賈士軍 王 昆 趙 瑞 康薇薇

國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院

基于激光掃描技術(shù)的運(yùn)行中火電廠快速三維建模研究

賈士軍 王 昆 趙 瑞 康薇薇

國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院

利用地面激光掃描儀對運(yùn)行中火電廠進(jìn)行掃描試驗(yàn)并進(jìn)行三維建模研究。整個實(shí)驗(yàn)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云拼接、點(diǎn)云濾波等內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)處理操作，最后基于PolyWorks三維建模軟件，建立了由三角網(wǎng)構(gòu)成的三維表面模型，再通過人工優(yōu)化最終得到部分構(gòu)筑物的精細(xì)三維模型。

激光掃描技術(shù)；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；電廠；三維建模

1 引言

隨著“數(shù)字地球”概念的出現(xiàn)及其技術(shù)的發(fā)展，精確數(shù)字化三維模型的優(yōu)點(diǎn)已越來越突出，同樣建立火電廠數(shù)字化三維模型的優(yōu)點(diǎn)也是不言而喻的，它不僅能為電廠竣工提供全面的設(shè)計質(zhì)量檢查，還能為火電廠的日常運(yùn)行維護(hù)，后期擴(kuò)建乃至改造提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。而火電廠中的建筑物、管道等物體很多是由復(fù)雜曲面和線條組成，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所處工作環(huán)境危險，因此，利用傳統(tǒng)單點(diǎn)測量方法已不能滿足龐大的數(shù)據(jù)采集工作，如何快速、精確的獲取火電廠三維建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)成為重大的技術(shù)難點(diǎn)。

隨著激光掃描技術(shù)這一新型測量技術(shù)的產(chǎn)生，它可以在不接觸物體的情況下，連續(xù)、快速地獲取物體表面的三維坐標(biāo)信息，目前已有學(xué)者在文物保護(hù)、變形監(jiān)測、管線測量、電網(wǎng)工程等領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究[1-5]。本文將該技術(shù)引入運(yùn)行中火電廠，探討了如何利用三維激光掃描技術(shù)獲取空間數(shù)據(jù)并建立相應(yīng)三維模型的過程。

2 技術(shù)介紹

三維激光掃描儀是繼全球定位系統(tǒng)后近代測量領(lǐng)域的又一場技術(shù)革命[6]。它主要是利用激光測距原理，密集地采集目標(biāo)物體表面的三維坐標(biāo)、反射率和紋理信息，對空間進(jìn)行真實(shí)的三維記錄，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)掃描儀搭載方式的不同分為手持式、地面、車載以及機(jī)載等。

該技術(shù)采用非接觸式的高速激光測量方式來獲取目標(biāo)物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過后處理軟件的分析、處理并完成三維建模。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式相比，三維激光掃描技術(shù)具有非接觸性、數(shù)字化程度高、采集信息量大等特點(diǎn)[7]。具體應(yīng)用于三維建模領(lǐng)域的優(yōu)勢在于：掃描速度快，每秒可達(dá)上百萬點(diǎn)；高精度、高密度掃描，單點(diǎn)精度可達(dá)毫米級；全景化的掃描，更加靈活同時更適合復(fù)雜的測量環(huán)境，效率高；儀器一體化集成， 方便操作及攜帶。

3 依托工程介紹

本文依托工程為某國有發(fā)電集團(tuán)所屬火電廠，該電廠規(guī)劃裝機(jī)容量為4×600MW，一期工程已安裝2×600MW國產(chǎn)亞臨界燃煤機(jī)組并投入運(yùn)行，二期2×600MW國產(chǎn)超臨界燃煤機(jī)組為擴(kuò)建工程。該電廠廠內(nèi)建筑物、管線、高塔較多，且多為不規(guī)則物體，并且廠區(qū)內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，電線電纜縱橫交錯，使用常規(guī)測量方法很難完成電廠一期的三維建模，如何獲取運(yùn)行中火電廠的三維模型對二期電廠合理設(shè)計起到至關(guān)重要的作用。

4 解決方案

應(yīng)用地面三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)的過程大致分為計劃制定、外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理三部分。計劃制定主要指根據(jù)掃描對象的不同和精度要求設(shè)計一條合理的掃描路線、確定恰當(dāng)?shù)牟蓸用芏?、大致確定掃描儀至掃描物體的距離、設(shè)站數(shù)、設(shè)站位置等；外業(yè)工作主要是數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場分析數(shù)據(jù)是否滿足要求并及時補(bǔ)測；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理是最重要也是工作量最大的環(huán)節(jié)，主要包括數(shù)據(jù)拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)分類、地物建模等。其大致流程如下[8]：

制定工作計劃，主要工作有確定采樣密度、掃描路線設(shè)計、確定設(shè)站數(shù)及設(shè)站位置。外業(yè)工作，即進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，主要工作有點(diǎn)云拼接、點(diǎn)云濾波和三維建模。

4.1 數(shù)據(jù)采集

我們利用RIEGL公司生產(chǎn)的VZ-400型地面激光掃描儀對該電廠一期廠區(qū)內(nèi)建筑物、管線等進(jìn)行了全方位的立體掃描。VZ-400型地面激光掃描儀采用脈沖式掃描，具有全波形回波技術(shù)和實(shí)時全波形數(shù)字化處理和分析技術(shù)，掃描距離可達(dá)500米，單點(diǎn)測距精度在100米處可達(dá)到±0.5mm，同時設(shè)備搭載NIKOND300型專業(yè)單反相機(jī)進(jìn)行同步高清照片拍攝，以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理時提取紋理色彩對點(diǎn)云和三維模型進(jìn)行著色。對于建立智能化電廠三維模型，在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時，不能一味追求過高的點(diǎn)密度，這不僅會增加數(shù)據(jù)采集的時間，更大大加大內(nèi)業(yè)處理的難度，從而不能真實(shí)體現(xiàn)三維激光掃描儀在快速測量方面的優(yōu)勢，因此必須對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理。

另外常用的數(shù)據(jù)采集方式有直接設(shè)站法、配合全站儀和配合GPS采集法[9]。第一種方法得到的數(shù)據(jù)是在假定坐標(biāo)系下，而后兩種方法可以轉(zhuǎn)換到真實(shí)坐標(biāo)系下，同時不同采集方式也決定了點(diǎn)云拼接將采用不同的方法。這里我們僅為建立三維模型，因此選擇了第一種方法。外業(yè)數(shù)據(jù)采集主要包括數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場分析采集到的數(shù)據(jù)是否大致符合要求、進(jìn)行初步的質(zhì)量分析和控制等。激光掃描工作流程具體如下：

數(shù)據(jù)掃描之前，需要布設(shè)反射標(biāo)靶。反射標(biāo)靶的擺放不能在同一條直線上，不能有線性關(guān)系；并且保證兩兩掃描站點(diǎn)之間最少有3個共同的反射標(biāo)靶。架設(shè)三腳架，使得三腳架粗平，將儀器放置在腳架上。接通儀器和電腦，開啟地面激光掃描儀。打開掃描軟件，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)連接參數(shù)，使得電腦與儀器連接。連接成功之后，新建工程，在該工程中新建掃描站點(diǎn)，直接設(shè)置掃描分辨率、距離、掃描范圍，開始掃描。掃描完成之后，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取反射標(biāo)靶，在RiSCANPRO中，反射標(biāo)靶一般為紅色的點(diǎn)，選擇合適的反射標(biāo)靶，對反射標(biāo)靶進(jìn)行精掃，同時需要保證兩站之間的公共反射標(biāo)靶最少是3個，且其不在同一直線上。然后查看掃描結(jié)果，如若數(shù)據(jù)的完整性、精度等各方面都符合要求則完成該次掃描，不符合則需要對目標(biāo)進(jìn)行重新掃描或者是補(bǔ)掃。關(guān)閉儀器，拔出電源線及電腦連接線。然后將儀器搬至下一站。重復(fù)上面步驟。完成所有的數(shù)據(jù)掃描，整理好儀器，將所有的東西都?xì)w位之后，撤離掃描區(qū)域。

根據(jù)掃描距離與點(diǎn)密度的關(guān)系以及電廠三維模型建立的精度要求，我們在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時，共測了10站，站間距離不大于50m。掃描完畢，總共獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)量約20G。

4.2 點(diǎn)云拼接

點(diǎn)云拼接就是求得各測站間參考坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，使之統(tǒng)一到一個坐標(biāo)系下，這是地面激光掃描儀前期數(shù)據(jù)預(yù)處理的關(guān)鍵技術(shù)，將直接影響后期成果的精度。

根據(jù)數(shù)據(jù)采集方式的不同，點(diǎn)云拼接方式主要有標(biāo)靶拼接、坐標(biāo)拼接和點(diǎn)云拼接。前兩種方式的拼接精度較高，理想狀態(tài)可達(dá)±2mm，而第三種方式需要人工選取拼接點(diǎn)，因而會造成拼接誤差加大。針對火電廠廠區(qū)內(nèi)建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多為不規(guī)則物體的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)采集時提前設(shè)定了標(biāo)靶，因此這里利用RIEGL公司隨機(jī)軟件RiSCAN中的公共點(diǎn)拼接法進(jìn)行火電廠點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接。

4.3 數(shù)據(jù)濾波

在三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)過程中，由于儀器本身誤差以及外界環(huán)境的干擾，采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)會包含一些不屬于目標(biāo)地物的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)就是噪聲點(diǎn)，比如植被、車輛的遮擋等。這些噪聲點(diǎn)的存在將影響后期建模的過程，不僅會增加數(shù)據(jù)處理的時間，更會影響建模精度，因此需采用數(shù)據(jù)濾波的方法進(jìn)行剔除噪聲的操作。對于明顯的孤立點(diǎn)或突起點(diǎn)，可采用手動剔除。本次數(shù)據(jù)處理是在RISCAN軟件上采用手動剔除及數(shù)據(jù)濾波方式完成。

4.4 三維建模

地面三維激光掃描儀采集得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是由全離散的矢量距離點(diǎn)構(gòu)成，沒有任何明顯的形體信息和拓?fù)潢P(guān)系信息，不能直觀表達(dá)。因此，需用點(diǎn)、多邊形、曲線、曲面等形式將立體模型描述出來，構(gòu)成模型，即三維建模。

通過三維建模軟件，分階段對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，建立火電廠三維數(shù)據(jù)模型庫，為建立火電廠數(shù)字化管理系統(tǒng)做好準(zhǔn)備。這里我們選取兩個代表性構(gòu)筑物對其進(jìn)行了精細(xì)建模，具體實(shí)施過程為：應(yīng)用PolyWorks建模軟件，采用Delaunay三角化建模方法，快速獲得目標(biāo)對象的三角網(wǎng)絡(luò)模型，然后通過一定的人工干預(yù)，對建筑物三角網(wǎng)進(jìn)行修正、優(yōu)化，最終得到相應(yīng)的三維模型[10]。

由于在數(shù)據(jù)濾波剔除相應(yīng)噪聲點(diǎn)后可能出現(xiàn)空洞，這樣在建模時會導(dǎo)致黑洞，造成與實(shí)際構(gòu)筑物不符，因此需要進(jìn)行空洞修補(bǔ)，當(dāng)空洞出現(xiàn)在平面內(nèi)時，可采用線性插值方法；當(dāng)空洞出現(xiàn)在非平面區(qū)域時，采用二次曲面插值法或B樣條曲線方法[11]?；赑olyWorks軟件，這里采用基于空洞大小自動修補(bǔ)法和復(fù)合貝塞爾曲面方法修補(bǔ)法。

5 結(jié)論

試驗(yàn)表明，應(yīng)用激光掃描技術(shù)可以快速、有效地實(shí)現(xiàn)構(gòu)筑物的三維建模，建模精度較高，完整性好，解決了傳統(tǒng)測量方法建模周期長、效率低以及在特殊環(huán)境下的不足。另外，在數(shù)據(jù)采集時可同時獲取構(gòu)筑物的影像信息，實(shí)現(xiàn)模型的紋理貼合，使三維模型表達(dá)更真實(shí)、直觀。該方法推廣至整個電廠，可以建立電廠的三維模型庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電廠管理，從而為電廠的改擴(kuò)建工程以及運(yùn)行、維護(hù)提供有力的數(shù)據(jù)支持。

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Fast3DModelingoftheWorkingPowerPlantBasedonLaserScanningTechnology

JIAShijun，WANGKun，ZHAORui，KANGWeiwei

(StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchInstitute，SurveyBranch，Beijing100095)

The3D(three-dimensional)laserscannercanbeusedtoscanthe workingpowerplantandobtainpointcloud.Inthisexperiment，thepointcloudsh ouldbeprocessedwiththemethodofacquisition，mosaicandfilteringetc.Basedon the3DmodelingsoftwarePolyworks，triangularmesheswerebuilttogenerateathr ee-dimensionalsurfacemodel.Finallythefine3Dmodelsofsomestructureswered evelopedaftermanualoptimization.

Laserscanningtechnology；Pointcloud；Powerplant；3Dmodeling