油氣田三維掃描技術研究

楊 勃，鄭興周，毛麗娟，張月玲

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

三維激光掃描逆向建模技術是油氣田信息化建設以來最火熱的一門技術，其被譽為“繼GPS技術以來測繪領域的又一次技術革命”。三維激光掃描技術利用專門的掃描儀器，能夠快速、精確、無接觸的獲得現有空間的相對位置坐標。傳統的工程測量多依據人力設備操作，存在較大的人為誤差，并且操作過程費時、費力，尤其在油氣田作業過程中，受制于環境復雜多變，各種精確儀器信號干擾度要求，使操作過程存在較大的安全隱患，并受制于儀器精度以及人為操作誤差，需要多次測量減少誤差。

三維激光掃描的技術憑借其性能穩定、操作方便、安全系數高的優勢逐漸在油氣田數字化工廠建設、油田智能化升級改造等領域中嶄露頭角，并起到日益重要的角色。

1 三維掃描技術優勢

三維激光掃描通過三維掃描儀（圖1），能夠廣泛適用于油氣田海上在役平臺振動大，設施設備管線密集、結構復雜，設備管線相互干涉較多的情況，能夠在復雜的環境中精確的測量目標對象，并結合后期的點云數據處理，真實的反饋油氣田現場的實際情況。三維激光掃描儀配置過億像素的HDR相機，即便在極端光照條件下，也可以輕易的捕獲實體目標的影像坐標。同時激光掃描儀的光源采用低等級的激光強度，對人眼無損壞，并處于油氣田中各種光感探頭誘發報警臨界點以下，安全等級極高，安全可靠。

圖1 三維掃描儀

2 現場操作步驟

2.1 儀器校核

人員儀器進場安置掃描前，須根據油氣田區域獨特的環境要求，提前做好掃描操作的準備工作。三維掃描前，需要對所使用的三維掃描儀器進行校準、檢查，確認儀器處于正常的工作狀態且性能穩定（圖2）。依次查看掃描儀配件的完整性。配備專業人員對油氣田現場的風險點進行確認，對掃描路徑進行勘察，排除掃描遮掩區，初步確定掃描標靶設置，確定掃描儀掃描定點區域，并合理規劃掃描路徑，確定掃描次數。

圖2 三維掃描儀的固定與校準

2.2 場地踏勘

場地踏勘的目的是依據掃描實物及掃描目標的空間環境及需要獲取的重點參考物設置等，結合現場三維掃描的施工干涉，制定詳細的三維掃描作業方案，確定三維掃描的具體掃描步驟及路徑。在進行三維激光掃描時，根據現場實物的空間、相對位置大小，并結合項目精確度的實際需求，確定所需的測站點數。測站點的設置主要是依據標靶設置的原理，為了使不同測站點所得的點云數據進行拼接，通過合成生成整個項目的點云模型。測站點標靶的設置根據現場掃描路徑進行現場布置，保證三維激光掃描儀掃描所得點云能夠進行有效的拼接，以提高三維掃描效率。在進行站點移動測量過程中，有一站掃描至下一站點掃描時，要保證相鄰兩站地具有共同的標靶視角。測站點的位置以現場路徑設置為參考，根據標靶設置的一般原則根據現場進行調整。一般情況下，標靶設置遵循以下原則：

（1）三維激光設置的各個站點都可以掃描到所選實物的所有數據。

（2）相鄰站點之間必須要相同的標靶，并且掃描區域要求重合率在35%以上，重合率以及標靶是進行不同站點點云數據拼接的最低要求。

（3）保證三維掃描所得點云數據的準確前提下，采用最小的站數，減少點云數據，以減少因后續數據拼接處理而產生的操作誤差。

（4）三維掃描過程中設定的站點位置，如在操作過程中與現場施工有沖突或有遮掩，可以根據現場情況及時做出調整，在保證數據準確的前提下進行變更站點位置。

2.3 標靶布設

標靶是在三維激光掃描過程中數據擬合參考的點，用于控制減少各項誤差，掃描過程中常見的標靶包括：平面標靶、球形標靶等，如圖3所示。根據掃描項目的實際需求和精確匹配方式來決定標靶的數量和位置，標靶的放置還應考慮掃描路徑的環境。標靶設置一般遵循以下原則：

圖3 標靶設置

（1）標靶就要較強的可識別性，四周無遮擋，易于被儀器識別。

（2）所有標靶避免在同一直線上，最好是組合三角形，易于后期標靶的匹配。

（3）標靶之間避免在統一水平面上，各標靶之間應有水平高度差。

（4）確保標靶安放位置的穩定行，標靶固定后不可移動。

2.4 參數設置

在確認三維掃描儀各項數據部件安裝完成后，進入設備操作界面進行掃描參數的設置，掃描參數主要包括：掃描文件的命名、掃描數據的儲存路徑、實際掃描的掃描區域設置、掃描儀的分辨率選擇、掃描范圍的選擇等。其中，掃描儀參數中的時間、配置兩個參數直接影響掃描效率和質量。在掃描過程中，選取的精確分辨率越高，掃描時間越長，所得的點云會越密集，掃描的范圍越廣，掃描產生的噪點就越多，對后期點云去噪、拼接工作量及精確度產生不利影響。

3 注意事項

在油氣田三維掃描過程中應注意以下事項：

（1）掃描儀在掃描作業時，確保儀器的穩定，充分考慮油氣田的環境因素，避免受到風力及平臺設備機械震動造成設備晃動。

（2）掃描儀在掃描作業時，根據油氣田安全區域劃分，在安全區域設置安全警戒，避免掃描范圍區域內的人員走動，尤其是對固定標靶點區域的保護，防止標靶點的遮擋從而影響后期點云的拼接合成。

（3）三維激光在穿透塵埃、濕氣高的空氣時會有很大程度的損耗，盡量選擇在晴朗天氣下進行操作，避免因天氣問題造成激光信號衰弱，噪點增加的情況。

（4）三維掃描儀器在掃描過程中時，需要保證標靶的固定，以及儀器自身的穩定性，若在掃描過程中標靶位置發生變動，則該站點需要重新掃描取點。

（5）在掃描過程中，掃描儀需要確保最佳的角度和距離。距離掃描實物距離較近的情況下，原則上需要選用接受率最高的正直掃描。

4 結語

油氣田的數字化智能化發展是一種國際趨勢，伴隨著三維激光掃描技術的不斷發展完善，三維建模所需硬件、軟件環境的不斷發展，激光掃描技術將在油氣田數字化工廠建設中大放異彩。