「上海沪敖3D」三维扫描在电网数字孪生、改造、变形监测中的应用

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前言

国家对电力的需求呈现高速增长的姿态，因此，我国对电网线路建设的需求也越来越迫切。

变电站和输电系统的结构往往非常复杂，所处的工作环境也较为危险，如果使用传统测量手段来建立完整的基础数据信息是非常困难的。

三维激光扫描系统是空间点阵扫描技术和激光无反射棱镜长距离快速测距技术的发展而产生的一项新测绘技术，三维扫描克服了传统测量技术的局限性，可采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据。经过相应的后处理软件操作，可以精确而完整地测量电网中输电系统和变电站的数据，建立相应的三维模型，从而可以使得测绘技术人员突破传统测量数据处理方法，进行新的数据挖掘和开发研究。

本文中，沪小敖借着工程师近期在输电系统中的电塔测量案例，以及变电站三维建模的数据做一个三维扫描在电网中的应用概述。

01 三维扫描在电网电塔中的应用

1.1 电力系统模型的提供

架空输电线路是国家主干电网的重要组成部分，是一项重要的国家基础设施。近年来，伴随着我国电力发展步伐不断加快，电网也得到迅速发展，电网系统运行电压等级不断提高，网络规模也不断扩大，基本形成了完整的输电电网网架。

高压电塔作为输电线路的重要组成部分，对带电导线起到机械支撑作用，实现电力资源的远距离大范围调配，高压电塔的安全与否直接关系到输电线路的安全运行，于此相对应的，输电线路故障会给人们的日常生产生活和国家经济带来巨大损失。因此，为了防止和杜绝电网安全事故的发生，电网运行维护部门每年都需要投入大量人力、物力对输电线路进行巡检以及时消除隐患防患于未然， 由此带来的管理要求也不断上升。

我们希望，通过三维可视化技术，可以再现电力系统的真实情况，把所有管理对象都置于一个真实的三维世界中，使管理者通过电脑就可以如临现场一样浏览全线，掌握电网实际情况，从而支持各项运营管理工作。

本案例中，我们使用Trimble 天宝TX8地面三维激光扫描仪对电塔进行扫描采集点云数据（使用SX10 影像扫描仪进行影像拍摄）将采集的点云数据作为后续的三维可视化平台的数据应用模型的素材，模型三维展示效果好，细化程度高，具有较高的应用性。

天宝Trimble TX8

天宝Trimble SX12

高压电塔具有结构复杂，钢架细长，海拔高的特点，三维数据获取难度大。TX8独有的优势可以在这些条件下获取比较理想的三维点云数据。

TX8现场工作照片

TX8扫描距离可达到340米，凭借天宝Lightning闪电技术，在其整个测程范围内，TX8都可以每秒1百万个精确激光点的速度获取数据，天宝的Lightning技术很少受到表面类型和大气条件变化的影响，所以可以从每个测站中获得完整性的数据集。TX8集成内置相机，仅需2分钟时间获取全景HDR图像，用于生成彩色扫描。

借助天宝SX10拍摄的影像

TX8获取的三维点云数据

可以借此进行任意角度、距离的精确测绘或标准模型的重建

TX8三维扫描仪与点云处理软件Trimble Realworks无缝衔接，Trimble Realworks强大且全面的功能使得“为客户提供完整的三维扫描解决方案”变得容易起来。

借助Trimble Realworks软件对点云进行分类处理

借助Trimble Realworks软件提取线路矢量数据

1.2 电塔（高压线塔）变形监测

电塔（高压线塔）是高压输电线路中与地面直接接触的构筑物， 不可避免的地表移动、变形将危及线塔构件的健康， 严重的甚至会引起电力、通信中断， 从而造成巨大的经济损失， 因此对高压线塔进行变形监测具有重要意义。

使用三维激光扫描技术在高压线塔变形监测中进行应用， 克服了传统监测手段的不足，我们通过实地采集高压线塔点云数据进行计算、分析，按照数据处理流程，可计算不同时期塔腿棱线各分段的直线方程并计算各分段间的夹角分析塔腿偏移角度及方向，从而为电塔的监测作出良好的技术支撑。

02变电站三维模型的建立

2.1 为改造提供基础数据

变电站建筑物本体的复杂性及其电力、电气、土建、暖通、给排水等专业系统、设备所具有的专业特征看，其复杂程度远高于建筑行业。

随着老旧变电站的负荷及全寿命周期的限制，越来越多的老旧变电站面临扩建改造的问题。然而变电站不可能因为扩建改造测量而停止运行，所以采用传统的测量方法具有很大的危险性及其地物不完整性。

而且其小型化、集成化特点，使得利用三维数字技术对空间进行细致布局，梳理多专业间的精密配合关系，是非常必要的。

本项目中，我们使用Trimble 天宝X7设备进行扫描。

天宝Trimble X7

X7作为天宝（Trimble）公司旗下最新的便携三维激光扫描设备，具有带有组合的伺服驱动器、扫描镜，集成的HDR成像，自动校准，自动配准，测绘等级自动整平和激光指示器等特点。

变电站三维数字点云模型

三维数字点云模型将变电站“搬”入计算机，清晰准确地记录了构筑物的形状及构筑物之间的空间位置关系，毫米级的精度满足测绘需求。

通过利用三维激光扫描仪获取的空间点云数据（包括点云模型、地形图、三维参数化模型、剖面图等），可以建立变电站三维仿真模型，在三维环境下布置电气设备及导体、建（构）筑物等，其三维直观可视性将显著提升设计质量，为变电站的改建改造提供准确的基础数据。

2.2 为变电站三维数字智能管理平台提供数据基础

三维数字点云模型可以导入3Ds MAX或其它三维软件进行建模与纹理贴图.

点云位置与MAX模型基本一致

MAX模型局部

三维模型渲染视图

三维激光扫描技术很好地解决了传统测绘在变电站测量工作中的难点，不仅保证了数据质量，而且还大大提高了作业效率，在非接触测量方式保证安全生产的同时，节省了大量的人力、时间成本。在“万物数字智能化”的大背景下，三维激光扫描技术的应用会逐渐普及，将为变电站等电力系统设施的三维模型建立提供越来越完善的解决方案。

03小结

三维扫描的方式，一方面由于其高精度的特点，可为电网的外业勘测、监测、设计施工提供数据支持与指导；另一方面，三维数据给予的真实感和直接的视觉冲击，为电网的可视化管理提供了很好的底层数据。相信在后续的工作中，沪敖能为电网的建设进一步贡献自己的力量。