三维激光扫描仪工厂改造解决方案

一、现状与困难

   为了给设计工作提供基础输入资料并且为后续的运行维护和管理提供很好的基础数据平台，需要对工厂进行现状测量以获取现场设备和管道的位置关系及分布情况。原始手工测量是传统获取现场资料的比较常见并且比较经济的方法，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。现代常规测量方法是采用全站仪或GPS进行单点位置采集，但是工厂内部设备和管道分布错综复杂，极易造成测量盲点，加之厂区内部高压设备区域测量人员不能到达等不利因素的影响，使测量工作十分困难，工作效率低下。这时，我们需要将目光转向更先进和准确的测量方式。

二、技术优势

三维激光扫描技术是一种面测量，点的采集密度大、精度高，且是主动式非接触测量，无需设置反射棱镜，因此在人员难以到达的危险区域使用优势更加明显，突破了传统的手工测量及单点测量方式，以高密度、高分辨率获取扫描物体的三维点云数据，能够得到完整、全面的三维空间信息，成为一种良好的解决方案。

技术特点

与传统测量方法相比，三维激光扫描技术既可以节省外业工作时间，缩短工期，又可以将建筑、管道等信息全部记录下来，方便后期二维出图与三维建模，从而更好的对工厂设施进行管理。

     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于文物考古及古建筑维修、地形测绘研究等领域，而在工厂改造方面的应用尚处在起步阶段。

三、解决方案

 （一）数据采集与处理

          1.扫描前踏勘 

        在进行点云数据获取之前，我们会安排华创同行的工程师需要进行现场实地踏勘，根据厂区大小、设备和管道分布情况，以保证在扫描仪的有效范围内发挥其最大功效，避免重复扫描。再通过三维激光扫描仪扫描获取现场数据。

         2.方案制定

鉴于大部分工厂组成复杂，如果站间拼接误差较大，可以进行手动拼接，软件将自动进行拼接精度检查，保证两站间的拼接精度在1cm以内。依次进行相邻站间的拼接，得到完整的三维点云数据。

但出于坐标系转换到地理坐标系的用途，需要在扫描区域布设目标标靶(标靶纸或标靶球)，至少布设3个，以便于后续将测站扫描坐标系转换到测量坐标系。

        3.获取精准的现场数据

  扫描站点和标靶布设完成后，将三维激光扫描仪架设在扫描站点上并进行整平。安置好仪器后，开机设置扫描参数（主要包括分辨率及点云质量），设置完毕后，按下扫描按钮然后等待机器扫描，按照一般推荐模式单站约3分钟20秒即可完成扫描。扫描完成后，可在显示屏中实时查看点云数据，对点云数据获取不理想区域或局部复杂程度比较高的区域，可调整局部扫描级别重新进行局部扫描。

       4.点云数据的去噪

    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。根据现场的扫描对象复杂程度不同，扫描过程中外界环境因素对扫描目标会造成阻挡和遮掩，如移动的车辆、行人和树木的遮挡，以及实体本身的反射特性不均匀等，导致最终获取的点云数据可能包含不稳定点和噪声点，只有把这些噪声点去除后，才可以继续进行其他的操作，有助于后续建模。这个过程称为点云数据去噪或点云的过滤。应用软件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。

      5.点云数据的简化与分割

   根据现场的扫描对象的复杂程度不同，扫描得到的点云数据大小差别很大，对范围较大且组成复杂的现场来说，扫描得到的点云往往很大，数以亿计的点，会影响软件的运转速度，各种处理软件都提供了若干种数据化简的功能，如剔除植被功能，空间点过滤功能等，经简化处理可大大减少数据量，为后处理提供方便。

对较大的项目来说，后期处理一般需要配备较多的人员参与模型重建工作，这样需要把整体的点云数据进行规范化的切割分块，交由每个人员协同工作，以提高了模型重建的效率，加快模型重建速度。

            （二）数据应用

                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。

               2.点云的裁剪

                    在cyclone中删除指定点云设备，并导入CAD模型实现设备的虚拟装配。

设备点云

                         3.实时干涉检查

在新老设备更换时，设置好模型的移动轨迹后，当模型与点云碰撞时，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。

实时干涉检查

                            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，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。

模型重建

                              5.生成漫游视频与VR展示

   按照设定轨迹生成漫游视频以便与提交客户或上级审核。同时可与前沿的VR技术直接结合，可以简单快捷的面向上级进行汇报，提升展示的真实感，增强交流与互动。

                                6.导出到设计软件，与BIM对接

   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。

BIM模型

                         7.建立厂区三维管理系统

    以三维激光扫描技术为主的改造设计，华创同行为设计工作提供基础数据资料，也为后续运营、维护和管理提供很好的数据基础平台。随着三维激光扫描技术的不断发展，将同步采集的高精度点云及高分辨率影像数据与地理信息技术相结合，这在国内外工厂开发和运营管理中具有广泛的用途。

整体三维模型

四、方案优势

工业厂房三维模型的构建需要真实的三维空间数据，如地物的平面位置、几何尺寸、高度等数据。长期以来工业厂房的竣工测绘、三维建模和重构工作，大多用传统的测绘仪器来获取厂房的空间几何数据，由于传统测量仪器、方法的局限性，使获得的测量数据精度低、现实性差，不能精准表达厂房结构的空间几何及相关构件的属性信息。三维激光扫描技术能很好解决这一难题, 通过提高对现场关键数据获取的精准程度来促进工厂改建质量的提升,。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。在此模式下做出的设计能够很好的保证设计质量并缩短设计周期，准确的现状模型能够做到对材料的准确控制，大大降低了施工过程中的返工。

三维激光扫描，颠覆了传统的量测方法，并且精度得到很大的提高，短时间内帮助设计人员进行设计方案的制定，并在现有管道设备模型的基础进行合理的改扩建设计，许多设计问题在设计的初始阶段就得到解决，大大提高了工作效率及设计质量。国外研究的数据显示：传统模式下所做的改扩建设计，由于对现场状况不明，所造成的返工及材料浪费占到项目总投资的10％，使用三维激光扫描技术前期进行扫描，在投入1％一2％的基础上，可以使返工及材料浪费降低到1％，经济效益非常显著。

在国内，这一设计模式还比较新颖，应用的深度和广度都很不够，但是三维扫描技术提供的三维现状模型不仅为改扩建等设计提供了便利，也为后续的工厂运营维护管理提供很好的数据基础平台，这一技术必定会为各方带来巨大的经济效益。