油氣田三維掃描技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

楊勃，鄭興周，高勛，王傳磊，張棟

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

1 項目背景

三維激光掃描技術(shù)是目前化工廠數(shù)字化、智能化建設(shè)以來最火的一門逆向建模技術(shù)，其被譽(yù)為“繼GPS 技術(shù)以來測繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命”[1]。

本項目是依托渤海灣某處理廠改造項目開展，該處理廠由于增產(chǎn)需對場內(nèi)管線進(jìn)行升級改造， 傳統(tǒng)的升級改造項目多依據(jù)平面CAD 圖紙，然而該處理廠運(yùn)營時間較長，初始資料圖紙存在缺失， 并且處理廠在運(yùn)行過程中經(jīng)歷過數(shù)次大修，現(xiàn)存的設(shè)計圖紙與實(shí)際現(xiàn)場情況已經(jīng)有較大差距，導(dǎo)致現(xiàn)存圖紙只能作為參考，無法提供精確的建模數(shù)據(jù)。 基于此問題本項目采用三維激光掃描技術(shù)， 通過三維掃描儀多角度掃描工廠，以獲取改造廠區(qū)密集三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)處理工作， 并結(jié)合現(xiàn)場管線的信息和圖紙信息，高準(zhǔn)確度還原現(xiàn)場實(shí)際情況，最終生成改造廠區(qū)三維模型，該項掃描成果不僅為施工改造提供決策依據(jù)，還可以基于該模型建立基礎(chǔ)信息平臺，實(shí)現(xiàn)工廠管理的信息化。

2 實(shí)際掃測作業(yè)

2．1 儀器校核

儀器的校核實(shí)際為兩次校核的總述，三維掃描儀屬于精密度較高的設(shè)備，前期運(yùn)輸過程中會存在參數(shù)變化的可能，所以需要在儀器到達(dá)現(xiàn)場前由專業(yè)人員進(jìn)行設(shè)備裝配的初校，確保儀器的各參數(shù)部件處于正常作業(yè)狀態(tài)并且性能穩(wěn)定。 第二次的校核是為掃描前的終校，需要再一次依次查看掃描儀配件的完整性，逐次確認(rèn)儀器參數(shù)設(shè)定的準(zhǔn)確性，確保儀器能夠穩(wěn)定并有足夠能力完成掃描作業(yè)。 配備專業(yè)人員對現(xiàn)場掃描路徑進(jìn)行勘察，排出掃描遮掩區(qū)，初步確定掃描標(biāo)靶設(shè)置，確定掃描儀掃描定點(diǎn)區(qū)域， 并合理規(guī)劃掃描路徑，確定掃描次數(shù)。

2．2 掃描站點(diǎn)確定

掃描站點(diǎn)的確定由專業(yè)工程師對場地掃描路徑進(jìn)行勘察完成，在現(xiàn)場勘察過程中，通過三維空間理念，排出可能存在的掃描盲區(qū)，結(jié)合現(xiàn)場三維掃描的施工干涉，制定詳細(xì)的三維掃描作業(yè)方案。 在進(jìn)行三維掃描作業(yè)過程中，可以根據(jù)實(shí)際掃描過程中的數(shù)據(jù)拾取效果，掃描物實(shí)體空間占比、相對位置大小，并結(jié)合最終的項目精確度需求，確定所需的測站點(diǎn)數(shù)。 站點(diǎn)設(shè)置的主要依據(jù)是標(biāo)靶設(shè)置原理，最終目的是使在不同站點(diǎn)掃描所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在特定處理軟件中實(shí)現(xiàn)拼接，通過去噪、刪減等最終合成整個項目的點(diǎn)云模型。 初步設(shè)定預(yù)設(shè)站點(diǎn)所在地和數(shù)量，并生成靶點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域，通過站點(diǎn)的路徑選擇，保證三維掃描儀掃描所得點(diǎn)云能夠進(jìn)行有相同的標(biāo)靶區(qū)域，從而進(jìn)行有效的拼接。測站點(diǎn)的位置以現(xiàn)場調(diào)研最終確定的掃描路徑為參考， 并根據(jù)標(biāo)靶設(shè)置的一般原則進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)整。

掃描站點(diǎn)確認(rèn)和標(biāo)靶設(shè)置同步進(jìn)行， 并遵循以下原則：1）三維激光設(shè)置的各個標(biāo)靶都可以掃描到所選實(shí)物的所有數(shù)據(jù)或部分?jǐn)?shù)據(jù)，三維激光掃描儀設(shè)置的各個站點(diǎn)，在掃描過程中都可以掃描到所設(shè)置的區(qū)域重合標(biāo)靶。2）相鄰站點(diǎn)之間掃描過程中需使用相同的標(biāo)靶，并且掃描區(qū)域拾取點(diǎn)云重合率需在35%以上， 此重合率是進(jìn)行不同站點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的最低要求[2]。 3）在三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)精確度一定的條件下， 根據(jù)現(xiàn)場測量，選取最小的站數(shù)進(jìn)行測量，可以盡量減少所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，減少后續(xù)數(shù)據(jù)處理而產(chǎn)生的操作誤差。 4）三維掃描過程中如果存在預(yù)設(shè)站點(diǎn)位置臨時遮擋情況， 可以根據(jù)現(xiàn)場情況靈活調(diào)整，在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提下進(jìn)行變更站點(diǎn)位置。

2．3 標(biāo)靶設(shè)置

標(biāo)靶是在三維激光掃描過程中相鄰站點(diǎn)點(diǎn)云拼接參考的點(diǎn)，具有顯形易于識別特征。掃描過程中常見的標(biāo)靶包括：平面標(biāo)靶、球形標(biāo)靶等。 標(biāo)靶的數(shù)量和位置根據(jù)掃描項目的實(shí)際需求和精確來決定，標(biāo)靶的放置還應(yīng)考慮掃描路徑的環(huán)境[3]。

標(biāo)靶設(shè)置一般遵循以下原則：1）標(biāo)靶本身具有較高的可識別性， 設(shè)置標(biāo)靶四周需確保無遮擋物。2）根據(jù)所測實(shí)物形狀，標(biāo)靶設(shè)置盡可能分散，避免在同一直線上， 不易于后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的匹配處理。 3）確保標(biāo)靶在掃描過程中的穩(wěn)定性，尤其在前后兩個站點(diǎn)測量過程中，確保標(biāo)靶不可動、無遮擋。

2．4 掃描儀參數(shù)設(shè)置

在現(xiàn)場所有工作確定完成后，進(jìn)入三維掃描儀參數(shù)調(diào)整掃描階段，參數(shù)的最終確定是三維掃描開始前的最后一步，也是最重要的一步。 掃描參數(shù)設(shè)置主要包括： 設(shè)備中掃描文件的存檔命名、掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的儲存路徑、掃描區(qū)域設(shè)置、掃描儀的分辨率選擇、掃描范圍的選擇等。 其中，掃描儀分辨率的選擇直接影響掃描效率和質(zhì)量，在設(shè)備中是由時間、 配置分辨率兩個參數(shù)進(jìn)行控制。 在掃描過程中，選取的分辨率越高，掃描時間越長，所得的點(diǎn)云會越密集，掃描所得文件就越大，后期處理工作就越復(fù)雜。 掃描過程中選取的掃描范圍越廣，產(chǎn)生的噪點(diǎn)就越多，后期點(diǎn)云處理的工作量就越大，拼接精度就越低[4]。

在掃描過程中需注意以下事項：1）在掃描作業(yè)過程中，掃描儀需保持穩(wěn)定狀態(tài)，避免受到環(huán)境外力的影響而造成的設(shè)備的波動。 2）掃描儀在掃描作業(yè)時，避免掃描范圍區(qū)域內(nèi)的人員走動，防止不必要噪點(diǎn)的產(chǎn)生，同時注意交叉作業(yè)多掃描區(qū)域的遮擋從而影響后期點(diǎn)云的拼接合成。 3）三維掃描儀器在掃描過程中，需要確保標(biāo)靶的固定和無遮擋，若在掃描過程中標(biāo)靶位置發(fā)生變動，或者交叉作業(yè)導(dǎo)致標(biāo)靶遮擋，則導(dǎo)致此站點(diǎn)云無法使用，影響操作時間和點(diǎn)云獲取。 4）在掃描過程中，掃描儀需要確保穩(wěn)定，并選取最佳的角度。

3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理[5]

3.1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)解析

本項目使用FAROScene2019 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解析工作。 首先，在彩色化中選擇“使掃描變?yōu)椴噬?，通過此步驟操作，將點(diǎn)云定義為彩色。 過濾器選項中選擇“離群點(diǎn)過濾”根據(jù)點(diǎn)云離散情況清除部分離散點(diǎn)。 查找目標(biāo)選項中，選擇“查找球體”，會自動查找靶標(biāo)球并標(biāo)識其位置，便于后期點(diǎn)云拼接。

3.1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

在掃描過程中，前期確定的各測站點(diǎn)均有獨(dú)立坐標(biāo)系，因此掃描結(jié)束后需對多站點(diǎn)云進(jìn)行拼接，整合在一個相同坐標(biāo)系下方可得到完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)。 目前常用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法主要為標(biāo)靶法。 標(biāo)靶法又稱標(biāo)靶球拼接法[6]，其做法是在兩個連續(xù)測站的相交區(qū)域放置標(biāo)靶球，在FAROScene軟件中分別標(biāo)識標(biāo)靶球，不同掃描站所得點(diǎn)云在處理過程中利用識別的標(biāo)靶球完成數(shù)據(jù)拼接。 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接，受制于標(biāo)靶設(shè)置的穩(wěn)定性，并受相鄰兩站點(diǎn)掃描區(qū)域重合率的影響，標(biāo)靶移動或者兩站點(diǎn)云數(shù)據(jù)重合度小于35%，都會導(dǎo)致點(diǎn)云拼接的不準(zhǔn)確性，并增加無效工作。

3.1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪

噪點(diǎn)的出現(xiàn)是在使用三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集過程中常見的現(xiàn)象。 掃描過程中出現(xiàn)噪點(diǎn)的原因大致包括：偶然原因、系統(tǒng)原因。 其中，系統(tǒng)原因是指掃描儀自身因素，如發(fā)散角、譜線寬度、設(shè)備平溫度、功率波動等；偶然原因是指掃描周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，包括掃描周邊溫度、濕度、光照強(qiáng)度、表面材質(zhì)、反射率[7]。 噪點(diǎn)的產(chǎn)生也受三維掃描設(shè)備參數(shù)設(shè)置的影響，選取的掃描范圍越廣，掃描的精度降低，掃描拾取的遠(yuǎn)方噪點(diǎn)就越多，加大噪點(diǎn)處理工作。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)中由于物體表面以及掃描過程中散射等原因產(chǎn)生的離散點(diǎn)噪聲，通過離散點(diǎn)統(tǒng)計算法進(jìn)行去除， 具體做法為統(tǒng)計在一定區(qū)域范圍內(nèi)點(diǎn)的數(shù)量，將小于設(shè)定閾值或者偏離中心區(qū)域的離散點(diǎn)去除。

3.1.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀

點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理之后所得點(diǎn)云仍然具有高密度的特性，巨大的數(shù)據(jù)容量，影響數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出、傳輸、處理等，為了進(jìn)一步讀取處理使用，需要對所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理[8]。 其原則是在不影響點(diǎn)云精度的前提下對稠密區(qū)點(diǎn)云進(jìn)行必要的縮減，從而完成對點(diǎn)云的“瘦身”。

3.2 模型重建

模型重建是三維掃描的重要一環(huán)，也是三維數(shù)據(jù)實(shí)體化的具體實(shí)現(xiàn)。 現(xiàn)在市場上三維建模技術(shù)大致可分為三類：幾何建模、圖像建模、組合建模。 幾何建模主要是依據(jù)三維坐標(biāo)體系，完全根據(jù)實(shí)物在坐標(biāo)系中的位置、形狀等基本元素構(gòu)建出一個體， 從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)實(shí)體的模型復(fù)制，這種方法受制于實(shí)物三維內(nèi)部構(gòu)造，外表建模速度較快，內(nèi)部建模難度較大；圖像建模顧名思義就是根據(jù)圖像數(shù)作為建?；A(chǔ)數(shù)據(jù)， 通過真實(shí)圖形反饋進(jìn)行繪制，這種方法具有較明顯的局限性，適用于二維平面，在三維立體空間中表現(xiàn)困難；混合建模集合了以上兩種建模方法的技術(shù)特點(diǎn)， 能夠做到點(diǎn)面線結(jié)合，很好的反饋現(xiàn)場三維實(shí)際模型。

3.2.1 管線數(shù)據(jù)處理

管線在處理廠中具有量大、空間占有率大的特點(diǎn)， 而管線的重建是點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模的重要一步。 管線具有水平好識別的特性，在軟件中通過設(shè)定管線的公稱直徑，可以在點(diǎn)云規(guī)定半徑范圍內(nèi)自動提取直管段，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、遮擋嚴(yán)重的管線可以通過手動選取匹配方式進(jìn)行生成重建。

生成直管后，可以通過軟件選取，在法蘭連接部位增加法蘭，通過添加法蘭并進(jìn)行角度及位置調(diào)整、拆分等操作完善管線路由布置。

選取相鄰兩直管并選擇連接方式完成直管及彎管連接，至此管線部分建模大體結(jié)束，后期通過瀏覽模型軟件對錯誤位置進(jìn)行更正處理。

3.2.2 數(shù)據(jù)輸出

逆向建模對象可導(dǎo)出多種格式的三維模型文件（dxf、iges、stl 等），對接BIM 系統(tǒng)，簡化BIM 數(shù)據(jù)重建的工作流程，還可輸出三角化后的模型文件[1]。