CN103791887A - 三维化工园区建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维化工园区建立方法，该三维化工园区建立方法根据待扫描目标对象特征采用不同类型的三维激光扫描仪获取其三维信息，较好的解决了扫描精度与扫描速度之间的矛盾，且本发明的三维化工园区建立方法利用标靶的WGS-84标准坐标与三维激光扫描仪测得坐标之间的转换关系方便地将三维激光扫描仪获取的三维数据转换至与最新的2000坐标系可以通用的WGS-84标准坐标系，使得获得的最终数据可以直接用于工程、管理，同时可以和现行的GIS技术标准进行对接，具有较大的应用价值。

Description

三维化工园区建立方法

技术领域

本发明属于建筑物的三维测绘技术领域，具体涉及一种三维化工园区建立方法。

背景技术

随着社会、经济的不断进步与发展，越来越多的城市规划建立了专门的化工园区用于集中各化工企业。化工园区的建立能将一定区域范围内的重点化工企业进行集中安置，从而形成化工企业的集聚，有利于资源合理利用，有利于企业间优势的互补。

由于化工园区内的企业多为石油、化工、能源等高危重工业企业，企业的性质决定了园区内必然存在为数众多的重大危险源，对这些危险源进行科学的监控和管理，是保证人民群众和企业生命财产安全的必要措施。在传统方式下，工厂设备管线等实物一般利用线条和符号等二维图形来表达，这种表达方式不够直观形象，需要具有一定经验的专业人员才能理解其含义；不能直接反映出工厂及其内在设备管线的所处位置及周边环境；而且把一个实体分不同图纸来表达，工作量大、工作效率低，易出错且不易查出。因此，研究工厂设备三维可视化技术，以三维可视化方式直观地展示出设备管线等的位置及相互关系有着重要意义。

石化企业中的设备错综复杂，管道纵横交错，要管理的对象在空间上密集排列，通过二维符号或线条的描述方式已显得束手无策，而通过三维激光扫描技术可以快速、准确、便捷地获取石化装置的实物(设备、管网、框架)的三维空间信息，在石化企业具有广阔的应用前景。

如今已有多种获取三维信息的手段，最常见并已在实际生产中被广泛采用的是利用全站仪、GPS等设备来进行测量，其优点是精度高、成本低，但其缺点也很明显，如作业条件受到限制——由于全站仪测量依靠棱镜反射测点，易受到视域影响致使很多多死角观测不到，另外在油气田站址里面好些区域油气管网较多不容许带有金属的棱镜使用，有些危险区域人员也不许靠近，最终三维成果点稀疏使得精度降低；成果单一，数据量小——目前测量的CAD图纸只能用作平面图纸，满足不了一些立体的管网设计，对一些管网密布区域，直径过小的管道将不能在图纸上显示，给设备精确管理带来了很大的制约；不利于后期拓展——全站仪与GPS测量的点云成果难以为GIS系统等预留接口，在数字化的大背景下，不利于与未来可能采用的技术兼容。

为解决上述难题，近年来，三维激光扫描技术被逐步应用于化工企业的三维数据获取，相较于全站仪等传统测量手段，三维激光扫描仪在技术上有很多革新，如快速性、非接触性、实时性、动态性、主动性，高密度、高精度，数字化、自动化等。其中最重要的两点是：测量速度快；测量信息量大。三维激光扫描仪在测量速度上与传统测量方式相比具有绝对的优势；在测量精度方面，在近距离扫描时（测量距离50m以内），三维激光扫描仪拥有不逊于全站仪的测量精度，但在获取点的数量上则远远高于传统的单点测量手段，面扫获取高密度的点云数据，带来的是对目标物体整体三维评估、测量更为精确，而且由于不需要像常规测量手段一样设置反射棱镜等装置，使得三维激光扫描仪能轻松采集不同环境中的三维坐标点，而这些数据通常是通过常规手段不能获取或难以获取的。扫描速度的提升，使得搜集数据所需要的时间和人数急剧减少，在某些危险作业区域，较少的作业人员和较快的扫描速度，直接减少了事故发生的概率，保障了作业人员的安全；对可能存在的重大事故隐患区域和重大危险源进行三维扫描，也利于后续的监控与管理，确保化工园区的生产安全。

三维激光扫描仪极大地改进了全站仪等传统测量方式的缺点，被誉为测量科学的第二次技术革命，但由于其设备成本高，出现时间晚，目前并没有形成一套完整、成熟的施工作业方法，现在普遍采用的技术手段一般采用地面测量型三维激光扫描仪进行整个园区/企业的三维数据获取，存在不同程度的问题：

（1）与全站仪相比，测量精度不高。全站仪最高能达到1mm±1ppm的测距精度，而地面测量型三维激光扫描仪只能达到3mm50m的测距精度，不能满足重点设备的精细测量要求；

（2）测量速度依旧较慢。如今的化工园区规模越来越大，通常有几十平方公里甚至上百平方公里的面积，在保证精度的情况下，在如此大范围的区域内进行三维测量需要耗费非常多的时间和精力；

（3）数据拼接难度较大。由于化工园区面积较大，往往要经过数百站的扫描才能完成所有区域的数据采集，要把不同坐标系下的各站点数据拼接，工作量大，而且不可避免的会造成配准误差；

（4）与GIS系统的对接存在难度。与全站仪和GPS不同，三维激光扫描仪采用自身的及其坐标系，要将最终的数据成果转换为国家2000大地坐标系存在困难，一般只能通过手动的方式进行，影响了数据的准确性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的上述问题，提供一种测量精度高、测量速度快且易于与GIS系统对接的三维化工园区建立方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种三维化工园区建立方法，包括以下步骤：

S1、在化工园区内布设全站仪标靶：在待测建筑物内表面及内部设备、管线上安置标靶或棱镜，设布设的标靶的数量为n；

S2、测定基准站坐标和标靶坐标：在化工园区内选择空间开阔的任意位置为基准站位置，并基于WGS-84标准坐标系测量基准站的坐标；基准站测定后，用全站仪测量得到每个标靶的WGS-84坐标，并将测量结果标记为{t_i}，i=1,2…n；

S3、根据待扫描目标对象特征使用不同类型的三维激光扫描仪获取化工园区的三维数据{y_kj}，其中，k为大于零的自然数，表示待扫描目标对象的编号，j为大于零的自然数，表示所获取三维数据的个数；

将获取的三维数据{y_kj}中标靶的坐标标记为{z_kh}，h=1,2…m，5≤m≤n，表示标靶的编号；

S4、坐标转换：

S41、在全站仪测得的标靶的坐标{t_i}中取坐标为{z_kh}的标靶对应的坐标，并标记为{x_kh}；

S42、将{z_kh}与{x_kh}进行配准，获取二者间的转换关系，设：

x_kh＝Rz_kh+T       （1）

要配准这两个点集，目标就是要找到合适的旋转矩阵R和平移矩阵T使得待配准点集的欧氏距离和最小：

${\mathrm{\Σ}}^2=\underset{h=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|x_{\mathrm{kh}}-({\mathrm{Rz}}_{\mathrm{kh}}+T)\left|\right|}^2---\left(2\right)$

假设{x_kh}与{z_kh}的重心分别为p、q，则有：

$p=\frac{1}{m}\underset{h=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{kh}}---\left(3\right)$

$q=\frac{1}{m}\underset{h=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{z}_{\mathrm{kh}}---\left(4\right)$

定义p_kh＝x_kh-p，q_kh＝z_kh-q，则式（1）的总误差公式变为：

${\mathrm{\Σ}}^2=\underset{h=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|p_{\mathrm{kh}}-{\mathrm{Rq}}_{\mathrm{kh}}\left|\right|}^2---\left(5\right)$

计算矩阵H：

$H=\underset{h=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{kh}}{p_{\mathrm{kh}}}^T---\left(6\right)$

对矩阵H作SVD分解：

H＝UDV^T      （7）

上式的解X＝VU^T即为所求旋转矩阵R；反带入求得平移矩阵T

T＝p-Rq       （8）

S43、根据S42所得的转换关系，将三维激光扫描仪获取化工园区的三维数据{y_kj}（y_kj≠z_kh）转换至WGS-84标准坐标系。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

首先，本发明的三维化工园区建立方法根据待扫描目标对象特征采用不同类型的三维激光扫描仪获取其三维信息，较好的解决了测量精度与测量速度之间的矛盾；

其次，本发明的三维化工园区建立方法利用标靶的WGS-84标准坐标与三维激光扫描仪测得坐标之间的转换关系方便地将三维激光扫描仪获取的三维数据转换至与最新的2000坐标系可以通用的WGS-84标准坐标系，使得获得的最终数据可以直接用于工程、管理，同时可以和现行的GIS技术标准进行对接，具有较大的应用价值。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例中的三维化工园区建立方法包括以下步骤：

S1、在化工园区内布设全站仪标靶（控制点）：

在待测建筑物内表面及内部设备、管线上安置标靶或棱镜，设布设的标靶的数量为n，为了保证一定的测量精度和便于进行坐标转换，所布设的标靶的数量应满足三维激光扫描仪进行扫描时，每站扫描的扫描范围内均有不少于5个控制点；

S2、测定基准站坐标和标靶坐标：

在化工园区内选择空间开阔的任意位置为基准站位置，在天气较好的情况下，利用基准站接收机连续观测若干个小时，并根据观测值计算得到基准站的精确WGS-84坐标值；基准站测定后，用全站仪测量得到每个标靶的WGS-84坐标值，并将结果标记为{t_i}，i=1,2…n；

S3、根据待扫描目标对象特征使用不同类型的三维激光扫描仪获取化工园区的三维数据{y_kj}，其中，k为大于零的自然数，表示待扫描对象的编号，j为大于零的自然数，表示所获取三维数据的个数那，将获取的三维数据{y_kj}中标靶的坐标标记为{z_kh}，h=1,2…m，5≤m≤n，表示标靶的编号。

本实施例基于化工园区特点优先选用以下三种三维激光扫描仪获取化工园区的三维信息，具体如下：

S31、使用车载三维激光扫描系统扫描化工园区内的道路、树木、建筑物外立面的三维数据{y_1j}，将其中的标靶的坐标记为{z_1h}；

扫描时，应设计合理的行车路线，且车辆应保持匀速行驶，行驶速度优选为40-50km/h，前后车距应保持在10m以上；

S32、使用地面测量型三维激光扫描仪获取厂房内部的三维数据{y_2j}，将其中的标靶的坐标记为{z_2h}；

S33、使用手持型三维激光扫描仪获取重点设备，如阀门、管道节点、储油罐等需要较高精度的设备的三维数据{y_3j}，将其中的标靶的坐标记为{z_3h}；

扫描时，被测设备与手持型三维激光扫描仪的距离为0.5～5m且手持型三维激光扫描仪扫描头的倾斜角度差在±40°以内；

S4、坐标转换：

S41、在全站仪测得的标靶的坐标{t_i}中取坐标为{z_kh}的标靶对应的坐标，并标记为{x_kh}；

S42、将{z_kh}与{x_kh}进行配准，获取二者间的转换关系，设：

x_kh＝Rz_kh+T       （1）

要配准这两个点集，目标就是要找到合适的旋转矩阵R和平移矩阵T使得待配准点集的欧氏距离和最小：

${\mathrm{\Σ}}^2=\underset{h=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|x_{\mathrm{kh}}-({\mathrm{Rz}}_{\mathrm{kh}}+T)\left|\right|}^2---\left(2\right)$

假设{x_kh}与{z_kh}的重心分别为p、q，则有：

$p=\frac{1}{m}\underset{h=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{kh}}---\left(3\right)$

$q=\frac{1}{m}\underset{h=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{z}_{\mathrm{kh}}---\left(4\right)$

定义p_kh＝x_kh-p，q_kh＝z_kh-q，则式（1）的总误差公式变为：

${\mathrm{\Σ}}^2=\underset{h=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|p_{\mathrm{kh}}-{\mathrm{Rq}}_{\mathrm{kh}}\left|\right|}^2---\left(5\right)$

计算矩阵H：

$H=\underset{h=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{kh}}{p_{\mathrm{kh}}}^T---\left(6\right)$

对矩阵H作SVD分解：

H＝UDV^T       （7）

上式的解X＝VU^T即为所求旋转矩阵R；反带入求得平移矩阵T

T＝p-Rq        （8）

S43、根据S42所得的转换关系，将三维激光扫描仪获取化工园区的三维数据{y_kj}（y_kj≠z_kh）转换至WGS-84标准坐标系。

上述方法中，S2和S32优选同时进行，以进一步提高测量效率。

可见，本实施例中的三维化工园区建立方法根据待扫描目标对象特点选择相应的三维激光扫描方法，在保证测量精度的情况下提高了测量速度；且通过本实施例中的三维化工园区建立方法所获得的数据均已被转换至WGS-84标准坐标系，可以方便的与现行的GIS技术标准进行对接，且可直接用于工程及管理等方面。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种三维化工园区建立方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、在化工园区内布设全站仪标靶：在待测建筑物内表面及内部设备、管线上安置标靶或棱镜，设布设的标靶的数量为n；

S2、测定基准站坐标和标靶坐标：在化工园区内选择空间开阔的任意位置为基准站位置，并基于WGS-84标准坐标系测量基准站的坐标；基准站测定后，用全站仪测量得到每个标靶的WGS-84坐标，并将测量结果标记为{t_i}，i=1,2…n；

S3、根据待扫描目标对象特征使用不同类型的三维激光扫描仪获取化工园区的三维数据{y_kj}，其中，k为大于零的自然数，表示待扫描目标对象的编号，j为大于零的自然数，表示所获取三维数据的个数；

将获取的三维数据{y_kj}中标靶的坐标标记为{z_kh}，h=1,2…m，5≤m≤n，表示标靶的编号；

S4、坐标转换：

S41、在全站仪测得的标靶的坐标{t_i}中取坐标为{z_kh}的标靶对应的坐标，并标记为{x_kh}；

S42、将{z_kh}与{x_kh}进行配准，获取二者间的转换关系，设：

x_kh＝Rz_kh+T      （1）

要配准这两个点集，目标就是要找到合适的旋转矩阵R和平移矩阵T使得待配准点集的欧氏距离和最小：

${\mathrm{\Σ}}^2=\underset{h=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|x_{\mathrm{kh}}-({\mathrm{Rz}}_{\mathrm{kh}}+T)\left|\right|}^2---\left(2\right)$

假设{x_kh}与{z_kh}的重心分别为p、q，则有：

$p=\frac{1}{m}\underset{h=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{kh}}---\left(3\right)$

$q=\frac{1}{m}\underset{h=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{z}_{\mathrm{kh}}---\left(4\right)$

定义p_kh＝x_kh-p，q_kh＝z_kh-q，则式（1）的总误差公式变为：

${\mathrm{\Σ}}^2=\underset{h=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|p_{\mathrm{kh}}-{\mathrm{Rq}}_{\mathrm{kh}}\left|\right|}^2---\left(5\right)$

计算矩阵H：

$H=\underset{h=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{kh}}{p_{\mathrm{kh}}}^T---\left(6\right)$

对矩阵H作SVD分解：

H＝UDV^T       （7）

上式的解X＝VU^T即为所求旋转矩阵R；反带入求得平移矩阵T

T＝p-Rq       （8）

S43、根据S42所得的转换关系，将三维激光扫描仪获取化工园区的三维数据{ykj}（y_kj≠z_kh）转换至WGS-84标准坐标系。

2.根据权利要求1所述的三维化工园区建立方法，其特征在于：所述S3包括以下步骤：

S31、使用车载三维激光扫描系统扫描化工园区的三维数据{y_1j}，并将其中的标靶的坐标记为{z_1h}；

S32、使用地面测量型三维激光扫描仪获取厂房内部的三维数据{y_2j}，并将其中的标靶的坐标记为{z_2h}；

S33、使用手持型三维激光扫描仪获取重点设备的三维数据{y_3j}，并将其中的标靶的坐标记为{z_3h}。

3.根据权利要求1所述的三维化工园区建立方法，其特征在于：所述S31中使用车载三维激光扫描系统扫描化工园区三维数据时，车辆行驶为匀速行驶，车速范围为40～50km/h。

4.根据权利要求1所述的基于激光扫描的三维化工园区建立方法，其特征在于：所述S2和S32同时进行。

5.根据权利要求1所述的三维化工园区建立方法，其特征在于：所述S33中使用手持型三维激光扫描仪获取重点设备的三维数据时被测设备与三维激光扫描仪的距离为0.5～5m。

6.根据权利要求2或5所述的三维化工园区建立方法，其特征在于：所述S33中使用手持型三维激光扫描仪获取重点设备的三维数据时手持三维激光扫描仪扫描头的倾斜角度差在±40°以内。