激光掃描三維重建技術在特種設備檢測中的應用現狀

中圖分類號 TQ018 文獻標志碼 A 文章編號 0254-6094（2025）04-0541-05

特種設備安全直接影響著社會公共安全和人民生命財產安全，隨著云計算、大數據、人工智能等科學技術的進步，特種設備行業也面臨著新的挑戰，智能制造、智能檢測、智慧監管成為特種設備發展的必由之路[1]。數字化技術是推動特種設備向智能化方向轉型升級，也是實現特種設備高質量發展和進一步提升特種設備安全水平的有效途徑。作為一種宏觀檢驗檢測的新技術，基于激光掃描的三維重建技術因其高精度、高效率的特點在特種設備行業應用越來越廣泛[2.3]。

激光掃描技術的工作原理是利用激光測距儀來進行真實場景的測量，首先在被測對象表面選擇標點，然后通過激光掃描法獲取點云數據完成點云拼接，接著對照完成點云數據的配準，最后對點云數據進行濾波去噪，從而獲取自標物的三維模型[4.5]。它克服了傳統測量的局限性，具有高效率、高精度、強主動性的特點[]。

三維重建是基于先進傳感器技術和圖像處理技術獲取被測對象的三維空間數據的計算機圖像技術，分為接觸式和非接觸式兩類[7]。接觸式三維重建技術是利用特定與被測對象直接接觸的儀器快速直接測量場景的三維信息，主要包括觸發式測量、連續式測量、CMMs及RA等。非接觸式三維重建技術是在不接觸被測量物體的前提下，利用影像分析模型原理來獲取被測物體的數據信息。非接觸式方法分為主動法和被動法[8]，主動法又包括激光掃描法[9.10]、結構光法[I]、陰影法[12]、TOF技術[13]雷達技術[14]及Kinect技術[15]等；被動法分為單目視覺法[16]、雙目視覺法[17.18]和多目視覺法[19]。隨著雷達技術的進步，激光掃描與雷達技術相互融合，廣泛應用于結構健康監測[20]、地質災害與應急[21.22]工業產品測繪[23，24]及特種設備安全[25.26]等領域。

1在壓力容器檢測中的研究現狀

激光掃描三維重建技術在壓力容器檢測中主要應用于宏觀變形和表面缺陷的檢測，在幾何尺寸結構宏觀檢測、危險工況不適合近距離接觸檢測、狹小空間無法實施人工檢測等工況下優勢明顯，而且檢測精度高、效率高，容易實現檢測的自動化。

激光掃描三維重建技術主要應用在常壓儲罐、球罐、焦炭塔的形變檢測及氣瓶內部缺陷檢測。姬斌等最早應用三維激光掃描技術對球罐的罐體和支柱進行掃描，利用點云數據對球罐進行三維重建，對罐體的變形量、支柱的垂直度進行監測，建立了一套基于激光掃描三維重建的變形監測方法[26]。此后，激光掃描三維重建技術廣泛應用于常壓儲罐的檢測。史一生等采用激光掃描方法對儲罐壁面的傾斜度和圓度進行檢測，用3Dreshaper軟件對圓度和垂直度進行了分析，計算得到儲罐壁面各位置的變形量，為檢維修工作提供了可靠的數據支持[27]；郭洪等研究對比了鉛墜與標尺、全站儀和3D激光掃描3種方法在進行儲罐壁板垂直度和不圓度檢測時的優缺點，結果表明3D激光掃描方法具有精確、高效的優勢，但不適用于有外保溫層的儲罐的檢測[28]；為了比較主動法和被動法的差異，孔強等采用非接觸被動方法，基于線性激光和視頻監控獲得儲罐表面形貌特征，實現了儲罐形貌的檢測及表面微裂紋的準確排查[29]；楊茂基拓展了激光掃描技術的廣度，嘗試了采用地面式激光掃描技術對復雜結構的儲罐容積測量，建立了基于法向量的多站點云數據的容積計算方法，不足之處是徑向方向幾何尺寸誤差偏大[30]；邢述等則關注儲罐的基礎方面，通過激光掃描獲取儲罐變形、沉降、剛性傾斜等特征的空間點云數據，精準、快速地找出變形的位置與變形性質，為儲罐檢驗與評價工作提供了便利[31；王正林針對不同罐頂結構，對比分析了激光掃描方法固定頂和浮頂儲罐的半徑、徑向偏差、橢圓度、傾斜度及垂直度等數據，針對檢測精度問題，修改了傳統的點云數據的拼接、分割方法，不僅提高了兩種罐頂結構檢測計算精度，計算效率也分別提高了15.5倍和13倍[32]。石磊等針對受外力垮塌變形后的儲罐采用激光掃描的方法對凹癟儲罐進行修復前、后的變形檢測，結合變形檢測結果采用有限元方法對儲罐穩定性進行了安全評價[2]。此外，宋耀民等將三維激光掃描應用于焦炭塔的疲勞蠕變損傷評價中，采用三維激光掃描對焦炭塔的鼓脹變形量進行精準測量，結合點云數據進行三維重建和有限元建模，實現了對在役焦炭塔高溫熱疲勞蠕變損傷的評價[33]。在氣瓶在線檢測方面，王凱旋利用CMOS相機建立雙目視覺的氣瓶缺陷內部缺陷檢測系統，通過圖像處理技術完成內壁缺陷的三維重建，創建了激光圓環幾何形態缺陷的檢測算法[34]；苑瑋琦和矯美娜設計了一套基于CIS的在線視覺檢測系統，通過圖像處理技術實現缺陷特征識別、篩選，可實現氣瓶內表面拉伸損傷和凹坑缺陷的自動檢測[35]。

2 在壓力管道檢測中的研究現狀

激光掃描三維重建技術主要應用于壓力管道幾何尺寸變形以及表面質量的檢測，具有高精度、高效率的特點，但受限于現場條件，該技術僅對于架空管道、綜合管廊等管道的幾何變形、表面質量檢測優勢明顯，埋地管道只能從內部進行檢測。

張華等從傳統無損檢測技術的不足出發，結合三維激光掃描和逆向工程技術，實現管道單線圖的自動繪制，提高了工業管道檢驗效率，降低了檢驗勞動強度[25]；蔡景明等將便攜式激光掃描技術應用于長輸管道的變形檢測中，采用手持激光掃描獲取長輸管道幾何變形的點云數據，通過三維重建技術測量管道的變形量，并將測量結果與傳統工具、幾何變形檢測器檢測結果進行了對比，發現激光掃描檢測技術具有更高的測量精度和可靠性[36]；張楊將激光掃描技術與CMOS相機配合，完成火炮身管三維輪廓重建，并對身管內部的灼蝕、縫隙、膛線損耗、銹跡等缺陷進行了有效識別[37；李屹等進一步將激光掃描技術應用于識別管道破損位置，并計算破損面積、縱向長度、環向長度等參數，解決了傳統管道視頻檢測方法難以量化檢測結果的問題[38]；馬順利將激光掃描技術應用于埋地管線，利用管線區域差值法求解各管線變形情況并將變形檢測結果經管線正射影像呈現，實現管線變形檢測可視化呈現[39]；歐陽婷婷等將便攜式激光掃描方法應用于波紋管軸向、徑向變形量的測量，實現波紋管的軸向、徑向變形量的測量[40]；王佳歡將激光掃描三維重建技術應用于海底管道表面檢測，利用蒙特卡羅模擬方法研究水質和檢測深度對激光傳播的影響，采用統計濾波和改進的雙邊濾波算法來降低噪聲對三維點云模型的影響，實現海底管道表面快速高精度測量[41]。此外，在管道數字化管理方面，張亞南提出一種基于激光掃描關鍵幾何形位參數的綜合管廊自動化監測方法，實現對綜合管廊結構關鍵幾何形位參數的自動、快速、全面監測，提升了城市地下綜合管廊變形監測的精度、效率及覆蓋水平[42]；吳彬彬等將激光掃描技術與物聯網技術結合起來，通過掃描的化工管道點云數據創建三維數字化模型，利用WebGL技術搭建管道三維可視化管理系統，同時將傳感器數據與三維模型信息互聯，達到實時對化工管道進行安全監測預警的目的[3]。

3在機電類設備檢測中的研究現狀

激光掃描在機電類設備檢測主要應用于變形檢測和幾何尺寸的精準測量方面。史一生等應用激光掃描檢測方法對起重機主梁腹板進行檢測，結果表明起重機主梁腹板整體發生了變形[43]；王文征等將激光掃描技術應用于起重設備的結構參數測量，并通過定期的測量數據監測起重機結構變形演化，實現起重機使用過程中的隱患預警和大數據分析[44]。張建等將激光掃描方法應用于電梯導軌垂直度和共面性檢測，極大地提高了電梯檢測結果的準確性和檢測效率，保障了電梯的使用安全[45]。黃荔生等針對觀覽車類游樂設施擺角測量問題，搭建了掃描激光雷達的角度測量系統，與傾角儀測量相比，激光雷達技術檢測具有可靠、高效、精準等優點，其局限性為易受到環境因素干擾[46]

4在特種設備結構測量中的研究現狀

激光掃描三維重建技術在特種設備結構檢測中主要應用于焊接結構和封頭外觀幾何尺寸檢測。在焊接檢測方面，王雪妮等搭建了一種線激光測量系統，通過坡口截面輪廓的特征點識別實現坡口尺寸測量，從而解決了坡口尺寸檢測的自動化問題4；姜宇航針對空間狹窄、人眼不易直接觀測的焊接結構設計了一套焊縫形狀檢測系統，搭配視覺檢測系統共同獲取焊接結構的表面輪廓，通過特征點的提取與坐標轉換，實現焊后檢測的自動化[48]。鄭偉斌針對復雜空間曲線的相貫線坡口，搭建了基于激光掃描的焊縫坡口掃描系統，為復雜相貫線坡口的全位置自動化焊接技術提供支撐[49]；李橋巍建立了一套線結構光的視覺系統實時獲取激光掃描的焊縫信息，能準確快速地識別和定位焊縫，實現焊接機器人的自動焊接功能[50]。在封頭外觀檢測方面，為了解決封頭檢測中樣板測量效率低、人工讀數精度低等問題，林靜煥等采用激光測距輪廓連續掃描方法，設計了一種由激光測距系統和運動控制系統組成的自動檢測裝置，實現封頭的幾何尺寸和形狀系數的自動采集，檢測精度有所提高，但檢測結果受系統的穩定性影響[5；丁無極等提出一種機械式的激光非接觸掃描進行封頭參數檢測的方法，利用支撐桿將激光掃描檢測裝置定位于封頭端面，通過距離檢測與電機的旋轉掃描，完成封頭形狀參數的檢測，該方法的局限性是無法實現自動檢測[52]；李易凡采用結構光機器視覺檢測的方法對封頭幾何尺寸和形狀系數進行檢測，通過雙路光學系統結合圖像處理技術完成封頭的三維重建，實現封頭幾何尺寸和形狀系數的自動化檢測，其局限性在于結構光檢測易受環境因素影響[53]

5結束語

隨著特種設備行業的信息化、智能化發展，科技賦能特種設備行業的各個環節，激光掃描三維重建技術在特種設備各工業場景中的應用越來越深入，以下是激光掃描三維重建技術的優缺點：

a.激光掃描技術具有全數字特征，檢測過程中具有主動性、直觀性、高效率、非接觸式、不受環境約束、檢測結果可靠精準、容易實現自動化檢測等優點，可應用于特種設備的幾何尺寸檢測、外觀質量檢測、變形監測等方面。

b.三維重建與激光掃描技術結合可以實現工業場景的實景還原，既可以將被檢對象數字化建模，也可將檢測現場數據與云數據、預警平臺實現數據互動、信息共享，實現安全預警、智慧監管。

c.激光掃描與三維掃描技術無法對特種設備內部缺陷進行檢測，受限于激光技術發展，被檢對象的幾何尺寸、表面質量對檢測結果影響較大。

參考文獻

[1]劉三江，陳祖志，石坤，等.基于智能網聯的特種設備智能制造發展思路分析[J].中國工程科學，2020，22（6）： 143-150.

[2]石磊，奚旺，趙亞通，等.基于有限元和三維激光掃描技術的儲罐變形檢測與評估[J].安全、健康和環境，2020，20（12）：10-14.

[3]吳彬彬，孫國輝，羅軍.基于三維激光掃描技術的化工管道模型重建及應用研究[J].測繪與空間地理信息，2023，46（4）：213-216.

[4]鄭太雄，黃帥，李永福，等.基于視覺系統的三維重建關鍵技術研究綜述[J]．自動化學報，2020，46（4）：631-652.

[5］韓斌，曹杰，史牟丹，等.激光雷達三維成像研究進展（特邀）[J].激光與光電子進展，2024，61（2）：26-43.

[6］陳宇.基于激光掃描的三維表面重建技術研究[D].北京：北京郵電大學，2023.

[7]WILLIAMSCG，EDWARDSMA，COLLEYAL，etal.Scanning micropipet contact method forhigh-reso-lution imaging of electrode surface redox activity[J].Analytical Chemistry，2009，81（7） ：2486-2495.

[8]ISGRO F，ODONE F，VERRI A.An open system for3D data acquisition from multiple sensor[C]//SeventhInternational Workshop on Computer Architecture forMachine Perception.IEEE，2005：52-57.

[9]KRAUS K，PFEIFER N.Determination of terrain mod-els in wooded areas with airborne laser scanner data[J].ISPRS Journal of Photogrammetry and RemoteSensing，1998，53（4）：193-203.

[10]GOBEL W， KAMPA B M，HELMCHEN F.Imagingcellular network dynamics in three dimensions usingfast 3D laser scanning [J].Nature Methods，2007，4（1） ：73-79.

[11]ROCCHINIC，CIGNONI P，MONTANI C，et al.Alowcost 3D scanner based on structured light[J].Com-puter Graphics Forum，2001，20（3）：299-308.

[12]AL-NAJDAWI N，BEZ HE，SINGHAI J，et al.A sur-vey of cast shadow detection algorithms [J].PatternRecognitionLetters，2012，33（6）：752-764.

[13]PARK J，KIM H，TAI Y W，et al.High quality depthmap upsampling for 3d-tof cameras[C]//Proceedingsof the 2011 International Conference on ComputerVision.IEEE，2011：1623-1630.

[14]SCHWARZ B.LIDAR：mapping the world in 3D[J].Nature Photonics，2010，4（7） ：429-430.

[15]KHOSHELHAM K，ELBERINK S O.Accuracy andresolution of kinect depth data for indoor mappingapplications[J].Sensors，2012，12（2）：1437-1454.

[16]佟帥，徐曉剛，易成濤，等.基于視覺的三維重建技術綜述[J].計算機應用研究，2011，28（7）：2411-2417.

[17]QI F，ZHAO D B，GAO W.Reduced reference stereo-scopic image quality assessment based on binocularperceptual information[J].IEEE TransactionsonMultimedia，2015，17（12）：2338-2344.

[18]SIZINTSEV M，WILDES R P.Spacetime stereo and3Dflow via binocular spatiotemporal orientationanalysis[J].IEEE Transactions on Pattern Analysisamp;Machine Intelligence，2014，36（11）：2241-2254.

[19]ZHANG T，LIU JH，LIU S L，et al.A 3D re-construc-tion method for pipeline inspection based on multi-vision[J].Measurement，2017，98：35-48.

[20］李紅勤.三維激光掃描技術在建筑變形監測中的應用[J].山西建筑，2024，50（1）：175-177.

[21］杜猛.基于三維激光掃描技術的大型水庫壩基變形監測方法[J].信息與電腦，2023，35（18）：40-42.

[22］李江濤.基于三維激光掃描技術的礦山高位邊坡變形監測方法[J].價值工程，2023，42（27）：113-115.

[23］朱秀敏，黃磊.基于三維激光點云的零件表面缺陷檢測[J].儀表技術與傳感器，2022（7）：56-60.

[24]邱益，曹若彥，梁杰.基于單線激光的小型零件三維重建研究[J].現代制造工程，2023（12）：95-100;139.

[25]張華，楊海霞，唐懷清，等.工業管道定期檢驗無損檢測新技術[J].管道技術與設備，2016（4）：18-20；26.

[26]姬斌，張盛，熊俊楠，等.基于三維激光掃描的球罐三維重建及變形監測［J].煤氣與熱力，2016，36（8） ：38-42.

[27]史一生，張旭，丁克勤.一種基于三維激光掃描技術的儲罐變形檢測方法［J]．中國特種設備安全，2020，37（7） ：33-40.

[28]郭洪，李修能，都亮，等.常壓儲罐壁板變形檢測方法探討[J].中國特種設備安全，2021，38（8）：43-47.

[29]孔強，黃元鳳，李彥樺，等.常壓儲罐表面形貌視覺檢測機器人技術研究［J].化工自動化及儀表，2021，48（4） ：335-341.

[30］楊茂基.大型復雜結構罐體容積三維激光掃描測量技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2022.

[31]邢述，杜邦勝，都亮.空間數據掃描技術在大型常壓儲罐變形檢測中的應用［J]．無損檢測，2022，44（10）：20-24.

[32］王正林.基于三維激光掃描的儲罐點云拼接與分割方法研究［D].北京：中國石油大學，2023.

[33］宋耀民，劉建軍，紀艷達，等.焦炭塔鼓脹變形合于使用評價[J].中國特種設備安全，2020，37（9）：60-64.

[34］王凱旋.基于雙目立體視覺的氣瓶內壁缺陷檢測與三維重建應用研究[D].西安：西安理工大學，2020.

[35]苑瑋琦，矯美娜.鋁合金無縫氣瓶內表面缺陷視覺檢測研究[J].計算機工程應用技術，2020，16（5）：227-230.

[36]蔡景明，張平，李揚，等.三維激光掃描技術在長輸油氣管道局部變形檢測中的應用[J].管道技術與設備，2020（6）：24-26;30.

[37]張楊.基于激光點云的身管三維輪廓重建技術研究[D].西安：西安工業大學，2022

[38] 李屹，蔡意，董思奇，等.基于激光點云數據的管道破損定量檢測技術[J].測繪通報，2024（1）：120-125.

[39] 馬順利.基于激光掃描的地下管線變形區域檢測方法［J].北京測繪，2023，37（5）：801-806.

[40]歐陽婷婷，劉延平，韓晉，等.基于手持激光掃描檢測系統的波紋管變形量測量技術研究[J].航天制造技術，2022（1）：60-65.

[41］王佳歡.基于線激光海底管道三維重建方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2022.

[42］張亞南.基于激光掃描的管廊幾何參數自動化檢測研究［J].電力勘測設計，2022（5）：73-78.

[43]史一生，張旭，丁克勤.起重機主梁變形三維激光掃描檢測技術研究[J].中國特種設備安全，2020，37（3）：9-13.

[44]王文征，郭峰，陳莉媛.基于三維激光掃描技術的起重機檢驗檢測研究[J].中國設備工程，2022（12）：169-171.

[45]張建，毛健，張書輝，等.基于激光掃描技術的電梯導軌垂直度和共面性檢測方法研究[J].自動化應用，2023，64（15）：158-160；163.

[46]黃荔生，胡誠，鄢峰.掃描激光雷達對觀覽車類游樂設施擺角測量技術研究［J].勞動保護，2023（8）：109-111.

[47]王雪妮，彭飛，王中，等.一種基于線激光掃描的V型焊接坡口尺寸檢測方法[J].船舶工程，2024，46（2）：99-106.

[48]姜宇航.激光掃描焊縫圖像處理與三維重建[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2022

[49]鄭偉斌.基于激光掃描的焊縫坡口三維建模與特征提取研究[D].福州：福建工程學院，2023.

[50]李橋巍.焊縫激光掃描視覺測量系統的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2023.

[51]林靜煥，戴勇，盛水平，等.新型通用式激光掃描封頭檢測儀[J].激光技術，2014，38（5）：651-654.

[52]丁無極，羅劍波，陳海云.一種壓力容器封頭非接觸式掃描測量方法及誤差分析[J].中國安全生產科學技術，2016，12（7）：99-103.

[53]李易凡.基于結構光的壓力容器封頭尺寸測量[J].計算機時代，2023（3）：76-78；82.（收稿日期：2024-12-20，修回日期：2025-07-09）

Research Progress in Applying the Laser Scanning 3D Reconstruction Technology to Special Equipment Detection

HUANGKe-xin1，LILiang2，LI Chun-lei2，WUKai-bin1 （1.Wuhan Boiler Pressure Vessel Inspection Institute；2.ShaanxiProvincial KeyLaboratoryofAdvanced Manufacturingand Evaluation of Robot Key Components）

AbstractThe laser scanning-based 3D reconstruction technology enjoys wide application in the special equipment detection because of its high efciency and precision and strong proactivity and it has broad development prospects.In this paper，the research status of laser scanning-based 3D reconstruction technology in special equipment detection at home and abroad was reviewed and summarized，including analyzing both advantages and disadvantages of laser scanning 3D reconstruction technology in pressure vessel detection，pipeline detection，electromechanical equipment detection and special equipment structure measurement.Finally，the in-depthapplication of laser scanning-based 3D reconstruction technology in four industrial scenes of special equipment was prospected.

Key Words laser scanning，3D reconstruction，special equipment，deformation detection