三維激光掃描技術(shù)在工廠改造工程中的應(yīng)用研究

汪建忠

（杭州長安民生物流有限公司 浙江 杭州 310000）

0 引言

面對日益激烈的市場競爭和技術(shù)進(jìn)步的壓力，工廠改造成為提升產(chǎn)能、提高效率、降低成本、適應(yīng)市場需求的關(guān)鍵舉措。工廠改造離不開準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括建筑物的尺寸、地形地貌、設(shè)備布局、管線走向等，這些數(shù)據(jù)是進(jìn)行工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工的基礎(chǔ)。因此，工程測量工作在其中是不可或缺的，其可以確保改造工程的準(zhǔn)確性和可行性，避免后續(xù)工作中的誤差和問題。而傳統(tǒng)測量手段通常依賴于人工單點(diǎn)測量，存在測量精度低、工作效率低、人力成本高等問題。此外，復(fù)雜的工廠環(huán)境和設(shè)備布局可能導(dǎo)致測量難度增加，尤其是在需要準(zhǔn)確測量的大規(guī)模工廠改造項(xiàng)目中，傳統(tǒng)測量手段可能無法滿足精確度和效率的要求［1－2］。

隨著激光掃描技術(shù)的不斷應(yīng)用和推廣，成為一種新的測量技術(shù)手段逐漸在工廠改造設(shè)計(jì)等行業(yè)中得到應(yīng)用，該技術(shù)可以提高測量精度、效率，并提供更全面的數(shù)據(jù)成果，從而解決傳統(tǒng)測量手段所面臨的痛點(diǎn)。因此，本文主要探討三維激光掃描技術(shù)在工廠改造工程中的應(yīng)用。首先，介紹了三維激光掃描技術(shù)的原理和特點(diǎn)；然后以實(shí)際工程為例，詳細(xì)分析了三維激光掃描技術(shù)在工廠改造工程中的應(yīng)用方法和流程，包括現(xiàn)場掃描數(shù)據(jù)的采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理和分析、重要信息標(biāo)注以及管道三維模型的生成和可視化等，驗(yàn)證三維激光掃描技術(shù)在工廠改造工程中的應(yīng)用效果；最后，討論三維激光掃描技術(shù)在工廠改造工程中的優(yōu)勢和局限性，并展望了未來的發(fā)展趨勢［3］。

1 相關(guān)理論基礎(chǔ)

1.1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描系統(tǒng)坐標(biāo)原點(diǎn)位于掃描儀的相位中心，X軸與橫向掃描面平行，Y軸與橫向掃描面垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。首先，發(fā)射器發(fā)出一個(gè)激光脈沖信號，內(nèi)部控制系統(tǒng)使反射鏡旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖引導(dǎo)到物體表面，激光脈沖經(jīng)過物體表面的漫反射后，沿著幾乎相同的路徑返回到接收器。內(nèi)部計(jì)算系統(tǒng)通過測量脈沖發(fā)出和接收的時(shí)間差，計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)到相位中心的距離S，并記錄了掃描儀在水平和豎直方向上的旋轉(zhuǎn)角度α和θ，最后通過坐標(biāo)正算和校正獲得P點(diǎn)坐標(biāo)，其相關(guān)原理如圖1所示［4－5］。

圖1 三維激光掃描測量點(diǎn)坐標(biāo)原理

傳統(tǒng)三維激光掃描儀在外業(yè)過程中需要調(diào)平，擺放標(biāo)靶，內(nèi)業(yè)處理需要進(jìn)行配準(zhǔn)等操作，這些都需要具備一定的測繪專業(yè)知識，讓非測繪專業(yè)人士在使用時(shí)遇到一些門檻?；谝陨显颍疚闹饕獞?yīng)用Trimble X7 激光掃描儀。在實(shí)際工程中，該設(shè)備具備自動校準(zhǔn)、自動調(diào)平、自動獲取高分辨率全景照片、外業(yè)現(xiàn)場自動配準(zhǔn)等智能化的功能，以上操作僅需一鍵即可自動完成，方便外業(yè)技術(shù)人員輕松使用并獲取專業(yè)成果。

1.2 管道點(diǎn)云擬合建模

管道點(diǎn)云擬合建模是指利用激光掃描技術(shù)獲取的管道點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過擬合算法，將離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合成平滑的管道曲線或曲面模型，從而實(shí)現(xiàn)對管道的幾何特征進(jìn)行描述和分析。

①最小二乘法（least squares method）：最小二乘法是一種常用的曲線擬合算法，通過最小化點(diǎn)到曲線的距離平方和來確定最佳擬合曲線。該方法適用于擬合簡單的曲線，如直線、圓弧等。②B 樣條曲線（B-spline curve）：B 樣條曲線是一種基于控制點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)向量的曲線擬合算法。通過調(diào)整控制點(diǎn)的位置和節(jié)點(diǎn)向量的分布，可以得到靈活且光滑的曲線擬合結(jié)果。B 樣條曲線適用于擬合復(fù)雜的曲線形狀。③NURBS 曲線（non-uniform rational b-spline curve）：NURBS 曲線是一種基于有理函數(shù)的曲線擬合算法。它在B 樣條曲線的基礎(chǔ)上引入了權(quán)重因子，可以更精確地控制曲線的形狀。NURBS 曲線適用于擬合具有復(fù)雜幾何形狀和曲率變化的管道。在實(shí)際應(yīng)用中，選擇合適的算法取決于管道的幾何形狀、曲率變化、擬合精度要求等因素。有時(shí)也可以結(jié)合多種算法進(jìn)行組合擬合，以獲得更好的擬合效果。此外，還可以根據(jù)實(shí)際情況對算法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以提高擬合效率和準(zhǔn)確性。

2 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用——以某氟化工廠改造為例

2.1 測區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)測區(qū)位于H 市某氟化工廠，總占地面積約800 m2，該工廠需要進(jìn)行工藝優(yōu)化，通過引入新的生產(chǎn)工藝和技術(shù)，改進(jìn)生產(chǎn)過程，減少生產(chǎn)周期和成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。在改造前，需要了解現(xiàn)有設(shè)備空間信息，并虛擬數(shù)字化對現(xiàn)有設(shè)備的位置、數(shù)量和布局進(jìn)行重新規(guī)劃。因此，項(xiàng)目應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行外業(yè)測量，測區(qū)數(shù)據(jù)采集實(shí)況如圖2 所示。

圖2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集實(shí)況

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集及點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)外業(yè)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的是Trimble X7 激光掃描儀，在采集區(qū)域內(nèi)，按照“遠(yuǎn)－近”交錯(cuò)設(shè)站方式進(jìn)行測站布設(shè)，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在易遮擋區(qū)域，通常需要在不同位置和角度進(jìn)行多次掃描，以獲取全面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，見圖3。

圖3 配準(zhǔn)好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

另外，通過集成到T10 平板電腦中的Perspective 外業(yè)軟件，可在外業(yè)數(shù)據(jù)采集中即時(shí)操作、管理、查看和驗(yàn)證掃描數(shù)據(jù)，并能夠進(jìn)行自動校準(zhǔn)，以保證每次掃描的準(zhǔn)確性并減少或免除停工送檢，整個(gè)過程自動配準(zhǔn)、優(yōu)化和報(bào)告，待數(shù)據(jù)無誤后換站掃描。同時(shí)X7 集成激光指示功能，可以對控制點(diǎn)精確測量并現(xiàn)場進(jìn)行地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)注記

外業(yè)完成后，點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以通過Perspective 外業(yè)軟件直接輸出.E57、.LAS 或.RCP 等通用格式，也可輸出.TDX格式導(dǎo)入到點(diǎn)云數(shù)據(jù)軟件中。一方面，測量技術(shù)人員可以邊掃描，邊根據(jù)現(xiàn)場實(shí)況對現(xiàn)場關(guān)鍵點(diǎn)位添加圖片和文字注釋，以采集到更全面的信息；另一方面，內(nèi)業(yè)利用點(diǎn)云軟件，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，如添加注釋和點(diǎn)云建模等，幫助設(shè)計(jì)人員更好地利用數(shù)據(jù)。如圖4 所示，利用注釋功能將重要的管道進(jìn)行ID 注釋，讓設(shè)計(jì)人員進(jìn)行快速定位。

圖4 重要管道ID 標(biāo)注

2.4 管道模型構(gòu)建

工廠管道建?？梢詼?zhǔn)確了解管道的位置、走向和尺寸，幫助規(guī)劃工廠內(nèi)的空間布局，有助于確定設(shè)備的位置、管道的走向以及其他設(shè)施的布置，以最大程度地優(yōu)化工廠的運(yùn)作效率。

Trimble X7 激光掃描儀配套軟件中提供建模功能，可以對管道進(jìn)行自動化的建模。使用自動管道功能可以對單根管道進(jìn)行自動追蹤建模，如圖5 所示，將重要的管道進(jìn)行建模，模型可以輸出通用格式導(dǎo)入到設(shè)計(jì)軟件中［6－7］。

圖5 重要管道建模

預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合建模使用的軟件是Trimble Realworks，該軟件中的Easy Pipe 模塊工具較好地集成了B 樣條曲線算法。由于管道間相互遮擋較為嚴(yán)重，因此針對管道點(diǎn)云數(shù)據(jù)是否完整進(jìn)行分類處理：如果管道點(diǎn)云數(shù)據(jù)不完整或存在遮擋等問題，可以結(jié)合現(xiàn)有的二維資料，如照片、視頻等參考資料，進(jìn)行管道模型的重建。通過觀察照片和視頻中的管道形狀和結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合已有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行管道模型的擬合建模。部分管道建模效果如圖5 所示。

對于部分管道點(diǎn)云數(shù)據(jù)較為完整的區(qū)域，首先，利用Easy Pipe 工具或其他擬合工具對這些區(qū)域進(jìn)行管道模型的擬合。其次，使用模型修改工具，根據(jù)已有的擬合模型，對模型進(jìn)行拉伸、延長和修改，以填補(bǔ)缺失的部分。再次，可以復(fù)制已建好的同管徑的管線模型，并通過平移、旋轉(zhuǎn)等操作將其移動到相應(yīng)的位置，以構(gòu)建完整的管道模型。最后，對于管道上的其他附屬結(jié)構(gòu)，如閥門和關(guān)鍵部件，可以使用其他三維建模軟件進(jìn)行重建并將其導(dǎo)入到管道模型中進(jìn)行合并。構(gòu)建好的管道模型三維場景如圖6 所示。

圖6 管道模型三維場景

3 優(yōu)勢分析

為比較三維激光掃描技術(shù)在工廠改造中的應(yīng)用優(yōu)勢，相同測區(qū)實(shí)驗(yàn)中也應(yīng)用全站儀（傳統(tǒng)測量方式）進(jìn)行測量，并分別對內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析。兩種測量手段對比如表1 所示［8－11］。

表1 三維激光掃描法與傳統(tǒng)測量方式對比

通過表1 可以看出，在效率和成本上，傳統(tǒng)的測量方式都是依靠測量員逐點(diǎn)觀測，經(jīng)過整理計(jì)算后才能獲得數(shù)據(jù)和相關(guān)圖件，耗費(fèi)時(shí)間長且人工成本高。而利用三維激光掃描技術(shù)能夠快速采集目標(biāo)區(qū)域坐標(biāo)數(shù)據(jù)，內(nèi)外業(yè)綜合效率約是傳統(tǒng)方法的2 ～3 倍，具有更高的效率和更豐富的信息獲取能力。

4 結(jié)語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)在設(shè)備布局規(guī)劃方面的應(yīng)用，能夠快速獲取工廠內(nèi)部的設(shè)備位置和布局信息，幫助工程師進(jìn)行合理的設(shè)備調(diào)整和優(yōu)化。通過優(yōu)化設(shè)備布局，可以提高生產(chǎn)線的效率和流程，減少物料搬運(yùn)距離和時(shí)間，從而提高生產(chǎn)能力和降低成本。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的深入，相信三維激光掃描技術(shù)將在工廠改造中發(fā)揮越來越重要的作用，為工業(yè)界帶來更大的變革和突破。