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三维激光扫描技术在炼油厂改造中的应用
发布日期:2017-06-21 16:22:45  作者:admin  浏览次数:731  
随着国内外油气田规模的不断扩大和产量的不断增加,部分炼油厂无论是在功能还是在规模上都已经不能满足石油炼制的需要,因此需要拆除、更换、新增大量的设备和工艺管线等。然而,由于炼油厂几经改造,现有的炼油厂图纸资料并不完整,不能满足炼油厂改造扩建的需要,给设计工作带来了很大困难。
为了给设计工作提供基础输入资料并且为后续的运行维护和管理提供很好的基础数据平台,需要对炼油厂进行现状测量以获取现场设备和管道的位置关系及分布情况。常规测量方法是采用全站仪或GPS进行单点三维坐标采集,但是炼厂内部设备和管道错综复杂的分布,极易造成测量盲点,加之厂区内部高压设备区域测量人员不能到达等不利因素的影响,使测量工作十分困难,工作效率低下。
三维激光扫描技术是一种面测量,点的采集密度大、精度高,且是非接触测量,无需设置反射棱镜,因此在人员难以到达的危险区域使用优势更加明显,突破了传统的单点测量方式,以高密度、高分辨率获取扫描物体的三维点云数据,能够得到完整、全面的三维空间信息,成为一种良好的解决方案。
 
三维激光扫描作业流程
文中以使用Trimble TX8三维激光扫描仪对某炼油厂进行扫描测量为例,将获取的数据直接导入配套软件Trimble RealWorks中进行数据处理。通过Trimble TX8和Trimble RealWorks的配合,还能够导入主流CAD格式的数据。
1、点云数据获取
在进行点云数据获取之前,需要进行现场实地踏勘,根据厂区大小、设备和管道分布情况,设计一条合理的扫描路线并确定扫描站点的位置,以保证在扫描仪的有效范围内发挥其最大功效,避免重复扫描。
由于Trimble RealWorks支持全自动无目标配准,所有整个扫描过程无需布设标靶用于各站点云之间的配准拼接,每站的操作就是按下扫描按钮然后等待机器扫描2~3分钟即可完成,然后挪站。
但出于坐标系转换到地理坐标系的用途,需要在扫描区域布设目标标靶(标靶纸或标靶球),至少布设3个,以便于后续将测站扫描坐标系转换到测量坐标系。
扫描站点和标靶布设完成后,将Trimble TX8三维激光扫描仪架设在扫描站点上并进行整平。安置好仪器后,开机设置扫描参数,设置完毕后即可进行扫描作业。扫描完成后,可在显示屏中实时查看点云数据,对点云数据获取不理想区域或局部复杂程度比较高的区域,可调整局部扫描级别重新进行局部扫描。
2、全景照片拍摄及制作
扫描作业完成后,取下三维激光扫描仪,保持三脚架和基座不动,架上相机云台及相机,然后从垂直于三维激光扫描仪屏幕轴线的方向开始,水平方向每隔60°拍摄一张照片,水平方向共拍摄6张照片,天空方向拍摄1张,地面方向拍摄1张。如果天空方向和地面方向能拍摄到的特征地物比较少,可以调节方向多拍几张照片,以便于后期进行全景照片拼接。
利用PTGui软件将拍摄的全景照片根据测站进行拼接,即可生成测站的全景照片,利用全景照片查看器软件可以浏览全景照片。
当然,如果采用内置相机的TX8扫描仪,只需勾选拍照选项,每次扫描时,仪器会自动拍照。约需1分钟即可拍完,结果也是全景照片,可以用于后期建模时作为纹理贴图。同时获取的该站点云也被着色为真彩色。
3、点云数据处理
点云数据处理采用配套软件Trimble RealWorks进行,主要包括点云数据去噪、点云数据拼接、坐标系转换和成果输出等。
3.1点云数据去噪
扫描过程中外界环境因素对扫描目标会造成阻挡和遮掩,如炼油厂扫描过程中,移动的车辆、行人和树木的遮挡,以及实体本身的反射特性不均匀等,导致最终获取的点云数据可能包含不稳定点和噪声点,只有把这些噪声点去除后,才可以继续进行其他的操作,有助于后续建模。这个过程称为点云数据去噪或点云的过滤。Trimble RealWorks具有点云自动分类功能,生成整体点云后执行这个功能,点云会自动被分类成地面、建筑、植被、灯杆和杂点等,这样就大大提高点云的处理效率。
3.2 点云数据拼接
应用Trimble RealWorks软件能实现自动的无标靶点云拼接,将相联系的测站区域进行拼接。如果拼接误差较大,可以进行手动拼接,软件将自动进行拼接精度检查,保证两站间的拼接精度在1cm以内。依次进行相邻站间的拼接,得到完整的三维点云数据。
拼接后点云数据
3.3 坐标系转换
由于拼接后点云数据坐标系为测站扫描坐标系,因此需要将拼接后点云数据坐标系转换为炼油厂设计和施工所用的测量坐标系。坐标系转换前,使用全站仪获得目标标靶在测量坐标系下的三维坐标。具体转换步骤如下:
(1) 使用Trimble RealWorks软件中“配准”菜单下的“目标分析工具”进行目标标靶的选取和重命名,至少需要选取3个目标标靶进行坐标系转换。为了方便检查和验证转换结果的准确性,本文选取4个目标标靶进行坐标系转换。
(2) 应用“配准”菜单下的“大地基准工具”进行坐标系转换。按照操作步骤,将4个目标标靶扫描坐标系坐标和测量坐标系坐标依次输入后,其下方将显示平均误差,平均误差毫米级为最佳,最后点击“应用”,点云数据坐标系转换完成。
3.4 成果输出
三维激光扫描成果不仅包括测量坐标系下完整的点云数据成果,还包括测量坐标系下三维实景浏览网页发布成果和点云数据建模成果等。
利用Trimble RealWorks软件自带的Modelor模块以对点云进行自动的工厂管道、工字钢和框架结构进行三维建模,成果可以直接输出到主流的工厂设计平台或以AutoCAD、Microstation等格式输出。
利用Trimble RealWorks软件自带的RealColor功能模块,将点云数据和全景照片进行匹配,采用带内置相机的TX8扫描仪的测站无需此操作。然后利用Scan Explorer功能进行三维实景浏览制作。制作完成后即可发布为网页格式,利用IE浏览器即可根据测站进行三维实景的浏览,并可以进行任意两点距离、水平距离、垂直距离量测,也可以进行切片分析等。
三维实景浏览(Scan Explorer)
 
为了真实地还原炼油厂扫描目标的本来面目,需要将扫描数据用准确的三维模型表述出来,这就需要对点云数据进行三维建模和纹理贴图。将点云数据转换格式后导入到3ds Max软件中进行三维建模和纹理贴图。
炼油厂三维建模后局部现状模型
依据本文模型,可以以一种全新的模式进行场站、炼油厂的改造设计,为设计工作提供基础数据资料,也为后续运营、维护和管理提供很好的数据基础平台。随着三维激光扫描技术的不断发展,将同步采集的高精度点云及高分辨率影像数据与地理信息技术相结合,这在国内外油气田开发和运营管理中具有广泛的用途。