三维激光扫描技术在工厂改造中的应用

摘  要：介绍了三维激光扫描技术在工厂改造中的应用，对比传统方法，阐述应用三维激光扫描技术的优势，应用三维激光扫描技术工作的关键流程。

关键词：三维激光扫描技术；工厂改造；三维点云

一、 背景介绍

  当前我国产业升级换代加快,国内化工厂及企业需要对厂房进行改造扩建，需要拆除、更换、新增大量的设备和管线。现有的比较完整的图纸只有当年的最原始装置的管道轴测图，厂里的多次技改和多年工厂运营维护的相关资料并不完整，并且也与实际有较大出入。而改扩建设计质量的关键取决于对现状的了解程度，而已有图纸与现状不符，现场情况复杂，给设计带来了很大难度，所以如何获取到准确的工厂现状资料就是第一个要解决的问题。[1]

手工测量是传统获取现场资料的最常见并且最经济的方法，但工厂的改造设计是在不停工的前提下进行的，运行时很多区域是人员危险区，不能靠近测量。而且人工测量的误差也往往难以避免，测量的结果不能满足设计的基本要求。我们需要将目光转向更先进和准确的测量方式。[2]

二、 三维激光扫描技术介绍

  三维激光扫描技术是近年来出现的新技术，在国内越来越引起研究领域的关注。它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。该技术在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域也有了很多的尝试、应用和探索。[3]

在西方发达国家核电站、化工厂、炼油厂等项目的改造中，已经大量采用三维激光扫描仪对现场进行扫描，然后通过软件后处理得到三维几何模型或工厂模型，再对所得模型进行进一步应用。而在国内，三维激光扫描主要是用在古建筑维修、文物保护等领域，而在工厂改造方面的应用尚处在起步阶段。[4]

三、 工厂改造的一站式解决方案

（一）软件平台

  鉴于国内应用情况，本文采用InfiPoints点云处理平台，专门针对工厂改造提出一整套详尽的解决方案。

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    InfiPoints支持导入市场主流的三维激光扫描仪格式，并能导出dwg、dxf、IFC格式到AutoCad和Revit，而且支持导出iges、step、catia等市场主流的CAD格式。

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（二）业务流程

1．获取精准的现场数据

  通过三维激光扫描仪扫描获取现场数据。目前市场上主流的静态三维激光扫描仪有FARO、LEICA、Z+F等，所用仪器如下图。

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    扫描获得的原始点云如下图：

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2．扫描数据的预处理

   扫描取得的原始点云数据还需要进行一系列处理工作，才能交付给设计人员使用。

1）点云自动拼接。

    由于工厂环境复杂，在一个点采集的点云数据不可能得到工厂的全部信息，往往需要在工厂内部布置多个采集点，之后将每一站数据精准拼接起来。应用InfiPoints内含目前的精确的算法能实现无标靶自动拼接，利用平面特征拼接等将多站数据精确的拼接起来，拼接精度满足工程需求。

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2）点云数据的去噪

  根据现场的扫描对象复杂程度不同，扫描得到的点云数据常受到精度限制，灰尘干扰，由于在工作环境下施工，现场存在行走的人等都会对点云质量产生影响，应用InfiPoints的去噪模块能去除灰尘噪点，移动的物体等。最终得到需要的点云数据。

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3.点云数据的工程利用

1）工程测量、制作二维工程图

  传统绘制图纸需要在AutoCAD/Revit等软件中进行手动建模，但效率往往过低，应用InfiPoints能针对点云进行实际测量，并能够截取指定截面绘制2D工程图，绘制的图纸可以进行2D、3D混合显示，最终我们可以导出DWG/IFC格式的工程图纸。

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2）点云的裁剪

  应用InfiPoints能删除指定点云设备，并导入CAD模型实现设备的虚拟装配。

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3）实时干涉检查

  在新老设备更换时，在InfiPoints中设置好模型的移动轨迹后，当模型与点云碰撞时，应用InfiPoints能检测出干涉状态并停止模型移动，实现安装路径的规划。在虚拟环境中规划更换设备能大大提高前期的设计效率，避免大量的往返现场造成的时间浪费。同时还能检查设备的检修空间是否充份。

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4）管道与平面的自动重建

  手动提取管道往往需要数月时间，应用InfiPoints能在几分钟内自动识别提取点云中的管道、平面，极大缩短了项目开发周期。

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5）成果导出--生成漫游视频

  按照设定轨迹生成漫游视频以便与提交客户或上级审核。

6） 导出到设计软件，与BIM设计软件对接。

  经过InfiPoints处理好的数据，可以导出成dwg、dxf格式到Autocad中进行项目设计，也可导出管道的中轴线、管道到Auto plant等CAD中，IFC格式到Revit等BIM软件中。缩短项目开发周期。

四、 总结

  工厂改建质量的好坏关键取决于对现场数据获取的精准程度,应用三维激光扫描技术,使我们能够得到完全真实的工厂数据。再应用高效的点云处理平台以一种全新的设计模式进行工厂的改扩建设计。大大提高了改建效率，并且能够得到更精确的成果。

参考文献：

[1]董秀军.三维激光扫描技术及其工程应用研究[D].成都理工大学,2007.      

[2]李有.三维激光扫描在国内化工厂改造的应用[J].土木建筑工程信息技术,2009,1(1):92-94.DOI:10.3969/j.issn.1674-7461.2009.01.015.

[3]周荣,朱小韦.三维激光扫描技术及其工程应用研究[J].建筑工程技术与设计,2016,(17):2890.

[4]李有.三维激光扫描在国内化工厂改造的应用[C].//第二届工程建设计算机应用创新论坛论文集.2009:521-525.

  贾云龙

业基科技股份有限公司