一种变电设备三维模型的表观检核修正方法和装置

技术领域：

本发明属于电网工程数字化移交领域，具体涉及一种变电设备三维模型的表观检核修正方法和装置。

背景技术：

多方跨环节电网工程数据数字化移交是实现多部门数据横向集成、跨环节数据纵向贯通的重要举措。电网工程三维数据在设计阶段主要是GIM格式的设计模型，进入巡检阶段后则是由无人机或地面激光雷达扫描得到三维的扫描点云数据。同一变电设备的设计模型和施工验收后的点云数据存在一定表观差异，因此需要技术人员对三维模型进行表观检核，旨在对移交三维模型和扫描点云数据进行表观一致性方面的校核与修正。

目前电网工程基建转运维的表观检核修正工作主要基于《输变电工程三维设计模型交互规范》和《输变电工程三维设计建模规范》开展。但是目前仍然主要以人工校验后返回修正为主，导致电网工程数据数字化移交效率偏低、数字化移交成果对业务支撑力不足。

部分技术人员采用点云与点云之间的三维比对方法对三维模型和扫描点云数据的表观一致性进行校核，这些三维比对方大多是先将三维模型离散化处理得到模型点云数据，再将模型点云数据与扫描点云数据进行差分，由此获得差异。但是模型点云数据与扫描点云数据属于异源点云数据，其中模型点云数据中的数据点是均匀分布的，而扫描点云数据中的数据点通常是非均匀的且通常还伴随一些噪点，因此会导致模型点云数据与扫描点云数据之间的数据点并非能够准确对应。如果直接将两点云数据直接差分，则会使得差分结果既包含三维模型和扫描点云数据真实形状之间的差异，也包含因异源数据数据点不对应导致的差异。因此这类方法应用在变电设备三维模型的表观检核时会产生较大的误差。

另外，在模型设计阶段，技术人员大多会根据现有同类型变电设备的颜色对变电设备三维模型进行着色，因此三维模型并不具备真实色彩纹理，大多数的三维模型与实际变电设备存在较大的颜色差异。在三维模型和扫描点云数据进行表观一致性方面的校核与修正上，一般依赖于后期人工比对修改，进一步使电网工程数据数字化移交效率降低。

发明内容：

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种变电设备三维模型的表观检核修正方法和装置。

本发明采用如下技术方案：

一种变电设备三维模型的表观检核修正方法，所述三维模型由若干三角形面片组成，所述表观检核修正方法包括：

获取目标变电设备的由若干具有色彩属性的数据点组成的实景扫描点云；

对目标变电设备的三维模型进行离散化采样，得到由若干数据点组成的模型点云；

利用配准算法将所述模型点云与所述实景扫描点云姿态对齐，进而使所述三维模型与实景扫描点云姿态对齐；

根据姿态对齐后的三维模型与所述实景扫描点云之间的表观差异，渲染出三维模型多余的三角形面片和三维模型缺失的数据点；

根据实景扫描点云中数据点的色彩属性，对所述三维模型的三角形面片进行赋色，完成纹理修正。

进一步地，所述离散化采样采用Poisson-Disk分布网格采样方法进行，包括如下具体步骤：

2.1)采用随机均匀采样算法分别获取三维模型的各三角形面片上的初始样本点；

2.2)利用最小半径阈值分别对各三角形面片上的初始样本点进行比较，筛选出各三角形面片上的最终样本点，并作为模型点云的数据点，形成模型点云。

进一步地，所述利用最小半径阈值分别对各三角形面片上的初始样本点进行比较，筛选出各三角形面片上的最终样本点的具体步骤包括：

2.2.1)任选一个初始样本点，分别计算所选初始样本点与其他初始样本点之间的距离，若所选初始样本点与其他初始样本点之间的距离均大于设定的最小半径阈值，则将所选的初始样本点记为最终样本点；

其中，所选初始样本点与其他初始样本点之间的距离采用贴面表面的测地距离，对于初始样本点p

式中，d

2.2.2)重复步骤2.2.1)，对每一个初始样本点都进行是否为最终样本点的判断。

进一步地，所述利用配准算法将所述模型点云与所述实景扫描点云姿态对齐的具体步骤包括：

3.1)对所述模型点云与所述实景扫描点云采用Teaser++算法进行模型配准，获取所述模型点云与所述实景扫描点云之间的姿态变换矩阵；

3.2)利用所述姿态变换矩阵将所述模型点云姿态对齐至所述实景扫描点云所在坐标系。

进一步地，所述根据所述姿态对齐后的三维模型与所述实景扫描点云之间的表观差异，渲染出三维模型多余的三角形面片和模型点云中缺失的数据点的具体步骤包括：

4.1)在所述三维模型中任选一个三角形面片，在该三角形面片内随机获取N个采样点；

4.2)以三维模型中各采样点在实景扫描点云中的对应位置进行领域半径搜索，如能找到邻近点的采样点数目大于αN，α∈[0,1]，则所选取的三角形面片不是多余的三角形面片；如能找到邻近点的采样点数目小于等于αN，则所选取的三角形面片是多余的三角形面片；

4.3)重复步骤4.1)～步骤4.2)，对所述三维模型中每一个三角形面片判断其是否多余，对多余的三角形面片进行渲染；

4.4)以实景扫描点云的各数据点在三维模型中的对应位置进行领域半径搜索，如找不到近邻点，则认为该数据点为三维模型缺失的数据点，在实景扫描点云中对相应的数据点进行渲染。

进一步地，所述根据实景扫描点云中数据点的色彩属性，对所述三维模型的三角形面片进行赋色修正处理的具体步骤包括：

5.1)在所述三维模型中任选一个三角形面片，在该三角形面片的角平分线上获取五个采样点，以三维模型中各采样点在实景扫描点云中的对应位置进行领域半径搜索，分别获取每个采样点对应的10个近邻点，以获取的50个近邻点作为集合中的元素，形成近邻点集合E

5.2)将近邻点集合E

5.3)计算投影点集合F

5.4)重复步骤5.1)～步骤5.3)，对所述三维模型中每一个三角形面片进行赋色，完成纹理修正。

进一步地，所述目标变电设备的具有色彩属性的实景扫描点云通过三维激光雷达获取。

一种变电设备三维模型的表观检核修正装置，所述三维模型由若干三角形面片组成，所述表观检核修正装置包括：

实景扫描点云获取模块，用于获取目标变电设备的由若干具有色彩属性的数据点组成的实景扫描点云；

离散化采样模块，用于对目标变电设备的三维模型进行离散化采样，得到由若干数据点组成的模型点云；

姿态对齐模块，用于利用配准算法将所述模型点云与所述实景扫描点云姿态对齐，进而使所述三维模型与实景扫描点云姿态对齐；

表观差异渲染模块，用于根据姿态对齐后的三维模型与所述实景扫描点云之间的表观差异，渲染出三维模型多余的三角形面片和三维模型中缺失的数据点；

纹理修正模块，用于根据实景扫描点云中数据点的色彩属性，对所述三维模型的三角形面片进行赋色，完成纹理修正。

一种电子设备，所述电子设备包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，所述处理器用于调用并运行所述存储器中存储的计算机程序执行上述的方法。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明提供一种变电设备三维模型的表观检核修正方法和装置，该表观检核修正方法利用配准算法将模型点云与实景扫描点云姿态对齐，进而使三维模型与实景扫描点云姿态对齐，再根据姿态对齐后的三维模型与实景扫描点云之间的表观差异，渲染出三维模型多余的三角形面片和模型点云中缺失的数据点；本发明的表观检核修正方法并非是异源点云之间的直接差分，而是根据姿态对齐后的三维模型与实景扫描点云之间的表观差异，进行三维模型多余的三角形面片以及模型点云中缺失的数据点的渲染，因此可以避免因异源数据数据点不对应导致的差异，因此本发明的表观检核修正方法具有较高的准确性。

本发明的表观检核修正方法还根据实景扫描点云中数据点的色彩属性，对三维模型的三角形面片进行赋色，完成纹理修正，相比于人工比对修正，本发明的表观检核修正方法大大减轻了工作量，提高了电网工程数据数字化移交效率。

附图说明

图1为实施例一中变电设备三维模型的表观检核修正方法流程图；

图2(a)为应用实施例中避雷器三维模型示意图；

图2(b)为应用实施例中避雷器实景扫描点云示意图；

图2(c)为应用实施例中避雷器三维模型与实景扫描点云姿态对齐示意图；

图3(a)为应用实施例中避雷器模型差分结果示意图之视角一；

图3(b)为应用实施例中避雷器模型差分结果示意图之视角二；

图4(a)为应用实施例中避雷器的彩色扫描点云示意图；

图4(b)为应用实施例中避雷器的无纹理三维模型示意图；

图4(c)为应用实施例中避雷器三维模型赋色示意图之视角一；

图4(d)为应用实施例中避雷器三维模型赋色示意图之视角二。

具体实施方式

实施例一：

一种变电设备三维模型的表观检核修正方法，三维模型由若干三角形面片组成，表观检核修正方法包括：

获取目标变电设备的由若干具有色彩属性的数据点组成的实景扫描点云；该实景扫描点云可通过三维激光雷达获取。

对目标变电设备的三维模型进行离散化采样，得到由若干数据点组成的模型点云；

利用配准算法将模型点云与实景扫描点云姿态对齐，进而使三维模型与实景扫描点云姿态对齐；

根据姿态对齐后的三维模型与实景扫描点云之间的表观差异，渲染出三维模型多余的三角形面片和三维模型缺失的数据点；

根据实景扫描点云中数据点的色彩属性，对三维模型的三角形面片进行赋色，完成纹理修正。

实施例二：

本实施例在实施例一的基础上进一步设计在于：本例中对目标变电设备的三维模型进行离散化采样采用Poisson-Disk分布网格采样方法进行，包括如下具体步骤：

2.1)采用随机均匀采样算法分别获取三维模型的各三角形面片上的初始样本点；对于存在三角形面片大小不一、形态各异情形的三维模型，需要自适应控制各三角形面片区域内样本点的生成数目，将其设置为与三角面片的面积成正比。对于三角形面片i上的初始样本点数目num

式中，

足够多的初始样本点数目可满足Poisson-Disk分布网格采样的无偏差采样要求和最大化采样。

2.2)利用最小半径阈值分别对各三角形面片上的初始样本点进行比较，筛选出各三角形面片上的最终样本点，并作为模型点云的数据点，形成模型点云。

实施例三：

本实施例在实施例一的基础上进一步设计在于：本例采用类似于八叉树划分网格的思想来降低最终样本点筛选的时间复杂度，针对三维模型建立体素栅格，体素栅格的边长等于最小阈值半径r，不满足阈值半径条件的初始样本点只可能分布在该栅格或者相邻的栅格内，这样就大大地缩小了筛选范围。判断某一栅格中的初始采样点是否为Poisson-Disk分布的保留点(最终样本点)，只需要查询本身和相邻的方格内的(初始采样点)，如果点距均大于最小阈值半径，则认为此点为最终样本点，可保留。关于两点之间距离的定义，由于三维模型表面存在曲面的情况，两点间最短距离是贴着表面的测地距离，采用最简单的欧式距离进行计算会带来误差，因此本发明采用一种近似的快速计算方法，具体步骤包括：

任选一个初始样本点，分别计算所选初始样本点与其他初始样本点之间的距离，若所选初始样本点与其他初始样本点之间的距离均大于设定的最小半径阈值，则将所选的初始样本点记为最终样本点；

其中，所选初始样本点与其他初始样本点之间的距离采用贴面表面的测地距离，对于初始样本点p

式中，d

重复上述步骤，对每一个初始样本点都进行是否为最终样本点的判断。

实施例四：

本实施例在实施例一的基础上进一步设计在于：本例中利用配准算法将模型点云与实景扫描点云姿态对齐的具体步骤包括：

3.1)对模型点云与实景扫描点云采用Teaser++算法进行模型配准，获取模型点云与实景扫描点云之间的姿态变换矩阵；

3.2)利用姿态变换矩阵将模型点云姿态对齐至实景扫描点云所在坐标系。

实施例五：

本实施例在实施例一、实施例二、实施例三或实施例四的基础上进一步设计在于：本例中根据姿态对齐后的三维模型与实景扫描点云之间的表观差异，渲染出三维模型多余的三角形面片和模型点云中缺失的数据点的具体步骤包括：

4.1)在三维模型中任选一个三角形面片，在该三角形面片内随机获取N个采样点；

4.2)以三维模型中各采样点在实景扫描点云中的对应位置进行领域半径搜索，如能找到邻近点的采样点数目大于αN，α∈[0,1]，则所选取的三角形面片不是多余的三角形面片；如能找到邻近点的采样点数目小于等于αN，则所选取的三角形面片是多余的三角形面片；

4.3)重复步骤4.1)～步骤4.2)，对三维模型中每一个三角形面片判断其是否多余，对多余的三角形面片进行渲染；

4.4)以实景扫描点云的各数据点在三维模型中的对应位置进行领域半径搜索，如找不到近邻点，则认为该数据点为三维模型缺失的数据点，在实景扫描点云中对相应的数据点进行渲染。

实施例六：

本实施例在实施例五的基础上进一步设计在于：本例中根据实景扫描点云中数据点的色彩属性，对三维模型的三角形面片进行赋色修正处理的具体步骤包括：

5.1)在三维模型中任选一个三角形面片，在该三角形面片的角平分线上获取五个采样点，以三维模型中各采样点在实景扫描点云中的对应位置进行领域半径搜索，分别获取每个采样点对应的10个近邻点，以获取的50个近邻点作为集合中的元素，形成近邻点集合E

先根据三角形面片顶点坐标计算三角形面片内心坐标，再在内心与顶点的三条连线中选取最长的一条连线，对该连线上五等分取点，其中，三角形内心坐标计算公式如下：

式中，O为三角形面片的内心坐标；a、b、c分别为三角形面片顶点坐标；l

5.2)将近邻点集合E

其中，筛选出三角形片面内的投影点的具体步骤如下：

获取邻点集合E

式中，a、b、c分别为所选三角形面片的三个顶点；

5.3)计算投影点集合F

5.4)重复步骤5.1)～步骤5.3)，对三维模型中每一个三角形面片进行赋色，完成纹理修正。

实施例七：

本发明的一种变电设备三维模型的表观检核修正装置，三维模型由若干三角形面片组成，表观检核修正装置包括：

实景扫描点云获取模块，用于获取目标变电设备的由若干具有色彩属性的数据点组成的实景扫描点云；

离散化采样模块，用于对目标变电设备的三维模型进行离散化采样，得到由若干数据点组成的模型点云；

姿态对齐模块，用于利用配准算法将模型点云与实景扫描点云姿态对齐，进而使三维模型与实景扫描点云姿态对齐；

表观差异渲染模块，用于根据姿态对齐后的三维模型与实景扫描点云之间的表观差异，渲染出三维模型多余的三角形面片和三维模型中缺失的数据点；

纹理修正模块，用于根据实景扫描点云中数据点的色彩属性，对三维模型的三角形面片进行赋色，完成纹理修正。

实施例八：

一种电子设备，电子设备包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，处理器用于调用并运行存储器中存储的计算机程序执行上述的方法。

一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上的上述方法的步骤。

应用实施例：

本例采用本发明的变电设备三维模型的表观检核修正方法对某变电站中的避雷器进行表观检核修正，该避雷器的三维模型结构示意图如图2(a)所示。表观检核修正方法具体包括如下步骤，

通过三维激光雷达获取避雷器的由若干具有色彩属性的数据点组成的实景扫描点云；本例中获取的是该变电站整体实景扫描点云，再将避雷器的实景扫描点云分割出，分割出的避雷器实景扫描点云示意图如图2(b)所示。

对避雷器的三维模型进行离散化采样，得到由若干数据点组成的模型点云；

利用配准算法将模型点云与实景扫描点云姿态对齐，进而使避雷器三维模型与实景扫描点云姿态对齐，姿态对齐结果如图2(c)所示。

根据姿态对齐后的避雷器三维模型与实景扫描点云之间的表观差异，进行模型差分，渲染出避雷器三维模型多余的三角形面片和三维模型缺失的数据点，图3(a)和图3(b)为两个视角下的模型差分渲染结果。

根据实景扫描点云中数据点的色彩属性，对避雷器三维模型的三角形面片进行赋色，完成纹理修正，避雷器的彩色扫描点云示意图如图4(a)所示，避雷器的无纹理三维模型示意图如图4(b)所示；图4(c)和图4(d)为两个视角下的赋色结果。