贾士军 王 昆 赵 瑞 康薇薇

国核电力规划设计研究院

基于激光扫描技术的运行中火电厂快速三维建模研究

贾士军 王 昆 赵 瑞 康薇薇

国核电力规划设计研究院

利用地面激光扫描仪对运行中火电厂进行扫描试验并进行三维建模研究。整个实验经过数据采集、点云拼接、点云滤波等内外业数据处理操作，最后基于PolyWorks三维建模软件，建立了由三角网构成的三维表面模型，再通过人工优化最终得到部分构筑物的精细三维模型。

激光扫描技术；点云数据；电厂；三维建模

1 引言

随着“数字地球”概念的出现及其技术的发展，精确数字化三维模型的优点已越来越突出，同样建立火电厂数字化三维模型的优点也是不言而喻的，它不仅能为电厂竣工提供全面的设计质量检查，还能为火电厂的日常运行维护，后期扩建乃至改造提供准确的数据依据。而火电厂中的建筑物、管道等物体很多是由复杂曲面和线条组成，其结构较为复杂，所处工作环境危险，因此，利用传统单点测量方法已不能满足庞大的数据采集工作，如何快速、精确的获取火电厂三维建模的基础数据成为重大的技术难点。

随着激光扫描技术这一新型测量技术的产生，它可以在不接触物体的情况下，连续、快速地获取物体表面的三维坐标信息，目前已有学者在文物保护、变形监测、管线测量、电网工程等领域进行了深入研究[1-5]。本文将该技术引入运行中火电厂，探讨了如何利用三维激光扫描技术获取空间数据并建立相应三维模型的过程。

2 技术介绍

三维激光扫描仪是继全球定位系统后近代测量领域的又一场技术革命[6]。它主要是利用激光测距原理，密集地采集目标物体表面的三维坐标、反射率和纹理信息，对空间进行真实的三维记录，获得点云数据。根据扫描仪搭载方式的不同分为手持式、地面、车载以及机载等。

该技术采用非接触式的高速激光测量方式来获取目标物体的点云数据，通过后处理软件的分析、处理并完成三维建模。与传统数据采集方式相比，三维激光扫描技术具有非接触性、数字化程度高、采集信息量大等特点[7]。具体应用于三维建模领域的优势在于：扫描速度快，每秒可达上百万点；高精度、高密度扫描，单点精度可达毫米级；全景化的扫描，更加灵活同时更适合复杂的测量环境，效率高；仪器一体化集成， 方便操作及携带。

3 依托工程介绍

本文依托工程为某国有发电集团所属火电厂，该电厂规划装机容量为4×600MW，一期工程已安装2×600MW国产亚临界燃煤机组并投入运行，二期2×600MW国产超临界燃煤机组为扩建工程。该电厂厂内建筑物、管线、高塔较多，且多为不规则物体，并且厂区内环境复杂，电线电缆纵横交错，使用常规测量方法很难完成电厂一期的三维建模，如何获取运行中火电厂的三维模型对二期电厂合理设计起到至关重要的作用。

4 解决方案

应用地面三维激光扫描仪采集数据的过程大致分为计划制定、外业数据采集和内业数据处理三部分。计划制定主要指根据扫描对象的不同和精度要求设计一条合理的扫描路线、确定恰当的采样密度、大致确定扫描仪至扫描物体的距离、设站数、设站位置等；外业工作主要是数据采集，现场分析数据是否满足要求并及时补测；内业数据处理是最重要也是工作量最大的环节，主要包括数据拼接、坐标转换、数据滤波、数据分类、地物建模等。其大致流程如下[8]：

制定工作计划，主要工作有确定采样密度、扫描路线设计、确定设站数及设站位置。外业工作，即进行现场数据采集。内业数据处理，主要工作有点云拼接、点云滤波和三维建模。

4.1 数据采集

我们利用RIEGL公司生产的VZ-400型地面激光扫描仪对该电厂一期厂区内建筑物、管线等进行了全方位的立体扫描。VZ-400型地面激光扫描仪采用脉冲式扫描，具有全波形回波技术和实时全波形数字化处理和分析技术，扫描距离可达500米，单点测距精度在100米处可达到±0.5mm，同时设备搭载NIKOND300型专业单反相机进行同步高清照片拍摄，以便后续数据处理时提取纹理色彩对点云和三维模型进行着色。对于建立智能化电厂三维模型，在现场数据采集时，不能一味追求过高的点密度，这不仅会增加数据采集的时间，更大大加大内业处理的难度，从而不能真实体现三维激光扫描仪在快速测量方面的优势，因此必须对测量数据进行优化处理。

另外常用的数据采集方式有直接设站法、配合全站仪和配合GPS采集法[9]。第一种方法得到的数据是在假定坐标系下，而后两种方法可以转换到真实坐标系下，同时不同采集方式也决定了点云拼接将采用不同的方法。这里我们仅为建立三维模型，因此选择了第一种方法。外业数据采集主要包括数据采集、现场分析采集到的数据是否大致符合要求、进行初步的质量分析和控制等。激光扫描工作流程具体如下：

数据扫描之前，需要布设反射标靶。反射标靶的摆放不能在同一条直线上，不能有线性关系；并且保证两两扫描站点之间最少有3个共同的反射标靶。架设三脚架，使得三脚架粗平，将仪器放置在脚架上。接通仪器和电脑，开启地面激光扫描仪。打开扫描软件，设置网络连接参数，使得电脑与仪器连接。连接成功之后，新建工程，在该工程中新建扫描站点，直接设置扫描分辨率、距离、扫描范围，开始扫描。扫描完成之后，在点云数据中提取反射标靶，在RiSCANPRO中，反射标靶一般为红色的点，选择合适的反射标靶，对反射标靶进行精扫，同时需要保证两站之间的公共反射标靶最少是3个，且其不在同一直线上。然后查看扫描结果，如若数据的完整性、精度等各方面都符合要求则完成该次扫描，不符合则需要对目标进行重新扫描或者是补扫。关闭仪器，拔出电源线及电脑连接线。然后将仪器搬至下一站。重复上面步骤。完成所有的数据扫描，整理好仪器，将所有的东西都归位之后，撤离扫描区域。

根据扫描距离与点密度的关系以及电厂三维模型建立的精度要求，我们在外业数据采集时，共测了10站，站间距离不大于50m。扫描完毕，总共获取点云数据量约20G。

4.2 点云拼接

点云拼接就是求得各测站间参考坐标系的转换关系，使之统一到一个坐标系下，这是地面激光扫描仪前期数据预处理的关键技术，将直接影响后期成果的精度。

根据数据采集方式的不同，点云拼接方式主要有标靶拼接、坐标拼接和点云拼接。前两种方式的拼接精度较高，理想状态可达±2mm，而第三种方式需要人工选取拼接点，因而会造成拼接误差加大。针对火电厂厂区内建筑物结构复杂，多为不规则物体的特点，在数据采集时提前设定了标靶，因此这里利用RIEGL公司随机软件RiSCAN中的公共点拼接法进行火电厂点云数据的拼接。

4.3 数据滤波

在三维激光扫描仪采集数据过程中，由于仪器本身误差以及外界环境的干扰，采集到的点云数据会包含一些不属于目标地物的数据，这些数据就是噪声点，比如植被、车辆的遮挡等。这些噪声点的存在将影响后期建模的过程，不仅会增加数据处理的时间，更会影响建模精度，因此需采用数据滤波的方法进行剔除噪声的操作。对于明显的孤立点或突起点，可采用手动剔除。本次数据处理是在RISCAN软件上采用手动剔除及数据滤波方式完成。

4.4 三维建模

地面三维激光扫描仪采集得到的点云数据是由全离散的矢量距离点构成，没有任何明显的形体信息和拓扑关系信息，不能直观表达。因此，需用点、多边形、曲线、曲面等形式将立体模型描述出来，构成模型，即三维建模。

通过三维建模软件，分阶段对点云数据进行建模，建立火电厂三维数据模型库，为建立火电厂数字化管理系统做好准备。这里我们选取两个代表性构筑物对其进行了精细建模，具体实施过程为：应用PolyWorks建模软件，采用Delaunay三角化建模方法，快速获得目标对象的三角网络模型，然后通过一定的人工干预，对建筑物三角网进行修正、优化，最终得到相应的三维模型[10]。

由于在数据滤波剔除相应噪声点后可能出现空洞，这样在建模时会导致黑洞，造成与实际构筑物不符，因此需要进行空洞修补，当空洞出现在平面内时，可采用线性插值方法；当空洞出现在非平面区域时，采用二次曲面插值法或B样条曲线方法[11]。基于PolyWorks软件，这里采用基于空洞大小自动修补法和复合贝塞尔曲面方法修补法。

5 结论

试验表明，应用激光扫描技术可以快速、有效地实现构筑物的三维建模，建模精度较高，完整性好，解决了传统测量方法建模周期长、效率低以及在特殊环境下的不足。另外，在数据采集时可同时获取构筑物的影像信息，实现模型的纹理贴合，使三维模型表达更真实、直观。该方法推广至整个电厂，可以建立电厂的三维模型库，实现数字化电厂管理，从而为电厂的改扩建工程以及运行、维护提供有力的数据支持。

[1]赵煦，周克勤，闫利，等.基于激光点云的大型文物景观三维重建方法[J].武汉大学学报：信息科学版，2008(7)：684-687.

[2]罗德安，朱光，陆立，等.基于3维激光影像扫描技术的整体变形监测[J].测绘通报，2005(7)：40-42.

[3]刘旭春，丁延辉.三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用[J].测绘工程，15(1)：48-49.

[4]路兴昌.基于激光扫描数据的三维场景仿真[J].系统仿真学报，2006，18(1)：176-179.

[5]陈功，程正逢，石克勤，等.激光雷达在电力线路工程勘测设计中的应用[J].电力勘测设计，2006(5)：53-56.

[6]刘春，杨伟.三维激光扫描对构筑物的采集和空间建模[J].工程勘察，2006(4)：49-50.

[7]赵静.基于GIS的三维管线激光扫描建模专题研究[J].大众科技，2013(3)：68-71.

[8]刘春，陈华云，吴杭彬.激光三维遥感的数据处理与特征提取[M].北京：科学出版社，2010：41-49.

[9]杨帆，董景利，薛伟，等.三维激光扫描技术及相关软件在建模方面的应用[J].地矿测绘，2012，28(3)：21-23.

[10]刘求龙，胡伍生，王骢，等.三维激光扫描仪在惠泉变电站三维模型构建中的研究与实现[J].测绘通报，2010(9)：35-37.

[11]宫丽玮，张毅，闫利.基于Cyclone和PolyWorks的三维建模实现[J].地理空间信息，2012(10)：38-41.

Fast3DModelingoftheWorkingPowerPlantBasedonLaserScanningTechnology

JIAShijun，WANGKun，ZHAORui，KANGWeiwei

(StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchInstitute，SurveyBranch，Beijing100095)

The3D(three-dimensional)laserscannercanbeusedtoscanthe workingpowerplantandobtainpointcloud.Inthisexperiment，thepointcloudsh ouldbeprocessedwiththemethodofacquisition，mosaicandfilteringetc.Basedon the3DmodelingsoftwarePolyworks，triangularmesheswerebuilttogenerateathr ee-dimensionalsurfacemodel.Finallythefine3Dmodelsofsomestructureswered evelopedaftermanualoptimization.

Laserscanningtechnology；Pointcloud；Powerplant；3Dmodeling