三維激光掃描技術及其在煉廠改擴建項目中的應用

張林杰，張 彪，徐 華，郭若成

(青島中油巖土工程有限公司，山東 青島 266000)

天寶測繪解決方案專欄

三維激光掃描技術及其在煉廠改擴建項目中的應用

張林杰，張 彪，徐 華，郭若成

(青島中油巖土工程有限公司，山東 青島 266000)

作為一項新的測繪手段，三維激光掃描技術以其高速、高精度、非接觸的測量特點，應用越來越廣泛。從20世紀90年代的每秒1000點到如今的超過100萬點，其掃描速率有了多個量級的飛躍。同時其掃描精度也越來越高，100 m內測距精度優于2 mm。本文以天寶TX8三維激光掃描儀為例，介紹三維激光掃描測量的作業流程及三維激光掃描技術在煉化廠區改擴建中的作用。

1 某煉廠分餾裝置區升級改造項目三維激光掃描測量

某煉廠分餾裝置區由于設備老化，需要改建同時在原來基礎上進行擴容。設計院根據業主要求開展設計工作，由于沒有竣工圖，遂委托筆者所在單位開展現狀圖測繪工作。分餾裝置區占地10 000 m2，裝置區內各種工藝管道分布錯綜密集，采用常規測量手段無法開展測繪工作。根據測區的特點，經過與設計人員溝通，決定采用三維激光掃描技術進行數據獲取，以最大限度地呈現裝置區的現狀。

1.1 投入的人員和設備

本次作業采用三維激光掃描儀一臺，作業人員2人，掃描站數137站，采集點云數據170 GB，工作周期3 d。

1.2 掃描工作流程

測區踏勘—編制工作計劃—控制測量—設站規劃—測站掃描—全景影像拍攝—內業數據傳輸—影像拼接—去噪—影像、點云匹配—點云拼接—點云及實景瀏覽成果輸出。

1.3 控制測量

控制測量的目的有兩個：一是將掃描坐標系轉換為工廠坐標系；二是控制點云拼接時產生的累積誤差，提高拼接精度。控制測量可采用GPS或全站儀導線法施測。測量前應驗算投影變形，當變形值超限時，應建立獨立坐標系，以免投影變形產生的誤差影響點云精度。獨立坐標系應與廠區坐標系聯測一個公共點和一個公共邊，以保持坐標系統的連續。本項目采用全站儀按照一級導線的測量要求施測，高程控制網測量采用三角高程法施測四等水準，如圖1所示。

圖1 控制點布設

掃描坐標系和控制網聯測時，應在4個控制點處擺設球形標靶。標靶中心的坐標經點云擬合得到，高程通過量測標靶中心至地面控制點的垂直距離反算獲得。

1.4 設站規劃

開始掃描前，應對測區地物復雜程度、通視條件、地物距離、地物表面反射率等情況進行勘查，設站點應使掃描儀發射的激光到達掃描范圍內所有地物的表面，從而獲得地物表面的點云數據。當地物因遮擋不能被掃描到時，應變換儀器高度或改變設站位置補充掃描，最終獲得所有地物的表面點云數據。

點云的后期拼接可采用標靶拼接，也可采用公共點云拼接。采用標靶拼接時，兩站間的公共標靶數量一般不應少于3個；采用公共點云拼接時，兩站間的點云重合率不應少于20%。 因此在設站規劃時，應考慮標靶的擺放位置和站間重疊度問題。本項目共測設137站。

1.5 掃描實施

根據設計好的測站位置架設儀器，然后進行整平，同時打開儀器的傾斜補償器。檢查電池電量和儀器內存情況，保證掃描的連續作業。

根據測站范圍內最遠地物至儀器的距離、最小地物的尺寸和業主要求的最大點云間距等確定掃描檔位。點云密度應能擬合出地物的完整形狀，且擬合偏差不應大于30 mm。一般情況下，最大點云間距不應大于25 mm。

確定掃描檔位后，開始掃描。掃描過程中，禁止觸碰掃描儀，并時刻關注周圍人員和車輛動向，保證儀器安全，防止掃描通道遮擋。測站掃描完成后，應立即檢查點云情況，總體查看是否有漏掃現象，然后放大細節，查看點云密度是否符合要求。對于點云數據獲取不理想的區域，可框選該區域，選擇合適的檔位進行局部重新掃描，兩次掃描的點云會自動拼接。檢查合格后，保持腳架和基座不動，將掃描儀拆卸后，安裝相機進行全景影像采集。

1.6 影像采集

天寶TX8三維激光掃描儀內沒有集成高像素相機，影像的采集需要采用外置的Cannon 5D markⅡ單反相機完成，相機配置魚眼鏡頭。

拍照前應將相機固定到專門的云臺上，調整相機中心與云臺的旋轉中心重合，然后將云臺安放至測站的基座上，此時相機中心與掃描儀的測量中心基本重合。調節相機焦距、快門速度和光圈大小，使成像清晰，然后開始拍攝。拍攝時，水平方向每隔60°拍攝一張照片，共拍攝6張照片，然后旋轉相機，在天空和地面方向各拍攝1張即可。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，以便后期全景照片拼接。

如圖2所示，內業中采用拼圖軟件進行全景圖制作。

1.7 內業數據處理

外業掃描完成后，應及時將數據下載，以保證數據的安全。內業中，采用Trimble Realworks 10.0軟件對點云進行去噪、著色、拼接、坐標轉換等，并根據業主要求對點云進行抽稀處理，輸出點云數據和實景瀏覽成果。

圖2 全景影像

每站的點云數據應首先進行去噪處理，將測區以外的點云或人、車等無關要素形成的點云進行刪除。然后將每站的點云與全景影像進行匹配，賦予點云RGB顏色(如圖3所示)。

圖3 單站RGB點云

最后通過Realworks 10.0軟件進行整體拼接。點云整體拼接可以采用標靶或點云自動匹配拼接。當地物特征點較少或點云重疊度較難保證時，應采用標靶拼接。當測站間地物公共特征點較多時，可采用點云自動匹配。本項目采用點云自動匹配方式進行點云拼接。拼接精度統計見表1。

表1 點云拼接精度統計

拼接完成后的整體點云如圖4所示。

圖4 整體點云效果

點云拼接完成后，由于測站間重合點云較多，點云密度較大，數據冗余較多，此時應對點云進行抽稀處理。抽稀時，應按照最小地物的特征點精度不損失的原則，且最大點云間距不應超過25 mm。

點云的坐標系統轉換時，將實際坐標賦予標靶即可完成轉換，參與轉換的標靶數量不應少于3個。均勻抽取一定數量的地物特征點查詢坐標，然后與全站儀實測的坐標值進行比較，其差值不應大于50 mm。

1.8 點云成果應用

通過Realworks 10.0軟件，可以對點云進行分割和多顏色顯示，并可在點云中自由行走瀏覽，對特征點進行量測，但因點云是離散的點，在復雜密集的區域不便于細節區分。此時可生成實景瀏覽成果，如圖5所示。在此模式下，可以調整測站的視角，身臨其境查看地物現狀情況，進行實時的空間距離和坐標量測，并可將設計意見進行實時標注。

圖5 實景瀏覽成果

當業主有要求時，可利用Realworks 10.0軟件進行建模。對于球面、弧面、柱面、平面等規則幾何體，利用點云數據采用數學算法擬合生成；對于不規則模型采用不規則三角網方式建模，Realworks 10.0軟件中自帶的Easy Pipe模塊，可快速實現管道建模。Realworks 10.0也可將點云數據導出至3D Mark軟件中進行輔助建模。

2 三維激光掃描技術與常規測量技術的比較

2.1 測量精度

三維激光掃描儀的測距精度已達到2 mm(100 m范圍內)。點云通過軟件自動拼接，其點云間相對精度較高，點云的整體拼接誤差均優于1 cm，遠遠低于《工程測量規范》中工礦區主要建筑物點位誤差5 cm的要求。

2.2 測量速度

傳統的全站儀、GPS測量均是一點一點的測量，而三維掃描儀的測量速率為每秒100萬點。一次典型掃描，3 min內即可將100 m范圍內的所有地物特征點采集完畢，作業效率是常規測量的十倍乃至百倍。

2.3 作業模式

全站儀、GPS測量均要求棱鏡或GPS接收機放置在地物特征點上，對于煉廠區等高危作業區，高聳建筑較多，層疊排布的管廊和裝置上人員難以站立，使用常規測量方法無法施測。三維激光掃描儀通過發射激光進行非接觸式的測距，可在1～2 min內完成100 m外的物體特征點的采集。三維激光掃描儀更適合復雜建筑物的測量。

2.4 成果形式

全站儀和GPS的測量成果為單純的坐標值，三維激光掃描的成果為帶有空間三維坐標的點云。編輯點云時，可以進行裁剪、斷面切片、等高線生成、正射影像圖制作、三維建模等操作，使成果樣式豐富多樣。

3 結 語

三維激光掃描技術以其高精度、高速率、非接觸測量、成果三維顯示等優點，在越來越多的行業中得到應用。三維激光掃描技術不僅改變了測量人員的作業方式和測量成果的展現形式，同時也改變了設計人員的設計方法和方式。目前，煉化設計院要求所有項目必須進行三維設計，這樣做一是為了向業主更好地闡述設計方案，更重要的是檢查設計方案的準確性和合理性。三維掃描成果已在哈薩克斯坦PK煉廠改造項目和阿聯酋FST項目中成功運用，將來也必定會作為設計輸入得到越來越多的應用。