三維激光掃描儀在巖洞儲(chǔ)油工程施工中的應(yīng)用

萬(wàn)華營(yíng)

摘 要：為了加強(qiáng)國(guó)內(nèi)石油安全，應(yīng)對(duì)突發(fā)事件，我國(guó)于2003年正式啟動(dòng)建立石油儲(chǔ)備體系。地下洞庫(kù)因具有投資少、環(huán)保和安全性高等優(yōu)勢(shì)被視作儲(chǔ)存油品的最好形式。隨著地下儲(chǔ)庫(kù)建設(shè)項(xiàng)目的展開(kāi)，對(duì)地下洞庫(kù)容積的測(cè)量顯得尤為重要。目前，我國(guó)儲(chǔ)油洞穴的容積測(cè)量方法研究仍處于起步階段，國(guó)內(nèi)尚未制定洞庫(kù)儲(chǔ)油容積的檢定規(guī)程。而在地下儲(chǔ)庫(kù)設(shè)計(jì)建設(shè)中，洞庫(kù)的穩(wěn)定性、建設(shè)成本等問(wèn)題，是工程的關(guān)鍵點(diǎn)。該文通過(guò)探索可行的計(jì)量方法，服務(wù)保障國(guó)家重大工程，同時(shí)為國(guó)防工程提供技術(shù)支撐，可以帶來(lái)可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀 巖洞儲(chǔ)油 工程施工

中圖分類(lèi)號(hào)：TB938.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）03（c）-0029-02

1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)又叫實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是一種通過(guò)高速激光掃描來(lái)獲取被探測(cè)物體的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的高新技術(shù)，該技術(shù)具有高效率、高精度等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為測(cè)繪領(lǐng)域中繼GPS空間定位系統(tǒng)之后的又一項(xiàng)新突破。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以在大面積高密度空間內(nèi)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集，并且具有不接觸性、主動(dòng)性、高精度性和自動(dòng)化性等特點(diǎn)，打破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量，在國(guó)內(nèi)引起越來(lái)越多科研人員的關(guān)注，并廣泛應(yīng)用到社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。

2 三維激光掃描技術(shù)測(cè)量流程

三維激光掃描技術(shù)的測(cè)量流程主要包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理部分。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

（1）在采集數(shù)據(jù)工作開(kāi)展之前，首先應(yīng)當(dāng)做好測(cè)量人員的安全教育工作，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)火和電進(jìn)行嚴(yán)格管理，對(duì)所用設(shè)備進(jìn)行全面檢查，確保設(shè)備運(yùn)行良好。

（2）準(zhǔn)備工作做好之后，根據(jù)數(shù)據(jù)采集規(guī)劃，在設(shè)定的位置上擺放標(biāo)靶和三腳架，三腳架要求穩(wěn)固，三維激光掃描設(shè)備安放好后根據(jù)儀器基座的氣泡情況進(jìn)行調(diào)整。

（3）設(shè)置合適的分辨率和點(diǎn)云質(zhì)量，同時(shí)為了避免闖入的人員、車(chē)輛對(duì)測(cè)量造成干擾，應(yīng)當(dāng)在掃描過(guò)程中設(shè)置禁區(qū)。

（4）對(duì)于被測(cè)區(qū)內(nèi)少部分起伏較大或者離儀器距離較遠(yuǎn)的洞壁，或者前一次掃描精度設(shè)置的較低時(shí)，可以對(duì)被測(cè)物局部進(jìn)行二次精細(xì)掃描，即框選標(biāo)靶，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云精確，從而保證對(duì)洞壁起伏等較復(fù)雜區(qū)域的測(cè)繪精度。

（5）在一個(gè)站點(diǎn)的掃描工作完成之后，依照數(shù)據(jù)采集規(guī)劃將儀器移至下一個(gè)站點(diǎn)，重復(fù)上述掃描過(guò)程，最終完成對(duì)整個(gè)被測(cè)物的掃描測(cè)量和數(shù)據(jù)采集。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

2.2.1 自動(dòng)配準(zhǔn)

點(diǎn)云自動(dòng)初始配準(zhǔn)可以縮小點(diǎn)云之間的旋轉(zhuǎn)平移錯(cuò)位，每個(gè)點(diǎn)云圖像在空間上都存在一個(gè)主方向，由計(jì)算點(diǎn)云所有點(diǎn)的特征向量得到，而根據(jù)特征向量又可以得到與主方向垂直的兩個(gè)次方向。因而可以根據(jù)這種關(guān)系建立一個(gè)以點(diǎn)云中心為原點(diǎn)，以主方向和兩個(gè)次方向?yàn)樽鴺?biāo)軸的參考坐標(biāo)系，這樣，對(duì)于相似度較大的兩幅點(diǎn)云圖像，通過(guò)兩個(gè)參考坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)可以達(dá)到一致，從而縮小點(diǎn)云錯(cuò)位，達(dá)到初始配準(zhǔn)的目的。

在完成初始配準(zhǔn)后，對(duì)多幅點(diǎn)云圖像進(jìn)行精確點(diǎn)云自動(dòng)配準(zhǔn)。ICP算法是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的點(diǎn)云配準(zhǔn)算法，但該算法計(jì)算效率不高，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，不適用于海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)配準(zhǔn)。改進(jìn)后的ICP算法，根據(jù)點(diǎn)的曲線(xiàn)率特征在目標(biāo)點(diǎn)云中尋找特征點(diǎn)，再利用k-tree法來(lái)尋找這些特征點(diǎn)在參考點(diǎn)云中的最近點(diǎn)，從而達(dá)到減少配準(zhǔn)時(shí)間，提高配準(zhǔn)效率的作用。其詳細(xì)算法流程如圖1所示。

然而，改進(jìn)后的ICP算法經(jīng)過(guò)公司現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn)，對(duì)點(diǎn)云的適應(yīng)性還存在問(wèn)題，采集的樣本中僅有1/5的點(diǎn)云數(shù)據(jù)完成了自動(dòng)配準(zhǔn)拼接。該方法在理論上可行，但仍需要通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，逐步完善算法，目前還無(wú)法在工程中有效應(yīng)用。

2.2.2 配準(zhǔn)拼接

所謂點(diǎn)云配準(zhǔn)或者拼接，是指三維掃描測(cè)量過(guò)程中，每次掃描得到的數(shù)據(jù)都是在當(dāng)前測(cè)量站點(diǎn)為原點(diǎn)在儀器內(nèi)部所建立的獨(dú)立坐標(biāo)系，為了獲得完整的測(cè)量信息，需要從不同的站點(diǎn)進(jìn)行掃描，特殊地形的部位后期還會(huì)進(jìn)行部位再次精準(zhǔn)掃描。因而所得到的數(shù)據(jù)需要通過(guò)三個(gè)及三個(gè)以上的同名靶標(biāo)作為公共控制點(diǎn)對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一。點(diǎn)云配準(zhǔn)拼接包括兩部分，即標(biāo)靶中心提取和點(diǎn)云拼接。

標(biāo)靶中心提取：打開(kāi)單站點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在點(diǎn)云處理界面上對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行識(shí)別和標(biāo)定，并給每個(gè)標(biāo)靶進(jìn)行編號(hào)，提取標(biāo)靶的幾何中心。在對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行編號(hào)時(shí)，相同靶標(biāo)在不同的測(cè)量站點(diǎn)坐標(biāo)系中的標(biāo)號(hào)要保持一致，以便確保拼接的準(zhǔn)確性。

點(diǎn)云拼接：在掃描測(cè)量過(guò)程中，往往得到的只是被測(cè)物單側(cè)面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為了從多方位來(lái)測(cè)量被探測(cè)物，獲得其完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要將多個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)根據(jù)標(biāo)靶的編號(hào)等進(jìn)行拼接，不同站點(diǎn)所測(cè)得的同一標(biāo)靶標(biāo)號(hào)一樣，因而拼接后同一標(biāo)號(hào)的坐標(biāo)點(diǎn)為同一點(diǎn)，拼接后則可以獲得多方位立體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息。

3 洞庫(kù)容積的計(jì)算

對(duì)儲(chǔ)油洞庫(kù)總?cè)莘e的計(jì)算，需要先獲得洞庫(kù)容積與洞庫(kù)高度之間的關(guān)系，這個(gè)可以從異形單元體積在高度方向上的積分得到。例如，人工挖掘的典型儲(chǔ)油洞庫(kù)，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求，洞庫(kù)的水平面應(yīng)近似矩形，縱部剖面是直墻圓拱式的斷面。從積分的思想出發(fā)，可以將洞庫(kù)分割為若干個(gè)小棱臺(tái)，小棱臺(tái)的橫截面積采用三角形面積計(jì)算方法獲得，則儲(chǔ)油洞庫(kù)的容積為若干個(gè)小棱臺(tái)體積的疊加。

首先將切片點(diǎn)云投影至XOY平面，進(jìn)行平差排重，確定邊界點(diǎn)云的重心坐標(biāo)；計(jì)算剖面中各點(diǎn)到重心的極坐標(biāo)角度并按照方位角度對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行排序；然后對(duì)有序點(diǎn)云進(jìn)行濾波、精簡(jiǎn)。相鄰兩點(diǎn)與重心組成一個(gè)三角形，計(jì)算該三角形面積，最后將所有三角形面積累加得到橫剖面面積。根據(jù)棱臺(tái)上下表面面積和棱臺(tái)高度計(jì)算小棱臺(tái)體積，將所有小棱柱體積疊加得到總體積。

4 結(jié)語(yǔ)

該文主要論述了采用先進(jìn)的三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行洞庫(kù)勘測(cè)、容積計(jì)量的基本方法和作業(yè)程序。并根據(jù)實(shí)際檢驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云預(yù)處理、容積計(jì)算方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。得到的基本結(jié)論是上述方法比現(xiàn)行的計(jì)量方法簡(jiǎn)單、高效、成本低廉，且計(jì)量精度能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的積累、完善必將帶來(lái)巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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