三維激光掃描技術(shù)在煉油廠改造中的應(yīng)用

黃寶偉，魏國榮，張 彪

(中國石油工程建設(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，魏國榮，張 彪

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

隨著國內(nèi)外油氣田規(guī)模的不斷擴大和產(chǎn)量的不斷增加，部分煉油廠無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建的需要，給設(shè)計工作帶來了很大困難。

為了給設(shè)計工作提供基礎(chǔ)輸入資料并且為后續(xù)的運行維護和管理提供很好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺，需要對煉油廠進行現(xiàn)狀測量以獲取現(xiàn)場設(shè)備和管道的位置關(guān)系及分布情況。常規(guī)測量方法是采用全站儀或GPS進行單點三維坐標采集，但是煉廠內(nèi)部設(shè)備和管道錯綜復(fù)雜的分布，極易造成測量盲點，加之廠區(qū)內(nèi)部高壓設(shè)備區(qū)域測量人員不能到達等不利因素的影響，使測量工作十分困難，工作效率低下。三維激光掃描技術(shù)是一種面測量，點的采集密度大、精度高，且是非接觸測量，無需設(shè)置反射棱鏡，因此在人員難以到達的危險區(qū)域使用優(yōu)勢更加明顯，突破了傳統(tǒng)的單點測量方式，以高密度、高分辨率獲取掃描物體的三維點云數(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某煉油廠進行掃描測量為例，將獲取的數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入配套軟件Trimble RealWorks中進行數(shù)據(jù)處理。通過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 點云數(shù)據(jù)獲取

在進行點云數(shù)據(jù)獲取之前，需要進行現(xiàn)場實地踏勘，根據(jù)廠區(qū)大小、設(shè)備和管道分布情況，設(shè)計一條合理的掃描路線并確定掃描站點的位置，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。同時需要在掃描區(qū)域布設(shè)目標標靶(標靶紙或標靶球)，至少布設(shè)3個標靶，以便于后續(xù)將測站掃描坐標系轉(zhuǎn)換到測量坐標系。

掃描站點和標靶布設(shè)完成后，將Trimble TX8三維激光掃描儀架設(shè)在掃描站點上并進行整平。安置好儀器后，開機設(shè)置掃描參數(shù)，設(shè)置完畢后即可進行掃描作業(yè)。掃描完成后，可在顯示屏中實時查看點云數(shù)據(jù)，對點云數(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)整局部掃描級別重新進行局部掃描。

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，架上相機云臺及相機，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，以便于后期進行全景照片拼接。

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

1.3 點云數(shù)據(jù)處理

點云數(shù)據(jù)處理采用配套軟件Trimble RealWorks進行，主要包括點云數(shù)據(jù)去噪、點云數(shù)據(jù)拼接、坐標系轉(zhuǎn)換和成果輸出等。

1.3.1 點云數(shù)據(jù)去噪

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

1.3.2 點云數(shù)據(jù)拼接

應(yīng)用Trimble RealWorks軟件能實現(xiàn)無標靶點云自動拼接，將相聯(lián)系的測站區(qū)域進行拼接。如果拼接誤差較大，可以進行手動拼接，軟件將自動進行拼接精度檢查，保證兩站間的拼接精度在1 cm以內(nèi)。依次進行相鄰站間的拼接，得到完整的三維點云數(shù)據(jù)。圖1所示為拼接后點云數(shù)據(jù)。

1.3.3 坐標系轉(zhuǎn)換

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

(1) 使用Trimble RealWorks軟件中“配準”菜單下的“目標分析工具”進行目標標靶的選取和重命名，至少需要選取3個目標標靶進行坐標系轉(zhuǎn)換。為了方便檢查和驗證轉(zhuǎn)換結(jié)果的準確性，本文選取4個目標標靶進行坐標系轉(zhuǎn)換。

(2) 應(yīng)用“配準”菜單下的“大地基準工具”進行坐標系轉(zhuǎn)換。按照操作步驟，將4個目標標靶掃描坐標系坐標和測量坐標系坐標依次輸入后，其下方將顯示平均誤差，平均誤差毫米級為最佳，最后點擊“應(yīng)用”，點云數(shù)據(jù)坐標系轉(zhuǎn)換完成。

1.3.4 成果輸出

三維激光掃描成果不僅包括測量坐標系下完整的點云數(shù)據(jù)成果，還包括測量坐標系下三維實景瀏覽網(wǎng)頁發(fā)布成果和點云數(shù)據(jù)建模成果等。

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

圖2 三維實景瀏覽(Scan Explorer)

為了真實地還原煉油廠掃描目標的本來面目，需要將掃描數(shù)據(jù)用準確的三維模型表述出來，這就需要對點云數(shù)據(jù)進行三維建模和紋理貼圖。將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式后導(dǎo)入到3ds Max軟件中進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 點云數(shù)據(jù)的誤差來源及分析

從誤差理論角度來說，測量誤差可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。三維激光掃描過程中，測量誤差來源主要有儀器誤差、與目標物體反射面有關(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：來自于儀器本身的性能缺陷，包括激光測距誤差和掃描角度測量誤差。

(2) 與目標物體反射面有關(guān)的誤差：主要是目標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。

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

(1) 點云數(shù)據(jù)拼接誤差：在點云數(shù)據(jù)拼接過程中，由于多站點的掃描，各站獲取的點云數(shù)據(jù)存在一定的偏差，而將其拼接在一起，就會造成點云數(shù)據(jù)拼接的誤差。Trimble RealWorks軟件點云自動拼接功能會自動計算拼接時所產(chǎn)生的誤差。

(2) 坐標系轉(zhuǎn)換誤差：對于三維激光掃描系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到測量坐標系統(tǒng)，需要進行旋轉(zhuǎn)參數(shù)、平移參數(shù)和比例因子的計算，導(dǎo)致存在坐標系轉(zhuǎn)換誤差。

(3) 三維建模誤差：點云數(shù)據(jù)進行三維建模過程中，也將會產(chǎn)生建模誤差。

對于上述誤差，在生產(chǎn)實際中應(yīng)根據(jù)測量的目的進行約束和控制，以滿足測量精度要求。

3 結(jié) 語

三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)成為測繪領(lǐng)域一個新的研究熱點，但是三維激光掃描儀在油氣田場站、煉油廠等的應(yīng)用還很少，它使我們能夠得到完全真實的三維現(xiàn)狀模型。依據(jù)該模型，可以以一種全新的模式進行場站、煉油廠的改造設(shè)計，為設(shè)計工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，也為后續(xù)運營、維護和管理提供很好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺。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，這在國內(nèi)外油氣田開發(fā)和運營管理中具有廣泛的用途。