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(shù)及其在煉廠改擴(kuò)建項(xiàng)目中的應(yīng)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(xiàng)新的測繪手段，三維激光掃描技術(shù)以其高速、高精度、非接觸的測量特點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。從20世紀(jì)90年代的每秒1000點(diǎn)到如今的超過100萬點(diǎn)，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(nèi)測距精度優(yōu)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(yè)流程及三維激光掃描技術(shù)在煉化廠區(qū)改擴(kuò)建中的作用。

1 某煉廠分餾裝置區(qū)升級改造項(xiàng)目三維激光掃描測量

某煉廠分餾裝置區(qū)由于設(shè)備老化，需要改建同時在原來基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)容。設(shè)計(jì)院根據(jù)業(yè)主要求開展設(shè)計(jì)工作，由于沒有竣工圖，遂委托筆者所在單位開展現(xiàn)狀圖測繪工作。分餾裝置區(qū)占地10 000 m2，裝置區(qū)內(nèi)各種工藝管道分布錯綜密集，采用常規(guī)測量手段無法開展測繪工作。根據(jù)測區(qū)的特點(diǎn)，經(jīng)過與設(shè)計(jì)人員溝通，決定采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，以最大限度地呈現(xiàn)裝置區(qū)的現(xiàn)狀。

1.1 投入的人員和設(shè)備

本次作業(yè)采用三維激光掃描儀一臺，作業(yè)人員2人，掃描站數(shù)137站，采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)170 GB，工作周期3 d。

1.2 掃描工作流程

測區(qū)踏勘—編制工作計(jì)劃—控制測量—設(shè)站規(guī)劃—測站掃描—全景影像拍攝—內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸—影像拼接—去噪—影像、點(diǎn)云匹配—點(diǎn)云拼接—點(diǎn)云及實(shí)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(biāo)系轉(zhuǎn)換為工廠坐標(biāo)系；二是控制點(diǎn)云拼接時產(chǎn)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(dǎo)線法施測。測量前應(yīng)驗(yàn)算投影變形，當(dāng)變形值超限時，應(yīng)建立獨(dú)立坐標(biāo)系，以免投影變形產(chǎn)生的誤差影響點(diǎn)云精度。獨(dú)立坐標(biāo)系應(yīng)與廠區(qū)坐標(biāo)系聯(lián)測一個公共點(diǎn)和一個公共邊，以保持坐標(biāo)系統(tǒng)的連續(xù)。本項(xiàng)目采用全站儀按照一級導(dǎo)線的測量要求施測，高程控制網(wǎng)測量采用三角高程法施測四等水準(zhǔn)，如圖1所示。

圖1 控制點(diǎn)布設(shè)

掃描坐標(biāo)系和控制網(wǎng)聯(lián)測時，應(yīng)在4個控制點(diǎn)處擺設(shè)球形標(biāo)靶。標(biāo)靶中心的坐標(biāo)經(jīng)點(diǎn)云擬合得到，高程通過量測標(biāo)靶中心至地面控制點(diǎn)的垂直距離反算獲得。

1.4 設(shè)站規(guī)劃

開始掃描前，應(yīng)對測區(qū)地物復(fù)雜程度、通視條件、地物距離、地物表面反射率等情況進(jìn)行勘查，設(shè)站點(diǎn)應(yīng)使掃描儀發(fā)射的激光到達(dá)掃描范圍內(nèi)所有地物的表面，從而獲得地物表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)匚镆蛘趽醪荒鼙粧呙璧綍r，應(yīng)變換儀器高度或改變設(shè)站位置補(bǔ)充掃描，最終獲得所有地物的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

點(diǎn)云的后期拼接可采用標(biāo)靶拼接，也可采用公共點(diǎn)云拼接。采用標(biāo)靶拼接時，兩站間的公共標(biāo)靶數(shù)量一般不應(yīng)少于3個；采用公共點(diǎn)云拼接時，兩站間的點(diǎn)云重合率不應(yīng)少于20%。 因此在設(shè)站規(guī)劃時，應(yīng)考慮標(biāo)靶的擺放位置和站間重疊度問題。本項(xiàng)目共測設(shè)137站。

1.5 掃描實(shí)施

根據(jù)設(shè)計(jì)好的測站位置架設(shè)儀器，然后進(jìn)行整平，同時打開儀器的傾斜補(bǔ)償器。檢查電池電量和儀器內(nèi)存情況，保證掃描的連續(xù)作業(yè)。

根據(jù)測站范圍內(nèi)最遠(yuǎn)地物至儀器的距離、最小地物的尺寸和業(yè)主要求的最大點(diǎn)云間距等確定掃描檔位。點(diǎn)云密度應(yīng)能擬合出地物的完整形狀，且擬合偏差不應(yīng)大于30 mm。一般情況下，最大點(diǎn)云間距不應(yīng)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(guān)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(yīng)立即檢查點(diǎn)云情況，總體查看是否有漏掃現(xiàn)象，然后放大細(xì)節(jié)，查看點(diǎn)云密度是否符合要求。對于點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取不理想的區(qū)域，可框選該區(qū)域，選擇合適的檔位進(jìn)行局部重新掃描，兩次掃描的點(diǎn)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(jī)進(jìn)行全景影像采集。

1.6 影像采集

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

拍照前應(yīng)將相機(jī)固定到專門的云臺上，調(diào)整相機(jī)中心與云臺的旋轉(zhuǎn)中心重合，然后將云臺安放至測站的基座上，此時相機(jī)中心與掃描儀的測量中心基本重合。調(diào)節(jié)相機(jī)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(zhuǎn)相機(jī)，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(diào)節(jié)方向多拍幾張照片，以便后期全景照片拼接。

如圖2所示，內(nèi)業(yè)中采用拼圖軟件進(jìn)行全景圖制作。

1.7 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

外業(yè)掃描完成后，應(yīng)及時將數(shù)據(jù)下載，以保證數(shù)據(jù)的安全。內(nèi)業(yè)中，采用Trimble Realworks 10.0軟件對點(diǎn)云進(jìn)行去噪、著色、拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等，并根據(jù)業(yè)主要求對點(diǎn)云進(jìn)行抽稀處理，輸出點(diǎn)云數(shù)據(jù)和實(shí)景瀏覽成果。

圖2 全景影像

每站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)首先進(jìn)行去噪處理，將測區(qū)以外的點(diǎn)云或人、車等無關(guān)要素形成的點(diǎn)云進(jìn)行刪除。然后將每站的點(diǎn)云與全景影像進(jìn)行匹配，賦予點(diǎn)云RGB顏色(如圖3所示)。

圖3 單站RGB點(diǎn)云

最后通過Realworks 10.0軟件進(jìn)行整體拼接。點(diǎn)云整體拼接可以采用標(biāo)靶或點(diǎn)云自動匹配拼接。當(dāng)?shù)匚锾卣鼽c(diǎn)較少或點(diǎn)云重疊度較難保證時，應(yīng)采用標(biāo)靶拼接。當(dāng)測站間地物公共特征點(diǎn)較多時，可采用點(diǎn)云自動匹配。本項(xiàng)目采用點(diǎn)云自動匹配方式進(jìn)行點(diǎn)云拼接。拼接精度統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 點(diǎn)云拼接精度統(tǒng)計(jì)

拼接完成后的整體點(diǎn)云如圖4所示。

圖4 整體點(diǎn)云效果

點(diǎn)云拼接完成后，由于測站間重合點(diǎn)云較多，點(diǎn)云密度較大，數(shù)據(jù)冗余較多，此時應(yīng)對點(diǎn)云進(jìn)行抽稀處理。抽稀時，應(yīng)按照最小地物的特征點(diǎn)精度不損失的原則，且最大點(diǎn)云間距不應(yīng)超過25 mm。

點(diǎn)云的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時，將實(shí)際坐標(biāo)賦予標(biāo)靶即可完成轉(zhuǎn)換，參與轉(zhuǎn)換的標(biāo)靶數(shù)量不應(yīng)少于3個。均勻抽取一定數(shù)量的地物特征點(diǎn)查詢坐標(biāo)，然后與全站儀實(shí)測的坐標(biāo)值進(jìn)行比較，其差值不應(yīng)大于50 mm。

1.8 點(diǎn)云成果應(yīng)用

通過Realworks 10.0軟件，可以對點(diǎn)云進(jìn)行分割和多顏色顯示，并可在點(diǎn)云中自由行走瀏覽，對特征點(diǎn)進(jìn)行量測，但因點(diǎn)云是離散的點(diǎn)，在復(fù)雜密集的區(qū)域不便于細(xì)節(jié)區(qū)分。此時可生成實(shí)景瀏覽成果，如圖5所示。在此模式下，可以調(diào)整測站的視角，身臨其境查看地物現(xiàn)狀情況，進(jìn)行實(shí)時的空間距離和坐標(biāo)量測，并可將設(shè)計(jì)意見進(jìn)行實(shí)時標(biāo)注。

圖5 實(shí)景瀏覽成果

當(dāng)業(yè)主有要求時，可利用Realworks 10.0軟件進(jìn)行建模。對于球面、弧面、柱面、平面等規(guī)則幾何體，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用數(shù)學(xué)算法擬合生成；對于不規(guī)則模型采用不規(guī)則三角網(wǎng)方式建模，Realworks 10.0軟件中自帶的Easy Pipe模塊，可快速實(shí)現(xiàn)管道建模。Realworks 10.0也可將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出至3D Mark軟件中進(jìn)行輔助建模。

2 三維激光掃描技術(shù)與常規(guī)測量技術(shù)的比較

2.1 測量精度

三維激光掃描儀的測距精度已達(dá)到2 mm(100 m范圍內(nèi))。點(diǎn)云通過軟件自動拼接，其點(diǎn)云間相對精度較高，點(diǎn)云的整體拼接誤差均優(yōu)于1 cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于《工程測量規(guī)范》中工礦區(qū)主要建筑物點(diǎn)位誤差5 cm的要求。

2.2 測量速度

傳統(tǒng)的全站儀、GPS測量均是一點(diǎn)一點(diǎn)的測量，而三維掃描儀的測量速率為每秒100萬點(diǎn)。一次典型掃描，3 min內(nèi)即可將100 m范圍內(nèi)的所有地物特征點(diǎn)采集完畢，作業(yè)效率是常規(guī)測量的十倍乃至百倍。

2.3 作業(yè)模式

全站儀、GPS測量均要求棱鏡或GPS接收機(jī)放置在地物特征點(diǎn)上，對于煉廠區(qū)等高危作業(yè)區(qū)，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(guī)測量方法無法施測。三維激光掃描儀通過發(fā)射激光進(jìn)行非接觸式的測距，可在1～2 min內(nèi)完成100 m外的物體特征點(diǎn)的采集。三維激光掃描儀更適合復(fù)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(biāo)值，三維激光掃描的成果為帶有空間三維坐標(biāo)的點(diǎn)云。編輯點(diǎn)云時，可以進(jìn)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(jié) 語

三維激光掃描技術(shù)以其高精度、高速率、非接觸測量、成果三維顯示等優(yōu)點(diǎn)，在越來越多的行業(yè)中得到應(yīng)用。三維激光掃描技術(shù)不僅改變了測量人員的作業(yè)方式和測量成果的展現(xiàn)形式，同時也改變了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)方法和方式。目前，煉化設(shè)計(jì)院要求所有項(xiàng)目必須進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，這樣做一是為了向業(yè)主更好地闡述設(shè)計(jì)方案，更重要的是檢查設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)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(xiàng)目和阿聯(lián)酋FST項(xiàng)目中成功運(yùn)用，將來也必定會作為設(shè)計(jì)輸入得到越來越多的應(yīng)用。