三維激光掃描技術在工廠改造工程中的應用研究

汪建忠

（杭州長安民生物流有限公司 浙江 杭州 310000）

0 引言

面對日益激烈的市場競爭和技術進步的壓力，工廠改造成為提升產能、提高效率、降低成本、適應市場需求的關鍵舉措。工廠改造離不開準確的基礎數據，包括建筑物的尺寸、地形地貌、設備布局、管線走向等，這些數據是進行工程規劃、設計和施工的基礎。因此，工程測量工作在其中是不可或缺的，其可以確保改造工程的準確性和可行性，避免后續工作中的誤差和問題。而傳統測量手段通常依賴于人工單點測量，存在測量精度低、工作效率低、人力成本高等問題。此外，復雜的工廠環境和設備布局可能導致測量難度增加，尤其是在需要準確測量的大規模工廠改造項目中，傳統測量手段可能無法滿足精確度和效率的要求［1－2］。

隨著激光掃描技術的不斷應用和推廣，成為一種新的測量技術手段逐漸在工廠改造設計等行業中得到應用，該技術可以提高測量精度、效率，并提供更全面的數據成果，從而解決傳統測量手段所面臨的痛點。因此，本文主要探討三維激光掃描技術在工廠改造工程中的應用。首先，介紹了三維激光掃描技術的原理和特點；然后以實際工程為例，詳細分析了三維激光掃描技術在工廠改造工程中的應用方法和流程，包括現場掃描數據的采集、點云數據的處理和分析、重要信息標注以及管道三維模型的生成和可視化等，驗證三維激光掃描技術在工廠改造工程中的應用效果；最后，討論三維激光掃描技術在工廠改造工程中的優勢和局限性，并展望了未來的發展趨勢［3］。

1 相關理論基礎

1.1 三維激光掃描技術

三維激光掃描系統坐標原點位于掃描儀的相位中心，X軸與橫向掃描面平行，Y軸與橫向掃描面垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。首先，發射器發出一個激光脈沖信號，內部控制系統使反射鏡旋轉，將激光脈沖引導到物體表面，激光脈沖經過物體表面的漫反射后，沿著幾乎相同的路徑返回到接收器。內部計算系統通過測量脈沖發出和接收的時間差，計算出目標點到相位中心的距離S，并記錄了掃描儀在水平和豎直方向上的旋轉角度α和θ，最后通過坐標正算和校正獲得P點坐標，其相關原理如圖1所示［4－5］。

圖1 三維激光掃描測量點坐標原理

傳統三維激光掃描儀在外業過程中需要調平，擺放標靶，內業處理需要進行配準等操作，這些都需要具備一定的測繪專業知識，讓非測繪專業人士在使用時遇到一些門檻。基于以上原因，本文主要應用Trimble X7 激光掃描儀。在實際工程中，該設備具備自動校準、自動調平、自動獲取高分辨率全景照片、外業現場自動配準等智能化的功能，以上操作僅需一鍵即可自動完成，方便外業技術人員輕松使用并獲取專業成果。

1.2 管道點云擬合建模

管道點云擬合建模是指利用激光掃描技術獲取的管道點云數據，通過擬合算法，將離散的點云數據擬合成平滑的管道曲線或曲面模型，從而實現對管道的幾何特征進行描述和分析。

①最小二乘法（least squares method）：最小二乘法是一種常用的曲線擬合算法，通過最小化點到曲線的距離平方和來確定最佳擬合曲線。該方法適用于擬合簡單的曲線，如直線、圓弧等。②B 樣條曲線（B-spline curve）：B 樣條曲線是一種基于控制點和節點向量的曲線擬合算法。通過調整控制點的位置和節點向量的分布，可以得到靈活且光滑的曲線擬合結果。B 樣條曲線適用于擬合復雜的曲線形狀。③NURBS 曲線（non-uniform rational b-spline curve）：NURBS 曲線是一種基于有理函數的曲線擬合算法。它在B 樣條曲線的基礎上引入了權重因子，可以更精確地控制曲線的形狀。NURBS 曲線適用于擬合具有復雜幾何形狀和曲率變化的管道。在實際應用中，選擇合適的算法取決于管道的幾何形狀、曲率變化、擬合精度要求等因素。有時也可以結合多種算法進行組合擬合，以獲得更好的擬合效果。此外，還可以根據實際情況對算法進行優化和改進，以提高擬合效率和準確性。

2 三維激光掃描技術應用——以某氟化工廠改造為例

2.1 測區概況

實驗測區位于H 市某氟化工廠，總占地面積約800 m2，該工廠需要進行工藝優化，通過引入新的生產工藝和技術，改進生產過程，減少生產周期和成本，提高產品質量。在改造前，需要了解現有設備空間信息，并虛擬數字化對現有設備的位置、數量和布局進行重新規劃。因此，項目應用三維激光掃描技術進行外業測量，測區數據采集實況如圖2 所示。

圖2 外業數據采集實況

2.2 外業數據采集及點云數據預處理

實驗外業數據采集應用的是Trimble X7 激光掃描儀，在采集區域內，按照“遠－近”交錯設站方式進行測站布設，獲取點云數據。在易遮擋區域，通常需要在不同位置和角度進行多次掃描，以獲取全面的點云數據，見圖3。

圖3 配準好的點云數據

另外，通過集成到T10 平板電腦中的Perspective 外業軟件，可在外業數據采集中即時操作、管理、查看和驗證掃描數據，并能夠進行自動校準，以保證每次掃描的準確性并減少或免除停工送檢，整個過程自動配準、優化和報告，待數據無誤后換站掃描。同時X7 集成激光指示功能，可以對控制點精確測量并現場進行地理坐標轉換。

2.3 點云數據注記

外業完成后，點云數據可以通過Perspective 外業軟件直接輸出.E57、.LAS 或.RCP 等通用格式，也可輸出.TDX格式導入到點云數據軟件中。一方面，測量技術人員可以邊掃描，邊根據現場實況對現場關鍵點位添加圖片和文字注釋，以采集到更全面的信息；另一方面，內業利用點云軟件，對數據進行加工處理，如添加注釋和點云建模等，幫助設計人員更好地利用數據。如圖4 所示，利用注釋功能將重要的管道進行ID 注釋，讓設計人員進行快速定位。

圖4 重要管道ID 標注

2.4 管道模型構建

工廠管道建模可以準確了解管道的位置、走向和尺寸，幫助規劃工廠內的空間布局，有助于確定設備的位置、管道的走向以及其他設施的布置，以最大程度地優化工廠的運作效率。

Trimble X7 激光掃描儀配套軟件中提供建模功能，可以對管道進行自動化的建模。使用自動管道功能可以對單根管道進行自動追蹤建模，如圖5 所示，將重要的管道進行建模，模型可以輸出通用格式導入到設計軟件中［6－7］。

圖5 重要管道建模

預處理后的點云數據擬合建模使用的軟件是Trimble Realworks，該軟件中的Easy Pipe 模塊工具較好地集成了B 樣條曲線算法。由于管道間相互遮擋較為嚴重，因此針對管道點云數據是否完整進行分類處理：如果管道點云數據不完整或存在遮擋等問題，可以結合現有的二維資料，如照片、視頻等參考資料，進行管道模型的重建。通過觀察照片和視頻中的管道形狀和結構特征，結合已有的點云數據，可以進行管道模型的擬合建模。部分管道建模效果如圖5 所示。

對于部分管道點云數據較為完整的區域，首先，利用Easy Pipe 工具或其他擬合工具對這些區域進行管道模型的擬合。其次，使用模型修改工具，根據已有的擬合模型，對模型進行拉伸、延長和修改，以填補缺失的部分。再次，可以復制已建好的同管徑的管線模型，并通過平移、旋轉等操作將其移動到相應的位置，以構建完整的管道模型。最后，對于管道上的其他附屬結構，如閥門和關鍵部件，可以使用其他三維建模軟件進行重建并將其導入到管道模型中進行合并。構建好的管道模型三維場景如圖6 所示。

圖6 管道模型三維場景

3 優勢分析

為比較三維激光掃描技術在工廠改造中的應用優勢，相同測區實驗中也應用全站儀（傳統測量方式）進行測量，并分別對內外業數據進行了統計和分析。兩種測量手段對比如表1 所示［8－11］。

表1 三維激光掃描法與傳統測量方式對比

通過表1 可以看出，在效率和成本上，傳統的測量方式都是依靠測量員逐點觀測，經過整理計算后才能獲得數據和相關圖件，耗費時間長且人工成本高。而利用三維激光掃描技術能夠快速采集目標區域坐標數據，內外業綜合效率約是傳統方法的2 ～3 倍，具有更高的效率和更豐富的信息獲取能力。

4 結語

綜上所述，三維激光掃描技術在設備布局規劃方面的應用，能夠快速獲取工廠內部的設備位置和布局信息，幫助工程師進行合理的設備調整和優化。通過優化設備布局，可以提高生產線的效率和流程，減少物料搬運距離和時間，從而提高生產能力和降低成本。隨著技術的不斷進步和應用的深入，相信三維激光掃描技術將在工廠改造中發揮越來越重要的作用，為工業界帶來更大的變革和突破。