三維實景建模在水泥廠改造中的應(yīng)用

蔣惠民，岳彥哲，阮 健，張兵濤，許 可，劉士淵

（洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責任公司，河南 洛陽 471003）

0 引言

近年來，無人機傾斜攝影成為了一些攝影愛好者的新時尚，基于無人機的傾斜攝影測量已經(jīng)成為測繪領(lǐng)域的重要手段[1]。無人機傾斜攝影測量技術(shù)具有靈活且便于攜帶的特點[2]，然而無人機拍攝的照片還可以通過軟件處理生成三維實景模型。隨著建模軟件、計算機工作站等科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，航拍建模技術(shù)也越來越成熟，并逐步取代傳統(tǒng)手工建模[3]?，F(xiàn)在，國內(nèi)外各個廠家均有通過航拍建模軟件。這種基于圖片的建模技術(shù)提供給了非專業(yè)建模人士來構(gòu)建3D模型的工具。用戶不需要很多復(fù)雜的專業(yè)知識，僅僅圍著物體從不同的視角拍攝照片即可，方便快捷。Bentley作為全球基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)提供BIM解決方案的定位，其實景建模軟件是一款能夠通過掃描、拍攝等手段獲得實景模型的專業(yè)應(yīng)用軟件，為將現(xiàn)實的模型轉(zhuǎn)變成為數(shù)字模型提供了解決方案。實景建模軟件的主要特點有：數(shù)據(jù)量小，在算法優(yōu)化后，大約為同類系統(tǒng)的1/4的數(shù)據(jù)量；兼容性強，輸入輸出多種主流格式，如OBJ、3MX、FBX和KML等等[4]；抓取生成的模型進行體積測量。傾斜攝影測量技術(shù)、BIM技術(shù)和GIS均是數(shù)字化城市建設(shè)的核心技術(shù)，是智慧城市建設(shè)的必要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[5]。綜合各方面優(yōu)勢，實景建模具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 項目介紹

作為高耗能、高污染的行業(yè)，資源、能源、環(huán)境等因素嚴重制約著水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[6]。隨著國家對水泥行業(yè)發(fā)展提出的循環(huán)經(jīng)濟方向，走清潔能源生產(chǎn)的道路，各大水泥廠節(jié)能減排改造也提到了日程。余熱發(fā)電成為高耗能企業(yè)節(jié)能減排的重要措施之一[7]。

該項目是某水泥廠升級改造工程，項目業(yè)主為了將水泥生產(chǎn)中浪費的余熱資源充分利用起來，在原有的5000t/d水泥生產(chǎn)線上增加余熱發(fā)電系統(tǒng)。業(yè)主對改造項目要求是整個實施工程不能影響水泥主線的正常生產(chǎn)。項目實施的難點在于總工期短，SP（Suspension Preheater）窯尾鍋爐放置位置空間狹小，設(shè)備、煙道廠區(qū)管線以及施工機械等布置困難，整個設(shè)計和施工都有不小的挑戰(zhàn)。

運用實景建模軟件進行建模技術(shù)符合項目實際需求，在項目設(shè)計之初得到現(xiàn)場的模型有利于方便與業(yè)主交流，也方便了設(shè)計余熱發(fā)電系統(tǒng)過程中與現(xiàn)有水泥生產(chǎn)線接口。

2 設(shè)計流程以及實施

實景建模與余熱發(fā)電的BIM模型結(jié)合的設(shè)計流程，見圖1。

（1）總圖工程師對實際現(xiàn)場用無人機進行航拍或測量部分數(shù)據(jù)，拍攝或測量數(shù)據(jù)的重點放在改造項目與BIM模型的接口處。

（2）將航拍圖片和測量數(shù)據(jù)處理形成實景模型，成為總體設(shè)計模型；

（3）將工程項目的建筑結(jié)構(gòu)模型、工藝設(shè)備模型、給排水模型和電氣模型等總裝成為BIM模型，各個專業(yè)模型進行管線綜合和碰撞檢查，由模型審核人員對模型文件進行優(yōu)化處理。

（4）將優(yōu)化后的工程項目BIM總裝模型參考到實景建模模型，再進行優(yōu)化處理，形成完整的改造后總裝模型。

實施項目前期，公司組織兩名工作人員在項目現(xiàn)場用無人機對整個水泥生產(chǎn)線連續(xù)拍攝，收集整理好實景模型所需的照片文件2萬多張。然后打開實景建模模塊，導入整理好的圖片文件并選擇好處理圖形所需的相關(guān)參數(shù)選項，接下來提交文件。提交的任務(wù)被實景建模模塊自動分解成幾個不同的任務(wù)。等待處理結(jié)束后，形成水泥廠的三維模型。對形成的實景模型修正處理后，得到了如圖2實景模型軸測圖和圖3實景模型頂視圖。

圖2 實景模型軸測圖

圖3 實景模型頂視圖

余熱發(fā)電的主要車間為AQC余熱鍋爐（全稱Air Quenching Cooler）、SP窯尾鍋爐和汽機房。圖4是將設(shè)計好的AQC鍋爐車間總裝模型擺放到實景模型的位置。關(guān)鍵點在AQC鍋爐模型的進口與篦冷機頂部接口是否吻合，并且與其他管線是否有碰撞情況。圖4、5是將余熱發(fā)電系統(tǒng)的AQC鍋爐、SP鍋爐、汽機房和循環(huán)水等等總裝模型與水泥廠實景模型結(jié)合的場景。

圖4 余熱發(fā)電AQC模型在實景模型

圖5 余熱發(fā)電BIM模型在實景模型情況

3 總結(jié)

在該水泥廠升級改造設(shè)計余熱發(fā)電系統(tǒng)中，通過利用四旋翼無人機拍攝的圖片在實景三維建模系統(tǒng)中生成的實景模型，減少了人員勞動強度和提高了工作效率，在初設(shè)中模型的數(shù)字化和可視化方便與業(yè)主交流，在詳細設(shè)計中方便設(shè)計人員與現(xiàn)有的水泥生產(chǎn)線進行碰撞檢查、管線綜合等，規(guī)避風險。實景建模在工程設(shè)計施工中有巨大的應(yīng)用前景。但是該技術(shù)也存在一些問題，大面積實景建模對無人機鏡頭、計算機處理能力等硬件的投入比較高，并且需要人工修復(fù)，合成處理的模型成果精度有待提高。期待下一階段的軟件更新能夠更加方便設(shè)計人員、降低修復(fù)工作時間。