三維激光掃描技術在煉油廠改造中的應用

黃寶偉，魏國榮，張 彪

(中國石油工程建設公司華東環境巖土工程分公司，山東 青島 266071)

天寶測繪解決方案專欄

三維激光掃描技術在煉油廠改造中的應用

黃寶偉，魏國榮，張 彪

(中國石油工程建設公司華東環境巖土工程分公司，山東 青島 266071)

隨著國內外油氣田規模的不斷擴大和產量的不斷增加，部分煉油廠無論是在功能還是在規模上都已經不能滿足石油煉制的需要，因此需要拆除、更換、新增大量的設備和工藝管線等。然而，由于煉油廠幾經改造，現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，給設計工作帶來了很大困難。

為了給設計工作提供基礎輸入資料并且為后續的運行維護和管理提供很好的基礎數據平臺，需要對煉油廠進行現狀測量以獲取現場設備和管道的位置關系及分布情況。常規測量方法是采用全站儀或GPS進行單點三維坐標采集，但是煉廠內部設備和管道錯綜復雜的分布，極易造成測量盲點，加之廠區內部高壓設備區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，無需設置反射棱鏡，因此在人員難以到達的危險區域使用優勢更加明顯，突破了傳統的單點測量方式，以高密度、高分辨率獲取掃描物體的三維點云數據，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，將獲取的數據直接導入配套軟件Trimble RealWorks中進行數據處理。通過Trimble TX8和Trimble RealWorks的配合，還能夠導入主流CAD格式的數據。

1.1 點云數據獲取

在進行點云數據獲取之前，需要進行現場實地踏勘，根據廠區大小、設備和管道分布情況，設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發揮其最大功效，避免重復掃描。同時需要在掃描區域布設目標標靶(標靶紙或標靶球)，至少布設3個標靶，以便于后續將測站掃描坐標系轉換到測量坐標系。

掃描站點和標靶布設完成后，將Trimble TX8三維激光掃描儀架設在掃描站點上并進行整平。安置好儀器后，開機設置掃描參數，設置完畢后即可進行掃描作業。掃描完成后，可在顯示屏中實時查看點云數據，對點云數據獲取不理想區域或局部復雜程度比較高的區域，可調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，可以調節方向多拍幾張照片，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 點云數據處理

點云數據處理采用配套軟件Trimble RealWorks進行，主要包括點云數據去噪、點云數據拼接、坐標系轉換和成果輸出等。

1.3.1 點云數據去噪

掃描過程中外界環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，導致最終獲取的點云數據可能包含不穩定點和噪聲點，只有把這些噪聲點去除后，才可以繼續進行其他的操作，有助于后續建模。這個過程稱為點云數據去噪或點云的過濾。

1.3.2 點云數據拼接

應用Trimble RealWorks軟件能實現無標靶點云自動拼接，將相聯系的測站區域進行拼接。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。依次進行相鄰站間的拼接，得到完整的三維點云數據。圖1所示為拼接后點云數據。

1.3.3 坐標系轉換

由于拼接后點云數據坐標系為測站掃描坐標系，因此需要將拼接后點云數據坐標系轉換為煉油廠設計和施工所用的測量坐標系。坐標系轉換前，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換。為了方便檢查和驗證轉換結果的準確性，本文選取4個目標標靶進行坐標系轉換。

(2) 應用“配準”菜單下的“大地基準工具”進行坐標系轉換。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“應用”，點云數據坐標系轉換完成。

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據成果，還包括測量坐標系下三維實景瀏覽網頁發布成果和點云數據建模成果等。

利用Trimble RealWorks軟件自帶的RealColor功能模塊，將點云數據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，需要將掃描數據用準確的三維模型表述出來，這就需要對點云數據進行三維建模和紋理貼圖。將點云數據轉換格式后導入到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狀模型。

2 點云數據的誤差來源及分析

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的誤差及外界環境條件。

圖3 煉油廠三維建模后局部現狀模型

(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的誤差：主要是目標物體表面粗糙程度的影響。

(3) 外界環境條件：主要包括外界環境的溫度、濕度和氣壓等因素。

點云數據處理過程中的誤差主要有：點云數據拼接誤差、坐標系轉換誤差、三維建模誤差。

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

(2) 坐標系轉換誤差：對于三維激光掃描系統轉換到測量坐標系統，需要進行旋轉參數、平移參數和比例因子的計算，導致存在坐標系轉換誤差。

(3) 三維建模誤差：點云數據進行三維建模過程中，也將會產生建模誤差。

對于上述誤差，在生產實際中應根據測量的目的進行約束和控制，以滿足測量精度要求。

3 結 語

三維激光掃描技術已經成為測繪領域一個新的研究熱點，但是三維激光掃描儀在油氣田場站、煉油廠等的應用還很少，它使我們能夠得到完全真實的三維現狀模型。依據該模型，可以以一種全新的模式進行場站、煉油廠的改造設計，為設計工作提供基礎數據資料，也為后續運營、維護和管理提供很好的數據基礎平臺。隨著三維激光掃描技術的不斷發展，將同步采集的高精度點云及高分辨率影像數據與地理信息技術相結合，這在國內外油氣田開發和運營管理中具有廣泛的用途。