本發(fā)明涉及一種建模方法，尤其涉及一種對(duì)變電站變壓器進(jìn)行建模的方法。

背景技術(shù)：

變壓器是利用電磁感應(yīng)的原理來改變交流電壓的裝置，變電站主變壓器主要用于向系統(tǒng)或用戶輸送功率，主變壓器關(guān)系到主接線的形式和配電裝置的結(jié)構(gòu)，是變電站中至關(guān)重要的電力設(shè)備。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、三維可視化等技術(shù)的發(fā)展，變電站三維可視化研究逐漸受到相關(guān)人士的關(guān)注，變電站三維實(shí)景重構(gòu)作為三維可視化的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高真實(shí)性變電站三維可視化的關(guān)鍵。而實(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)。目前可考慮用于變電站三維重構(gòu)的建模方法主要包括：

(1)基于虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言的建模方法。

虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言(virtualrealitymodelinglanguage，vrml)不僅是一種建模語言，也是一種描繪3d場景中對(duì)象行為的場景語言。vrml通過編程語言以立方體、圓錐體、圓柱體、球體等為原始對(duì)象構(gòu)造變壓器、隔離開關(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)變電站的三維場景建模。vrml腳本節(jié)點(diǎn)(script)對(duì)應(yīng)的java語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)性要求不高的場合中，無法滿足變電站三維可視化運(yùn)用的要求。需特別指出的是，主變壓器作為變電站中的關(guān)鍵電氣設(shè)備，精確高效的建模至關(guān)重要。但是目前已有的可用于變電站主變壓器的建模方法主要包括虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言建模法以及幾何造型建模法，這些方法都存在著精度低、真實(shí)性不足以及建模效率低等問題，不足以滿足主變壓器實(shí)景、高效以及高真實(shí)性的建模要求。因此，為了實(shí)現(xiàn)變電站的實(shí)景三維重構(gòu)，必須對(duì)變壓器的建模方法進(jìn)行研究，彌補(bǔ)現(xiàn)有方法的不足。

(3)基于激光點(diǎn)云的建模方法。

近年來，隨著激光測量技術(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、攝影等測量手段獲取物體表面的特征點(diǎn)，這些特征點(diǎn)有可能包括物體的空間三維坐標(biāo)、顏色信息和反射強(qiáng)度信息，由于點(diǎn)數(shù)量很大，因此稱為點(diǎn)云。由于地面三維激光雷達(dá)采集到的被測對(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，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)用局限于一些簡單規(guī)則物體的建模以及測量方面，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)的復(fù)雜性和特殊性，其他領(lǐng)域中應(yīng)用的建模方法無法簡單地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)缺失等問題。因此，期望獲得一種可用于變電站變壓器的基于點(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)變電站變壓器進(jìn)行建模的方法，該方法可用于準(zhǔn)確高效地對(duì)變電站變壓器進(jìn)行建模以實(shí)現(xiàn)變電站變壓器的三維重構(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)變電站變壓器進(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變壓器的點(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變壓器的點(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)行抽稀；

(5)基于變電站變壓器的實(shí)際結(jié)構(gòu)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割；

(6)根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類指標(biāo)對(duì)分割后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，所述分類指標(biāo)包括：結(jié)構(gòu)特征、邊界形式、空間位置、尺寸參數(shù)和排列方式的至少其中之一；

(7)基于分類后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行模型分類重構(gòu)；

(8)拼接得到完整的變電站變壓器模型。

本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站變壓器進(jìn)行建模的方法通過采集變電站變壓器的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理，然后基于變電站變壓器的實(shí)際結(jié)構(gòu)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割和分類，再基于分割和分類的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類重構(gòu)得到分割的模型，最后對(duì)該分割的模型進(jìn)行拼接得到完整的變電站變壓器模型。其中：

步驟(1)中，所述多次掃描通常是通過多個(gè)掃描站點(diǎn)分別從不同的角度對(duì)所述變電站變壓器進(jìn)行掃描，其目的主要是為了盡可能全方位地采集變電站變壓器的點(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，基于變電站變壓器的實(shí)際結(jié)構(gòu)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割可以很好地解決目前的三維建模局限于簡單結(jié)構(gòu)物體的問題，以及建模不規(guī)范、構(gòu)建的模型不符合實(shí)際結(jié)構(gòu)特征、無法進(jìn)行拆分等問題。具體來說，可以基于結(jié)構(gòu)圖、維護(hù)手冊(cè)來分割變壓器，對(duì)變壓器的可拆分組成部分分別構(gòu)建模型，這樣做的好處是十分有利于后期利用該模型進(jìn)行變壓器組裝、維護(hù)等模擬操作，能夠更好地滿足本發(fā)明的初衷，即為變電站三維可視化提供模型支撐。其中，所述分割可以通過手動(dòng)截取實(shí)現(xiàn)。

步驟(6)和步驟(7)中，由于目前還沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的三維模型重構(gòu)的指導(dǎo)體系，且沒有一種建模方法可用于變壓器這種復(fù)雜模型的高精度重構(gòu)當(dāng)中，因此發(fā)明人提出對(duì)變壓器分塊建模的思想，包括：①依據(jù)變壓器的分割后點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基本特征，選定點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類指標(biāo)，具體可包括結(jié)構(gòu)特征、邊界形式、空間位置、尺寸參數(shù)以及排列方式的至少其中之一。②依據(jù)上述選定的分類指標(biāo)對(duì)分割后的點(diǎn)云進(jìn)行分類。③依據(jù)點(diǎn)云類型進(jìn)行模型分類重構(gòu)。其中，所述分類的類別可以包括圓柱類、陣列結(jié)構(gòu)類、圓環(huán)類、不規(guī)則類、中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱類以及導(dǎo)線類，對(duì)應(yīng)不同的類型選擇合適的模型分類重構(gòu)方法。

步驟(8)中，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含著物體的空間三維坐標(biāo)，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建的模型具有相同的空間坐標(biāo)系，可利用模型在空間坐標(biāo)系中的空間位置關(guān)系進(jìn)行不同模型坐標(biāo)的統(tǒng)一化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)上述分割構(gòu)建的模型的拼接，得到完整變壓器三維模型。

總體來說，變壓器作為一種輸變電的重要轉(zhuǎn)換設(shè)備，結(jié)構(gòu)精密，零部件眾多，難以直接實(shí)現(xiàn)完整的變壓器模型構(gòu)建，因此需要對(duì)變壓器按照一定的劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拆分，即分別利用不同部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別對(duì)不同組部分結(jié)構(gòu)分別建模，最終將不同部分模型進(jìn)行拼接得到完整的變壓器三維實(shí)體模型，為變電站三維可視化提供模型支持。本發(fā)明方法對(duì)變壓器設(shè)備采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行消噪、抽稀處理，采用分塊建模再拼接，因此該方法可準(zhǔn)確高效地對(duì)變電站變壓器進(jìn)行建模以實(shí)現(xiàn)變電站變壓器的三維重構(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)變電站變壓器進(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、人物等一切無關(guān)變壓器點(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)變電站變壓器進(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)變電站變壓器進(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)變電站變壓器進(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)變電站變壓器進(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)變電站變壓器進(jìn)行建模的方法中，在所述步驟(5)中，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割為：變壓器儲(chǔ)油柜點(diǎn)云數(shù)據(jù)、冷卻器點(diǎn)云數(shù)據(jù)、均壓環(huán)點(diǎn)云數(shù)據(jù)、器身點(diǎn)云數(shù)據(jù)、高壓套管點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及引線點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

上述方案中，其分割依據(jù)通常包括變壓器結(jié)構(gòu)圖、變壓器維護(hù)手冊(cè)。通常鑒于變壓器的結(jié)構(gòu)特征以及實(shí)際維護(hù)中涉及到的具體部件信息，可以將變壓器點(diǎn)云數(shù)據(jù)分為變壓器儲(chǔ)油柜、冷卻器、均壓環(huán)、器身、高壓套管及引線六個(gè)主要部分。具體方法可以包括：①依據(jù)變壓器結(jié)構(gòu)特征，將變壓器分為器身以及其余附屬結(jié)構(gòu)。②參考變壓器維護(hù)守則，針對(duì)經(jīng)常進(jìn)行常規(guī)維護(hù)檢修的部件，將其作為特殊組成結(jié)構(gòu)單獨(dú)提取出來。③對(duì)于提取出來的特殊組成結(jié)構(gòu)，如果存在復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可再次依據(jù)其結(jié)構(gòu)特征作進(jìn)一步的拆分。上述方案通常通過手動(dòng)截取實(shí)現(xiàn)各部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割。

更進(jìn)一步地，上述基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站變壓器進(jìn)行建模的方法中，在所述步驟(7)中，基于變壓器儲(chǔ)油柜點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用幾何參數(shù)法建立變壓器儲(chǔ)油柜的模型。

上述方案中，所述變壓器儲(chǔ)油柜點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類可以歸為圓柱類結(jié)構(gòu)，因此所述變壓器儲(chǔ)油柜的模型采用幾何參數(shù)法建立。所述幾何參數(shù)法可以包括以下步驟：

首先，利用所述變壓器儲(chǔ)油柜點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取兩端界面圓，并分別提取兩圓圓心o1(x1，y1，z1)、心o2(x2，y2，z2)以及半徑r1、r2；計(jì)算變壓器儲(chǔ)油柜長度l，計(jì)算公式為：

同時(shí)，計(jì)算儲(chǔ)油柜平均半徑r:

最后，以o1(x1，y1，z1)為圓心，r為半徑創(chuàng)建圓特征，并以o1o2為方向，l為長度構(gòu)建圓柱特征，從而得到變壓器儲(chǔ)油柜三維實(shí)體模型。

更進(jìn)一步地，上述基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站變壓器進(jìn)行建模的方法中，在所述步驟(7)中，基于冷卻器點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用陣列建模法建立冷卻器的模型。

上述方案中，所述冷卻器點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類可以歸為陣列結(jié)構(gòu)類結(jié)構(gòu)，因此所述冷卻器的模型采用陣列建模法建立。所述陣列建模法可以包括以下步驟：

首先，利用所述冷卻器點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建第一個(gè)長方體特征；

其次，以所述冷卻器點(diǎn)云數(shù)據(jù)為參考，創(chuàng)建與所述第一個(gè)長方體特征相鄰的第二個(gè)長方體特征，提取兩個(gè)長方體特征的間距；

然后，依據(jù)所述冷卻器點(diǎn)云數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)冷卻器所包含的相同長方體特征的個(gè)數(shù)n；

最后，以第一個(gè)長方體特征為起點(diǎn)，按照所述間距創(chuàng)建元素?cái)?shù)量為n的陣列，從而形成冷卻器的三維模型。

更進(jìn)一步地，上述基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站變壓器進(jìn)行建模的方法中，在所述步驟(7)中，基于均壓環(huán)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用數(shù)字特征法建立均壓環(huán)的模型。

上述方案中，所述均壓環(huán)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類可以歸為圓環(huán)類結(jié)構(gòu)，因此所述均壓環(huán)的模型采用數(shù)字特征法建立。所述數(shù)字特征法是指利用對(duì)象的基本數(shù)字參數(shù)為依據(jù)構(gòu)建對(duì)象模型的方法，在本方案中可以包括以下步驟：

首先，以所述均壓環(huán)點(diǎn)云數(shù)據(jù)為參考，繪制均壓環(huán)外圓及截面圓，從而提取外圓半徑r，圓心o以及截面圓半徑r；

然后，以圓心o為中心，r為外圓半徑構(gòu)建截面圓半徑為r的圓環(huán)，從而得到均壓環(huán)三維實(shí)體模型。

更進(jìn)一步地，上述基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站變壓器進(jìn)行建模的方法中，在所述步驟(7)中，基于器身點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用布爾運(yùn)算建立器身的模型。

上述方案中，所述器身點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類可以歸為不規(guī)則類結(jié)構(gòu)，因此所述器身的模型采用布爾運(yùn)算建立。所述布爾運(yùn)算可以包括以下步驟：

首先，依據(jù)所述器身點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建矩形特征；

同時(shí)，提取器身高度l，利用所述矩形特征得到長方體特征；

最后，以所述器身點(diǎn)云數(shù)據(jù)為參考，構(gòu)建三棱柱等基本特征體，基于布爾運(yùn)算將所述長方體特征與所述基本特征體進(jìn)行差、并、交集變換，從而得到器身的三維模型。

更進(jìn)一步地，上述基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站變壓器進(jìn)行建模的方法中，在所述步驟(7)中，基于高壓套管點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用三維旋轉(zhuǎn)建模法建立高壓套管的模型。

上述方案中，所述高壓套管點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類可以歸為中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱類結(jié)構(gòu)，因此所述高壓套管的模型采用三維旋轉(zhuǎn)建模法建立。所述三維旋轉(zhuǎn)建模法可以包括以下步驟：

首先，以豎直方向?yàn)閦軸建立用戶坐三維標(biāo)系xyz，以xz平面為切片平面，y軸為切片延伸方向進(jìn)行切片，得到高壓套管點(diǎn)云薄切片；

然后，利用二維多義線勾勒套管二維輪廓，并經(jīng)套管中心對(duì)稱線形成閉合曲線框圖；

最后，以二維輪廓上的點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)對(duì)象，套管中心線為旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)，對(duì)于輪廓線上任意一點(diǎn)(xi,yi,zi)，旋轉(zhuǎn)后對(duì)應(yīng)的曲線方程為x²+y²+(z-zi)²＝xi²+yi²；通過對(duì)輪廓線上任意一點(diǎn)進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)操作，即可獲得高壓套管三維模型。

更進(jìn)一步地，上述基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站變壓器進(jìn)行建模的方法中，在所述步驟(7)中，基于引線點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用平面掃掠法建立引線的模型。

上述方案中，所述引線點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類可以歸為導(dǎo)線類，因此所述引線的模型采用平面掃掠法建立。所述平面掃掠法可以包括以下步驟：

首先，建立用戶坐標(biāo)系；

其次，基于所述引線點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取引線點(diǎn)云橫截面切片，并依據(jù)該引線點(diǎn)云橫截面切片得到截面圓特征；

然后，以截面圓圓心為起點(diǎn)，以引線點(diǎn)云數(shù)據(jù)為參考，利用三維多義線繪制引線三維延伸軌跡；

最后，以截面圓為掃掠對(duì)象，引線三維延伸軌跡為掃掠路徑進(jìn)行掃掠，從而得到引線的三維模型。

本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站變壓器進(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)變電站變壓器進(jìn)行建模以實(shí)現(xiàn)變電站變壓器的三維重構(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)有利于后期利用模型進(jìn)行變壓器組裝、維護(hù)等模擬操作，能夠更好地滿足本發(fā)明的初衷，即為變電站三維可視化提供模型支撐。

(3)解決了傳統(tǒng)建模方法精度低、真實(shí)性差的問題，并實(shí)現(xiàn)了利用激光點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)變壓器的高質(zhì)量、高精度的建模，滿足變壓器實(shí)景、高效以及高真實(shí)性的建模要求。

(4)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。

附圖說明

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

圖2為本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站變壓器進(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3為從變壓器點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖分割出來的變壓器儲(chǔ)油柜點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖。

圖4為基于圖3的變壓器儲(chǔ)油柜點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖得到的變壓器儲(chǔ)油柜三維模型圖。

圖5為基于冷卻器點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建的長方體特征圖。

圖6為基于圖5的長方體特征圖得到的冷卻器的陣列圖。

圖7為基于圖6的陣列圖得到的冷卻器三維模型圖。

圖8為從變壓器點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖分割出來的均壓環(huán)點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖。

圖9為基于圖8的均壓環(huán)點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖得到的均壓環(huán)三維模型圖。

圖10為基于器身點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖創(chuàng)建的矩形特征圖。

圖11為基于圖10的矩形特征圖得到的長方體特征圖。

圖12為基于圖11的長方體特征圖和器身點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖得到的器身三維模型圖。

圖13為從變壓器點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖分割出來的高壓套管點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖。

圖14為基于圖13的高壓套管點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖得到的高壓套管點(diǎn)云薄切片圖。

圖15為基于圖14的高壓套管點(diǎn)云薄切片圖得到的閉合曲線框圖。

圖16為基于圖15的閉合曲線框圖得到的高壓套管三維模型圖。

圖17為基于輸油管點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖得到的輸油管三維延伸軌跡圖。

圖18為基于圖17的輸油管三維延伸軌跡圖得到的輸油管三維模型圖。

圖19為基于圖4、圖7、圖9、圖12、圖16以及圖18的各三維模型圖得到的變壓器三維模型圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合說明書附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站變壓器進(jìn)行建模的方法做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

圖1示意了本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站變壓器進(jìn)行建模的方法在一種實(shí)施方式下的流程。圖2示意了本發(fā)明所述的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站變壓器進(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3顯示了從變壓器點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖分割出來的變壓器儲(chǔ)油柜點(diǎn)云數(shù)據(jù)。圖4顯示了基于圖3的變壓器儲(chǔ)油柜點(diǎn)云數(shù)據(jù)得到的變壓器儲(chǔ)油柜三維模型。圖5顯示了基于冷卻器點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建的長方體特征。圖6顯示了基于圖5的長方體特征得到的冷卻器的陣列。圖7顯示了基于圖6的陣列得到的冷卻器三維模型。圖8顯示了從變壓器點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖分割出來的均壓環(huán)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。圖9顯示了基于圖8的均壓環(huán)點(diǎn)云數(shù)據(jù)得到的均壓環(huán)三維模型。圖10顯示了基于器身點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建的矩形特征。圖11顯示了基于圖10的矩形特征得到的長方體特征。圖12顯示了基于圖11的長方體特征和器身點(diǎn)云數(shù)據(jù)得到的器身三維模型。圖13顯示了從變壓器點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖分割出來的高壓套管點(diǎn)云數(shù)據(jù)。圖14顯示了基于圖13的高壓套管點(diǎn)云數(shù)據(jù)得到的高壓套管點(diǎn)云薄切片。圖15顯示了基于圖14的高壓套管點(diǎn)云薄切片得到的閉合曲線。圖16顯示了基于圖15的閉合曲線得到的高壓套管三維模型。圖17顯示了基于輸油管點(diǎn)云數(shù)據(jù)得到的輸油管三維延伸軌跡。圖18顯示了基于圖17的輸油管三維延伸軌跡得到的輸油管三維模型。圖19顯示了基于圖4、圖7、圖9、圖12、圖16以及圖18的各三維模型得到的變壓器三維模型。

如圖1所示，該實(shí)施方式下的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)變電站變壓器進(jìn)行建模的方法可以通過激光三維掃描儀、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變壓器的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該點(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，利用激光雷達(dá)掃描儀分掃描站點(diǎn)采集變電站變壓器點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)通過布置球形標(biāo)靶對(duì)各掃描站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位。

步驟120：將多次掃描獲得的變電站變壓器的點(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)球形標(biāo)靶的空間三維坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)不同掃描站點(diǎn)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)歸一化，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)的統(tǒng)一。

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。具體來說，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，通常來說手動(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2顯示了頂點(diǎn)pk和其周圍的五個(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：

通過上述步驟110～步驟140，實(shí)現(xiàn)了建模對(duì)象變壓器的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取。

步驟150：基于變電站變壓器的實(shí)際結(jié)構(gòu)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割。

本實(shí)施例中，基于變壓器的結(jié)構(gòu)特征以及實(shí)際維護(hù)中涉及到的具體部件信息，通過手動(dòng)截取將變壓器點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割為：變壓器儲(chǔ)油柜點(diǎn)云數(shù)據(jù)、冷卻器點(diǎn)云數(shù)據(jù)、均壓環(huán)點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖、器身點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖、高壓套管點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖以及輸油管點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖，此外還包括連接結(jié)構(gòu)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。具體方法包括：①依據(jù)變壓器結(jié)構(gòu)特征，將變壓器分為器身以及其余附屬結(jié)構(gòu)。②參考變壓器維護(hù)守則，針對(duì)經(jīng)常進(jìn)行常規(guī)維護(hù)檢修的部件，將其作為特殊組成結(jié)構(gòu)單獨(dú)提取出來，例如：由于變壓器套管屬于變壓器重點(diǎn)檢修與維護(hù)對(duì)象，因此將其作為特殊結(jié)構(gòu)單獨(dú)分割出來；冷卻器是變壓器另一個(gè)重要組成部分，關(guān)系到變壓器正常運(yùn)行以及運(yùn)行質(zhì)量，作為另一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割；變壓器儲(chǔ)油柜和作為引線結(jié)構(gòu)的輸油管也是維修的對(duì)象之一，因此，也將其作為特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割。③對(duì)于提取出來的特殊組成結(jié)構(gòu)，如果存在復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可再次依據(jù)其結(jié)構(gòu)特征作進(jìn)一步的拆分，例如：變壓器套管中，高壓套管與其上端的均壓環(huán)屬于組合結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)特征不同，因此進(jìn)行進(jìn)一步分割；同理，將變壓器儲(chǔ)油柜與輸油管進(jìn)行進(jìn)一步分割。

步驟160：根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類指標(biāo)對(duì)分割后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，所述分類指標(biāo)包括：結(jié)構(gòu)特征、邊界形式、空間位置、尺寸參數(shù)和排列方式的至少其中之一。

本實(shí)施例中，依據(jù)變壓器的分割后點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基本特征，選定點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類指標(biāo)。具體指標(biāo)包括結(jié)構(gòu)特征、邊界形式、空間位置、尺寸參數(shù)和排列方式。

步驟170：基于分類后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行模型分類重構(gòu)。

本實(shí)施例中，該步驟具體包括：

步驟1701：如圖3所示，變壓器儲(chǔ)油柜點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸為圓柱類結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地，基于變壓器儲(chǔ)油柜點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用幾何參數(shù)法建立變壓器儲(chǔ)油柜的模型。具體過程如下：

首先，利用變壓器儲(chǔ)油柜點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取兩端界面圓，并分別提取兩圓圓心o1(x1，y1，z1)、心o2(x2，y2，z2)以及半徑r1、r2；計(jì)算變壓器儲(chǔ)油柜長度l，計(jì)算公式為：

同時(shí)，計(jì)算儲(chǔ)油柜平均半徑r:

最后，以o1(x1，y1，z1)為圓心，r為半徑創(chuàng)建圓特征，并以為方向，l為長度構(gòu)建圓柱特征，并補(bǔ)充局部結(jié)構(gòu)，從而得到變壓器儲(chǔ)油柜三維實(shí)體模型，如圖4所示。

步驟1702：冷卻器點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸為陣列結(jié)構(gòu)類結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地，基于冷卻器點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用陣列建模法建立冷卻器的模型。具體過程如下：

首先，利用冷卻器點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建第一個(gè)長方體特征，如圖5所示；

其次，以冷卻器點(diǎn)云數(shù)據(jù)為參考，創(chuàng)建與所述第一個(gè)長方體特征相鄰的第二個(gè)長方體特征，提取兩個(gè)長方體特征的間距d；

然后，依據(jù)冷卻器點(diǎn)云數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)冷卻器所包含的相同長方體特征的個(gè)數(shù)n；

最后，以第一個(gè)長方體特征為起點(diǎn)，按照間距d創(chuàng)建元行數(shù)為n，列數(shù)為1的陣列，即可得到排列規(guī)整的冷卻片組合，如圖6所示，再通過補(bǔ)充基本特征體連接不同冷卻片，從而形成冷卻器的三維模型，如圖7所示。

步驟1703：如圖8所示，均壓環(huán)點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸為圓環(huán)類結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地，基于均壓環(huán)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用數(shù)字特征法建立均壓環(huán)的模型。該方法是指利用對(duì)象的基本數(shù)字參數(shù)為依據(jù)構(gòu)建對(duì)象模型的方法，具體過程如下：

首先，以均壓環(huán)點(diǎn)云數(shù)據(jù)為參考，繪制均壓環(huán)外圓及截面圓，從而提取外圓半徑r，圓心o以及截面圓半徑r；

然后，由于r、o、r三個(gè)參數(shù)具備構(gòu)建該圓環(huán)的全部數(shù)字特征，因此，以圓心o為中心，r為外圓半徑構(gòu)建截面圓半徑為r的圓環(huán)，并補(bǔ)充連接結(jié)構(gòu)，從而得到均壓環(huán)三維實(shí)體模型，如圖9所示。

步驟1704：器身點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸為不規(guī)則類結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地，基于器身點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用布爾運(yùn)算建立器身的模型。具體過程如下：

首先，依據(jù)器身點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建矩形特征，如圖10所示；

同時(shí)，提取器身高度h，利用矩形特征得到長方體特征，如圖11所示；

最后，以器身點(diǎn)云數(shù)據(jù)為參考，構(gòu)建三棱柱等基本特征體，基于布爾運(yùn)算將長方體特征與基本特征體進(jìn)行差、并、交集變換，從而得到器身的三維模型，如圖12所示。

步驟1705：如圖13所示，高壓套管點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸為中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱類結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地，基于高壓套管點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用三維旋轉(zhuǎn)建模法建立高壓套管的模型。具體過程如下：

首先，以豎直方向?yàn)閦軸建立用戶坐三維標(biāo)系xyz，以xz平面為切片平面，y軸為切片延伸方向進(jìn)行切片，得到高壓套管點(diǎn)云薄切片，如圖14所示；

然后，利用二維多義線勾勒套管二維輪廓，并經(jīng)套管中心對(duì)稱線形成閉合曲線框圖，如圖15所示；

最后，以二維輪廓上的點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)對(duì)象，套管中心線為旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)，對(duì)于輪廓線上任意一點(diǎn)(xi,yi,zi)，旋轉(zhuǎn)后對(duì)應(yīng)的曲線方程為x²+y²+(z-zi)²＝xi²+yi²；通過對(duì)輪廓線上任意一點(diǎn)進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)操作，即可獲得高壓套管三維模型，如圖16所示。

步驟1706：輸油管點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸為導(dǎo)線類結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地，基于輸油管點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用平面掃掠法建立輸油管的模型。具體過程如下：

首先，建立用戶坐標(biāo)系；

其次，基于所述輸油管點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取輸油管點(diǎn)云橫截面切片，并依據(jù)該輸油管點(diǎn)云橫截面切片得到截面圓特征；

然后，對(duì)輸油管橫截面進(jìn)行切片，提取點(diǎn)云切片，并依據(jù)該點(diǎn)云切片得到截面圓特征；同時(shí)，以截面圓圓心為起點(diǎn)，以輸油管點(diǎn)云數(shù)據(jù)為參考，利用三維多義線繪制輸油管三維延伸軌跡，如圖17所示；

最后，以截面圓為掃掠對(duì)象，輸油管三維延伸軌跡為掃掠路徑進(jìn)行掃掠，從而得到輸油管的三維模型，如圖18所示。

步驟180：拼接得到完整的變電站變壓器模型。

本實(shí)施例中，該步驟具體包括：利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建的模型具有相同的空間坐標(biāo)，可利用空間位置關(guān)系進(jìn)行不同模型坐標(biāo)的統(tǒng)一化，實(shí)現(xiàn)上述分塊構(gòu)建的變壓器儲(chǔ)油柜、冷卻器、均壓環(huán)、器身、高壓套管以及輸油管三維模型拼接，得到完整變壓器三維實(shí)體模型，如圖19所示。

利用上述方法構(gòu)建變壓器三維實(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，是一項(xiàng)值得推廣應(yīng)用的變壓器類模型高效率建模方法。