黃寶偉，魏國(guó)榮，張 彪

(中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東環(huán)境巖土工程分公司，山東 青島 266071)

天寶測(cè)繪解決方案專欄

三維激光掃描技術(shù)在煉油廠改造中的應(yīng)用

黃寶偉，魏國(guó)榮，張 彪

(中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東環(huán)境巖土工程分公司，山東 青島 266071)

隨著國(guó)內(nèi)外油氣田規(guī)模的不斷擴(kuò)大和產(chǎn)量的不斷增加，部分煉油廠無(wú)論是在功能還是在規(guī)模上都已經(jīng)不能滿足石油煉制的需要，因此需要拆除、更換、新增大量的設(shè)備和工藝管線等。然而，由于煉油廠幾經(jīng)改造，現(xiàn)有的煉油廠圖紙資料并不完整，不能滿足煉油廠改造擴(kuò)建的需要，給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了很大困難。

為了給設(shè)計(jì)工作提供基礎(chǔ)輸入資料并且為后續(xù)的運(yùn)行維護(hù)和管理提供很好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)，需要對(duì)煉油廠進(jìn)行現(xiàn)狀測(cè)量以獲取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和管道的位置關(guān)系及分布情況。常規(guī)測(cè)量方法是采用全站儀或GPS進(jìn)行單點(diǎn)三維坐標(biāo)采集，但是煉廠內(nèi)部設(shè)備和管道錯(cuò)綜復(fù)雜的分布，極易造成測(cè)量盲點(diǎn)，加之廠區(qū)內(nèi)部高壓設(shè)備區(qū)域測(cè)量人員不能到達(dá)等不利因素的影響，使測(cè)量工作十分困難，工作效率低下。三維激光掃描技術(shù)是一種面測(cè)量，點(diǎn)的采集密度大、精度高，且是非接觸測(cè)量，無(wú)需設(shè)置反射棱鏡，因此在人員難以到達(dá)的危險(xiǎn)區(qū)域使用優(yōu)勢(shì)更加明顯，突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方式，以高密度、高分辨率獲取掃描物體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能夠得到完整、全面的三維空間信息，成為一種良好的解決方案。

1 三維激光掃描作業(yè)流程

文中以使用Trimble TX8三維激光掃描儀對(duì)某煉油廠進(jìn)行掃描測(cè)量為例，將獲取的數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入配套軟件Trimble RealWorks中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過(guò)Trimble TX8和Trimble RealWorks的配合，還能夠?qū)胫髁鰿AD格式的數(shù)據(jù)。

1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取之前，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘，根據(jù)廠區(qū)大小、設(shè)備和管道分布情況，設(shè)計(jì)一條合理的掃描路線并確定掃描站點(diǎn)的位置，以保證在掃描儀的有效范圍內(nèi)發(fā)揮其最大功效，避免重復(fù)掃描。同時(shí)需要在掃描區(qū)域布設(shè)目標(biāo)標(biāo)靶(標(biāo)靶紙或標(biāo)靶球)，至少布設(shè)3個(gè)標(biāo)靶，以便于后續(xù)將測(cè)站掃描坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到測(cè)量坐標(biāo)系。

掃描站點(diǎn)和標(biāo)靶布設(shè)完成后，將Trimble TX8三維激光掃描儀架設(shè)在掃描站點(diǎn)上并進(jìn)行整平。安置好儀器后，開機(jī)設(shè)置掃描參數(shù)，設(shè)置完畢后即可進(jìn)行掃描作業(yè)。掃描完成后，可在顯示屏中實(shí)時(shí)查看點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取不理想?yún)^(qū)域或局部復(fù)雜程度比較高的區(qū)域，可調(diào)整局部掃描級(jí)別重新進(jìn)行局部掃描。

1.2 全景照片拍攝及制作

掃描作業(yè)完成后，取下三維激光掃描儀，保持三腳架和基座不動(dòng)，架上相機(jī)云臺(tái)及相機(jī)，然后從垂直于三維激光掃描儀屏幕軸線的方向開始，水平方向每隔60°拍攝一張照片，水平方向共拍攝6張照片，天空方向拍攝1張，地面方向拍攝1張。如果天空方向和地面方向能拍攝到的特征地物比較少，可以調(diào)節(jié)方向多拍幾張照片，以便于后期進(jìn)行全景照片拼接。

利用PTGui軟件將拍攝的全景照片根據(jù)測(cè)站進(jìn)行拼接，即可生成測(cè)站的全景照片，利用全景照片查看器軟件可以瀏覽全景照片。

1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理采用配套軟件Trimble RealWorks進(jìn)行，主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪、點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和成果輸出等。

1.3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪

掃描過(guò)程中外界環(huán)境因素對(duì)掃描目標(biāo)會(huì)造成阻擋和遮掩，如煉油廠掃描過(guò)程中，移動(dòng)的車輛、行人和樹木的遮擋，以及實(shí)體本身的反射特性不均勻等，導(dǎo)致最終獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可能包含不穩(wěn)定點(diǎn)和噪聲點(diǎn)，只有把這些噪聲點(diǎn)去除后，才可以繼續(xù)進(jìn)行其他的操作，有助于后續(xù)建模。這個(gè)過(guò)程稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪或點(diǎn)云的過(guò)濾。

1.3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

應(yīng)用Trimble RealWorks軟件能實(shí)現(xiàn)無(wú)標(biāo)靶點(diǎn)云自動(dòng)拼接，將相聯(lián)系的測(cè)站區(qū)域進(jìn)行拼接。如果拼接誤差較大，可以進(jìn)行手動(dòng)拼接，軟件將自動(dòng)進(jìn)行拼接精度檢查，保證兩站間的拼接精度在1 cm以內(nèi)。依次進(jìn)行相鄰站間的拼接，得到完整的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。圖1所示為拼接后點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.3.3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

由于拼接后點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系為測(cè)站掃描坐標(biāo)系，因此需要將拼接后點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為煉油廠設(shè)計(jì)和施工所用的測(cè)量坐標(biāo)系。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換前，使用全站儀獲得目標(biāo)標(biāo)靶在測(cè)量坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。具體轉(zhuǎn)換步驟如下：

(1) 使用Trimble RealWorks軟件中“配準(zhǔn)”菜單下的“目標(biāo)分析工具”進(jìn)行目標(biāo)標(biāo)靶的選取和重命名，至少需要選取3個(gè)目標(biāo)標(biāo)靶進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。為了方便檢查和驗(yàn)證轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文選取4個(gè)目標(biāo)標(biāo)靶進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。

(2) 應(yīng)用“配準(zhǔn)”菜單下的“大地基準(zhǔn)工具”進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。按照操作步驟，將4個(gè)目標(biāo)標(biāo)靶掃描坐標(biāo)系坐標(biāo)和測(cè)量坐標(biāo)系坐標(biāo)依次輸入后，其下方將顯示平均誤差，平均誤差毫米級(jí)為最佳，最后點(diǎn)擊“應(yīng)用”，點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換完成。

1.3.4 成果輸出

三維激光掃描成果不僅包括測(cè)量坐標(biāo)系下完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果，還包括測(cè)量坐標(biāo)系下三維實(shí)景瀏覽網(wǎng)頁(yè)發(fā)布成果和點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模成果等。

利用Trimble RealWorks軟件自帶的RealColor功能模塊，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)和全景照片進(jìn)行匹配。全部匹配完成之后，利用Scan Explorer功能進(jìn)行三維實(shí)景瀏覽制作。制作完成后，利用IE瀏覽器即可根據(jù)測(cè)站進(jìn)行三維實(shí)景的瀏覽，并可以進(jìn)行任意兩點(diǎn)距離、水平距離、垂直距離量測(cè)，也可以進(jìn)行切片分析等(如圖2所示)。

圖2 三維實(shí)景瀏覽(Scan Explorer)

為了真實(shí)地還原煉油廠掃描目標(biāo)的本來(lái)面目，需要將掃描數(shù)據(jù)用準(zhǔn)確的三維模型表述出來(lái)，這就需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模和紋理貼圖。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式后導(dǎo)入到3ds Max軟件中進(jìn)行三維建模和紋理貼圖。圖3為煉油廠三維建模后局部現(xiàn)狀模型。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差來(lái)源及分析

從誤差理論角度來(lái)說(shuō)，測(cè)量誤差可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。三維激光掃描過(guò)程中，測(cè)量誤差來(lái)源主要有儀器誤差、與目標(biāo)物體反射面有關(guān)的誤差及外界環(huán)境條件。

圖3 煉油廠三維建模后局部現(xiàn)狀模型

(1) 儀器誤差：來(lái)自于儀器本身的性能缺陷，包括激光測(cè)距誤差和掃描角度測(cè)量誤差。

(2) 與目標(biāo)物體反射面有關(guān)的誤差：主要是目標(biāo)物體表面粗糙程度的影響。

(3) 外界環(huán)境條件：主要包括外界環(huán)境的溫度、濕度和氣壓等因素。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的誤差主要有：點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接誤差、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換誤差、三維建模誤差。

(1) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接誤差：在點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接過(guò)程中，由于多站點(diǎn)的掃描，各站獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在一定的偏差，而將其拼接在一起，就會(huì)造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的誤差。Trimble RealWorks軟件點(diǎn)云自動(dòng)拼接功能會(huì)自動(dòng)計(jì)算拼接時(shí)所產(chǎn)生的誤差。

(2) 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換誤差：對(duì)于三維激光掃描系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)，需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)參數(shù)、平移參數(shù)和比例因子的計(jì)算，導(dǎo)致存在坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換誤差。

(3) 三維建模誤差：點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模過(guò)程中，也將會(huì)產(chǎn)生建模誤差。

對(duì)于上述誤差，在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)根據(jù)測(cè)量的目的進(jìn)行約束和控制，以滿足測(cè)量精度要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)成為測(cè)繪領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，但是三維激光掃描儀在油氣田場(chǎng)站、煉油廠等的應(yīng)用還很少，它使我們能夠得到完全真實(shí)的三維現(xiàn)狀模型。依據(jù)該模型，可以以一種全新的模式進(jìn)行場(chǎng)站、煉油廠的改造設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，也為后續(xù)運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和管理提供很好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺(tái)。隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展，將同步采集的高精度點(diǎn)云及高分辨率影像數(shù)據(jù)與地理信息技術(shù)相結(jié)合，這在國(guó)內(nèi)外油氣田開發(fā)和運(yùn)營(yíng)管理中具有廣泛的用途。