油气田三维扫描技术的实际应用

杨勃，郑兴周，高勋，王传磊，张栋

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

1 项目背景

三维激光扫描技术是目前化工厂数字化、智能化建设以来最火的一门逆向建模技术，其被誉为“继GPS 技术以来测绘领域的又一次技术革命”[1]。

本项目是依托渤海湾某处理厂改造项目开展，该处理厂由于增产需对场内管线进行升级改造， 传统的升级改造项目多依据平面CAD 图纸，然而该处理厂运营时间较长，初始资料图纸存在缺失， 并且处理厂在运行过程中经历过数次大修，现存的设计图纸与实际现场情况已经有较大差距，导致现存图纸只能作为参考，无法提供精确的建模数据。 基于此问题本项目采用三维激光扫描技术， 通过三维扫描仪多角度扫描工厂，以获取改造厂区密集三维点云数据，经过一系列数据处理工作， 并结合现场管线的信息和图纸信息，高准确度还原现场实际情况，最终生成改造厂区三维模型，该项扫描成果不仅为施工改造提供决策依据，还可以基于该模型建立基础信息平台，实现工厂管理的信息化。

2 实际扫测作业

2．1 仪器校核

仪器的校核实际为两次校核的总述，三维扫描仪属于精密度较高的设备，前期运输过程中会存在参数变化的可能，所以需要在仪器到达现场前由专业人员进行设备装配的初校，确保仪器的各参数部件处于正常作业状态并且性能稳定。 第二次的校核是为扫描前的终校，需要再一次依次查看扫描仪配件的完整性，逐次确认仪器参数设定的准确性，确保仪器能够稳定并有足够能力完成扫描作业。 配备专业人员对现场扫描路径进行勘察，排出扫描遮掩区，初步确定扫描标靶设置，确定扫描仪扫描定点区域， 并合理规划扫描路径，确定扫描次数。

2．2 扫描站点确定

扫描站点的确定由专业工程师对场地扫描路径进行勘察完成，在现场勘察过程中，通过三维空间理念，排出可能存在的扫描盲区，结合现场三维扫描的施工干涉，制定详细的三维扫描作业方案。 在进行三维扫描作业过程中，可以根据实际扫描过程中的数据拾取效果，扫描物实体空间占比、相对位置大小，并结合最终的项目精确度需求，确定所需的测站点数。 站点设置的主要依据是标靶设置原理，最终目的是使在不同站点扫描所获得的点云数据在特定处理软件中实现拼接，通过去噪、删减等最终合成整个项目的点云模型。 初步设定预设站点所在地和数量，并生成靶点目标区域，通过站点的路径选择，保证三维扫描仪扫描所得点云能够进行有相同的标靶区域，从而进行有效的拼接。测站点的位置以现场调研最终确定的扫描路径为参考， 并根据标靶设置的一般原则进行现场调整。

扫描站点确认和标靶设置同步进行， 并遵循以下原则：1）三维激光设置的各个标靶都可以扫描到所选实物的所有数据或部分数据，三维激光扫描仪设置的各个站点，在扫描过程中都可以扫描到所设置的区域重合标靶。2）相邻站点之间扫描过程中需使用相同的标靶，并且扫描区域拾取点云重合率需在35%以上， 此重合率是进行不同站点点云数据拼接的最低要求[2]。 3）在三维扫描点云数据精确度一定的条件下， 根据现场测量，选取最小的站数进行测量，可以尽量减少所获得的点云数据，减少后续数据处理而产生的操作误差。 4）三维扫描过程中如果存在预设站点位置临时遮挡情况， 可以根据现场情况灵活调整，在保证数据准确的前提下进行变更站点位置。

2．3 标靶设置

标靶是在三维激光扫描过程中相邻站点点云拼接参考的点，具有显形易于识别特征。扫描过程中常见的标靶包括：平面标靶、球形标靶等。 标靶的数量和位置根据扫描项目的实际需求和精确来决定，标靶的放置还应考虑扫描路径的环境[3]。

标靶设置一般遵循以下原则：1）标靶本身具有较高的可识别性， 设置标靶四周需确保无遮挡物。2）根据所测实物形状，标靶设置尽可能分散，避免在同一直线上， 不易于后期点云数据的匹配处理。 3）确保标靶在扫描过程中的稳定性，尤其在前后两个站点测量过程中，确保标靶不可动、无遮挡。

2．4 扫描仪参数设置

在现场所有工作确定完成后，进入三维扫描仪参数调整扫描阶段，参数的最终确定是三维扫描开始前的最后一步，也是最重要的一步。 扫描参数设置主要包括： 设备中扫描文件的存档命名、扫描点云数据的储存路径、扫描区域设置、扫描仪的分辨率选择、扫描范围的选择等。 其中，扫描仪分辨率的选择直接影响扫描效率和质量，在设备中是由时间、 配置分辨率两个参数进行控制。 在扫描过程中，选取的分辨率越高，扫描时间越长，所得的点云会越密集，扫描所得文件就越大，后期处理工作就越复杂。 扫描过程中选取的扫描范围越广，产生的噪点就越多，后期点云处理的工作量就越大，拼接精度就越低[4]。

在扫描过程中需注意以下事项：1）在扫描作业过程中，扫描仪需保持稳定状态，避免受到环境外力的影响而造成的设备的波动。 2）扫描仪在扫描作业时，避免扫描范围区域内的人员走动，防止不必要噪点的产生，同时注意交叉作业多扫描区域的遮挡从而影响后期点云的拼接合成。 3）三维扫描仪器在扫描过程中，需要确保标靶的固定和无遮挡，若在扫描过程中标靶位置发生变动，或者交叉作业导致标靶遮挡，则导致此站点云无法使用，影响操作时间和点云获取。 4）在扫描过程中，扫描仪需要确保稳定，并选取最佳的角度。

3 内业数据处理

3.1 数据预处理[5]

3.1.1 点云数据解析

本项目使用FAROScene2019 软件进行数据解析工作。 首先，在彩色化中选择“使扫描变为彩色”，通过此步骤操作，将点云定义为彩色。 过滤器选项中选择“离群点过滤”根据点云离散情况清除部分离散点。 查找目标选项中，选择“查找球体”，会自动查找靶标球并标识其位置，便于后期点云拼接。

3.1.2 点云数据拼接

在扫描过程中，前期确定的各测站点均有独立坐标系，因此扫描结束后需对多站点云进行拼接，整合在一个相同坐标系下方可得到完整点云数据。 目前常用的点云数据拼接方法主要为标靶法。 标靶法又称标靶球拼接法[6]，其做法是在两个连续测站的相交区域放置标靶球，在FAROScene软件中分别标识标靶球，不同扫描站所得点云在处理过程中利用识别的标靶球完成数据拼接。 点云数据的拼接，受制于标靶设置的稳定性，并受相邻两站点扫描区域重合率的影响，标靶移动或者两站点云数据重合度小于35%，都会导致点云拼接的不准确性，并增加无效工作。

3.1.3 点云数据去噪

噪点的出现是在使用三维激光扫描仪进行数据采集过程中常见的现象。 扫描过程中出现噪点的原因大致包括：偶然原因、系统原因。 其中，系统原因是指扫描仪自身因素，如发散角、谱线宽度、设备平温度、功率波动等；偶然原因是指扫描周边环境产生影响，包括扫描周边温度、湿度、光照强度、表面材质、反射率[7]。 噪点的产生也受三维扫描设备参数设置的影响，选取的扫描范围越广，扫描的精度降低，扫描拾取的远方噪点就越多，加大噪点处理工作。

点云数据中由于物体表面以及扫描过程中散射等原因产生的离散点噪声，通过离散点统计算法进行去除， 具体做法为统计在一定区域范围内点的数量，将小于设定阈值或者偏离中心区域的离散点去除。

3.1.4 点云数据抽稀

点云数据进行去噪处理之后所得点云仍然具有高密度的特性，巨大的数据容量，影响数据导入、导出、传输、处理等，为了进一步读取处理使用，需要对所得点云数据进行抽稀处理[8]。 其原则是在不影响点云精度的前提下对稠密区点云进行必要的缩减，从而完成对点云的“瘦身”。

3.2 模型重建

模型重建是三维扫描的重要一环，也是三维数据实体化的具体实现。 现在市场上三维建模技术大致可分为三类：几何建模、图像建模、组合建模。 几何建模主要是依据三维坐标体系，完全根据实物在坐标系中的位置、形状等基本元素构建出一个体， 从而实现对目标实体的模型复制，这种方法受制于实物三维内部构造，外表建模速度较快，内部建模难度较大；图像建模顾名思义就是根据图像数作为建模基础数据， 通过真实图形反馈进行绘制，这种方法具有较明显的局限性，适用于二维平面，在三维立体空间中表现困难；混合建模集合了以上两种建模方法的技术特点， 能够做到点面线结合，很好的反馈现场三维实际模型。

3.2.1 管线数据处理

管线在处理厂中具有量大、空间占有率大的特点， 而管线的重建是点云数据建模的重要一步。 管线具有水平好识别的特性，在软件中通过设定管线的公称直径，可以在点云规定半径范围内自动提取直管段，对于结构复杂、遮挡严重的管线可以通过手动选取匹配方式进行生成重建。

生成直管后，可以通过软件选取，在法兰连接部位增加法兰，通过添加法兰并进行角度及位置调整、拆分等操作完善管线路由布置。

选取相邻两直管并选择连接方式完成直管及弯管连接，至此管线部分建模大体结束，后期通过浏览模型软件对错误位置进行更正处理。

3.2.2 数据输出

逆向建模对象可导出多种格式的三维模型文件（dxf、iges、stl 等），对接BIM 系统，简化BIM 数据重建的工作流程，还可输出三角化后的模型文件[1]。