站式三維激光掃描儀在海上鉆井平臺井架病灶檢測與修復中的應用

胡玉祥，范珊珊，徐瀟，熊文輝，孟慶年

(1.青島市西海岸基礎地理信息中心有限公司，山東 青島 266000； 2.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032；3.山東省海岸帶調查監測工程技術協同創新中心，山東 青島 266032； 4.青島海洋技師學院，山東 青島 266002)

1 引 言

伴隨著三維激光掃描技術的發展，利用掃描儀快速獲取三維空間信息，真實還原物體的三維實景，成為近幾年迅速發展的熱門話題[1，2]。激光掃描儀能夠在單位時間內發射數百萬激光點，真實記錄物體的三維空間形態和紋理信息，具有很高的測量效率、較高的測量精度、動態反映物體實景等優點。地面三維激光掃描儀通過固定地方掃描，具有精度高、掃描速度快、點云噪音小等優點，克服了傳統測量技術的局限性，在有效距離范圍內能夠真實還原物體的三維空間形態，尤其對于采用傳統方法施測困難甚至無法實施的空間異性結構，該方法優勢明顯。

海上鉆井平臺主要由平臺、樁腿和升降結構組成，平臺能沿樁腿升降，因而對樁腿的空間相對位置關系要求較高。海上通常風力較大、空氣潮濕，隨著時間的增長，船塢上的樁腿結構會發生變形，導致升降機升降受阻甚至無法正常運行，平臺上的樁腿相對位置固定，但其具有體積大、高度高，隨著海面晃動等特點，采用傳統測量手段獲取其準確的空間位置和細部結構的微小變化難度較大，目前三維激光掃描技術應用于井架檢測與修復的文獻較少。結合三維激光掃描技術的優勢，本文依托某海上鉆井平臺井架病灶檢測與修復項目，分析站式三維激光掃描儀用于該項目的可行性和優勢，總結三維激光掃描技術的作業流程及關鍵技術方法，該手段很好地解決了傳統測量方法無法解決的難題，為后續決策提供了寶貴的數據支撐和實踐經驗。

2 數據采集及處理

三維激光掃描儀作業流程主要涉及外業掃描以及內業數據處理兩部分。外業掃描主要涉及現場踏勘、控制點選埋、標靶布設、架站選擇以及數據采集幾部分；內業數據處理主要涉及點云拼接與優化、點云去噪、坐標轉換、點云融合、紋理信息提取及三維建模等環節，如圖1所示。

圖1 作業流程

2.1 外業掃描

(1)控制點選埋

地面三維激光掃描儀有的可以直接利用特制標靶進行絕對定向，獲取掃描點云的絕對坐標(例如徠卡高精度掃描儀P系列)；有的則通過視覺追蹤技術根據特征點將測站點云拼接為一個空間整體(例如徠卡RTC360)，此整體是相對的，需要進行點云絕對坐標的配賦才能得到絕對坐標點云，此類掃描儀相對精度較高，但絕對精度往往取決于已知控制點的精度和密度。如果外業掃描過程中給標靶絕對坐標位置，需要在被掃描物體周邊布設一定量的控制點，控制點布設以方便利用為原則：控制點的精度要滿足要求；一個控制點至少與另一個控制點進行通視；控制點最好通過導線測量方式聯測。

(2)數據采集

本文以P40為例，介紹外業數據采集的主要過程：外業數據采集過程類似于全站儀操作，大致包括對中整平、儀器安置、掃描參數設置以及換站等幾個過程：首先在已知控制點上架設掃描儀，對中整平，設置掃描參數；對于測站通視的已知控制點上架設標靶，對中整平，通過掃測已知控制點標靶得到遠處未知點坐標標靶；以此類推，便可以一站一站完成外業掃描工作。P40主要性能指標如表1所示。

三維激光掃描儀性能參數 表1

2.2 數據處理

(1)點云拼接和優化

點云拼接是將多站掃描數據拼接到一個整體的過程，外業掃描過程如果直接得到的是絕對坐標點云，內業只需要將不同測站電源復制到同一視圖下便可以得到整體點云效果；如果外業采集是基于特征點掃描，內業則需要通過特征點將不同測站點云拼接到一起，此過程即是尋找公共特征點進行歸一化處理的過程。

(2)點云去噪

外業掃描過程中難免會受到各種因素的影響導致點云中含有噪聲，點云去噪就是根據一定的點云濾波算法，讓有效點保留，無效點刪除的過程。點云去噪可以采用點云后處理軟件的點云過濾算法，設置一定的噪點過濾閾值，自動去除無效點云；對于一些特殊點云，則需要通過手動去除噪點。

(3)坐標轉換

如果外業掃描過程中未使用絕對坐標系，三維激光掃描儀掃描的點云僅是點與點之間的相對位置關系，這就需要坐標轉換。坐標轉換通過公共點(公共標靶)來計算轉換參數，轉換過程通常利用布爾莎7參數模型，即：

(2)

式中，3個平移參數[△X△Y△Z]T，3個旋轉參數[εXεYεZ]T和1個尺度參數m，無單位。

(4)紋理提取

外業掃描過程中獲取物體的紋理信息，由于物體的紋理信息較為復雜，加之外業掃描過程中受物體反光率、遮擋、拍攝角度、光線等的影響，直接將紋理照片貼敷到點云上效果較差。這就需要借助專業圖片處理軟件PS等進行裁剪、扭轉、濾鏡、暈色等處理，在模型構建時調用物體的正射紋理信息。

3 海上鉆井平臺井架病灶檢測與修復

3.1 項目需求

中國海油青島分公司某海上鉆井平臺井架如圖2所示，每座鋼架構三根樁(長度約 140 m)，在空間上理論上是正三角形，每兩根樁之間(間距約 10 m)有水平拉筋(直徑約十幾厘米)和斜拉筋用于連接支撐空間結構，每根樁兩側有齒條(齒口間距是固定值，約 25 cm)用于升降。由于長期海風、磨損以及其他方面的影響發生變形，目前井架只能降，不能升，降幅最大為 30 m左右。為了找出井架病灶的具體位置，需要進行下述工作：

圖2 井架結構示意圖

(1)檢測三個鋼柱之間的空間位置關系；檢測鋼柱支撐桿相互位置關系；檢測6根齒條間的相互位置關系，并依此發現病灶部位；

(2)檢測替換段形狀以及與母架之間的關系，保障替換段與母架準確焊合。

3.2 控制點布設

在船體兩個平臺高程和岸邊選取6個～8個點，采用高精度全站儀測量距離、角度，建立一個高精度三維控制網(圖3)。以徠卡TS50全站儀為例，其測角精度為0.5″，測距精度為 1 mm+1.5 ppm，平均距離 30 m，通過估算可以使控制點的點位精度在 1 mm內。

圖3 控制點布設示意圖

3.3 外業掃描

(1)在合適的地方(能看到至少3個～4個控制點，同時盡可能多掃描到井架結構)架設并整平掃描儀，采用自由設站法，先掃描控制點上的靶標，再掃描井架結構，據此實現不同站掃描點云的準確配準，完成全部井架的掃描，如圖4所示。

圖4 外業掃描示意圖

(2)以徠卡P40掃描儀為例，其在 110 m內的距離測量精度為 1.2 mm，角度測量精度為8秒，因此平均單個點云測量精度小于 4 mm，建模精度優于 3 mm。采用自由設站模式可以保證每個掃描站測量的精度一致。考慮到靶標點 2 mm誤差(點云擬合標靶中心誤差)，基于4點的自由設置導致儀器位置誤差小于 2 mm，從而可以保證最終模型精度在 3 mm。

(3)基于掃描點云構建實際井架模型。同時根據井架設計圖建立設計井架模型。通過選取實際模型和設計模型不同公共點組合，以兩個模型最大部分重合為目標，實現兩個模型的匹配，通過模型比較求差，通過色譜圖表示兩個模型的偏差。并初步得到井架變形較大部位。

3.4 病灶確診

徠卡P40專業點云后處理軟件Cyclone具有良好的可擴展性，通過開發相應的插件可以實現點云數據與一些專業繪圖軟件(AutoCAD、EPS、MicroStation、ArcGIS等)進行互通。首先進行坐標系的旋轉和網格建立，定義參考面，使得點云便于人眼識別提取，然后利用Cyclone進行點云的切片處理；利用CAD插件CloudWorx導入切割好的點云數據，在CAD中繪制相應的圖形。

經過點云的優化處理后，通過最小二次平滑濾波，得到鉆井平臺最優的點云數據利用cloudworx切割平臺縱、橫以及不同視圖的斷面(圖5)，通過CAD繪圖得到最終的成果圖(圖6)。

圖5 點云切割示意圖

圖6 偏差示意圖

3.5 替換段測量與焊接

將損壞的部分切除后，需要用一段新的部分替換。為了使替換段很好地與母架對接，采用激光跟蹤儀測量，如圖7所示。

圖7 病灶修復示意圖

(1)測量替換段，建立其三維模型，通過與設計模型比較檢驗其精度；

(2)測量母架切后兩端構件表面點坐標，通過數據處理得到兩端準確的三維空間關系，據此加工修正替換段(或母架兩端)。

(3)當替換段安置到母架相應位置后，對兩端接縫段進行測量，保證其位置正確后，完成焊接。

4 結 論

三維激光掃描技術采用非接觸實體方式進行測量，能夠在單位時間內發射數百萬點快速獲取物體的三維空間形態，同時獲取被掃描物體的精細紋理信息，經過后續專業點云處理軟件可以提取有用信息，基于點云可建立被測物體精細的三維模型。通過與物體的三維設計模型進行比對，可以得到被測物體的形變。本文依托某海上鉆井平臺井架病灶檢測與修復項目，分析站式三維激光掃描儀P40用于該項目的可行性和優勢，借助點云后處理軟件Cyclone及專業建模軟件3ds Max建立井架的精細三維模型，通過與設計對比找出病灶位置并替換病灶段，很好地解決了傳統測量方法無法解決的難題，為相關工程提供了有益借鑒。