三维激光扫描技术在厂区密集架空管线数字化中的应用

:/DOI１０􀆰１９３４９􀆰cnki􀆰issn１００６Ｇ７９４９􀆰２０２０􀆰０１􀆰０１０j

]():引用著录:周永波,李秀海．三维激光扫描技术在厂区密集架空管线数字化中的应用[测绘工程,J．２０２０,２９１５１Ｇ５５．

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测　绘　工　程

Vol􀆰２９,No􀆰１,Jan．２０２０

三维激光扫描技术在厂区密集架空管线

数字化中的应用

３

周永波１,李秀海２,

(山东正元地球物理信息技术有限公司,山东济南２黑龙江工程学院测绘工程学院,黑龙江哈尔滨１１．５０１０１;２．５００５０;３．)哈尔滨测量高等专科学校测量工程公司,黑龙江哈尔滨１５００５０

摘　要:架空综合管线在石化厂区总图管理中具有重要的作用,由于其种类多、密集、连接管线复杂等原因,利用常规的管线测量方法无法满足测量精度和实现数字化的要求.文中利用三维激光扫描技术对锦州石化公司厂区的密集架空管线,实施从外业管道扫描,内业点云处理、数据模型建立和管线数据库的建立等技术路线和措施,实现了厂区架空管线数字化成果,为石化厂区总图建设和管理提供基础数据保障.实践证明,三维激光扫描技术相比传统的测量手段和方法,具有非接触、精度高、速度快等诸多优点.关键词:三维激光扫描;数字化;架空管线;点云;标靶

()中图分类号:TP７３　　　文献标识码:A　　　文章编号:１００６Ｇ７９４９２０２００１Ｇ００５１Ｇ０５

Alicationof３Dlaserscannintechnolotoppggy

diitalizationofoverheadpielineinplantareagp

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１２３

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,

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etrochemicalplantarea．Duetothevarietfoverheadinteratedpielinesandcomlexpielinepyogppp

,connectiontheconventionalpielinedetectionmethodcannotmeetthereuirementsofmeasurementpq,taccuracnddiitization．InthispaerhreeＧdimensionallaserscanninechnolonenineerinyagpgtgyigg,f,ialicationsinJinzhoupetrochemicalfactorromoutsidepielinescanninnsidepointcloudppypg

rocessindatamodelestablishmentandpielinedatabaseestablishmentandothertechnicalmeasuresarepg,p,claoutandmanaementofpetrochemicalplantarea．Practicehasprovedthatomaredwiththeygp

,traditionalmeasurementmethod３DlaserscanninechnoloastheadvantaesoffastscanninndgtgyhgganonＧcontactaccesstodiitalinformation．g

:;;;;Keords３Dlaserscannindiitalizationoverheadpielineointcloudtaretggppgyw　　架空管线是石化厂区各生产装置之间不同介

质输送的重要通道,液化烃、硫化氢、可燃性液体、腐蚀性液体、有毒气体等管线都采用架空管道的敷

收稿日期:２０１９Ｇ０８Ｇ１０

,第一作者简介:周永波(男,工程师．１９７６－),通信作者简介:李秀海(男,教授,博士．１９６２－)

:AbstractOverheadinteratedpielineplasanimortantroleingenerallaoutmanaementofgpypyg

usedtorealizethediitalachievementofoverheadpieline．Thisprovidesbasicdataguaranteeforgeneralgp

设方式,这样敷设有利于防火,便于检修和管理,但由于大型厂区管线建设周期长,年代久远,资料缺失严重,且生产装置多,装置之间管线种类众多、密集,连接关系错综复查,靠“人为记忆”老旧管理模式已经远远满足不了数字化、精细化工厂的管理需求.为了实现快速、详实地为石油化工部门以及其

􀅰５２􀅰测　绘　工　程　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第２９卷

工程项目的规划设计、施工建设与运营管理等提供管线数据信息,同时也为厂区管理决策、规划设计、资源开发、安全生产、应急救灾提供高效、统一的信息化平台数据资料,管线作为厂区总图管理重要的内容,需要准确获得管线的空间位置和相关属性信息,并在此基础上,建立管线三维模型,实现信息化管理.

由于厂区综合管廊敷设的复杂性,常规探测定点难度大,遮挡较为严重,很难获取管线的三维坐

１]

,标,常规的测量难以实现管线数字化[且探测进度

每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距、水平角和垂直角,从而得到每一扫描点与测站的空间相对坐标.如果输入测站点的工程三维空间坐标,就可以求得任一扫描点的工程三维空间坐标数据.三维激光扫描技术的特点和优势就在于能够快速扫描被测物体,不用反射棱镜配合即可直接获得高精度的扫描点云数据,这样一来可以高效地对真实世

]５

.界进行三维建模和虚拟重现[

通过构建三维数据库,三维扫描可以达到测

量、模拟和分析空间三维物体的目的.测绘技术由传统的单点测量,到面式、体式测量,由原来的影像与方位数据分离,到如今三维物体影像及方位数据的联合采集,三维扫描技术是测量领域的革命性技

]６Ｇ１２

.术,在测绘信息领域得到了广泛的应用[

缓慢,精度无法满足.近年来,伴随着计算机、微电子、激光以及传感器等技术的快速发展,三维激光

２]

,扫描技术应运而生[不同于传统测量点对点的测

量方式,三维激光扫描技术采用主动、非接触式的获取被测目标表面的三维空间坐标数据、反射率以然后对点云数据作进一步的分析处理,能够实现架空管廊数字化的应用.

３]

,及纹理信息,得到的密集点位数据称为点云数据[

２　石化厂区综合架空管道分布与特点

经过多次改建、扩建和重组,锦州石化已成为辽西地区最大的原油成品油生产、加工和储存基地.该

２

,现有生产设施８厂占地面积约２厂区􀆰７km５套,

以锦州石化公司为例,其前身始建于１９３８年,

１　三维激光扫描技术简介

４

),.它是又称“实景复制技术”ScanTechnology

通过对物体空间外形和轮廓进行激光扫描的方法,

[]

三维激光扫描技术(ThreeＧDimensionalLaser

管架长度约有２管架上管道长度约８１km,００km,管道内输送有２０多种不同的介质载体.整个厂区范围内的管道走向和密集度比较复杂,管架上管道少则三层,多则六七层,架空管道材质多为钢,弯头、多通点较多.为满足施工工艺的要求,管廊上的管道U型弯头也较多,由于管廊上的管道缝隙很小,有些地方用人的肉眼甚至看不清楚,如此密集的管线常规测量难度非常大.图１为综合架空管道示意图.

快速、大范围的采集得到物体表面的点云数据(即,空间三维坐标数据)并利用相关软件建立物体的实景三维模型的一种技术方法和手段.

三维激光扫描技术是利用一台高速、精确的激光测距仪,并配备一套反射棱镜组,引导激光以均匀的角速度扫描.激光测距仪主动发射激光,同时接收由自然物表面反射的信号,计算出距离.针对

图１　综合架空管道示意图

３　应用实例

基于三维扫描技术的特点和优势,本文以锦州石化厂区综合密集架空管道数字化建设三维扫描

技术为例进行应用实践研究.

３􀆰１　现场勘查

勘查的范围包括测区内的管道结构、管道走向以及管道密集程度,以及不同区域内的情况差异等

第１期　　　　　　　　　周永波,等:三维激光扫描技术在厂区密集架空管线数字化中的应用􀅰５３􀅰

设计厂区内部的工作方案.通过踏勘,首先根据管道密集度及管廊变化情况,对管廊交汇处及管廊内管道密度较大的区域制定了重点扫描测量,增加架站测量密度的作业方案,对管廊内部管线稀疏且视野良好的区域测量只需满足内业处理要求即可.其次勘察厂内的交通以及安全状况,根据测区现状将整个厂区划分成不同的测量区域,分区布设控制点,在进行数据坐标配准时,小区域的坐标配准能够消除累积误差,提高数据配准精度.

量,不同测站之间直接通过公共平面进行拼接.

部分管道拐点或者管廊之间相互交错,测量难度较大,进行加密测站数量,通过不同管道中间的空间获取尽量完整的管道点云,一是增加管道拟合的精确度,其次使管道追踪拟合更加连贯,减少内业处理的难度以及外业调查的工作量,扫描时尽量通过不同的视野方向获取较为完整的扫描点云,保证内业数据处理的精确性.其中最为重要的是扫描仪架站位置的选择,通过肉眼观察,在保证管道􀆰２　布设控制点

厂区范围内的测量区域划分编号之后,根据现场踏勘情况进行控制点的选点与布设,布设了个图根控制点.并且根据测区编号相应的对三１１维９扫描靶标点进行编号,标注在影像图上,方便后续内业点云的拼接与坐标校正.

由于仪器得到的点云数据,其坐标系统为仪器的自定义坐标系,而数据加工处理必须在工程坐标系下进行,这就需要将仪器自定义坐标系转换成工程坐标系.通过靶标的仪器坐标和工程坐标,采用公共点坐标转换方法,求得两坐标系之间的换参数,其中平移参数６个转

各３个.

Δx、Δy、Δz和旋转参数α、β、在进行靶标点点位选取时,按照均匀合理分布的原则,避免各标靶在同一直线和平面上,黑白靶标平面尽量与测量方向垂直,保证获得足够的靶标平面点云数据,确保精确拟合中心位置.同时靶标选择的位置躲开施工区,避免遭到破坏.为保证点云数据配准的精确性,布设的靶标点数目至少是个,其中４个进行坐标校正,剔除其中校正误差最大５的控制点,另外一个靶标点作为备用点防止控制点脱落或被破坏,本次项目中使用黑白靶标作为坐标校正点布设到测区的不同位置.

使用精确检校的带有免棱镜测量功能的全站仪进行靶标点的坐标测量,将仪器架设在已经布设的厂区内的工程控制网基准点上,使用免棱镜模式,照准黑白靶标的中心位置进行测量,测量点号与靶标点编号相同.通过基准点对靶标点进行测量,利用布设的靶标点对点云数据进行拼接和坐标校正,使其拥有工程坐标系或者国家坐标系,方便后期做数据比对和分析.

􀆰３　管道扫描

根据不同的复杂程度采取不同的测量方法.管道走向清晰、视野开阔的情况下不同测站间的距离可以适当扩大,相邻测站间的数据通过连接球进行拼接.在测站密度较大的区域可以直接进行测扫描完整性的前提下尽量避免重复架站,减少点云重复采集.每个测区内尽量保证站为宜,根据测站数目及管道情况６０进~行８０个扫描测测区划分,

管廊交叉的路口位置应尽量设置为一个测区.

在进行外业数据扫描时,应将测区内的黑白靶标控制点的大体位置标注在影像图上,记录控制点点号以及扫描控制点的测站号,以备内业控制点的提取.􀆰４　点云处理

．４．１为保证管道点云的细节完整性　点云提取

,将外业测量的所有点云全部提取.

．４．２　点云拼接[１

３

]

以测区工程文件为单位进行测站拼接,拼接完

成的点云数据进行保存,由于外业测量的测站密度较大,使用基于平面的无目标拼接方式一般能够满足拼接要求,如出现未配准的测站,可以根据不同测站之间的公共平面利用基于点云的配准工具进行人工配准,如图．４．３２架空管廊点云示意图.

利用数据处理软件的目标提取工具　坐标统一

,提取外业扫描的控制点,软件会根据黑白相间点云提取靶标中心位置并显示拟合误差,修改控制点点号使其与外业测量点号相同.利用大地坐标校正工具将全站仪测量的控制点坐标与点云提取坐标进行一一对应,参与校正的控制点不同校正误差也不同,选取校正误差最小的３个点进行坐标校正,使点云与厂区内工程控制网相匹配.

．４．４删除点云数据中的噪声点以及非管道数据　管线提取

,将管道点云数据单独创建一个目标,提高计算机的数据处理效率,方便对管线数据的建模处理.图３为通过点云数据提取的管线中心线.

􀆰５　管道数据复查

由于整个厂区范围内的管线数量巨大,管线走向相当复杂,内业处理的管线中心线有时不完全准３γ３３３３３３３􀅰５４􀅰测　绘　工　程　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第２９卷

确,通过再次进行外业调查对数据的准确性进行修正,保证数据的精确无误.另外外业厂区现有全部

管廊管线种类、用途、管径和载体介质等属性调查尤为重要,确保管线属性数据的完整性.

图２　架空管廊点云数据图

３􀆰６　管道建模

经过提取处理的管道点云数据需要进行管道模拟建模,由于不同的管道半径存在差异,需要对不同的管道逐个进行建模.根据扫描的管道点云数据进行管道半径模拟,然后根据同一半径进行管道模拟,直到这条管道结束.参与管道模拟计算的点云会高亮显示,管道的走向应与实际点云分布尽量好的贴合,减少整条管道的拟合误差.每一条管线模型形成一个数据文件,不同的走向变化形成一个模型段.最后将所有的管道模型的中心线输出成DXF文件.将不同测区内的管道中心线根据空间关系进行连接,进而使整个厂区内的中心线数据

图３　点云数据提取的管线中心线

成为一个整体.图４为通过管线中心线生成的管道模型对比图.

图４　管线线型和模型对比图

４　结束语

本文基于三维激光扫描技术,对锦州石化公司厂区的密集架空管线进行数字化,实践证明,相对于传统测量方法,三维激光扫描技术数据获取速度

快,能够反映目标的实时现状,提高了作业效率;三维激光扫描技术采集海量点云数据,点位精度较高,能够精确地采集目标表面的数据信息;三维激光扫描技术采用主动测量模式,可以全天候的采集数据等,能够获得管线表面点的三维空间坐标,它

第１期　　　　　　　　　周永波,等:三维激光扫描技术在厂区密集架空管线数字化中的应用􀅰５５􀅰

能完成复杂管线的点、线的三维测量,改变了传统的测量模式,实现了无接触测量,大面积、全方位、不同视角获取高密度、高精准度的三维点云数据,后期配合专业的数据处理软件,快速建立厂区管道的三维模型,有助于实现密集架空管廊数字化测量.参考文献:

[]１　周京春,江贻芳,王贵武．地下管线技术标准数字化[]]２　徐源强,高井祥,王坚．三维激光扫描技术[J．测绘[]等．地面激光扫描点云数据预３　李广云,李明磊,王力,[]４　JIAOXJ．BasedonThreeＧDimensionalLaserScan

TechnolofLandslideToorahicMareationgyopgppC[]ResearchJ．Geomatics&SatialInformationTechＧp]():处理综述[J．测绘通报,２０１５１１１Ｇ３．():地理信息,２０１０,３５４５Ｇ６．

]():实施探讨[J．测绘通报,２０１０２５６Ｇ５９．

tionforaccurate３Durbancartorahblassificationgpyyc],２andincrementaludatinJ．RemoteSens０１３,５pg[():８３７０１Ｇ３７２８．

[]三维激光扫描技术检测测绘成果精度的应用８　秦红艳．[]姜颜笑,阎跃观,等．基于三维激光点云数据的９　李志刚,

６１Ｇ６４．

[]():测绘工程,J．２０１８,２７１０３７Ｇ３９．

]:冷却塔倾斜监测研究[J．测绘工程,２０１８,２７(１１)

[]HO１０FLEB,PFEIFERN．Correctionoflaserscanning

:]intensitatadataandmodelＧdrivenaroaches[J．ydpp,:ISPRSJPhotorammRemoteSens２００７,６２(６)g４１５Ｇ４３３．

[]L,KAA１１IANGX,HYYPPÄJRTINENH,etal．DeＧ

temoralterrestriallaserscanninata．ISPRSIntJpgd[]B,HOWE,１２UCKLEYSJLLJENGEH,etal．TerresＧ

:,triallaserscanninngeolodataacuisitionroＧgigyqp():２００８,１６５３６２５Ｇ６３８

],cessinndaccuraconsiderations[J．JGeolSocgayc():GeoＧInf,２０１２１２４２Ｇ２５５．

tectinhanesinforeststructureovertimewithbiＧgcg

[]]等．“数字城市”三维建模技术[５　曾浩,范巍,刘惠,J．[]６　LINDENBERGHR,PIETRZYKP．Chanedetectiong

[]():scanninJ．AlGeomat,２０１５７６５Ｇ７４．gpp():地理空间信息,２０１３３２６Ｇ２８．

,nolo２０１３．gy

anddeformationanalsisusintaticandmobilelaserygs

[]陈玮娴,袁庆,陈义．约束总体最小二乘在点云拼接１３

１３７Ｇ１４１．

]:中的应用[J．大地测量与地球动力学,２０１１,３１(２)

[]７　AIJAZIAK,CHECCHINP,TRASSOUDAINEL．

AutomaticremovalofimerfectionsandchanedetecＧpg

[责任编辑:张德福]

(上接第５０页)参考文献:

[],１　ROSENPA,HENSLEYSJOUGHINIR,etal．

():insoftheIEEE,２０００,８８３３３３Ｇ３８２．g

[]():四川测绘,J．２００４２９２Ｇ９５．[北京:测绘出版社,M]．２００３．京:科学出版社,２０１４．

]SntheticaertureradarinterferometrJ．ProceedＧypy[

[]张景发,刘斌,等．７　侯安业,PSＧInSAR与SBASＧInSAR

]监测地表沉降的比较研究[J．大地测量与地球动力():学,２０１２,３２４１２５Ｇ１２８．

stracts．２００７,１:０８．

[]——合成孔径雷达遥感新技术—２　刘国祥．InSAR介绍[]雷达干涉测量—原理与信号处理基础３　廖明生,林晖．[]时间序列I北４　廖明生,王腾．nSAR技术与应用[M]．[]５　ZHOUL．WuhanSurfaceSubsidenceAnalsisiny

２０１５Ｇ２０１６basedonSentinelＧ１ADatabBASＧInSARyS[],():J．RemoteSensin２０１７,９１０９８２g

[]方志雷,李志明,等．８　何庆成,InSAR技术及其在沧州

１７９Ｇ１８４．

]:地面沉降监测中的应用[J．地学前缘,２００６,１３(１)

[]陶秋香．基于I９　李红梅,nSAR时序分析的北京地区地

７８Ｇ８３．

]:表沉降监测研究[J．全球定位系统,２０１６,４１(３)

[]N１０GHM,GEL,YANY,etal．MainccumulaＧppga

tedminesubsidenceusinmallstackofSARdifferenＧgstialinterferoramsintheSoutherncoalfieldofNewg():２０１０,１１５１１Ｇ１５．

,A,SouthWalesustralia[J]．EnineerineologgGgy

[]６　LAUKNESTR,DEHLSJF,LARSENY,etal．

ReionalLandslideMainndMonitorinnNorＧgppgagi//wasinBASInSAR[C]AGUFallMeetinbＧyUgSgA

[责任编辑:张德福]