基于激光掃描技術的運行中火電廠快速三維建模研究

賈士軍 王 昆 趙 瑞 康薇薇

國核電力規(guī)劃設計研究院

基于激光掃描技術的運行中火電廠快速三維建模研究

賈士軍 王 昆 趙 瑞 康薇薇

國核電力規(guī)劃設計研究院

利用地面激光掃描儀對運行中火電廠進行掃描試驗并進行三維建模研究。整個實驗經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、點云拼接、點云濾波等內外業(yè)數(shù)據(jù)處理操作，最后基于PolyWorks三維建模軟件，建立了由三角網(wǎng)構成的三維表面模型，再通過人工優(yōu)化最終得到部分構筑物的精細三維模型。

激光掃描技術；點云數(shù)據(jù)；電廠；三維建模

1 引言

隨著“數(shù)字地球”概念的出現(xiàn)及其技術的發(fā)展，精確數(shù)字化三維模型的優(yōu)點已越來越突出，同樣建立火電廠數(shù)字化三維模型的優(yōu)點也是不言而喻的，它不僅能為電廠竣工提供全面的設計質量檢查，還能為火電廠的日常運行維護，后期擴建乃至改造提供準確的數(shù)據(jù)依據(jù)。而火電廠中的建筑物、管道等物體很多是由復雜曲面和線條組成，其結構較為復雜，所處工作環(huán)境危險，因此，利用傳統(tǒng)單點測量方法已不能滿足龐大的數(shù)據(jù)采集工作，如何快速、精確的獲取火電廠三維建模的基礎數(shù)據(jù)成為重大的技術難點。

隨著激光掃描技術這一新型測量技術的產(chǎn)生，它可以在不接觸物體的情況下，連續(xù)、快速地獲取物體表面的三維坐標信息，目前已有學者在文物保護、變形監(jiān)測、管線測量、電網(wǎng)工程等領域進行了深入研究[1-5]。本文將該技術引入運行中火電廠，探討了如何利用三維激光掃描技術獲取空間數(shù)據(jù)并建立相應三維模型的過程。

2 技術介紹

三維激光掃描儀是繼全球定位系統(tǒng)后近代測量領域的又一場技術革命[6]。它主要是利用激光測距原理，密集地采集目標物體表面的三維坐標、反射率和紋理信息，對空間進行真實的三維記錄，獲得點云數(shù)據(jù)。根據(jù)掃描儀搭載方式的不同分為手持式、地面、車載以及機載等。

該技術采用非接觸式的高速激光測量方式來獲取目標物體的點云數(shù)據(jù)，通過后處理軟件的分析、處理并完成三維建模。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式相比，三維激光掃描技術具有非接觸性、數(shù)字化程度高、采集信息量大等特點[7]。具體應用于三維建模領域的優(yōu)勢在于：掃描速度快，每秒可達上百萬點；高精度、高密度掃描，單點精度可達毫米級；全景化的掃描，更加靈活同時更適合復雜的測量環(huán)境，效率高；儀器一體化集成， 方便操作及攜帶。

3 依托工程介紹

本文依托工程為某國有發(fā)電集團所屬火電廠，該電廠規(guī)劃裝機容量為4×600MW，一期工程已安裝2×600MW國產(chǎn)亞臨界燃煤機組并投入運行，二期2×600MW國產(chǎn)超臨界燃煤機組為擴建工程。該電廠廠內建筑物、管線、高塔較多，且多為不規(guī)則物體，并且廠區(qū)內環(huán)境復雜，電線電纜縱橫交錯，使用常規(guī)測量方法很難完成電廠一期的三維建模，如何獲取運行中火電廠的三維模型對二期電廠合理設計起到至關重要的作用。

4 解決方案

應用地面三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)的過程大致分為計劃制定、外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內業(yè)數(shù)據(jù)處理三部分。計劃制定主要指根據(jù)掃描對象的不同和精度要求設計一條合理的掃描路線、確定恰當?shù)牟蓸用芏?、大致確定掃描儀至掃描物體的距離、設站數(shù)、設站位置等；外業(yè)工作主要是數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場分析數(shù)據(jù)是否滿足要求并及時補測；內業(yè)數(shù)據(jù)處理是最重要也是工作量最大的環(huán)節(jié)，主要包括數(shù)據(jù)拼接、坐標轉換、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)分類、地物建模等。其大致流程如下[8]：

制定工作計劃，主要工作有確定采樣密度、掃描路線設計、確定設站數(shù)及設站位置。外業(yè)工作，即進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。內業(yè)數(shù)據(jù)處理，主要工作有點云拼接、點云濾波和三維建模。

4.1 數(shù)據(jù)采集

我們利用RIEGL公司生產(chǎn)的VZ-400型地面激光掃描儀對該電廠一期廠區(qū)內建筑物、管線等進行了全方位的立體掃描。VZ-400型地面激光掃描儀采用脈沖式掃描，具有全波形回波技術和實時全波形數(shù)字化處理和分析技術，掃描距離可達500米，單點測距精度在100米處可達到±0.5mm，同時設備搭載NIKOND300型專業(yè)單反相機進行同步高清照片拍攝，以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理時提取紋理色彩對點云和三維模型進行著色。對于建立智能化電廠三維模型，在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時，不能一味追求過高的點密度，這不僅會增加數(shù)據(jù)采集的時間，更大大加大內業(yè)處理的難度，從而不能真實體現(xiàn)三維激光掃描儀在快速測量方面的優(yōu)勢，因此必須對測量數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理。

另外常用的數(shù)據(jù)采集方式有直接設站法、配合全站儀和配合GPS采集法[9]。第一種方法得到的數(shù)據(jù)是在假定坐標系下，而后兩種方法可以轉換到真實坐標系下，同時不同采集方式也決定了點云拼接將采用不同的方法。這里我們僅為建立三維模型，因此選擇了第一種方法。外業(yè)數(shù)據(jù)采集主要包括數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場分析采集到的數(shù)據(jù)是否大致符合要求、進行初步的質量分析和控制等。激光掃描工作流程具體如下：

數(shù)據(jù)掃描之前，需要布設反射標靶。反射標靶的擺放不能在同一條直線上，不能有線性關系；并且保證兩兩掃描站點之間最少有3個共同的反射標靶。架設三腳架，使得三腳架粗平，將儀器放置在腳架上。接通儀器和電腦，開啟地面激光掃描儀。打開掃描軟件，設置網(wǎng)絡連接參數(shù)，使得電腦與儀器連接。連接成功之后，新建工程，在該工程中新建掃描站點，直接設置掃描分辨率、距離、掃描范圍，開始掃描。掃描完成之后，在點云數(shù)據(jù)中提取反射標靶，在RiSCANPRO中，反射標靶一般為紅色的點，選擇合適的反射標靶，對反射標靶進行精掃，同時需要保證兩站之間的公共反射標靶最少是3個，且其不在同一直線上。然后查看掃描結果，如若數(shù)據(jù)的完整性、精度等各方面都符合要求則完成該次掃描，不符合則需要對目標進行重新掃描或者是補掃。關閉儀器，拔出電源線及電腦連接線。然后將儀器搬至下一站。重復上面步驟。完成所有的數(shù)據(jù)掃描，整理好儀器，將所有的東西都歸位之后，撤離掃描區(qū)域。

根據(jù)掃描距離與點密度的關系以及電廠三維模型建立的精度要求，我們在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時，共測了10站，站間距離不大于50m。掃描完畢，總共獲取點云數(shù)據(jù)量約20G。

4.2 點云拼接

點云拼接就是求得各測站間參考坐標系的轉換關系，使之統(tǒng)一到一個坐標系下，這是地面激光掃描儀前期數(shù)據(jù)預處理的關鍵技術，將直接影響后期成果的精度。

根據(jù)數(shù)據(jù)采集方式的不同，點云拼接方式主要有標靶拼接、坐標拼接和點云拼接。前兩種方式的拼接精度較高，理想狀態(tài)可達±2mm，而第三種方式需要人工選取拼接點，因而會造成拼接誤差加大。針對火電廠廠區(qū)內建筑物結構復雜，多為不規(guī)則物體的特點，在數(shù)據(jù)采集時提前設定了標靶，因此這里利用RIEGL公司隨機軟件RiSCAN中的公共點拼接法進行火電廠點云數(shù)據(jù)的拼接。

4.3 數(shù)據(jù)濾波

在三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)過程中，由于儀器本身誤差以及外界環(huán)境的干擾，采集到的點云數(shù)據(jù)會包含一些不屬于目標地物的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)就是噪聲點，比如植被、車輛的遮擋等。這些噪聲點的存在將影響后期建模的過程，不僅會增加數(shù)據(jù)處理的時間，更會影響建模精度，因此需采用數(shù)據(jù)濾波的方法進行剔除噪聲的操作。對于明顯的孤立點或突起點，可采用手動剔除。本次數(shù)據(jù)處理是在RISCAN軟件上采用手動剔除及數(shù)據(jù)濾波方式完成。

4.4 三維建模

地面三維激光掃描儀采集得到的點云數(shù)據(jù)是由全離散的矢量距離點構成，沒有任何明顯的形體信息和拓撲關系信息，不能直觀表達。因此，需用點、多邊形、曲線、曲面等形式將立體模型描述出來，構成模型，即三維建模。

通過三維建模軟件，分階段對點云數(shù)據(jù)進行建模，建立火電廠三維數(shù)據(jù)模型庫，為建立火電廠數(shù)字化管理系統(tǒng)做好準備。這里我們選取兩個代表性構筑物對其進行了精細建模，具體實施過程為：應用PolyWorks建模軟件，采用Delaunay三角化建模方法，快速獲得目標對象的三角網(wǎng)絡模型，然后通過一定的人工干預，對建筑物三角網(wǎng)進行修正、優(yōu)化，最終得到相應的三維模型[10]。

由于在數(shù)據(jù)濾波剔除相應噪聲點后可能出現(xiàn)空洞，這樣在建模時會導致黑洞，造成與實際構筑物不符，因此需要進行空洞修補，當空洞出現(xiàn)在平面內時，可采用線性插值方法；當空洞出現(xiàn)在非平面區(qū)域時，采用二次曲面插值法或B樣條曲線方法[11]?；赑olyWorks軟件，這里采用基于空洞大小自動修補法和復合貝塞爾曲面方法修補法。

5 結論

試驗表明，應用激光掃描技術可以快速、有效地實現(xiàn)構筑物的三維建模，建模精度較高，完整性好，解決了傳統(tǒng)測量方法建模周期長、效率低以及在特殊環(huán)境下的不足。另外，在數(shù)據(jù)采集時可同時獲取構筑物的影像信息，實現(xiàn)模型的紋理貼合，使三維模型表達更真實、直觀。該方法推廣至整個電廠，可以建立電廠的三維模型庫，實現(xiàn)數(shù)字化電廠管理，從而為電廠的改擴建工程以及運行、維護提供有力的數(shù)據(jù)支持。

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Fast3DModelingoftheWorkingPowerPlantBasedonLaserScanningTechnology

JIAShijun，WANGKun，ZHAORui，KANGWeiwei

(StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchInstitute，SurveyBranch，Beijing100095)

The3D(three-dimensional)laserscannercanbeusedtoscanthe workingpowerplantandobtainpointcloud.Inthisexperiment，thepointcloudsh ouldbeprocessedwiththemethodofacquisition，mosaicandfilteringetc.Basedon the3DmodelingsoftwarePolyworks，triangularmesheswerebuilttogenerateathr ee-dimensionalsurfacemodel.Finallythefine3Dmodelsofsomestructureswered evelopedaftermanualoptimization.

Laserscanningtechnology；Pointcloud；Powerplant；3Dmodeling