油氣田三維掃描技術的實際應用

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

三維激光掃描技術是目前化工廠數字化、智能化建設以來最火的一門逆向建模技術，其被譽為“繼GPS 技術以來測繪領域的又一次技術革命”[1]。

本項目是依托渤海灣某處理廠改造項目開展，該處理廠由于增產需對場內管線進行升級改造， 傳統的升級改造項目多依據平面CAD 圖紙，然而該處理廠運營時間較長，初始資料圖紙存在缺失， 并且處理廠在運行過程中經歷過數次大修，現存的設計圖紙與實際現場情況已經有較大差距，導致現存圖紙只能作為參考，無法提供精確的建模數據。 基于此問題本項目采用三維激光掃描技術， 通過三維掃描儀多角度掃描工廠，以獲取改造廠區密集三維點云數據，經過一系列數據處理工作， 并結合現場管線的信息和圖紙信息，高準確度還原現場實際情況，最終生成改造廠區三維模型，該項掃描成果不僅為施工改造提供決策依據，還可以基于該模型建立基礎信息平臺，實現工廠管理的信息化。

2 實際掃測作業

2．1 儀器校核

儀器的校核實際為兩次校核的總述，三維掃描儀屬于精密度較高的設備，前期運輸過程中會存在參數變化的可能，所以需要在儀器到達現場前由專業人員進行設備裝配的初校，確保儀器的各參數部件處于正常作業狀態并且性能穩定。 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，逐次確認儀器參數設定的準確性，確保儀器能夠穩定并有足夠能力完成掃描作業。 配備專業人員對現場掃描路徑進行勘察，排出掃描遮掩區，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。

2．2 掃描站點確定

掃描站點的確定由專業工程師對場地掃描路徑進行勘察完成，在現場勘察過程中，通過三維空間理念，排出可能存在的掃描盲區，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。 在進行三維掃描作業過程中，可以根據實際掃描過程中的數據拾取效果，掃描物實體空間占比、相對位置大小，并結合最終的項目精確度需求，確定所需的測站點數。 站點設置的主要依據是標靶設置原理，最終目的是使在不同站點掃描所獲得的點云數據在特定處理軟件中實現拼接，通過去噪、刪減等最終合成整個項目的點云模型。 初步設定預設站點所在地和數量，并生成靶點目標區域，通過站點的路徑選擇，保證三維掃描儀掃描所得點云能夠進行有相同的標靶區域，從而進行有效的拼接。測站點的位置以現場調研最終確定的掃描路徑為參考， 并根據標靶設置的一般原則進行現場調整。

掃描站點確認和標靶設置同步進行， 并遵循以下原則：1）三維激光設置的各個標靶都可以掃描到所選實物的所有數據或部分數據，三維激光掃描儀設置的各個站點，在掃描過程中都可以掃描到所設置的區域重合標靶。2）相鄰站點之間掃描過程中需使用相同的標靶，并且掃描區域拾取點云重合率需在35%以上， 此重合率是進行不同站點點云數據拼接的最低要求[2]。 3）在三維掃描點云數據精確度一定的條件下， 根據現場測量，選取最小的站數進行測量，可以盡量減少所獲得的點云數據，減少后續數據處理而產生的操作誤差。 4）三維掃描過程中如果存在預設站點位置臨時遮擋情況， 可以根據現場情況靈活調整，在保證數據準確的前提下進行變更站點位置。

2．3 標靶設置

標靶是在三維激光掃描過程中相鄰站點點云拼接參考的點，具有顯形易于識別特征。掃描過程中常見的標靶包括：平面標靶、球形標靶等。 標靶的數量和位置根據掃描項目的實際需求和精確來決定，標靶的放置還應考慮掃描路徑的環境[3]。

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

2．4 掃描儀參數設置

在現場所有工作確定完成后，進入三維掃描儀參數調整掃描階段，參數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。 掃描參數設置主要包括： 設備中掃描文件的存檔命名、掃描點云數據的儲存路徑、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，掃描儀分辨率的選擇直接影響掃描效率和質量，在設備中是由時間、 配置分辨率兩個參數進行控制。 在掃描過程中，選取的分辨率越高，掃描時間越長，所得的點云會越密集，掃描所得文件就越大，后期處理工作就越復雜。 掃描過程中選取的掃描范圍越廣，產生的噪點就越多，后期點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）在掃描作業過程中，掃描儀需保持穩定狀態，避免受到環境外力的影響而造成的設備的波動。 2）掃描儀在掃描作業時，避免掃描范圍區域內的人員走動，防止不必要噪點的產生，同時注意交叉作業多掃描區域的遮擋從而影響后期點云的拼接合成。 3）三維掃描儀器在掃描過程中，需要確保標靶的固定和無遮擋，若在掃描過程中標靶位置發生變動，或者交叉作業導致標靶遮擋，則導致此站點云無法使用，影響操作時間和點云獲取。 4）在掃描過程中，掃描儀需要確保穩定，并選取最佳的角度。

3 內業數據處理

3.1 數據預處理[5]

3.1.1 點云數據解析

本項目使用FAROScene2019 軟件進行數據解析工作。 首先，在彩色化中選擇“使掃描變為彩色”，通過此步驟操作，將點云定義為彩色。 過濾器選項中選擇“離群點過濾”根據點云離散情況清除部分離散點。 查找目標選項中，選擇“查找球體”，會自動查找靶標球并標識其位置，便于后期點云拼接。

3.1.2 點云數據拼接

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

3.1.3 點云數據去噪

噪點的出現是在使用三維激光掃描儀進行數據采集過程中常見的現象。 掃描過程中出現噪點的原因大致包括：偶然原因、系統原因。 其中，系統原因是指掃描儀自身因素，如發散角、譜線寬度、設備平溫度、功率波動等；偶然原因是指掃描周邊環境產生影響，包括掃描周邊溫度、濕度、光照強度、表面材質、反射率[7]。 噪點的產生也受三維掃描設備參數設置的影響，選取的掃描范圍越廣，掃描的精度降低，掃描拾取的遠方噪點就越多，加大噪點處理工作。

點云數據中由于物體表面以及掃描過程中散射等原因產生的離散點噪聲，通過離散點統計算法進行去除， 具體做法為統計在一定區域范圍內點的數量，將小于設定閾值或者偏離中心區域的離散點去除。

3.1.4 點云數據抽稀

點云數據進行去噪處理之后所得點云仍然具有高密度的特性，巨大的數據容量，影響數據導入、導出、傳輸、處理等，為了進一步讀取處理使用，需要對所得點云數據進行抽稀處理[8]。 其原則是在不影響點云精度的前提下對稠密區點云進行必要的縮減，從而完成對點云的“瘦身”。

3.2 模型重建

模型重建是三維掃描的重要一環，也是三維數據實體化的具體實現。 現在市場上三維建模技術大致可分為三類：幾何建模、圖像建模、組合建模。 幾何建模主要是依據三維坐標體系，完全根據實物在坐標系中的位置、形狀等基本元素構建出一個體， 從而實現對目標實體的模型復制，這種方法受制于實物三維內部構造，外表建模速度較快，內部建模難度較大；圖像建模顧名思義就是根據圖像數作為建?；A數據， 通過真實圖形反饋進行繪制，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困難；混合建模集合了以上兩種建模方法的技術特點， 能夠做到點面線結合，很好的反饋現場三維實際模型。

3.2.1 管線數據處理

管線在處理廠中具有量大、空間占有率大的特點， 而管線的重建是點云數據建模的重要一步。 管線具有水平好識別的特性，在軟件中通過設定管線的公稱直徑，可以在點云規定半徑范圍內自動提取直管段，對于結構復雜、遮擋嚴重的管線可以通過手動選取匹配方式進行生成重建。

生成直管后，可以通過軟件選取，在法蘭連接部位增加法蘭，通過添加法蘭并進行角度及位置調整、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束，后期通過瀏覽模型軟件對錯誤位置進行更正處理。

3.2.2 數據輸出

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