基于三維激光掃描技術(shù)的石化企業(yè)管線三維建模及其碰撞檢測研究

胡春梅，王延亮，夏國芳

（1.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢430079;2.黑龍江工程學(xué)院測繪與GIS工程技術(shù)研究所，黑龍江哈爾濱150050;3.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計院有限公司，北京100007）

一、引 言

石化企業(yè)是由廠房、管線、儀器和設(shè)備構(gòu)成的一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)。為了滿足不斷增長的產(chǎn)品需求和技術(shù)改造，石化企業(yè)需要進行更新和改擴建。但是，由于工廠、設(shè)備和管道經(jīng)過多年的使用都會有一定程度的變形，這樣就給改擴建的設(shè)計帶來了一定困難。如果設(shè)計與現(xiàn)實的情況出現(xiàn)碰撞就會帶來很大的經(jīng)濟損失。為了滿足改擴建設(shè)計的需求，對現(xiàn)有大型設(shè)施的三維建模就成了改擴建設(shè)計的重要內(nèi)容。

三維激光掃描技術(shù)是一種實景再現(xiàn)技術(shù)，可以建立三維模型，制作正射影像圖、立面圖、平面圖和剖面圖等，其實景再現(xiàn)功能得到了古建筑和古文物及文化保護遺址等很多行業(yè)的青睞［1-4］。在本項目中，把三維激光掃描技術(shù)用于石化企業(yè)的改擴建工程，通過對石化企業(yè)的管線進行掃描、拼接，生成完整的三維點云模型，再重建其三維模型。改擴建設(shè)計時，可以把改擴建三維設(shè)計與重建的三維模型相結(jié)合起來，進行碰撞檢測，準確無誤地完成三維設(shè)計任務(wù)。

本文中應(yīng)用的數(shù)據(jù)來源于某石化企業(yè)的一處比較復(fù)雜的管網(wǎng)。該公司要對該處管網(wǎng)作改擴建處理，為了保證設(shè)計和施工的準確性，需要用現(xiàn)狀三維模型進行比較設(shè)計。用三維激光掃描儀進行掃描，通過數(shù)據(jù)處理生成了完整的點云模型，再建立三維模型和三維表面模型。最后設(shè)計人員應(yīng)用重建的三維模型，在三維環(huán)境下完成了碰撞檢驗和改造設(shè)計。

二、管線的三維重建

1.管線的三維數(shù)據(jù)獲取

一般石化企業(yè)的管線都在地表以上，比如煉油廠、乙烯廠、化肥廠等，并且廠內(nèi)的管線被架在離地面幾米甚至十幾米的地方，這樣給掃描儀設(shè)站點的選取都帶來了一定的困難。為了滿足三維重建的精度，確保管線數(shù)據(jù)完整，所以要在地面和高處同時設(shè)置掃描站點，對于復(fù)雜的多層管網(wǎng)，還要在多層管線架間設(shè)站掃描［5］。在掃描站間要設(shè)置標(biāo)靶作為控制點，并且保證兩站之間的公共標(biāo)靶達到4個以上，以滿足平差的需要;同時，標(biāo)靶要盡可能選擇在掃描區(qū)域的四周并且盡量通視的地方;如果需要納入當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，在掃描前可以先對其掃描區(qū)域進行控制測量，來完成聯(lián)測工作。在外業(yè)采集數(shù)據(jù)前，對掃描區(qū)域進行了資料調(diào)研和實地考察，以保證數(shù)據(jù)拼接和三維建模的質(zhì)量。

本文掃描的管網(wǎng)距離地面的距離大概10 m，掃描儀器是Leica Scanstaion2。為了保證數(shù)據(jù)完整性，共設(shè)置了7站，每站設(shè)置了5個標(biāo)靶點，并且保證站與站之間至少有4對標(biāo)靶點通視。為了提高掃描效率，掃描時應(yīng)用了方向定位的快速掃描，且掃描精度按經(jīng)驗設(shè)置為1 cm，每站掃描時間約為20 min，結(jié)果如圖1所示。

圖1 掃描后的點云模型

2.數(shù)據(jù)去噪

激光掃描儀記錄了掃描距離內(nèi)所有物體的表面三維數(shù)據(jù)，這同時也增大了數(shù)據(jù)的冗余，會影響點云數(shù)據(jù)整體匹配的效率。為此，用C#編寫了處理程序，過濾掉指定范圍外的點云數(shù)據(jù)，得到所需的管線點云數(shù)據(jù)，且不影響匹配的結(jié)果。石化企業(yè)的管線在復(fù)雜的地方成網(wǎng)狀，管網(wǎng)掃描數(shù)據(jù)的噪音相對比較大，所以還要對掃描得到的單站數(shù)據(jù)進行內(nèi)部去噪處理。對于一些明顯的噪音點用相應(yīng)的點云處理軟件進行處理，對于不能手動刪除的噪音點要通過其他的逆向工程軟件進行去噪。對去除噪音點的數(shù)據(jù)進行拼接可以提高整體的拼接精度，從而提高了建模的精度。露天管網(wǎng)是鋪設(shè)在多層鋼架上的，所以在建模前還要去除這些鋼架，以便進行建模和碰撞檢測。

三、管線的三維重建

1.管線數(shù)據(jù)的分割

去噪后的點云基本上只剩下管線數(shù)據(jù)，對于復(fù)雜管網(wǎng)，還要對數(shù)據(jù)按單一管線進行分割。在分割前要對管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)進行調(diào)查或者按原設(shè)計圖紙查請各條管線的走向，提高數(shù)據(jù)分割的效率。應(yīng)用點云處理軟件Cyclone分割出每根管線，完成對單根管線進行分離建模。對多次彎曲的復(fù)雜管線，要進行多次提取才能得到完整的模型。

2.管線建模

在去噪和管線分割后，應(yīng)用三維數(shù)據(jù)處理和建模的軟件對管網(wǎng)進行建模。管線的建模主要包括直管和彎管兩種。當(dāng)點云模型比較全的時候可以對一個完整的管線直接建模，不論是直管還是彎管可以一次性建模，這是一種比較理想的狀態(tài)。對于點云不夠完整的管線，要進行分步建模。一般方法是先對直管進行建模，然后在建立兩個直管間的彎管連接。如果直管的數(shù)據(jù)不足以建立模型，還可以把相鄰?fù)軓降闹惫苣Ｐ瓦M行拷貝，通過平移和旋轉(zhuǎn)變化加載到相應(yīng)的位置，然后在進行彎管連接。若缺少數(shù)據(jù)點導(dǎo)致不能確定待建模管線的基本參數(shù)(如管徑或彎管的半徑)，可根據(jù)現(xiàn)有點云確定管線的方向，再應(yīng)用軟件的管線建模模具就可以準確地生成管線模型(如圖2所示)。

圖2 建模后的三維管網(wǎng)(局部)

四、碰撞檢測系統(tǒng)

1.管線的三維重建模型和改擴建設(shè)計模型的可視化

三維環(huán)境要搭載三維可視化平臺，用VC++6.0在OpenGL開發(fā)了一些模塊，應(yīng)用OpenGL的雙緩沖技術(shù)和實時渲染技術(shù)，實現(xiàn)了點云和三維管線模型的可視化。

管線的可視化分直管和彎管兩個部分。直管的可視化途徑為:根據(jù)管線的三維模型，可以得到每根直管的起終點三維坐標(biāo)、管徑、直管的方向向量，通過計算得到起終兩個截圓面上的n個點，然后生成多個矩形面來逼近圓柱面，最后用OpenGL的雙緩沖技術(shù)和實時渲染技術(shù)繪制出三維直管。彎管的可視化與直管的過程相似，只是從三維重建的模型中除了可以知道直管的信息外，還可以得到彎管的曲率及其半徑、彎曲處的圓心、彎管三角面片定點坐標(biāo)［6］。在OpenGL環(huán)境下，應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，就可以實現(xiàn)三維重建模型和改擴建設(shè)計模型的可視化。當(dāng)然，還要用OpenGL實現(xiàn)對模型的旋轉(zhuǎn)，縮放和平移等基本的操作［7-8］，以便于對碰撞模型的觀察。

2.三維坐標(biāo)拾取功能

當(dāng)檢測出改擴建模型與三維重建模型有碰撞的時候，需要對其進行量化，量測出碰撞的程度，然后對碰撞的地方進行修改設(shè)計，為此設(shè)計了三維拾取點坐標(biāo)的功能。這個功能的原理是鼠標(biāo)點擊屏幕點后，把屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成三維坐標(biāo)，這時在三維空間中生成一條射線。在視口所示的三維空間可以視為一個平截頭體，這條射線與其遠近截平面有兩個交點，兩個交點生成一條直線，檢測所有模型是否與這條直線相交，如果相交，取與起始點最近的點作為交點。通過直線與面相交公式，求出屏幕點擊處的三維坐標(biāo)。通過這個理論，實現(xiàn)了對模型三維坐標(biāo)的拾取功能。

3.碰撞檢測系統(tǒng)

本文研制的碰撞檢測系統(tǒng)有三維模型數(shù)據(jù)的讀取功能，顯示功能，放大、縮小、平移等基本功能，三維坐標(biāo)拾取功能，以及量測結(jié)果的輸出等功能。把改擴建設(shè)計數(shù)據(jù)和重建的三維模型數(shù)據(jù)應(yīng)用該系統(tǒng)進行三維可視化，即可以得到碰撞檢測的結(jié)果［9-10］。應(yīng)用碰撞檢測系統(tǒng)，可以檢測出出現(xiàn)碰撞的地方。可以把整體的設(shè)計模型與重建的三維模型進行碰撞檢測，也可以對懷疑程度比較大的地方那個進行單獨的碰撞檢測。在有碰撞的地方通過三維坐標(biāo)拾取功能，量化出碰撞的大小，然后對改擴建設(shè)計進行修改，直到滿足設(shè)計要求為止［11］。圖3是碰撞檢測的一個實例。深色是三維重建模型，淺色是改擴建設(shè)計的模型，在可視化系統(tǒng)中，出現(xiàn)了碰撞的情況。設(shè)計人員通過三維拾取功能得到三維數(shù)據(jù)，可修改設(shè)計(如圖3所示)。

圖3 碰撞檢測實例

五、結(jié)束語

本文主要討論了兩個問題:一是利用三維掃描技術(shù)實現(xiàn)石油化工企業(yè)管道的三維重建;第二是根據(jù)石油化工企業(yè)改擴建工程的需求，設(shè)計了交互式的碰撞檢測系統(tǒng)。本文的研究結(jié)果不僅能用于石油化工等企業(yè)的改擴建(應(yīng)用碰撞檢測系統(tǒng)修改設(shè)計)，也可將掃描建模與設(shè)計模型相比，通過碰撞檢測，用于各種大型工業(yè)設(shè)備、交通設(shè)施的沉降和變形分析。

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