2024年4月10日发(作者：)

一种变电站基建 BIM模型全景漫游的实

现方法

摘要：变电站的规模越来越大，造成普通的监控方式已经不能满足日渐复杂

的变电站线路，因此需要设计一种变电站基建BIM模型全景漫游的实现方法。首

先采集了变电站基站全景图像，配置了基建场景，然后基于BIM模型设计图像拼

接算法，从而实现了全景漫游。实验结果表明，设计的全景漫游实现方法工作量

小，工作效率高，有一定的应用价值。

关键词：变电站；BIM模型；全景漫游；基建场景

中图分类号:G40-057文献标识码:A

0 引言

电力系统随着经济发展越来越复杂，复杂的设备仅靠人工监控十分困难，

因此相关研究人员提出了变电站仿真监控

2]

。利用计算机来提取变电站中复杂的

设备信息

3]

，实现实时监控，经过不断地优化，目前已经提出了很多种变电站全

景漫游方法，其中，使用较多的就是基于WebGL的全景漫游系统

4]

，但随着使用

次数增多，经过调查发现这种方法消耗的人力资源大，漫游效率低

5]

。建筑信息

模型（Building Information Modeling,BIM）是指含有变电站基建信息的虚拟

3D模型，不仅包含变电站本身的信息，也包括整合与变电站基建相关的链接信息

与建筑营建施工的生命周期相关的信息，且可链接至项目规划设计、施工、营运

以及维护至拆除的信息。因此本文将该模型引入变电站基建监控中，设计了新的

全景漫游实现方法。

1 基于BIM模型的全景漫游设计方法

1.1 采集变电站基站全景图像

[

[

[

[

[1]

根据全景漫游建设要求

6]

，采集变电站全景图像，变电站内全景采集拍摄使

用佳能IXUS 105相机和普通相机三脚架。为避免取景器图像失真，在三脚架定

位后，相机与设备之间的最小距离应在1.5m~2 m

7]

。不仅如此，还需要确保三脚

架呈水平状态，以此保证拍摄后所有的图像都可以按照360°圆柱体旋转拼接。

拍摄过程中，单视点需要旋转多次保证拼接效果，除此之外，捕获的图像必须至

少具有50%相同视角的内容。即相邻两张照片的重叠率至少为50%，才能保证拼

接效果。远景(离相机较远的物体)和近景(离相机较近的物体)有不同的重叠率

8]

，

一般来说，远景的重复率应该更高，因此在拼接特写照片时应该降低重复率，相

机取景旋转示意图如图1所示。

[

[

[

图1 相机取景旋转示意图

由图1可知，在取景过程中，视点之间的距离不应太近或太远，通常选取相

机取景半径之间的距离。选择视点后，可以旋转取景器。在实际取景和拍摄过程

中，由于部分基建场景内人员巡视距离太近，并且设备间距也太近，无法完成旋

转取景。拍照后使用友立COOL 360合成全景图片，考虑到合成过程中拍摄角度

的不同，导致图片与图片之间的亮度存在较大差异，此时可以使用Ulead COOL

360调整色调、饱和度、对比度等参数。

1.2 配置基建场景

基建场景配置是根据实际的位置关系重新排列基建场景模型。确定的模型位

置信息会被保存在配置文件中，应用在实际操作中。本文方法中主要设置了两种

装配体，即透视基建场景装配体和导航界面装配体。视点基建场景过程涉及设备

模型的构建，用户可以从系统界面的基建场景菜单中选择透视基建场景功能，并

设置信号与每个控件对应的事件响应。当视点基建场景和导航界面被点击时，响

应机制会发送一个信号响应。

成功获取模型文件的路径后，即可读取模型，在程序处理中，首先需要读取

节点文件，然后通过字符串提取的方式获取文件名，并在文件名中赋予节点名称，

同时，将节点名称添加到系统的模型名称数组中，作为响应鼠标点击和转换的决

策标准存储，接下来需要在模型节点中添加缩放设备，同时在reposition节点

中添加缩放节点，完成模型的移动、缩放、旋转等动作。位置变换节点的主要作

用是存储节点的位置信息，当模型节点的位置调整时，可以通过位置变换节点获

取模型节点的所有位置信息。视点模型完成后，可以根据视点模型的位置调整设

备模型的位置，调整时，首先需要加载透明设备模型，其次重新定位模型，输入

设备模型信息，最后保存所有配置信息，通过缩放设备模型调整模型大小。设备

模型位置需要利用装配界面模拟漫游时的视角状态确定，一旦确定了设备模型的

位置，就可以输入设备型号信息，并将其保存到配置文件中。

1.3基于BIM模型设计图像拼接算法

BIM模型可以反映变电站各个装置信息，将这些信息提取融合即可设计图像

拼接算法，随机截取BIM模型中的设备信息片段，此时截取图片的像素为

1280*854。由于是随机采集的图片，不能排除光线的差异和噪声的干扰，因此需

要预处理该图像，将图像几何校正并去噪，然后配准图像。

图像预处理选取的方法是Harris边缘检测，先检测两幅图像边缘，确定每

幅图像中边缘点的个数，然后利用图像匹配算法(Normalized Cross

Correlation,NCC)得到特征点，再进行特征点匹配。在匹配过程中会出现某些不

一致的情况可以用RANSAC消除，消除后使用图像融合算法无缝拼接图像。基于

此设计的图像拼接算法如公式（1）所示。

（1）

公式（1）中，SSD代表图像拼接角点值，

X

、

Y

代表拼接坐标， 、 拼接

系数，

N

代表阈值，该算法的具体思想是找到待拼接图像之间的角点，然后确定

特征点并构造一组点，然后计算每个角点的SSD值，并找到SSD值最小的点，完

成图像拼接。

1.4 实现全景漫游

图像拼接算法设计完毕后，根据基建场景构图将采集到的图像拼接，即可实

现全景漫游，在开启漫游之前，需要预先进行检测。首先检测此时基建场景匹配

的文件是否存在，然后检测读取过程，最后标记匹配节点，读取节点的文本信息。

系统读取模型的位置信息时需要匹配节点logo，节点logo包含位置、方向、

缩放三组信息，根据这些节点依次获取位置信息，获取信息后通过完整的matrix

矩阵变换信息，然后赋值给Viewpoint基建场景的模型节点，保证模型在加载前

处在指定位置上。自定义节点操纵器类的一个特点是可以指定要漫游的节点位置。

视点基建场景是圆柱模型，因此可以完成360°全景漫游，此时的全景漫游是围

绕视点基建场景移动实现的。同时，基建场景移动也限制了流动站的视野，此时

存在最小和最大观看距离，必须保证用户的视角不会从单个视点中弹出才能确保

漫游顺畅无阻。

基建场景漫游器还可以覆盖鼠标控制键来控制鼠标移动，可以通过左右移动

鼠标来调整视角，如果移动后上下方向视角转换受到了限制，可以使用鼠标中键

调整视角大小，也可以通过上下移动鼠标右键调整观看距离。为了实现平滑的视

点过渡，系统定义了多种过渡方法，包括导航鼠标控制和键盘控制。键盘控制上

的W、S、A、D，4个键可分别控制向前、向后、向左、向右视点的转换。同时，

为了保证漫游体验，程序设置了过渡后的视点方向，使视点的方向与后视点的移

动方向一致。导航界面基于原有导航点的位置信息，增加了当前视角的提示，指

示用户当前的视角状态，并可随视角变化而变化，方便用户实时查看和转换方向。

同时，文本信息提示部分使用osgText存储，导航模型、文本信息、视点过渡控

制器都使用OSG的投影相机来实现，这种方式保证了界面中的模型不与系统视点

模型发生冲突，同时能够响应鼠标点击控件。

2 实验

为了检测本文设计的方法能否实现变电站基站的全景漫游，且其工作量是否

低于基于WebGL的校园全景漫游系统，进行实验，如下所示。

2.1 实验准备

在实际的基建场景中，变电站内每个对象都具有重力、摩擦力等基本的物理

属性，因此需要将这些属性加入到变电站全景漫游模型中，加入后，能够在很大

程度上使虚拟基建场景与现实情境相近。为了使设计更加精简，不需要对变电站

中的每一个模型设置物体属性，只有行为对象和Be Objects对象有这种需求，

因此在测试前需要进行属性预处理。

本文实验选取Virtools作为处理平台，通过BB模块来赋予对象各种属性，

包含障碍物模块、地板模块、碰撞模块等等，且物体的属性可以通过参数调整。

不仅如此，还需要检测其碰撞属性，当导线由于发生意外事件而断裂时，拥有了

重力属性的导线会呈现出垂落状态，此时的障碍物模块可以避免设备之间重叠，

通过对象的属性设置可以使虚拟变电站的基建场景与现实基建场景更加相似。

2.2 实验结果与讨论

以上文设置好的平台为基础，使用本文设计的方法和基于WebGL的校园全景

漫游系统进行变电站可视化建模，比较三维建模的工作量，实验结果如表1所示。

表1 实验结果

模型分类

本文设计

的方法工作时

长（人/h）

基于

WebGL的校园

全景漫游系统

工作时长（人

/h）

天空盒

3

15

保护室

6

15

变压器

17

85

刀闸

14

85

开关

15

65

视点场景

模型

10

65

透明设备

模型

16

50

由表1可知，本文设计的基于BIM模型的全景漫游的实现方法的各项工作量

均小于基于WebGL的校园全景漫游系统，因此本文设计的方法工作效率高。

3 结束语

基于BIM模型构建的全景漫游方法可以解决传统的图像全景漫游工作效率低

的问题，因此在变电站监控管理中，可以利用全景漫游来增加监控管理的效率，

减少人力资源的浪费，对实现变电站的全景漫游对实现变电站自动化管理有重要

意义，由于本文设计的全景漫游方法检测的时间有限，可能存在一定的误差，需

要在后续的使用中不断优化。

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