(huán)等建立變電站各種電氣設(shè)施的三維模型，然后設(shè)置模型貼圖與材質(zhì)，拼接電氣設(shè)施模型完成變電站三維場(chǎng)景建模，該建模方法獲取的模型主要有三種:線框模型、表面模型與實(shí)體模型。幾何造型建模法效率和直觀性較好，但難以實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景建模。

以上兩種建模方法作為目前可用于變電站模型三維重構(gòu)的常規(guī)方法，均無(wú)法實(shí)現(xiàn)變電站模型真實(shí)、高精度的模型重構(gòu)，只能適用于一些對(duì)模型精度要求低、對(duì)真實(shí)性要求不高的場(chǎng)合中，無(wú)法滿足變電站三維可視化運(yùn)用的要求。而母線是變電站中不可缺少的組成部分，是變電站與外界連通的樞紐。高精度的母線三維模型對(duì)于未來(lái)母線的檢測(cè)，例如長(zhǎng)度、粗細(xì)、彎曲測(cè)量有著重要意義，因此需要針對(duì)母線開(kāi)發(fā)高精度的建模方法。

(3)基于激光點(diǎn)云的建模方法。

近年來(lái)，隨著激光測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，利用激光雷達(dá)掃描儀獲取物體表面的激光點(diǎn)云具備高精度、高效率等優(yōu)點(diǎn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)是指利用激光、攝影等測(cè)量手段獲取物體表面的特征點(diǎn)，這些特征點(diǎn)有可能包含物體的空間三維坐標(biāo)、顏色信息或反射強(qiáng)度信息等，由于點(diǎn)數(shù)量很大，因此稱(chēng)為點(diǎn)云。由于地面三維激光雷達(dá)采集到的被測(cè)對(duì)象點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有高精度、全數(shù)字特征、圖像化等優(yōu)點(diǎn)，依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)全數(shù)字特征與圖像化相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，可為三維重構(gòu)提供數(shù)據(jù)支持，且利用該方法構(gòu)建模型具有精度高、效率高、可調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)建模手段效率低、精度差等不足。該方法已被廣泛地應(yīng)用于文物保護(hù)、建筑測(cè)繪、交通運(yùn)輸、船舶制造等多個(gè)領(lǐng)域，并取得了很好的應(yīng)用效果。但是這些應(yīng)用局限于一些簡(jiǎn)單規(guī)則物體的建模以及測(cè)量方面，比如邊界單一的建筑物建模、結(jié)構(gòu)單一的公共設(shè)施建模以及距離、高度、體積等測(cè)量，很少涉及到復(fù)雜模型的重構(gòu)。鑒于變電站結(jié)構(gòu)的特殊性，其他領(lǐng)域中的一些建模方法無(wú)法簡(jiǎn)單的移植到變電站模型重構(gòu)當(dāng)中，直接使用其他領(lǐng)域的建模方法進(jìn)行變電站模型的重構(gòu)會(huì)造成模型精度差、細(xì)節(jié)缺失等問(wèn)題。因此，期望獲得一種可用于變電站母線的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建模方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法，該方法可用于準(zhǔn)確高效地對(duì)變電站母線進(jìn)行建模以實(shí)現(xiàn)變電站母線的三維重構(gòu)，從而可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)變電站的實(shí)景三維重構(gòu)，為變電站三維可視化、智能化監(jiān)管提供良好的基礎(chǔ)。

根據(jù)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出了一種基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法，其包括步驟：

(1)采用多次掃描的方式采集變電站母線的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，所述點(diǎn)云數(shù)據(jù)至少包含三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)；

(2)將多次掃描獲得的變電站母線的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)所包含的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的歸一化；

(3)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪處理；

(4)對(duì)消噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽??；

(5)基于抽稀后的母線點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取母線的任意n個(gè)截面圓，獲取各截面圓的半徑和圓心；

(6)基于各截面圓的半徑計(jì)算出該n個(gè)截面圓的半徑的平均值r，并將其作為母線的半徑；基于各截面圓的圓心構(gòu)建母線延伸軌跡；

(7)基于母線的半徑和母線延伸軌跡建立母線模型。

本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法中，由于母線結(jié)構(gòu)特征明顯，不同部位的橫截面均為具有基本相同半徑的規(guī)則二維圓面，可將母線視為規(guī)則二維平面圓沿著光滑母線延伸路徑形成的三維實(shí)體，因此通過(guò)采集變電站母線的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理，然后通過(guò)提取母線的任意n個(gè)截面圓得到母線的半徑和延伸軌跡，最后基于母線的半徑和母線延伸軌跡建立變電站母線模型。其中：

步驟(1)中，所述多次掃描通常是通過(guò)多個(gè)掃描站點(diǎn)分別從不同的角度對(duì)所述變電站母線進(jìn)行掃描，其目的主要是為了盡可能全方位地采集變電站母線的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。所述多次掃描可以利用激光雷達(dá)掃描儀進(jìn)行掃描，其獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)屬于現(xiàn)有技術(shù)，因此此處不作詳細(xì)描述。

步驟(2)中，所述三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的歸一化的方法可以是通過(guò)布置球形標(biāo)靶對(duì)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位以實(shí)現(xiàn)歸一化。

步驟(3)中，所述消噪處理包括自動(dòng)消噪，即采用自動(dòng)消噪算法將大部分噪點(diǎn)(主要是空氣中細(xì)小顆粒形成的噪點(diǎn))消除。適用于點(diǎn)云的自動(dòng)消噪算法很多，其為現(xiàn)有技術(shù)，因此此處不作詳細(xì)描述。

步驟(4)中，抽稀是指在保證矢量曲線形狀基本不變的情況下，最大限度地減少數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)，從而節(jié)約存儲(chǔ)空間和減少后續(xù)處理的計(jì)算量。

步驟(5)中，所述n個(gè)截面圓由于是隨機(jī)的，因此通常不會(huì)出現(xiàn)分布特別集中的現(xiàn)象，從而保證為后續(xù)步驟提供合理分布的樣本。需要說(shuō)明的是，為了保證樣本的質(zhì)量，通常遵循“略過(guò)稀點(diǎn)，選取點(diǎn)云較為密集、均勻的區(qū)域”的原則，從而保證樣本來(lái)自母線點(diǎn)云而非母線周邊噪點(diǎn)。此外，通常需要建立一個(gè)用戶坐標(biāo)系，在該用戶坐標(biāo)系下描述圓心位置。該用戶坐標(biāo)系的建立方法可以包括：選取母線曲率較小段作為參考，建立用戶坐標(biāo)系，通常選取母線與金具連接處一小段點(diǎn)云數(shù)據(jù)為參考，其可近似看成標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，基于該標(biāo)準(zhǔn)圓柱體的底面建立用戶三維坐標(biāo)系，其中底面圓心作為坐標(biāo)系的原點(diǎn)o，底面所在的平面為xoy面，水平方向?yàn)閤軸，標(biāo)準(zhǔn)圓柱體軸線為z軸。

步驟(6)中，基于各截面圓的半徑計(jì)算出該n個(gè)截面圓的半徑的平均值r，并將其作為母線的半徑，可以減小誤差，其公式為：

其中，ri表示第i個(gè)截面圓的半徑。

步驟(7)中，基于母線的半徑和母線延伸軌跡建立母線模型通常根據(jù)數(shù)學(xué)上的微積分原理，將母線等分為n等份，n趨于無(wú)窮大，則每一小段長(zhǎng)度極小。在母線上任取一極小線段dx為軸線，以半徑r的截面圓為底面構(gòu)建圓柱體，將這些圓柱體沿著母線延伸軌跡進(jìn)行拼接即可得到母線的三維模型。線段長(zhǎng)度很短，故可以認(rèn)為這段線段方向?yàn)檠刂鴝軸，且構(gòu)建的圓柱體之間連接部分很平滑，與真實(shí)的母線十分接近，有很高的精度。

本發(fā)明方法可準(zhǔn)確高效地對(duì)變電站母線進(jìn)行建模以實(shí)現(xiàn)變電站母線的三維重構(gòu)，從而可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)變電站的實(shí)景三維重構(gòu)，為變電站三維可視化、智能化監(jiān)管提供良好的基礎(chǔ)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法中，在所述步驟(3)中，采用“自動(dòng)消噪-手動(dòng)消噪-自動(dòng)消噪”依次更替循環(huán)的方式對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪處理。

上述方案中，在自動(dòng)消噪的基礎(chǔ)上進(jìn)行手動(dòng)消噪，手動(dòng)消噪對(duì)象可以包括地面、圍墻、建筑、其他設(shè)備、人物等一切無(wú)關(guān)母線點(diǎn)云以及未消除干凈的空氣噪點(diǎn)；然后對(duì)手動(dòng)消噪后的噪點(diǎn)進(jìn)行再次自動(dòng)消噪，這是因?yàn)橥ǔＪ謩?dòng)消噪后會(huì)將大部分噪點(diǎn)消除，但是仍會(huì)殘留部分細(xì)小孤立噪點(diǎn)，這部分噪點(diǎn)是由于初次自動(dòng)消噪殘留或者由于手動(dòng)消噪時(shí)對(duì)噪點(diǎn)簇進(jìn)行消除時(shí)殘留導(dǎo)致，通過(guò)再次自動(dòng)消噪可以極大地減少這部分噪點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)消噪效果的進(jìn)一步優(yōu)化。

更進(jìn)一步地，上述基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法中，循環(huán)的次數(shù)至少為一次。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法中，所述點(diǎn)云數(shù)據(jù)還包含顏色信息和反射強(qiáng)度信息的至少其中之一。

上述方案中，通過(guò)所述顏色信息和反射強(qiáng)度信息可以確定相應(yīng)的表面顏色和材質(zhì)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述及上述任一基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法中，所述步驟(4)包括：

對(duì)于任意一區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計(jì)算各個(gè)點(diǎn)的法向量；

尋找臨近區(qū)域內(nèi)與計(jì)算得到的法向量相似的點(diǎn)以及法向量突變的點(diǎn)，其中將法向量相似的點(diǎn)作為待刪減點(diǎn)，將法向量突變的點(diǎn)作為保留點(diǎn)；

然后根據(jù)選定的比例對(duì)法向量相似的點(diǎn)進(jìn)行刪減。

上述方案中，通常對(duì)于任意一區(qū)域內(nèi)點(diǎn)云中的任意一點(diǎn)pk，其法向量nk計(jì)算公式為：

其中l(wèi)為以pk為頂點(diǎn)的三角形個(gè)數(shù)，αi為第i個(gè)三角形在頂點(diǎn)pk處的相對(duì)角，vi為第i個(gè)三角形的法向量。所述比例可依據(jù)采集到的點(diǎn)云精度進(jìn)行合理選擇。該方法可以很好地保持原有的輪廓特征，簡(jiǎn)化效率較高。

更進(jìn)一步地，上述基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法中，判斷法向量相似以及法向量突變的方法為：計(jì)算兩個(gè)法向量間的夾角，若所述夾角小于等于設(shè)定的閾值，則判斷為法向量相似；若所述夾角大于所述閾值，則判斷為法向量突變。

上述方案中，通常任意兩個(gè)法向量間的夾角計(jì)算方法如下：

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法中，在所述步驟(5)中，基于母線曲率較小的部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成圓柱體，對(duì)圓柱體進(jìn)行切片，提取母線的任意n個(gè)截面圓，獲取各截面圓的半徑和圓心。

上述方案中，通常當(dāng)選取的母線部分長(zhǎng)度較短時(shí)，所述母線曲率較小的部分可以認(rèn)為是沿著母線延伸方向的圓柱體。通常所述圓柱體的分布范圍覆蓋整個(gè)母線，從而保證提供合理分布的樣本。需要說(shuō)明的是，為了保證樣本的質(zhì)量，通常遵循“略過(guò)稀點(diǎn)，選取點(diǎn)云較為密集、均勻的區(qū)域”的原則，從而保證樣本來(lái)自母線點(diǎn)云而非母線周邊噪點(diǎn)。

更進(jìn)一步地，上述基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法中，在所述步驟(6)中，將各截面圓的圓心依次連接得到折線段，采用最小二乘法將折線段擬合為光滑曲線，并將該光滑曲線作為母線延伸軌跡。

上述方案中，采用最小二乘法擬合曲線的具體原理如下：

最小二乘法擬合曲線的基本思想是：計(jì)算所有數(shù)據(jù)點(diǎn)與估計(jì)點(diǎn)(或稱(chēng)擬合點(diǎn))的誤差(在二維圖形下該誤差就是數(shù)據(jù)點(diǎn)與估計(jì)點(diǎn)的垂直距離)的平方和，如果所擬合的曲線能使該誤差平方和最小，該擬合曲線就是最小二乘法擬合曲線。其數(shù)學(xué)原理是：設(shè)所有選取的圓心坐標(biāo)集合為{(xi，yi，zi)|i＝1，2，3，4…n}，設(shè)曲線參數(shù)方程為

因?yàn)楹瘮?shù)x＝x(t)為一元函數(shù)，其反函數(shù)為t＝t(x)，因此曲線的參數(shù)方程變?yōu)?/p>

則第i點(diǎn)z軸方向誤差為δzi＝zi-g(xi)，y軸方向誤差為δyi＝y(tǒng)i-f(xi)，空間上的誤差平方和則為(δdi)²＝(δzi)²+(δyi)²，所有點(diǎn)誤差的平方和為

求出誤差平方和最小對(duì)應(yīng)的參數(shù)值，進(jìn)而得出最佳擬合曲線，具體過(guò)程如下：在高等數(shù)學(xué)中，泰勒級(jí)數(shù)在近似計(jì)算中有重要作用。根據(jù)上述參數(shù)方程

設(shè)其參數(shù)方程為

以此方程作為擬合曲線方程。故所有點(diǎn)誤差的平方和為：

此函數(shù)為多元函數(shù)，對(duì)ai，bi求偏導(dǎo)，即求解

求出ai，bi，代入上述擬合曲線方程，該擬合曲線方程即為母線延伸軌跡。

本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法的優(yōu)點(diǎn)和有益效果包括：

(1)準(zhǔn)確高效地對(duì)變電站母線進(jìn)行建模以實(shí)現(xiàn)變電站母線的三維重構(gòu)，從而可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)變電站的實(shí)景三維重構(gòu)，為變電站三維可視化、智能化監(jiān)管提供良好的基礎(chǔ)。

(2)解決了傳統(tǒng)建模方法精度低、真實(shí)性差的問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了利用激光點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)母線的高質(zhì)量、高精度的建模，滿足母線實(shí)景、高效以及高真實(shí)性的建模要求。

(3)可以參考實(shí)際物體的規(guī)格尺寸對(duì)所建模型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，具有可更改的優(yōu)勢(shì)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法在一種實(shí)施方式下的流程圖。

圖2為一種變電站母線的實(shí)景圖。

圖3為本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法在一種實(shí)施方式下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中各點(diǎn)法向量的計(jì)算原理示意圖。

圖4為本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法在一種實(shí)施方式下提取的母線的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖。

圖5為本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法在一種實(shí)施方式下選取的參考點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖。

圖6為本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法在一種實(shí)施方式下建立的用戶坐標(biāo)系圖。

圖7為基于圖4的母線的點(diǎn)云數(shù)據(jù)選取母線曲率較小的部分的位置分布圖。

圖8為本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法在一種實(shí)施方式下生成的某點(diǎn)云切片和相應(yīng)的截面圓的綜合圖。

圖9為本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法在一種實(shí)施方式下建立的母線的三維模型圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

圖1示意了本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法在一種實(shí)施方式下的流程。圖2顯示了一種變電站母線的實(shí)景。圖3顯示了本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法在一種實(shí)施方式下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中各點(diǎn)法向量的計(jì)算原理。圖4顯示了本實(shí)施例提取的母線的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。圖5顯示了本實(shí)施例選取的參考點(diǎn)云數(shù)據(jù)。圖6顯示了本實(shí)施例建立的用戶坐標(biāo)系。圖7顯示了本實(shí)施例基于圖4的母線的點(diǎn)云數(shù)據(jù)選取母線曲率較小的部分的位置分布。圖8顯示了本實(shí)施例生成的某點(diǎn)云切片和相應(yīng)的截面圓。圖9顯示了本實(shí)施例建立的母線的三維模型。

如圖1所示，該實(shí)施方式下的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站母線進(jìn)行建模的方法可以通過(guò)激光三維掃描儀、計(jì)算機(jī)及其上運(yùn)行的軟件實(shí)現(xiàn)，包括步驟：

步驟110：采用多次掃描的方式采集變電站母線的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，所述點(diǎn)云數(shù)據(jù)至少包含三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。其中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可以包含顏色信息和/或反射強(qiáng)度信息。

本實(shí)施例中，首先勘察現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)合變電站內(nèi)相關(guān)安全運(yùn)行規(guī)程，在保證安全的前提下，確定掃描對(duì)象并規(guī)劃掃描路線，合理的掃描路線有助于減少工作量和確保人身安全。然后利用激光雷達(dá)掃描儀分掃描站點(diǎn)采集變電站母線點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)置地面激光雷達(dá)掃描儀掃描角度、點(diǎn)云質(zhì)量、分辨率等參數(shù)，在掃描的母線附近布設(shè)球形標(biāo)靶，由于三點(diǎn)確定一個(gè)平面，在工程操作時(shí)，常布設(shè)5個(gè)左右的公共標(biāo)靶，為接下來(lái)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接服務(wù)。經(jīng)過(guò)整平操作后開(kāi)始掃描。為獲得精確的母線點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通常需掃描母線三到四站不同方位數(shù)據(jù)，以獲取母線的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)。變電站母線的實(shí)景圖如圖2所示。

步驟120：將多次掃描獲得的變電站母線的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)所包含的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的歸一化。

本實(shí)施例中，依據(jù)掃描時(shí)布設(shè)的球形標(biāo)靶，利用球形標(biāo)靶的空間三維坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)不同掃描站點(diǎn)的空間坐標(biāo)對(duì)齊，達(dá)到不同掃描站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)歸一化的目的，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接，得到完整的母線點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

步驟130：對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪處理。

本實(shí)施例中，采用“自動(dòng)消噪-手動(dòng)消噪-自動(dòng)消噪”依次更替循環(huán)的方式對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪處理。其中，循環(huán)的次數(shù)至少為一次。具體來(lái)說(shuō)，首先，采用自動(dòng)消噪算法將大部分噪點(diǎn)(主要是空氣中細(xì)小顆粒形成的噪點(diǎn))消除；其次，在自動(dòng)消噪的基礎(chǔ)上進(jìn)行手動(dòng)消噪，手動(dòng)消噪對(duì)象包含地面、圍墻、建筑、其他設(shè)備、人物等一切無(wú)關(guān)點(diǎn)云以及未消除干凈的空氣噪點(diǎn)；最后，對(duì)手動(dòng)消噪后的噪點(diǎn)進(jìn)行再次自動(dòng)消噪，通常來(lái)說(shuō)手動(dòng)消噪后會(huì)將大部分噪點(diǎn)消除，但是仍會(huì)殘留部分細(xì)小孤立噪點(diǎn)，這部分噪點(diǎn)是由于初次自動(dòng)消噪殘留或者由于手動(dòng)消噪時(shí)對(duì)噪點(diǎn)簇進(jìn)行消除時(shí)殘留導(dǎo)致，通過(guò)再次自動(dòng)消噪可以極大地減少這部分噪點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)消噪效果的最優(yōu)。

步驟140：對(duì)消噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀。

本實(shí)施例中，該步驟具體包括：對(duì)于任意一區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計(jì)算各個(gè)點(diǎn)的法向量；尋找臨近區(qū)域內(nèi)與計(jì)算得到的法向量相似的點(diǎn)以及法向量突變的點(diǎn)，其中將法向量相似的點(diǎn)作為待刪減點(diǎn)，將法向量突變的點(diǎn)作為保留點(diǎn)；然后根據(jù)選定的比例對(duì)法向量相似的點(diǎn)進(jìn)行刪減。其中，對(duì)于任意一區(qū)域內(nèi)點(diǎn)云中的任意一點(diǎn)pk，其法向量nk計(jì)算公式為：

其中l(wèi)為以pk為頂點(diǎn)的三角形個(gè)數(shù)，αi為第i個(gè)三角形在頂點(diǎn)pk處的相對(duì)角，vi為第i個(gè)三角形的法向量。圖3顯示了頂點(diǎn)pk和其周?chē)奈鍌€(gè)點(diǎn)a1-a5形成的五個(gè)三角形，該五個(gè)三角形分別對(duì)應(yīng)的相對(duì)角為α1-α5，相應(yīng)的法向量為v1-v5，頂點(diǎn)pk的法向量為nk。上述比例依據(jù)采集到的點(diǎn)云精度進(jìn)行合理選擇。上述判斷法向量相似以及法向量突變的方法為：計(jì)算兩個(gè)法向量間的夾角，若該夾角小于等于設(shè)定的閾值，則判斷為法向量相似；若該夾角大于設(shè)定的閾值，則判斷為法向量突變。其中，任意兩個(gè)法向量間的夾角計(jì)算方法如下：

通過(guò)上述步驟110～步驟140，實(shí)現(xiàn)了建模對(duì)象母線的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取，提取結(jié)果如圖4所示。

步驟150：基于抽稀后的母線點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取母線的任意n個(gè)截面圓，獲取各截面圓的半徑和圓心。

本實(shí)施例中，該步驟具體包括以下步驟：

步驟1501：選取母線與金具連接處一小段點(diǎn)云數(shù)據(jù)為參考，如圖5所示，其可近似看成標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，如圖6所示，基于該標(biāo)準(zhǔn)圓柱體的底面建立用戶三維坐標(biāo)系，其中底面圓心作為坐標(biāo)系的原點(diǎn)o，底面所在的平面為xoy面，水平方向?yàn)閤軸，標(biāo)準(zhǔn)圓柱體軸線為z軸。

步驟1502：如圖7所示，選取多個(gè)母線曲率較小的部分，基于母線曲率較小的部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成圓柱體；對(duì)圓柱體進(jìn)行切片，提取母線的任意n個(gè)截面圓，獲取各截面圓的半徑和圓心，其中某點(diǎn)云切片和截面圓如圖8所示。

本實(shí)施例中，上述選取的母線曲率較小的部分長(zhǎng)度較短，因此其可以認(rèn)為是沿著母線延伸方向的圓柱體。此外，該圓柱體的分布范圍覆蓋整個(gè)母線，從而保證提供合理分布的樣本。需要說(shuō)明的是，為了保證樣本的質(zhì)量，通常遵循“略過(guò)稀點(diǎn)，選取點(diǎn)云較為密集、均勻的區(qū)域”的原則，從而保證樣本來(lái)自母線點(diǎn)云而非母線周邊噪點(diǎn)。

步驟160：基于各截面圓的半徑計(jì)算出該n個(gè)截面圓的半徑的平均值r，并將其作為母線的半徑；基于各截面圓的圓心構(gòu)建母線延伸軌跡。

本實(shí)施例中，計(jì)算母線的半徑r的公式為

其中，ri表示第i個(gè)截面圓的半徑。

本實(shí)施例中，將各截面圓的圓心依次連接得到折線段，采用最小二乘法將折線段擬合為光滑曲線，并將該光滑曲線作為母線延伸軌跡。其中，采用最小二乘法擬合曲線的具體方法如下：

設(shè)所有選取的圓心坐標(biāo)集合為{(xi，yi，zi)|i＝1，2，3，4…n}，設(shè)曲線參數(shù)方程為

因?yàn)楹瘮?shù)x＝x(t)為一元函數(shù)，其反函數(shù)為t＝t(x)，因此曲線的參數(shù)方程變?yōu)?/p>

則第i點(diǎn)z軸方向誤差為δzi＝zi-g(xi)，y軸方向誤差為δyi＝y(tǒng)i-f(xi)，空間上的誤差平方和則為(δdi)²＝(δzi)²+(δyi)²，所有點(diǎn)誤差的平方和為

求出誤差平方和最小對(duì)應(yīng)的參數(shù)值，進(jìn)而得出最佳擬合曲線，具體過(guò)程如下：根據(jù)上述參數(shù)方程

設(shè)其參數(shù)方程為

以此方程作為擬合曲線方程。故所有點(diǎn)誤差的平方和為：

此函數(shù)為多元函數(shù)，對(duì)ai，bi求偏導(dǎo)，即求解

求出ai，bi，代入上述擬合曲線方程，該擬合曲線方程即為母線延伸軌跡。

步驟170：基于母線的半徑和母線延伸軌跡建立母線模型。

本實(shí)施例中，根據(jù)數(shù)學(xué)上的微積分原理，將母線延伸軌跡等分為n等份，n趨于無(wú)窮大，則每一小段長(zhǎng)度極小。以每一極小線段dx為軸線，以母線半徑r的截面圓為底面構(gòu)建圓柱體，將這些圓柱體進(jìn)行拼接即可得到母線的三維模型，如圖9所示。線段dx長(zhǎng)度很短，故可以認(rèn)為這段線段方向?yàn)檠刂鴝軸，且構(gòu)建的圓柱體之間連接部分很平滑，與真實(shí)的母線十分接近，有很高的精度。

利用上述方法構(gòu)建母線三維實(shí)體模型具有建模效率高、模型精度高等優(yōu)點(diǎn)，而且可以參考實(shí)際物體的規(guī)格尺寸對(duì)所建模型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，具有可更改等優(yōu)勢(shì)，是一項(xiàng)值得推廣應(yīng)用的母線類(lèi)模型高效率建模方法。