站式三維激光掃描儀在海上鉆井平臺井架病灶檢測與修復(fù)中的應(yīng)用

胡玉祥，范珊珊，徐瀟，熊文輝，孟慶年

(1.青島市西海岸基礎(chǔ)地理信息中心有限公司，山東 青島 266000； 2.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032；3.山東省海岸帶調(diào)查監(jiān)測工程技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 青島 266032； 4.青島海洋技師學(xué)院，山東 青島 266002)

1 引 言

伴隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展，利用掃描儀快速獲取三維空間信息，真實還原物體的三維實景，成為近幾年迅速發(fā)展的熱門話題[1，2]。激光掃描儀能夠在單位時間內(nèi)發(fā)射數(shù)百萬激光點，真實記錄物體的三維空間形態(tài)和紋理信息，具有很高的測量效率、較高的測量精度、動態(tài)反映物體實景等優(yōu)點。地面三維激光掃描儀通過固定地方掃描，具有精度高、掃描速度快、點云噪音小等優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)測量技術(shù)的局限性，在有效距離范圍內(nèi)能夠真實還原物體的三維空間形態(tài)，尤其對于采用傳統(tǒng)方法施測困難甚至無法實施的空間異性結(jié)構(gòu)，該方法優(yōu)勢明顯。

海上鉆井平臺主要由平臺、樁腿和升降結(jié)構(gòu)組成，平臺能沿樁腿升降，因而對樁腿的空間相對位置關(guān)系要求較高。海上通常風力較大、空氣潮濕，隨著時間的增長，船塢上的樁腿結(jié)構(gòu)會發(fā)生變形，導(dǎo)致升降機升降受阻甚至無法正常運行，平臺上的樁腿相對位置固定，但其具有體積大、高度高，隨著海面晃動等特點，采用傳統(tǒng)測量手段獲取其準確的空間位置和細部結(jié)構(gòu)的微小變化難度較大，目前三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于井架檢測與修復(fù)的文獻較少。結(jié)合三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢，本文依托某海上鉆井平臺井架病灶檢測與修復(fù)項目，分析站式三維激光掃描儀用于該項目的可行性和優(yōu)勢，總結(jié)三維激光掃描技術(shù)的作業(yè)流程及關(guān)鍵技術(shù)方法，該手段很好地解決了傳統(tǒng)測量方法無法解決的難題，為后續(xù)決策提供了寶貴的數(shù)據(jù)支撐和實踐經(jīng)驗。

2 數(shù)據(jù)采集及處理

三維激光掃描儀作業(yè)流程主要涉及外業(yè)掃描以及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩部分。外業(yè)掃描主要涉及現(xiàn)場踏勘、控制點選埋、標靶布設(shè)、架站選擇以及數(shù)據(jù)采集幾部分；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要涉及點云拼接與優(yōu)化、點云去噪、坐標轉(zhuǎn)換、點云融合、紋理信息提取及三維建模等環(huán)節(jié)，如圖1所示。

圖1 作業(yè)流程

2.1 外業(yè)掃描

(1)控制點選埋

地面三維激光掃描儀有的可以直接利用特制標靶進行絕對定向，獲取掃描點云的絕對坐標(例如徠卡高精度掃描儀P系列)；有的則通過視覺追蹤技術(shù)根據(jù)特征點將測站點云拼接為一個空間整體(例如徠卡RTC360)，此整體是相對的，需要進行點云絕對坐標的配賦才能得到絕對坐標點云，此類掃描儀相對精度較高，但絕對精度往往取決于已知控制點的精度和密度。如果外業(yè)掃描過程中給標靶絕對坐標位置，需要在被掃描物體周邊布設(shè)一定量的控制點，控制點布設(shè)以方便利用為原則：控制點的精度要滿足要求；一個控制點至少與另一個控制點進行通視；控制點最好通過導(dǎo)線測量方式聯(lián)測。

(2)數(shù)據(jù)采集

本文以P40為例，介紹外業(yè)數(shù)據(jù)采集的主要過程：外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程類似于全站儀操作，大致包括對中整平、儀器安置、掃描參數(shù)設(shè)置以及換站等幾個過程：首先在已知控制點上架設(shè)掃描儀，對中整平，設(shè)置掃描參數(shù)；對于測站通視的已知控制點上架設(shè)標靶，對中整平，通過掃測已知控制點標靶得到遠處未知點坐標標靶；以此類推，便可以一站一站完成外業(yè)掃描工作。P40主要性能指標如表1所示。

三維激光掃描儀性能參數(shù) 表1

2.2 數(shù)據(jù)處理

(1)點云拼接和優(yōu)化

點云拼接是將多站掃描數(shù)據(jù)拼接到一個整體的過程，外業(yè)掃描過程如果直接得到的是絕對坐標點云，內(nèi)業(yè)只需要將不同測站電源復(fù)制到同一視圖下便可以得到整體點云效果；如果外業(yè)采集是基于特征點掃描，內(nèi)業(yè)則需要通過特征點將不同測站點云拼接到一起，此過程即是尋找公共特征點進行歸一化處理的過程。

(2)點云去噪

外業(yè)掃描過程中難免會受到各種因素的影響導(dǎo)致點云中含有噪聲，點云去噪就是根據(jù)一定的點云濾波算法，讓有效點保留，無效點刪除的過程。點云去噪可以采用點云后處理軟件的點云過濾算法，設(shè)置一定的噪點過濾閾值，自動去除無效點云；對于一些特殊點云，則需要通過手動去除噪點。

(3)坐標轉(zhuǎn)換

如果外業(yè)掃描過程中未使用絕對坐標系，三維激光掃描儀掃描的點云僅是點與點之間的相對位置關(guān)系，這就需要坐標轉(zhuǎn)換。坐標轉(zhuǎn)換通過公共點(公共標靶)來計算轉(zhuǎn)換參數(shù)，轉(zhuǎn)換過程通常利用布爾莎7參數(shù)模型，即：

(2)

式中，3個平移參數(shù)[△X△Y△Z]T，3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)[εXεYεZ]T和1個尺度參數(shù)m，無單位。

(4)紋理提取

外業(yè)掃描過程中獲取物體的紋理信息，由于物體的紋理信息較為復(fù)雜，加之外業(yè)掃描過程中受物體反光率、遮擋、拍攝角度、光線等的影響，直接將紋理照片貼敷到點云上效果較差。這就需要借助專業(yè)圖片處理軟件PS等進行裁剪、扭轉(zhuǎn)、濾鏡、暈色等處理，在模型構(gòu)建時調(diào)用物體的正射紋理信息。

3 海上鉆井平臺井架病灶檢測與修復(fù)

3.1 項目需求

中國海油青島分公司某海上鉆井平臺井架如圖2所示，每座鋼架構(gòu)三根樁(長度約 140 m)，在空間上理論上是正三角形，每兩根樁之間(間距約 10 m)有水平拉筋(直徑約十幾厘米)和斜拉筋用于連接支撐空間結(jié)構(gòu)，每根樁兩側(cè)有齒條(齒口間距是固定值，約 25 cm)用于升降。由于長期海風、磨損以及其他方面的影響發(fā)生變形，目前井架只能降，不能升，降幅最大為 30 m左右。為了找出井架病灶的具體位置，需要進行下述工作：

圖2 井架結(jié)構(gòu)示意圖

(1)檢測三個鋼柱之間的空間位置關(guān)系；檢測鋼柱支撐桿相互位置關(guān)系；檢測6根齒條間的相互位置關(guān)系，并依此發(fā)現(xiàn)病灶部位；

(2)檢測替換段形狀以及與母架之間的關(guān)系，保障替換段與母架準確焊合。

3.2 控制點布設(shè)

在船體兩個平臺高程和岸邊選取6個～8個點，采用高精度全站儀測量距離、角度，建立一個高精度三維控制網(wǎng)(圖3)。以徠卡TS50全站儀為例，其測角精度為0.5″，測距精度為 1 mm+1.5 ppm，平均距離 30 m，通過估算可以使控制點的點位精度在 1 mm內(nèi)。

圖3 控制點布設(shè)示意圖

3.3 外業(yè)掃描

(1)在合適的地方(能看到至少3個～4個控制點，同時盡可能多掃描到井架結(jié)構(gòu))架設(shè)并整平掃描儀，采用自由設(shè)站法，先掃描控制點上的靶標，再掃描井架結(jié)構(gòu)，據(jù)此實現(xiàn)不同站掃描點云的準確配準，完成全部井架的掃描，如圖4所示。

圖4 外業(yè)掃描示意圖

(2)以徠卡P40掃描儀為例，其在 110 m內(nèi)的距離測量精度為 1.2 mm，角度測量精度為8秒，因此平均單個點云測量精度小于 4 mm，建模精度優(yōu)于 3 mm。采用自由設(shè)站模式可以保證每個掃描站測量的精度一致。考慮到靶標點 2 mm誤差(點云擬合標靶中心誤差)，基于4點的自由設(shè)置導(dǎo)致儀器位置誤差小于 2 mm，從而可以保證最終模型精度在 3 mm。

(3)基于掃描點云構(gòu)建實際井架模型。同時根據(jù)井架設(shè)計圖建立設(shè)計井架模型。通過選取實際模型和設(shè)計模型不同公共點組合，以兩個模型最大部分重合為目標，實現(xiàn)兩個模型的匹配，通過模型比較求差，通過色譜圖表示兩個模型的偏差。并初步得到井架變形較大部位。

3.4 病灶確診

徠卡P40專業(yè)點云后處理軟件Cyclone具有良好的可擴展性，通過開發(fā)相應(yīng)的插件可以實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)與一些專業(yè)繪圖軟件(AutoCAD、EPS、MicroStation、ArcGIS等)進行互通。首先進行坐標系的旋轉(zhuǎn)和網(wǎng)格建立，定義參考面，使得點云便于人眼識別提取，然后利用Cyclone進行點云的切片處理；利用CAD插件CloudWorx導(dǎo)入切割好的點云數(shù)據(jù)，在CAD中繪制相應(yīng)的圖形。

經(jīng)過點云的優(yōu)化處理后，通過最小二次平滑濾波，得到鉆井平臺最優(yōu)的點云數(shù)據(jù)利用cloudworx切割平臺縱、橫以及不同視圖的斷面(圖5)，通過CAD繪圖得到最終的成果圖(圖6)。

圖5 點云切割示意圖

圖6 偏差示意圖

3.5 替換段測量與焊接

將損壞的部分切除后，需要用一段新的部分替換。為了使替換段很好地與母架對接，采用激光跟蹤儀測量，如圖7所示。

圖7 病灶修復(fù)示意圖

(1)測量替換段，建立其三維模型，通過與設(shè)計模型比較檢驗其精度；

(2)測量母架切后兩端構(gòu)件表面點坐標，通過數(shù)據(jù)處理得到兩端準確的三維空間關(guān)系，據(jù)此加工修正替換段(或母架兩端)。

(3)當替換段安置到母架相應(yīng)位置后，對兩端接縫段進行測量，保證其位置正確后，完成焊接。

4 結(jié) 論

三維激光掃描技術(shù)采用非接觸實體方式進行測量，能夠在單位時間內(nèi)發(fā)射數(shù)百萬點快速獲取物體的三維空間形態(tài)，同時獲取被掃描物體的精細紋理信息，經(jīng)過后續(xù)專業(yè)點云處理軟件可以提取有用信息，基于點云可建立被測物體精細的三維模型。通過與物體的三維設(shè)計模型進行比對，可以得到被測物體的形變。本文依托某海上鉆井平臺井架病灶檢測與修復(fù)項目，分析站式三維激光掃描儀P40用于該項目的可行性和優(yōu)勢，借助點云后處理軟件Cyclone及專業(yè)建模軟件3ds Max建立井架的精細三維模型，通過與設(shè)計對比找出病灶位置并替換病灶段，很好地解決了傳統(tǒng)測量方法無法解決的難題，為相關(guān)工程提供了有益借鑒。