三维扫描技术在海洋结构管线施工中的应用研究

吴辰，朱沫，黄明，曾孔

（中海油能源发展装备技术有限公司深圳分公司，广东 深圳 518054）

当前海洋平台服役年限逐年增加，油田生产设施工艺进步显著，为满足油田生产需求，大量海上生产设施和陆地终端结构、管线需要进行改造或更换。平台改造前，传统方式主要采用人工手段进行测绘，即通过人工测量的方式获取结构管线信息，后期进行设计、施工。这种测量和设计方式工作量大、耗时长且精度难以保证，影响工程质量、效率。三维激光扫描技术（Three-Dimensional Laser Scan Technology）以高速激光获取复杂物体的几何图形信息，每秒可以获取数万点数据，采集效率、精度以及自动化程度更高。以某典型海上平台新增井槽项目为例，基于高精度三维激光扫描技术及逆向三维点云建模技术开展海上平台结构管线数字化应用研究，提高海上施工作业效率和精准度，降低施工工作量和投资成本，为其他海上设施结构管线改造提供应用参考。

1 三维激光扫描技术概述

该技术应用激光扫描的方式获取物体空间外形和轮廓信息，依托三维激光扫描仪快速、大范围的优势获取物体表面的点云数据，在此基础上进行实景三维建模。三维激光扫描仪能够快速对空间内的点信息进行采集和处理，应用具有一定分辨率的空间点所组成的点云图来表达系统对目标物体表面采样结果。

根据测距方式，扫描仪分为三角式、相位式、脉冲式等3 种。其中前两者测量范围小(0.5 ～100m)，后者测量范围大(1 ～6000m)，因此脉冲式多用于工程领域测绘研究和实践。激光脉冲被投射到被测量物体后，接收器接收物体的反射脉冲，记录脉冲往返时间差，由此得到测量距离。与此同时，基于内置角度测量系统扫描点对应的坐标值，此外还会记录物体反射强度值。脉冲式三维激光测量点云坐标见图1 所示，其中α 为激光束在坐标系中的水平角、β 为垂直角、S 为激光束、P 为物体表面在坐标系中的点。应用该方法得到高品质的点云数据，便于后续三维建模。

图1 点云坐标原理图

与传统的现场测绘方式相比，三维激光扫描技术获取信息速度快、精度高，降低了人力、时间成本的消耗；数据客观、全面，具有较好的可编辑性，数据处理方式灵活多样，兼容CAD、PDMS、Geomagic、E3D 等软件，兼容性强；能够高精度地获取现场设备三维模型，为施工方案的编制提供了数据依据，避免二次测量；基于非接触测量方法，可实现复杂、危险区域的测量工作，适用范围更广。

2 三维扫描技术在海洋结构管线施工中的应用

以南海某海上石油平台新增井槽项目为例，开展三维扫描技术在海洋结构管线施工过程中的应用实践。目标油田根据生产动态落实探明地质储量，并新增多个潜力井位，开发方案设计增加6 个井槽，并对平台现有生产水、原油、开排、闭排、消防水等系统管线进行改造。海上平台管线走向和密集度比较复杂，常规测量工作难度大。

2.1 现场扫描

因海上平台设备、管线结构密集，如果不能选择合适的站点，点云模型效果较差，甚至出现部分站点无法拼接的问题。在现场勘查过程中，根据平台内管线结构密集程度，设计站点扫描方案，通过选择合适的布站位置和布站数，确保获取全面的点云信息，满足点云模型构建的需求。对于管线密集区重点扫描，结合现场情况制定站点布设方案。目标平台共有4 层甲板、1 栋生活楼，基于3 ～5m 布设站点的原则，共布设站点310 站。

根据站点编号对扫描靶标点进行编号，旨在便于后续点云数据拼接以及坐标校正。通常来说，仪器扫描获取的初始点云数据为仪器自定义坐标系，基于公共点坐标转换法，能够将其转换为工程坐标系。在现场扫描过程中，根据现场复杂程度采取差异化的测量方法，对于管线走向清晰、视野相对开阔的区域，可适当放大不同测站间的距离，相邻测站间应用连接球进行拼接。测站密度相对大的区域，直接测量并通过公共平面将不同测站间的数据进行拼接。扫描过程中，尽量从不同的视野方向获取完整的点云数据，提升内业处理的准确性。

本文选用FARO FOCUS S150 三维扫描仪开展现场扫描，其水平扫描范围为360°，垂直扫描范围为300°，扫描距离为150m。三维扫描仪精度极高，现场细微振动引起的误差可能造成后期拼接失败，为此作业时应尽量避免扫描现场出现振动、晃动等问题，规避大风天气作业，保证扫描数据的精度，图2 为123 号站点扫描得到的点云数据。

表1 研究区站点布设方案

图2 123 号站点扫描的点云数据

2.2 点云数据处理

三维激光扫描仪作业过程中每一扫描站点单独得到一个点云数据，需要对多个点云进行拼接，得到初步的点云模型，所谓三维点云模型是一定范围内采集的所有点数据的集合。点云处理中包括点云提取、点云拼接、坐标统一等。

为保证点云模型数据的完整性，将外业测量得到的点云数据进行全部提取。使用SCENE 软件识别相同信息的点云，进行自动对齐、拼接处理，保证每个点云之间有较好的相关性，对于不能自动拼接的点云数据，人工对齐后再次尝试拼接。拼接时注意是否存在站点遗漏或者自动拼接错误等问题。扫描布站比较集中的地方可能出现自动拼接错误，需要人工检查调整。一般来说，基于平面的无目标拼接方式能够实现拼接目的，如果出现未配准的测站，应基于点云配准工具，人工进行配准。如果部分区域点云模型效果不好，可以增加布站或者将部分站点重新扫描，再次补充拼接。点云拼接完成后，得到初版的点云模型。初版点云模型中可能存在误扫描的人、工具等无用信息，需要人工选取删除，提升点云模型观察和使用效果，降低计算机数据处理量，提高工作效率。完成拼接、噪点去除、无关信息删除并进行平滑处理。利用坐标校正工具将坐标轴对齐，保证不同兼容软件均可打开点云模型，并按照所需坐标轴进行操作。完成上述处理后，对数据进行复查修正，复杂区域需进行外业调查，保证管线数据的完整性。目标项目拼接处理完成的三维模型见图3 所示。

图3 拼接处理后的点云模型

2.3 三维建模

经提取处理后的管线点云数据进行模拟建模，本研究基于Geomagic 进行三维建模。Geomagic 软件集成点云、三角网格以及CAD 建模于同一用户界面，可以选择采样、降噪、简化等自动化工具编辑数据，并转换到多边形网格中。Geomagic 软件直观的实体建模工具可以简化网格创建实体几何图形的过程，一键即可提取曲线、曲面和实体。创建实体模型后，比较实体模型及其三角网格数据，找出二者之间的偏差区域，并能快速简单地导出CAD 文件格式。Geomagic 软件的三维数据处理能力能够大幅提高逆向工程、生产型制造、原型开发、概念建模的处理效率。

本研究建模处理步骤如下：（1）处理点云模型使其坐标轴与Geomagic 坐标轴对齐；（2）开展片面化、降噪处理，细化点云模型；（3）智能识别点云模型中的点集，建立对应尺寸的草图；（4）对草图进行拉伸、压缩等处理，完成管线、结构件等部件的三维实体建模。图4 为平台某12 寸玻璃钢管线，管线标高为3.35m，图中2 三通分别为12 吋*8 吋、12 吋*10 吋，水平夹角为45°。若使用传统方式测量该段管，需要搭设脚手架，2 三通定位难度大，测量困难。基于三维扫描与Geomagic 相结合的扫描方式，仅需在现场布4 个站点，20min 即能完成全部测量工作，应用Geomagic 进行简单的操作即可复原该段管线。

图4 基于Geomagic 的某管线三维建模图

将处理后的点云导入Geomagic 进行三维逆向建模，将包含原有的设备、结构、管线的三维扫描模型以及新增工程详细设计模型放置在同一空间内，得到图5 所示的工程设计模型。

图5 三维扫描模型融合工程详细设计模型

2.4 应用效果

基于三维激光扫描以及点云建模技术，对某平台设备、管线等进行数字化建模，能够直观的检查碰撞干涉问题（见表2）。基于上述调查成果，通过直观的三维模型优化施工方案，合理布置管道走向和安装方式，精准布置材料倒运路线，全局规划施工进程。较传统测量方法相比，此项测量、建模方法有效提高了数据的测量速度和精度，缩短了海上作业工期，避免了返工问题，提升了作业效果和施工质量，降低了施工风险，保证了海上施工的安全性。

表2 目标项目管线碰撞干涉情况

3 结语

以海上某平台井槽扩建项目为例，开展了三维激光扫描及点云数据建模研究，实现了从测量、建模、设计的无缝连接，为海上平台结构管线施工改装项目的顺利进行奠定了坚实基础。在本文方法的基础上深入挖掘，可探索更多的应用场景，将该技术应用于数字化工厂的搭建，在记录设备、材料、材质等静态信息的同时模拟设备运行状态。此外，融合数字孪生仿真技术拓展业务范围，构建完整的工程智能化、自动化建设服务体系，推动行业数字化转型。