基于三維激光掃描技術的石化企業管線三維建模及其碰撞檢測研究

胡春梅，王延亮，夏國芳

（1.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢430079;2.黑龍江工程學院測繪與GIS工程技術研究所，黑龍江哈爾濱150050;3.建設綜合勘察研究設計院有限公司，北京100007）

一、引 言

石化企業是由廠房、管線、儀器和設備構成的一個龐大而復雜的系統。為了滿足不斷增長的產品需求和技術改造，石化企業需要進行更新和改擴建。但是，由于工廠、設備和管道經過多年的使用都會有一定程度的變形，這樣就給改擴建的設計帶來了一定困難。如果設計與現實的情況出現碰撞就會帶來很大的經濟損失。為了滿足改擴建設計的需求，對現有大型設施的三維建模就成了改擴建設計的重要內容。

三維激光掃描技術是一種實景再現技術，可以建立三維模型，制作正射影像圖、立面圖、平面圖和剖面圖等，其實景再現功能得到了古建筑和古文物及文化保護遺址等很多行業的青睞［1-4］。在本項目中，把三維激光掃描技術用于石化企業的改擴建工程，通過對石化企業的管線進行掃描、拼接，生成完整的三維點云模型，再重建其三維模型。改擴建設計時，可以把改擴建三維設計與重建的三維模型相結合起來，進行碰撞檢測，準確無誤地完成三維設計任務。

本文中應用的數據來源于某石化企業的一處比較復雜的管網。該公司要對該處管網作改擴建處理，為了保證設計和施工的準確性，需要用現狀三維模型進行比較設計。用三維激光掃描儀進行掃描，通過數據處理生成了完整的點云模型，再建立三維模型和三維表面模型。最后設計人員應用重建的三維模型，在三維環境下完成了碰撞檢驗和改造設計。

二、管線的三維重建

1.管線的三維數據獲取

一般石化企業的管線都在地表以上，比如煉油廠、乙烯廠、化肥廠等，并且廠內的管線被架在離地面幾米甚至十幾米的地方，這樣給掃描儀設站點的選取都帶來了一定的困難。為了滿足三維重建的精度，確保管線數據完整，所以要在地面和高處同時設置掃描站點，對于復雜的多層管網，還要在多層管線架間設站掃描［5］。在掃描站間要設置標靶作為控制點，并且保證兩站之間的公共標靶達到4個以上，以滿足平差的需要;同時，標靶要盡可能選擇在掃描區域的四周并且盡量通視的地方;如果需要納入當地坐標，在掃描前可以先對其掃描區域進行控制測量，來完成聯測工作。在外業采集數據前，對掃描區域進行了資料調研和實地考察，以保證數據拼接和三維建模的質量。

本文掃描的管網距離地面的距離大概10 m，掃描儀器是Leica Scanstaion2。為了保證數據完整性，共設置了7站，每站設置了5個標靶點，并且保證站與站之間至少有4對標靶點通視。為了提高掃描效率，掃描時應用了方向定位的快速掃描，且掃描精度按經驗設置為1 cm，每站掃描時間約為20 min，結果如圖1所示。

圖1 掃描后的點云模型

2.數據去噪

激光掃描儀記錄了掃描距離內所有物體的表面三維數據，這同時也增大了數據的冗余，會影響點云數據整體匹配的效率。為此，用C#編寫了處理程序，過濾掉指定范圍外的點云數據，得到所需的管線點云數據，且不影響匹配的結果。石化企業的管線在復雜的地方成網狀，管網掃描數據的噪音相對比較大，所以還要對掃描得到的單站數據進行內部去噪處理。對于一些明顯的噪音點用相應的點云處理軟件進行處理，對于不能手動刪除的噪音點要通過其他的逆向工程軟件進行去噪。對去除噪音點的數據進行拼接可以提高整體的拼接精度，從而提高了建模的精度。露天管網是鋪設在多層鋼架上的，所以在建模前還要去除這些鋼架，以便進行建模和碰撞檢測。

三、管線的三維重建

1.管線數據的分割

去噪后的點云基本上只剩下管線數據，對于復雜管網，還要對數據按單一管線進行分割。在分割前要對管網的結構進行調查或者按原設計圖紙查請各條管線的走向，提高數據分割的效率。應用點云處理軟件Cyclone分割出每根管線，完成對單根管線進行分離建模。對多次彎曲的復雜管線，要進行多次提取才能得到完整的模型。

2.管線建模

在去噪和管線分割后，應用三維數據處理和建模的軟件對管網進行建模。管線的建模主要包括直管和彎管兩種。當點云模型比較全的時候可以對一個完整的管線直接建模，不論是直管還是彎管可以一次性建模，這是一種比較理想的狀態。對于點云不夠完整的管線，要進行分步建模。一般方法是先對直管進行建模，然后在建立兩個直管間的彎管連接。如果直管的數據不足以建立模型，還可以把相鄰同管徑的直管模型進行拷貝，通過平移和旋轉變化加載到相應的位置，然后在進行彎管連接。若缺少數據點導致不能確定待建模管線的基本參數(如管徑或彎管的半徑)，可根據現有點云確定管線的方向，再應用軟件的管線建模模具就可以準確地生成管線模型(如圖2所示)。

圖2 建模后的三維管網(局部)

四、碰撞檢測系統

1.管線的三維重建模型和改擴建設計模型的可視化

三維環境要搭載三維可視化平臺，用VC++6.0在OpenGL開發了一些模塊，應用OpenGL的雙緩沖技術和實時渲染技術，實現了點云和三維管線模型的可視化。

管線的可視化分直管和彎管兩個部分。直管的可視化途徑為:根據管線的三維模型，可以得到每根直管的起終點三維坐標、管徑、直管的方向向量，通過計算得到起終兩個截圓面上的n個點，然后生成多個矩形面來逼近圓柱面，最后用OpenGL的雙緩沖技術和實時渲染技術繪制出三維直管。彎管的可視化與直管的過程相似，只是從三維重建的模型中除了可以知道直管的信息外，還可以得到彎管的曲率及其半徑、彎曲處的圓心、彎管三角面片定點坐標［6］。在OpenGL環境下，應用這些數據，就可以實現三維重建模型和改擴建設計模型的可視化。當然，還要用OpenGL實現對模型的旋轉，縮放和平移等基本的操作［7-8］，以便于對碰撞模型的觀察。

2.三維坐標拾取功能

當檢測出改擴建模型與三維重建模型有碰撞的時候，需要對其進行量化，量測出碰撞的程度，然后對碰撞的地方進行修改設計，為此設計了三維拾取點坐標的功能。這個功能的原理是鼠標點擊屏幕點后，把屏幕坐標轉換成三維坐標，這時在三維空間中生成一條射線。在視口所示的三維空間可以視為一個平截頭體，這條射線與其遠近截平面有兩個交點，兩個交點生成一條直線，檢測所有模型是否與這條直線相交，如果相交，取與起始點最近的點作為交點。通過直線與面相交公式，求出屏幕點擊處的三維坐標。通過這個理論，實現了對模型三維坐標的拾取功能。

3.碰撞檢測系統

本文研制的碰撞檢測系統有三維模型數據的讀取功能，顯示功能，放大、縮小、平移等基本功能，三維坐標拾取功能，以及量測結果的輸出等功能。把改擴建設計數據和重建的三維模型數據應用該系統進行三維可視化，即可以得到碰撞檢測的結果［9-10］。應用碰撞檢測系統，可以檢測出出現碰撞的地方。可以把整體的設計模型與重建的三維模型進行碰撞檢測，也可以對懷疑程度比較大的地方那個進行單獨的碰撞檢測。在有碰撞的地方通過三維坐標拾取功能，量化出碰撞的大小，然后對改擴建設計進行修改，直到滿足設計要求為止［11］。圖3是碰撞檢測的一個實例。深色是三維重建模型，淺色是改擴建設計的模型，在可視化系統中，出現了碰撞的情況。設計人員通過三維拾取功能得到三維數據，可修改設計(如圖3所示)。

圖3 碰撞檢測實例

五、結束語

本文主要討論了兩個問題:一是利用三維掃描技術實現石油化工企業管道的三維重建;第二是根據石油化工企業改擴建工程的需求，設計了交互式的碰撞檢測系統。本文的研究結果不僅能用于石油化工等企業的改擴建(應用碰撞檢測系統修改設計)，也可將掃描建模與設計模型相比，通過碰撞檢測，用于各種大型工業設備、交通設施的沉降和變形分析。

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［7］ 楊鍵，陳利學，龔捷.基于OpenGL的三維圖形繪制和3D建模［J］.軟件導刊，2009(13):168-170.

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［11］ HU Chunmei，WANG Yanmin.Mapping Digital Image Texture onto 3D Model form LIDAR Data［C］∥Proceedings of International Society of Photogrammetry and Remote Sensing.Beijing:ISPRS，2008.