基于虚拟透视技术的地下电缆现场展示终端的研究

马进+杨义军+于金亮

摘 要：目前，我国高压电力电缆管理绝大多数依赖于从业人员的经验和对电缆网络的熟悉程度，人员专业素质直接影响到电力电缆的运行维护水平，甚至影响到电网的安全运行。现阶段由于种种原因，部分线路的资料不全，且有关资料精度不高或与现状不符，甚至有的直埋电缆没有路径走向图，工作人员在电缆井内工作时，分不清进出井内的电缆是哪条线路。因此，如何利用科学的技术和管理手段对电力电缆信息迸行有效管理，使电力电缆的管理步入定量化、科学化、自动化、现代化的轨道，己成为电力行业当前十分紧迫的任务。针对以上问题，提出以虚拟现实增强技术、实景地理信息系统、移动定位技术、电缆运行检测技术为基础，建立电力电缆档案管理系统，切实解决当前电力电缆及管沟管理的落后状态，提高电缆管理水平，为电网智能化管理提供技术保障，弥补电缆管理空白，对电缆线路运维提供一手资料。

关键词：电缆管理；虚拟透视；现实增强；三维扫描；数字化全息

本设备将解决电缆线路增线施工、运行维护以下问题：

1、应用三维扫描成像技术进行电缆沟道内部建模，管理人员可以了解沟道内真实电缆布置情况。

2、应用手持机实现地下电缆的模拟显示，“真实看见”地下电缆走向、相别、叠加、燃气与供水等城市管网情况。

3、对电缆进行立体化、多维度管理，台账、图纸资料等信息与三维仿真模型结合地理信息系统对地下电缆实行数字化全息管理。

4、实现沟道作业方案三维仿真，模拟施工进度与开挖施工对周围管网的影响。

5、实现科学化、数字化、直观化的三维全息电缆档案与施工管理。

本设备采用现实增强技术与三维地理信息系统技术相结合，通过三维扫描成像技术构建真实的电缆沟建模。将利用三维扫描成像技术将电缆沟内的情况采集到三维地理信息系统，这与以往使用人工建立虚拟地下电缆不同，三维扫描成像技术可以实现真实的地下电缆仿真。进而结合城市管网数据更加直观、准确的管理地下电缆与进行施工方案制定。通过现实增强技术将地下电缆仿真数据显示在手持设备屏幕上，基于摄像头采集的实时影像叠加，为现场人员提供地下电缆的情况模拟就像为现场人员提供了一双“透视眼”。

本项目采用现实增强技术与三维地理信息系统技术相结合，通过三维扫描成像技术构建真实的电缆沟建模。

本系统将利用三维扫描成像技术将电缆沟内的情况采集到三维地理信息系统，这与以往使用人工建立虚拟地下电缆不同，三维扫描成像技术可以实现真实的地下电缆仿真。进而结合城市管网数据更加直观、准确的管理地下电缆与进行施工方案制定。通过现实增强技术将地下电缆仿真数据显示在手持设备屏幕上，基于摄像头采集的实时影像叠加，为现场人员提供地下电缆的情况模拟就像为现场人员提供了一双“透视眼”。

下面将逐一介绍本设备实现技术理论：

1、现实增强技术

现实增强技术（以下简称AR技术）是虚拟现实技术的一个重要分支，也是近年来的研究热点。现实增强技术，是在虚拟现实技术基础上发展起来的新技术，是通过计算机系统提供的信息增加用户对现实世界感知的技术，并将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中，从而实现对現实的“增强”。AR技术通常是以透过式空间显示系统和注册（AR技术中用户观察点和计算机生成的虚拟物体的定位）系统相结合的形式来实现的。AR技术是一个相对较新的研究领域，是一种利用计算机对使用者所看到的真实世界产生的附加信息进行景象增强或扩张的技术。AR技术不是把真实世界与使用者隔离，而是利用附加的图形或文字信息，对周围真实世界的场景动态地进行增强。在AR环境中，使用者可以在看到周围真实环境的同时，看到计算机产生的增强信息这种增强的信息可以是在真实环境中与真实环境共存的虚拟物体，也可以是关于存在的真实物体的非几何信息。在使用者眼里，真实物体和虚拟物体是共存的，是互相增强或者互为补充的。AR技术是以现实图像为主，而不是完全取代它。可见，AR技术在虚拟现实与真实世界之间架起了一座桥梁，使现场人员可以如同具有了“透视眼”穿透地表，“看见”地下真实的电缆与城市管网布置情况。

2、三维地理信息系统技术

三维地理信息系统技术作为本项目的核心处理平台技术，为系统提供良好、直观的操作交互界面，并利用其强大的分析功能进行电缆沟横、纵两个截面的数据分析提取。视觉是理解空间最有用的感觉，因此三维地理信息系统技术（以下简称三维GIS）在很大程度上也依赖视觉表现提供更为丰富逼真的信息，各种用户结合自己相关的经验与理解就可以做出准确而快速的空间决策。三维可视化能使人们只有抽象概念而难以直接感知的空间现象现实化和直观化，比如剖析地下结构、反演不会重现的历史过程、推演未来发展、仿真复杂的时空现象（洪水淹没、内部污染、事故影响、温度变化）等，由此能获得各种超越现实的空间感知经验。目前，大多数三维GIS的三维能力甚至被认为主要体现在三维可视化功能上，并且是区别于二维GIS最重要的特征之一。突出三维可视化功能的三维GIS在许多场合因此又被称为“虚拟现实GIS”、“三维可视化GIS”等等。三维可视化越来越多地成为GIS的终端表现形式，并且被认为是不同背景的用户进行空间信息交流和视觉分析与空间认知的有效媒介。与传统二维GIS固定的视角或视点观察效果明显不同，当用户把视点放在三维空间里时，不经意的旋转缩放和平移操作往往容易导致方位的迷失感，使得迅速定位产生困难。为了既能享受常规二维GIS地图表示优越的方位感，又能得到三维逼真显示的真实感和沉浸感，多视点的多模态可视化视图表示成为三维GIS最典型的界面特点。三维GIS基于数据库能提供多种形式的交互式三维动态可视化功能，比如，较宏观的飞越漫游能迅速把握整个空间分布包括地形特征和地物布局，较微观的穿行漫游则能准确分辨地形的微小变化和地物的明显特征，而且在运动中能及时更新可见的内容并根据距离远近以不同的细节或尺度进行表现。数据动态装载、图形渐进描绘、多重细节层次和虚拟现实表现等因此成为三维GIS可视化的典型技术特征。

三维地理信息引擎及三维电缆模型库集成，本设备具备依据三维扫描成像数据与电缆拓扑数据进行空间全息投影能力。手持移动应用可现实三维电缆模型展示、台账信息查询、电缆模型与施工方案全息投影等功能，同时手持移动应用具有三维地理信息展示功能，可以在现场直接观察三维电缆模型在地理模型上的状态。

结论

本设备将使电缆线路的日常运维做到可视化、参数化、数字化，大大提高了管理人员对电缆线路的管理水平。同时，在曾设电缆施工作业时，可直观的“看见”地下电缆与城市管网的情况，大大提高了施工安全水平，提升了作业效率。