基于三維激光掃描技術(shù)的石化企業(yè)管線三維建模及其碰撞檢測(cè)研究

胡春梅，王延亮，夏國(guó)芳

（1.武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430079;2.黑龍江工程學(xué)院測(cè)繪與GIS工程技術(shù)研究所，黑龍江哈爾濱150050;3.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京100007）

一、引 言

石化企業(yè)是由廠房、管線、儀器和設(shè)備構(gòu)成的一個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)。為了滿足不斷增長(zhǎng)的產(chǎn)品需求和技術(shù)改造，石化企業(yè)需要進(jìn)行更新和改擴(kuò)建。但是，由于工廠、設(shè)備和管道經(jīng)過多年的使用都會(huì)有一定程度的變形，這樣就給改擴(kuò)建的設(shè)計(jì)帶來了一定困難。如果設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)的情況出現(xiàn)碰撞就會(huì)帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失。為了滿足改擴(kuò)建設(shè)計(jì)的需求，對(duì)現(xiàn)有大型設(shè)施的三維建模就成了改擴(kuò)建設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

三維激光掃描技術(shù)是一種實(shí)景再現(xiàn)技術(shù)，可以建立三維模型，制作正射影像圖、立面圖、平面圖和剖面圖等，其實(shí)景再現(xiàn)功能得到了古建筑和古文物及文化保護(hù)遺址等很多行業(yè)的青睞［1-4］。在本項(xiàng)目中，把三維激光掃描技術(shù)用于石化企業(yè)的改擴(kuò)建工程，通過對(duì)石化企業(yè)的管線進(jìn)行掃描、拼接，生成完整的三維點(diǎn)云模型，再重建其三維模型。改擴(kuò)建設(shè)計(jì)時(shí)，可以把改擴(kuò)建三維設(shè)計(jì)與重建的三維模型相結(jié)合起來，進(jìn)行碰撞檢測(cè)，準(zhǔn)確無誤地完成三維設(shè)計(jì)任務(wù)。

本文中應(yīng)用的數(shù)據(jù)來源于某石化企業(yè)的一處比較復(fù)雜的管網(wǎng)。該公司要對(duì)該處管網(wǎng)作改擴(kuò)建處理，為了保證設(shè)計(jì)和施工的準(zhǔn)確性，需要用現(xiàn)狀三維模型進(jìn)行比較設(shè)計(jì)。用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描，通過數(shù)據(jù)處理生成了完整的點(diǎn)云模型，再建立三維模型和三維表面模型。最后設(shè)計(jì)人員應(yīng)用重建的三維模型，在三維環(huán)境下完成了碰撞檢驗(yàn)和改造設(shè)計(jì)。

二、管線的三維重建

1.管線的三維數(shù)據(jù)獲取

一般石化企業(yè)的管線都在地表以上，比如煉油廠、乙烯廠、化肥廠等，并且廠內(nèi)的管線被架在離地面幾米甚至十幾米的地方，這樣給掃描儀設(shè)站點(diǎn)的選取都帶來了一定的困難。為了滿足三維重建的精度，確保管線數(shù)據(jù)完整，所以要在地面和高處同時(shí)設(shè)置掃描站點(diǎn)，對(duì)于復(fù)雜的多層管網(wǎng)，還要在多層管線架間設(shè)站掃描［5］。在掃描站間要設(shè)置標(biāo)靶作為控制點(diǎn)，并且保證兩站之間的公共標(biāo)靶達(dá)到4個(gè)以上，以滿足平差的需要;同時(shí)，標(biāo)靶要盡可能選擇在掃描區(qū)域的四周并且盡量通視的地方;如果需要納入當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，在掃描前可以先對(duì)其掃描區(qū)域進(jìn)行控制測(cè)量，來完成聯(lián)測(cè)工作。在外業(yè)采集數(shù)據(jù)前，對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行了資料調(diào)研和實(shí)地考察，以保證數(shù)據(jù)拼接和三維建模的質(zhì)量。

本文掃描的管網(wǎng)距離地面的距離大概10 m，掃描儀器是Leica Scanstaion2。為了保證數(shù)據(jù)完整性，共設(shè)置了7站，每站設(shè)置了5個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)，并且保證站與站之間至少有4對(duì)標(biāo)靶點(diǎn)通視。為了提高掃描效率，掃描時(shí)應(yīng)用了方向定位的快速掃描，且掃描精度按經(jīng)驗(yàn)設(shè)置為1 cm，每站掃描時(shí)間約為20 min，結(jié)果如圖1所示。

圖1 掃描后的點(diǎn)云模型

2.數(shù)據(jù)去噪

激光掃描儀記錄了掃描距離內(nèi)所有物體的表面三維數(shù)據(jù)，這同時(shí)也增大了數(shù)據(jù)的冗余，會(huì)影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)整體匹配的效率。為此，用C#編寫了處理程序，過濾掉指定范圍外的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到所需的管線點(diǎn)云數(shù)據(jù)，且不影響匹配的結(jié)果。石化企業(yè)的管線在復(fù)雜的地方成網(wǎng)狀，管網(wǎng)掃描數(shù)據(jù)的噪音相對(duì)比較大，所以還要對(duì)掃描得到的單站數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部去噪處理。對(duì)于一些明顯的噪音點(diǎn)用相應(yīng)的點(diǎn)云處理軟件進(jìn)行處理，對(duì)于不能手動(dòng)刪除的噪音點(diǎn)要通過其他的逆向工程軟件進(jìn)行去噪。對(duì)去除噪音點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接可以提高整體的拼接精度，從而提高了建模的精度。露天管網(wǎng)是鋪設(shè)在多層鋼架上的，所以在建模前還要去除這些鋼架，以便進(jìn)行建模和碰撞檢測(cè)。

三、管線的三維重建

1.管線數(shù)據(jù)的分割

去噪后的點(diǎn)云基本上只剩下管線數(shù)據(jù)，對(duì)于復(fù)雜管網(wǎng)，還要對(duì)數(shù)據(jù)按單一管線進(jìn)行分割。在分割前要對(duì)管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查或者按原設(shè)計(jì)圖紙查請(qǐng)各條管線的走向，提高數(shù)據(jù)分割的效率。應(yīng)用點(diǎn)云處理軟件Cyclone分割出每根管線，完成對(duì)單根管線進(jìn)行分離建模。對(duì)多次彎曲的復(fù)雜管線，要進(jìn)行多次提取才能得到完整的模型。

2.管線建模

在去噪和管線分割后，應(yīng)用三維數(shù)據(jù)處理和建模的軟件對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行建模。管線的建模主要包括直管和彎管兩種。當(dāng)點(diǎn)云模型比較全的時(shí)候可以對(duì)一個(gè)完整的管線直接建模，不論是直管還是彎管可以一次性建模，這是一種比較理想的狀態(tài)。對(duì)于點(diǎn)云不夠完整的管線，要進(jìn)行分步建模。一般方法是先對(duì)直管進(jìn)行建模，然后在建立兩個(gè)直管間的彎管連接。如果直管的數(shù)據(jù)不足以建立模型，還可以把相鄰?fù)軓降闹惫苣Ｐ瓦M(jìn)行拷貝，通過平移和旋轉(zhuǎn)變化加載到相應(yīng)的位置，然后在進(jìn)行彎管連接。若缺少數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)致不能確定待建模管線的基本參數(shù)(如管徑或彎管的半徑)，可根據(jù)現(xiàn)有點(diǎn)云確定管線的方向，再應(yīng)用軟件的管線建模模具就可以準(zhǔn)確地生成管線模型(如圖2所示)。

圖2 建模后的三維管網(wǎng)(局部)

四、碰撞檢測(cè)系統(tǒng)

1.管線的三維重建模型和改擴(kuò)建設(shè)計(jì)模型的可視化

三維環(huán)境要搭載三維可視化平臺(tái)，用VC++6.0在OpenGL開發(fā)了一些模塊，應(yīng)用OpenGL的雙緩沖技術(shù)和實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)云和三維管線模型的可視化。

管線的可視化分直管和彎管兩個(gè)部分。直管的可視化途徑為:根據(jù)管線的三維模型，可以得到每根直管的起終點(diǎn)三維坐標(biāo)、管徑、直管的方向向量，通過計(jì)算得到起終兩個(gè)截圓面上的n個(gè)點(diǎn)，然后生成多個(gè)矩形面來逼近圓柱面，最后用OpenGL的雙緩沖技術(shù)和實(shí)時(shí)渲染技術(shù)繪制出三維直管。彎管的可視化與直管的過程相似，只是從三維重建的模型中除了可以知道直管的信息外，還可以得到彎管的曲率及其半徑、彎曲處的圓心、彎管三角面片定點(diǎn)坐標(biāo)［6］。在OpenGL環(huán)境下，應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)三維重建模型和改擴(kuò)建設(shè)計(jì)模型的可視化。當(dāng)然，還要用OpenGL實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的旋轉(zhuǎn)，縮放和平移等基本的操作［7-8］，以便于對(duì)碰撞模型的觀察。

2.三維坐標(biāo)拾取功能

當(dāng)檢測(cè)出改擴(kuò)建模型與三維重建模型有碰撞的時(shí)候，需要對(duì)其進(jìn)行量化，量測(cè)出碰撞的程度，然后對(duì)碰撞的地方進(jìn)行修改設(shè)計(jì)，為此設(shè)計(jì)了三維拾取點(diǎn)坐標(biāo)的功能。這個(gè)功能的原理是鼠標(biāo)點(diǎn)擊屏幕點(diǎn)后，把屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成三維坐標(biāo)，這時(shí)在三維空間中生成一條射線。在視口所示的三維空間可以視為一個(gè)平截頭體，這條射線與其遠(yuǎn)近截平面有兩個(gè)交點(diǎn)，兩個(gè)交點(diǎn)生成一條直線，檢測(cè)所有模型是否與這條直線相交，如果相交，取與起始點(diǎn)最近的點(diǎn)作為交點(diǎn)。通過直線與面相交公式，求出屏幕點(diǎn)擊處的三維坐標(biāo)。通過這個(gè)理論，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型三維坐標(biāo)的拾取功能。

3.碰撞檢測(cè)系統(tǒng)

本文研制的碰撞檢測(cè)系統(tǒng)有三維模型數(shù)據(jù)的讀取功能，顯示功能，放大、縮小、平移等基本功能，三維坐標(biāo)拾取功能，以及量測(cè)結(jié)果的輸出等功能。把改擴(kuò)建設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和重建的三維模型數(shù)據(jù)應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行三維可視化，即可以得到碰撞檢測(cè)的結(jié)果［9-10］。應(yīng)用碰撞檢測(cè)系統(tǒng)，可以檢測(cè)出出現(xiàn)碰撞的地方。可以把整體的設(shè)計(jì)模型與重建的三維模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)，也可以對(duì)懷疑程度比較大的地方那個(gè)進(jìn)行單獨(dú)的碰撞檢測(cè)。在有碰撞的地方通過三維坐標(biāo)拾取功能，量化出碰撞的大小，然后對(duì)改擴(kuò)建設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，直到滿足設(shè)計(jì)要求為止［11］。圖3是碰撞檢測(cè)的一個(gè)實(shí)例。深色是三維重建模型，淺色是改擴(kuò)建設(shè)計(jì)的模型，在可視化系統(tǒng)中，出現(xiàn)了碰撞的情況。設(shè)計(jì)人員通過三維拾取功能得到三維數(shù)據(jù)，可修改設(shè)計(jì)(如圖3所示)。

圖3 碰撞檢測(cè)實(shí)例

五、結(jié)束語

本文主要討論了兩個(gè)問題:一是利用三維掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)石油化工企業(yè)管道的三維重建;第二是根據(jù)石油化工企業(yè)改擴(kuò)建工程的需求，設(shè)計(jì)了交互式的碰撞檢測(cè)系統(tǒng)。本文的研究結(jié)果不僅能用于石油化工等企業(yè)的改擴(kuò)建(應(yīng)用碰撞檢測(cè)系統(tǒng)修改設(shè)計(jì))，也可將掃描建模與設(shè)計(jì)模型相比，通過碰撞檢測(cè)，用于各種大型工業(yè)設(shè)備、交通設(shè)施的沉降和變形分析。

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