點(diǎn)云數(shù)據(jù)在海上平臺(tái)設(shè)備三維數(shù)字化重建中的應(yīng)用

劉 崢，吳 巍，高 陽

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)研發(fā)中心，天津 300452）

0 引言

海上油氣田作為離岸設(shè)施，在生產(chǎn)運(yùn)營過程中存在現(xiàn)場(chǎng)支援成本高、運(yùn)維時(shí)效較低、海上與陸地方案溝通困難、數(shù)據(jù)傳輸通道有限、原工程模型完整性不足等問題，對(duì)三維數(shù)字引擎提出了特殊的要求。為有效克服傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式的弊端，本文創(chuàng)新性的將三維激光掃描與無人機(jī)航拍技術(shù)相互融合，并以此為基礎(chǔ)開展了海上平臺(tái)三維數(shù)字化重建的應(yīng)用研究。

1 無人機(jī)技術(shù)與三維激光掃描數(shù)據(jù)采集技術(shù)

對(duì)客觀物體的描述通常包含有外形、紋理等信息，對(duì)于其空間信息的表達(dá)主要包括圖像、點(diǎn)云兩種模式[1]。由于二維圖像信息無法進(jìn)行多角度分析，因此人們對(duì)三維空間信息有著迫切的需求。無人機(jī)航拍以及三維激光掃描是獲取空間數(shù)據(jù)的主要手段，是三維數(shù)字建模的重要基礎(chǔ)，也是高精度空間數(shù)據(jù)模擬的重要方式。

1.1 無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)采集技術(shù)

無人機(jī)航拍技術(shù)能夠快速獲取高分辨率的影像數(shù)據(jù)，具有輕便靈活、響應(yīng)快速等優(yōu)勢(shì)。通過搭載高精度的傳感器可以實(shí)時(shí)精確獲取高分辨率的影像數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)建模的精度。從成本上來看，無人機(jī)耗費(fèi)少，其控制系統(tǒng)可以按照既定航線自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，能夠確保采集人員的人身安全。

根據(jù)無人機(jī)飛行原理和動(dòng)力系統(tǒng)的差異，可以將其劃分為固定翼無人機(jī)、旋翼無人機(jī)以及撲翼式無人機(jī)，不同搭載平臺(tái)各有優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際中需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的無人機(jī)。航測(cè)系統(tǒng)是無人機(jī)采集的核心，由飛控系統(tǒng)及地控系統(tǒng)兩部分組成。其中，飛行控制系統(tǒng)包括GPS、傳感器、中央處理器等，能夠?qū)︻A(yù)設(shè)采集參數(shù)做出快速響應(yīng)；地面控制系統(tǒng)能夠進(jìn)行航線規(guī)劃，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛行狀態(tài)和任務(wù)進(jìn)程。

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，需要根據(jù)規(guī)范布設(shè)一定數(shù)量的控制點(diǎn)，這直接關(guān)系著后續(xù)成圖建模的精度。根據(jù)精度的不同，其布設(shè)方案分為全域布點(diǎn)以及局部布點(diǎn)兩大類，前者精度較高但是作業(yè)量大，多用于地形條件理想且測(cè)區(qū)范圍小的情況。目前常用的布點(diǎn)方案有基于航帶的布點(diǎn)方式以及區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方法。隨著GPS快速動(dòng)態(tài)單點(diǎn)精度的提升，其被越來越多的應(yīng)用到攝影測(cè)量像控點(diǎn)的聯(lián)測(cè)中，實(shí)際應(yīng)用顯示該方法的精度和效率較高。影像數(shù)據(jù)處理主要包括工程建立、空中三角測(cè)量、點(diǎn)云編輯等，在處理前重點(diǎn)檢查航線拼接效果，以及是否存在坐標(biāo)參數(shù)問題等。空中三角測(cè)量可以在不接觸測(cè)量目標(biāo)的前提下對(duì)平臺(tái)設(shè)備進(jìn)行測(cè)定，能夠獲取精度分布均勻的測(cè)量結(jié)果?？罩腥菧y(cè)量后，加密點(diǎn)云自動(dòng)生成DTM（Digital Terrain Model，數(shù)字地面模型）。

1.2 三維激光掃描數(shù)據(jù)采集技術(shù)

為滿足海上平臺(tái)三維建模的精度要求，采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)視角范圍內(nèi)的空間曲面進(jìn)行采集，經(jīng)處理后可以獲取平臺(tái)區(qū)域完整的空間信息。與GPS、全站儀等設(shè)備相比，三維激光掃描儀每秒可以獲取數(shù)萬個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，采集效率更高。三維激光掃描是無接觸式的數(shù)據(jù)采集方式，不受測(cè)量空間的束縛，適合平臺(tái)危險(xiǎn)區(qū)域、條件復(fù)雜場(chǎng)所的數(shù)據(jù)采集，能夠保障測(cè)量人員的人設(shè)安全。除此以外，該采集方式能夠高效地獲取設(shè)備細(xì)節(jié)信息，比如材料、紋理等，點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)拼接處理后可隨意分割[2]。

三維激光掃描系統(tǒng)將點(diǎn)激光投射到三維空間，通過計(jì)算軸心到空間某點(diǎn)的距離，使得激光源旋轉(zhuǎn)并得到平臺(tái)設(shè)備目標(biāo)表面的線激光，進(jìn)而計(jì)算得到垂直、水平方向的掃描角度和距離信息。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及三維重建技術(shù)

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)航拍和三維激光掃描采集獲取的信息數(shù)量龐大，且較多為冗余信息，為提升三維建模的精度和效率，需要進(jìn)行點(diǎn)云精簡(jiǎn)、分類、降噪等處理工作。此外，兩種采集方式獲取的數(shù)據(jù)采用了不同的坐標(biāo)系，需要將兩者數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)一，方便數(shù)據(jù)的整體利用[3]。

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)噪聲去除。數(shù)據(jù)采集過程中，受平臺(tái)設(shè)備運(yùn)行以及儀器振動(dòng)等因素的影響，使測(cè)量數(shù)據(jù)存在噪聲。點(diǎn)云數(shù)據(jù)噪聲的存在，會(huì)影響平臺(tái)設(shè)備信息的提取，進(jìn)而對(duì)平臺(tái)三維模型的構(gòu)建產(chǎn)生負(fù)面影響，并可能造成模型表面粗糙。雙邊濾波算法是將三維數(shù)據(jù)降維到二維平面，即將原始數(shù)據(jù)向參考平面做正射投影，并將投影點(diǎn)間的歐式距離定義為灰度值。將投影點(diǎn)定義為像素值，對(duì)二維影像數(shù)據(jù)進(jìn)行雙邊濾波，通過迭代降噪獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)。但雙邊濾波降噪方式容易將設(shè)備形狀的復(fù)雜細(xì)節(jié)部分變得平滑，影響設(shè)備的真實(shí)特征。

應(yīng)用魯棒降噪算法可以去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的小尺度噪點(diǎn)，該算法以搜尋到的局部極大值為聚類中心，以此為基礎(chǔ)，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析。對(duì)比傳統(tǒng)的降噪方法，魯棒降噪算法能夠更好地獲取海上平臺(tái)設(shè)備原始模型的數(shù)據(jù)，通過選擇合適的閾值去除噪聲信息。在聚類過程中，多選擇內(nèi)在收斂性較好的Mean-Shift 算法，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的局部最大似然值歸為同一類，并進(jìn)行局部濾波。對(duì)于離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)，多采用拉普拉斯算法進(jìn)行降噪，該方法能夠?qū)⒏哳l噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)散處理，具有各向同性、速度快等優(yōu)勢(shì)，但是在處理過程中會(huì)導(dǎo)致有效數(shù)據(jù)向密集處偏移，導(dǎo)致平臺(tái)設(shè)備模型表面變形。針對(duì)該方面的弊端，可以采用基于平均曲率的網(wǎng)格模型降噪方法，即沿著法向、切向兩個(gè)方向?qū)旤c(diǎn)信息進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而有效規(guī)避模型表面的變形。

降噪過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下3 點(diǎn)：①保證平臺(tái)設(shè)備模型表面不變形；②預(yù)處理點(diǎn)與所選鄰域點(diǎn)相同，噪聲去除效率高；③魯棒性好，確保數(shù)據(jù)降噪后不會(huì)產(chǎn)生二次噪聲。采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次魯棒降噪后，噪聲得到了有效剔除，平臺(tái)設(shè)備的細(xì)節(jié)特征也得到了較好的保留。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)冗余信息去除。實(shí)際應(yīng)用中點(diǎn)云數(shù)據(jù)量數(shù)以億計(jì)，基于該數(shù)據(jù)規(guī)模開展平臺(tái)設(shè)備三維模型重建，將會(huì)給計(jì)算機(jī)軟、硬件帶來極大的負(fù)擔(dān)[4-5]。為此，在滿足平臺(tái)設(shè)備模型重建幾何特征的前提下，對(duì)冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)處理，盡可能地用最小的采樣點(diǎn)、最大程度地展示海上平臺(tái)設(shè)備的幾何結(jié)構(gòu)特征。

當(dāng)前常用的精簡(jiǎn)方法有包圍盒法、基于曲率的精簡(jiǎn)法、隨機(jī)采樣法等。包圍盒法以目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)為中心構(gòu)建最小外接立方體，對(duì)大立方體進(jìn)行分割，該方法對(duì)于平臺(tái)設(shè)備表面相對(duì)簡(jiǎn)單且變化均勻的模型具有較好的精簡(jiǎn)效果。對(duì)于表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的平臺(tái)設(shè)備模型需要應(yīng)用基于曲率的精簡(jiǎn)法，該方法針對(duì)單點(diǎn)構(gòu)建鄰域并進(jìn)行曲面擬合，依據(jù)曲面方程計(jì)算曲率并進(jìn)行點(diǎn)云精簡(jiǎn)。隨機(jī)采樣法則是構(gòu)建隨機(jī)函數(shù)，并將計(jì)算出的采樣點(diǎn)從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中刪除，直至滿足最終的精簡(jiǎn)率。當(dāng)面對(duì)數(shù)據(jù)量較大的情況時(shí)，該方法精簡(jiǎn)后的數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確體現(xiàn)平臺(tái)設(shè)備表面的細(xì)節(jié)特征，導(dǎo)致設(shè)備三維建模精度不夠。

考慮到海上平臺(tái)設(shè)備的復(fù)雜性，將研究區(qū)域劃分為曲率無明顯變化區(qū)域、變化較小區(qū)域以及變化較大區(qū)域三部分，其中對(duì)于曲無明顯變化的平臺(tái)區(qū)域選擇隨機(jī)采樣法，對(duì)于變化較小的平臺(tái)區(qū)域選擇包圍盒法，而曲率變化較大的區(qū)域則應(yīng)用基于曲率的精簡(jiǎn)法。以曲率變化較小的區(qū)域?yàn)槔?，基于包圍盒法設(shè)置空間距離為5 cm，將點(diǎn)云從15 223 個(gè)精簡(jiǎn)至7805 個(gè)，精簡(jiǎn)后擬合的三角網(wǎng)無顯著變化，可以看出該方法在達(dá)到精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)量的同時(shí)，最大程度上保留了平臺(tái)設(shè)備的原始表面特征。

（3）點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接。對(duì)于不同采集方式獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，源于不同的傳感器，這些數(shù)據(jù)能夠從不同的角度表征設(shè)備的表面特征。無人機(jī)航拍和三維激光掃描兩種數(shù)據(jù)采集方法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，二者融合應(yīng)用能夠高精度的獲取平臺(tái)設(shè)備整體以及細(xì)節(jié)信息。無人機(jī)航拍采集方式對(duì)應(yīng)像控點(diǎn)坐標(biāo)系，三維激光掃描儀對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)站坐標(biāo)系。為保證后續(xù)三維模型重建的效率，在采集過程中利用基準(zhǔn)站配準(zhǔn)方法將激光掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到整個(gè)工區(qū)的坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的統(tǒng)一，完成多源點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接操作。

2.2 三維模型重建

平臺(tái)設(shè)備三維模型重建時(shí)，特征點(diǎn)識(shí)別與重建與點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析密切相關(guān)。為此，需要對(duì)降噪、精簡(jiǎn)、拼接后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，以提升三維模型重建的效率和自動(dòng)化程度。通過定義起始點(diǎn)和鄰域大小的方式，擬合曲面將平臺(tái)地面點(diǎn)數(shù)據(jù)從中分離，其余的數(shù)據(jù)點(diǎn)集合為平臺(tái)設(shè)備面點(diǎn)。

對(duì)于平臺(tái)大范圍場(chǎng)景的模型重建來說，利用無人機(jī)航拍獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建三角網(wǎng)，使其盡可能接近平臺(tái)整體模型的表面，在此基礎(chǔ)上對(duì)三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，獲得平臺(tái)設(shè)備的外形輪廓，通過精細(xì)編輯獲取設(shè)備的線框模型并封裝成面。對(duì)整體模型的三維重建來說，需要將不規(guī)則的離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則化處理。目前常用擬合三角網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)三維模型的精確表達(dá)。為了避免點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝模型中包含錯(cuò)誤信息，需要將三角網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為多邊形。

對(duì)于海上平臺(tái)設(shè)備設(shè)施來說，其重建方式包括自下而上的數(shù)據(jù)搭建以及自上而下的模型搭建兩種。其中前者多為傳感器采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通常情況下通過精細(xì)編輯可構(gòu)建最終的設(shè)備三維模型；后者則是以預(yù)先設(shè)計(jì)的平臺(tái)整體基本單元為基礎(chǔ)，利用采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)與設(shè)備模型的最優(yōu)匹配，最終完成建筑物的重建。與模型搭建方法相比，基于數(shù)據(jù)的重建方法對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量的依賴性較高，如果有效數(shù)據(jù)缺失較多，則難以提取高質(zhì)量的特征線，進(jìn)而影響建模的進(jìn)程。為此，本次研究將兩種建模方式相結(jié)合，通過優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)提升了平臺(tái)設(shè)備三維模型的建模精度?；诙嘣雌唇犹幚淼狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建完整的平臺(tái)設(shè)備表面信息，通過對(duì)平臺(tái)設(shè)備進(jìn)行特征提取，并導(dǎo)入3ds max 進(jìn)行模型仿真，對(duì)于特征細(xì)節(jié)提取效果不佳的部分可采用模型搭建的方式對(duì)局部細(xì)節(jié)進(jìn)行重構(gòu)，應(yīng)用外業(yè)采集的照片進(jìn)行校正勻色和紋理貼圖，最終得到理想的三維模型。以渤海油田為例，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及三維重建的海上平臺(tái)設(shè)施設(shè)備數(shù)字化仿真效果如圖1 所示。

圖1 海上平臺(tái)三維重建仿真效果

3 結(jié)束語

在海上油田數(shù)字化建設(shè)的過程中，為了提升平臺(tái)設(shè)備三維建模的精度，本文利用無人機(jī)航拍以及三維激光掃描等方式獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、精簡(jiǎn)、合并，并結(jié)合大場(chǎng)景三維重建的方法，實(shí)現(xiàn)了海上平臺(tái)設(shè)備的三維構(gòu)建，有效提升了建模工作的效率和精度。