小场景LiDAR石油站台三维仿真方案.docx
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小场景LiDAR石油站台三维仿真方案
石油站台三维仿真技术方案
2018年1月
1.概述
仿真系统技术是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感技术的基础上发展起来的虚拟技术交叉学科，是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，它几乎可以支持任何人类活动，适用于任何领域。
三维激光扫描技术的出现是以三维激光扫描仪的诞生为代表，依托此技术建立的三维激光扫描系统则是近几年发展起来的，它是集成了多种高新技术的新型空间信息数据获取手段和工具，目前，这一技术在一些国家和领域已经发展成熟并得到了广泛应用。
三维激光扫描技术是应用激光测距的原理，通过三维激光扫描仪中内置的激光发射器，发出一束不间断的整数波长的激光，通过计算从物体反射回来的激光波的相位差，来记录目标物体的距离。
这样连续地对空间以一定的取样密度进行扫描测量，就能得到被测目标物体密集的三维散点数据，称作点云（PointCloud）。
把采集到的点云数据输入计算机，通过工程软件的处理，就可以得到被测物体的三维形貌，加上色彩纹理的叠加，最终生成三维数字模型。
2.总体技术方案
对石油站台进行仿真还原，主要包含五个方面：
（1）Lidar数据的采集
应用激光扫描技术对目标进行空间数据采集，主动发射Lidar信号，获取目标表面三维真实尺寸数据，由于其非接触性、实时、动态性及自动化等特点，可以及时的全面的反映目标物体现状。
图1目标物体Lidar数据
（2）影像数据的获取
对于大场景影像数据的获取，一般包括两种方式，一是DOM（数字正摄影像），另一个是细节影像（单个物体影像）。
根据实际的项目求，采用人工拍照的方式获取扫描目标的纹理。
采用扫描仪本身配备相机的方式，采集效率较高，多用于彩色点云生成；而使用数码单反相机人工拍摄的方式获取的影像分辨率更高，可控性强，用于后期模型的纹理贴图。
（3）内业处理
将获取的Lidar数据与影像数据分别进行处理，比如将Lidar数据进行降噪、分层、分类、封装等具体操作，对影像数据进行PS颜色处理、畸变校正等，生成DOM数据，最后再结合设计图、规划图等做最终的场景设计。
图2Lidar数据降噪
（4）建模工作
通过三维软件，将已获取的Lidar数据进行封装模型，并且叠加纹理。
因为模型是根据真实尺寸和真实影像创建，所以可以对现实场景进行科学化的描述，展现出真实的世界。
依据真实三维Lidar数据与影像数据，通过三维建模技术、虚拟展示技术等可用于形象的展示石油站台模型效果。
3.三维激光扫描设备
3.1.基站式扫描仪
Focus3D130是业界最小、最轻的激光扫描仪，与同类产品相比，重量轻四倍，体积小五倍。
激光扫描仪采用最高效的三维数据文档制作方法，适合房屋建筑、开挖体积、建筑外立面和结构变形、犯罪现场、事故细节、产品几何结构、工厂、工艺装置等。
超小的尺寸和重量以及触摸界面，令Focus3D使用便捷，与常规扫描器相比可节省高达50%扫描时间。
图3Focus3D130地面扫描仪
图4操作面板
表格1扫描参数表
激光测量系统
测程
150米
重量
5.0kg
尺寸
240×200×100mm3
最小测程
0.66米
分辨率
0.1毫米
数据获取速率
≤960000点/秒
测距误差
10米和25米时为±2mm，每个均在90%和10%反射率时
温差引起的误差（0～40摄氏度）
可忽略
光学部件系统
垂直视野
305度
水平视野
360度
垂直精度
0.009度（360度含40960三维像素）
水平精度
0.009度（360度含40960三维像素）
激光（光发射器）
激光功率（cwØ）：
20mW（三级）
波长
905nm
光束发散性
典型值0.16mrad（0.009°）
出射光直径
3.8mm，圆形
数据处理和控制
数据储存
包括SD、SDHC™、SDXC™；32GB卡
扫描仪控制
通过触摸屏显示
彩色单元
分辨率
最高7千万像素色彩
动态彩色特性
自动亮度适应
产品特点
世界上最快的三维大空间激光扫描最大扫描速率可达976,000点/秒。
三维虚拟重现：
可生成由三维测量点组成的逼真虚拟现实图像。
速度控制：
可按应用场合调节速度和扫描质量。
高精确度：
25米内的系统距离误差不大于±2mm。
模块化设计：
便于系统升级和维护的可拆卸封装模块。
无线可操作性：
独立的网络服务器；可以把数据记录到32GB的内部硬盘上；可通过iPod®触摸笔或大多数无线PDA进行控制。
携带方便：
所有扫描图像都存储在一个SD卡中，从而可将数据简便、安全地传送到PC。
集成彩色照相机，可实现零视差自动颜色叠加，进行照片般逼真的三维扫描。
电源单元（选件）---小型内置电池，每次使用平均可保持5小时运行时间
3.2.手持式扫描仪
Creaform的旗舰型扫描仪完全经过重新设计，同时保留了其核心资产价值，具有更高的便携性，可更快速地完成准确、高分辨率的3D扫描，同时延续了使用超级简便的特点。
手持扫描仪最大的优势是灵活、高效、易用等特点，数据采集精度可以达到亚毫米级别，属于便携式设备，可用于管道、工业器械等精密且不易移动的高精度扫描。
HandySCAN3D300扫描仪随附Vxelements软件，这是一款全集成的3D数据采集软件平台，可以为我们的整个3D扫描和测量技术系列提供支持。
它将所有基本要素和工具都融入到一个用户友好、简便且流畅的工作环境中。
其实时可视化功能带来了简单而又令人愉快的体验，完成数据采集步骤之后即可自动创建并提供优化扫描文件。
图5HandySCAN3D300
表格2HandySCAN3D300参数
HandySCAN300TM
重量
0.85千克
尺寸
122x77x294毫米
测量速率
205,000次测量/秒480,000次测量/秒
扫描区域
225x250毫米275x250毫米
光源3
束交叉激光线7束交叉激光线（+1额外一束）
激光类别
II（人眼安全
分辨率
0.100毫米0.050毫米
精度
最高0.040毫米最高0.030毫米
体积精度
0.020毫米+0.100毫米/米0.020毫米+0.060毫米/米
景深
250毫米
软件
VXelements
输出格式
.dae,.fbx,.ma,.obj,.ply,.stl,.txt,.wrl,.x3d,.x3dz,.zpr
兼容软件
3DSystems（Geomagic®Solutions）、
Autodesk（Inventor、Alias、3dsMax、Maya、Softimage）InnovMetricSoftware（PolyWorks）、Dassault
4.三维激光扫描
4.1.技术路线
图6技术实施路线
4.2.标靶布设
为了便于点云数据的拼接和数据的配准，需要选择通视条件较好的位置来放置标靶。
此外，标靶应尽量放置在石油站台的特征点或特征线处，还应保证前后两个测站都能看到该标靶。
标靶的位置可由全站仪测量方法来获取。
完成上述准备工作后，即可进入用三维激光扫描作业阶段。
将仪器架设在测站上，启动仪器和扫描软件，设置好扫描参数，即可进行自动扫描。
在扫描完成后，还需对标靶进行精细扫描，以便与后续点云数据的拼接和配准。
根据对现场的踏勘和照片及规划图等资料分析，对作业区进行三维扫描，计划采集数据方式是采用升降台、脚手架等辅助升高机械器材进行设站扫描，保证数据获取完整有效。
4.3.站点扫描
为了项目的顺利开展和实施，需要在项目正式开展之前收集与该项目相关的资料，主要有石油站台控制点资料、设施设备结构资料。
在相关单位获取到以上相关资料后，对所收集到的资料进行整理、归类、分析。
扫描站点的选择，是为了保证三维激光扫描仪在有效范围内发挥最大的作用，提高测量效率，减少点云数据的拼接误差和数据总量，因此，在三维激光扫描开始之前，应该对扫描视点进行科学的选择，以保证最好的扫描效果。
a）尽量用相对较少的站数扫描出最完整的数据；
b）扫描对象应在仪器扫描范围内合适的位置（扫描范围跟分辨率成正比）；
c）具体的单站应符合整个扫描路线框架的要求，如有特殊情况，可做适当的变通；
d）任一个扫描测站点必须保证至少和一个其他站点能够拼接完成；
e）每个测站扫描之前，至少要考虑好下面1站的具体设站位置；
4.4设备细节获取
基站式扫描仪通常用于大空间及大尺寸物体的扫描，对于狭小空间及管道、设备因为遮挡等问题而造成的数据缺失则需要使用手持式扫描仪进行数据获取，已获得完整的点云数据。
同时，对于基站式扫描仪精度无法满足得设备设施的细部结构同样需要使用手持式扫描设备进行单独扫描作业。
4.5.纹理获取
扫描完成后，利用仪器集成的数码相机来获取石油站台的纹理信息。
石油站台纹理的获取是为了是最后所得的石油站台与真实情况更为接近，更加具有可观赏性，能更好的满足可视化的要求，从而便于该石油站台的宣传。
对石油站台进行影像拍摄首先应根据纹理采集精度要求，计算拍摄距离、单张影像范围。
正式拍摄前需要进行试曝光，并根据试拍结果调整相机参数，获取的照片应当明暗适中，不能有过亮或过暗的情况出现。
拍摄时应当以获取目标整体影像作为参考，然后逐步获取细节影像，依据像片最外侧会有畸变及分辨率下降的情况，相邻相片重合率不应低于35%。
如果现场光源明暗不一致，需要进行布设灯光系统。
拍照时间应当地日照条件决定，通常选择太阳照射角小的时间段，例如中午前后，拍照时间控制在一小时内，保证光影一致性。
外业拍照完成，需要内业人员对照片处理，通过调色软件，统一调整色温。
然后对拍照的照片裁切，裁切要注意重合区域控制，力求达到最佳拼接点。
裁切完的照片，由专业图像处理人员进行畸变校正。
畸变校正直接影响着照片拼接的效果。
最后由模型制作人员对相邻照片进行拼接，拼接贴图要保证无接缝，符合模型贴图标准。
5.模型构建
通过基站式及手持式扫描设备获取的高精度模型点云，对于建筑细节能实现完美仿真，对于复杂机械能实现高精细度还原。
相对于人工建模（通过肉眼观测）精度，扫描获取的模型点云精度更高，依此获取的模型才能够达到真实还原的标准。
通过高分辨率相机拍摄建筑真实纹理，使得三维仿真模型具有和实际建筑一样的细节，再通过映射法，将高精度贴图与高精度模型相结合，最后通过烘焙贴图等技术优化。
三维仿真模型同时具备精度、美观、真实三个重要属性。
5.1.数据检查
三维扫描获取的点云数据，按照当天扫描当天检查的原则进行初步检查。
检查内容主要是点云数据的有效性、覆盖完整性。
点云检查主要是利用标靶点将所有的单站点云数据统一到一个相对坐标系中，这次拼接的精度较低，只是为了将整个作业区的所有扫描站整合在一起，统一检查数据是否存在扫描盲区、数据漏洞等，如有数据漏洞出现，可以立即进行补测。
5.2.点云拼接
点云数据获取完成后，各个扫描站的坐标系统是相对独立的，需要通过各个扫描站之间的公共点，将不同坐标系下的数据转换到同一个坐标系中，这个过程叫做点云拼接。
拼接时将需要拼接的扫描站点云数据全部导入到点云处理软件中，通常采用公共标靶点拼接的方式。
选择其中一站数据为基准拼接数据，分别选取各扫描站数据中的相对应的标靶点，对其周围扫描站进行拼接，逐步进行两两测站拼接，等所有的测站拼接完成以后，既得到完整的扫描数据。
图7点云拼接
5.3.模型制作
模型构建首先通过激光扫描获取高精度模型点云。
参照获取的高精度模型点云，运用三维还原技术，进行模型的拓扑建模，所得模型为高精度模型。
建筑根据三维点云精度、质量等不同的因素，构建不同等级精度的模型，三维扫描数据的获取，积累了建筑最原始的精确尺寸数据，满足不同建筑的建模需求。
在实际工作中，模型可分为地形、建筑、附属设施三种类型。
5.3.1.地形
地形模型根据优化完成的三维点云进行封装制作，针对数据量大、数据拟合困难等问题，可以再进一步优化处理。
图8不规则地形模型
图9地形模型效果
5.3.2.建筑
确定各个扫描站点的位置后，根据滤波后的点云数据来构建三角网模型。
提取融合后的点云数据的的特征点和特征线，进行曲线拟合和曲面拟合，并实际模型进行模型构建。
在这个阶段中，根据实际项目的复杂程度和数据量，来确定是否将项目整体分成唯一单块区域或者多个单块区域，确定以后，然后以单块区域为操作对象，用其中的若干主站点云建立框架，辅站点云为框架补充数据，把有关此单块区域的点云整合完毕，以便进行下一步建模工作，建模完成以后再把各个单块区域合并成项目整体模型。
另外，在处理过程中注意优化处理点云。
图10建筑模型
5.3.3.设备建模
设备模型在三维仿真大场景中占有很重要的地位，也是最能体现三维模型细节的地方之一。
图11管道设备模型
图12电网输电杆塔
图13电力设备模型
三维点云高精度模型可以表现出真实三维尺寸，是对扫描对象观测与分析的第一步，三维扫描数据的获取，积累了最原始的精确尺寸数据，不但可以利用扫描点云数据及高精度三维模型精确测量，并且能够全方位地了解所测对象形貌特征。
5.4.纹理贴图
为了满足可视化的需要，让构建出的石油站台三维模型具有更高的可观赏性，需要对构建出来的石油站台模型贴上真实纹理。
通过贴图映射软件，将高分辨率相机获取的真实影像，映射到高精度模型表面，要求映射贴图要符合实际情况，不得有明显接缝，不得有明显的光影错误。
模型展开UV,合理展UV能保证烘焙贴图合理性。
5.5渲染合成
贴图完成后的模型，缺少真实光场信息，还无法达到最终的效果要求，需要利用三维软件内部的灯光系统按照实际的环境光照对场景进行光场还原，才可以到最终的效果。
在计算机空间进行光场还原要求符合拍照照片的光影位置，暗部有补光，能够尽可能接近现场真实的光照环境。
烘焙法线贴图
法线贴图能保留高精度模型的凹凸细节。
烘焙AO贴图
即AO－AmbientOcclusion，它主要能改善阴影，给场景更多的深度，真正有助于更好的表现出模型的所有细节。
将烘焙好的法线贴图反贴回模型，能增强模型真实质感。
模型优化，根据三维决策方案、实景展示平台的实际要求，对高精度模型做一定的衰减，优化。
以达到平台运行流畅需求。
6.三维仿真模拟平台介绍
三维场景仿真模拟是根据真实场景创建，包括场景浏览、工作流程、作业模拟、人员培训等功能。
以港口模拟平台为例，根据岸桥、场桥、集装箱等港口硬件设施实际形态、位置等进行仿真模拟，不仅记录各个附属设施工作的真实情况，并且以仿真系统技术展示了整个港口工作流程，如下图所示：
图14三维贴图模型
图15港口仿真
6.1.工作流程
以港口仿真模拟为例，根据实际工作情况，将港口中堆栈、场桥、岸桥、运输车等各种设备按照真实流程展现出来，工作流程具有逼真物流特性的功能、真实设备操作体验的功能、体现实际设备运行控制方式的功能与设备流程应用的功能。
同时通过各环节设备之间相互配置、链接、实施，构成港口整体流程实施作业。
海上石油平台模拟仿真是石油平台真实模型为基础，以实际工作流程为主线进行工作流程模拟，如下图为石油平台模型：
图16港口仿真
图17海上钻井平台仿真
6.2.模拟作业
模拟作业包括整体作业流程、设备相互作业、设备自身作业等过程，形象逼真的模拟过程。
以港口模拟平台为例，对大型集装箱港口的集装箱起吊和放置的仿真。
模拟操控人员可以通过操作平台和逼真模拟岸吊驾驶员在高空对集装箱的准确起吊和放置，可模拟港口岸吊的装卸作业全过程。
图18集装箱装载模拟
6.3.人员培训
平台对人员培训具有很大的教学空间，提供的情景化的学习界面、人机交互式的操作体验。
平台根据人员培训目标的要求，依据系统提供的功能，循序渐进，力求使员工能够通过该具体业务，了解业务的基本功能要求，掌握业务的基本操作技能，同时锻炼员工的自学能力，达到学以致用的培训效果。
如港口仿真模拟为例，通过平台可以实现集装箱堆场业务流程的仿真模拟和相关知识点的介绍，平台从教学的实际出发，包括3D模拟实训系统的主要功能模块和启动运行的基本步骤；闸口管理实训；堆场策划实训；集装箱运输实训；龙门吊操作实训和桥吊操作实训等内容。
7.技术优势
7.1.三维激光扫描技术
随着计算机技术的快速发展以及各种新技术的不断推出，将三维激光扫描技术引入于测量行业中，能对目标物体进行数字化处理并建立三维Lidar数据或者模型。
三维激光扫描技术有以下几点优势：
1、非接触性。
该技术无需反射镜，能不接触测量目标的表面三维信息，而
且所采集的数据完全真实可靠。
这一特征解决了危险领域的测量、柔性目标的测量、需要保护对象的测量和人员不可到达位置的测量等。
2、数据获取速度快。
应用激光扫描技术进行目标空间数据采集，速度非常
快，采样点速率最高可达到数十万点每秒，可以快速获取大面积目标空间的信息。
3、实时、动态、主动性。
主动发射测量信号，不需要外部光源，通过探测
自身发射的激光的回波信号来得到目标信息，由于这一特征，使激光测量不受时间约束和时空约束，实现全天候作业，也可以及时测定形体表面立体信息，适合应用于自动监控行业。
4、高密度、高精度。
该技术可高密度、高精度地获取目标表面特征。
通过
对目标的直接扫描来描述目标特征，与人工技术不同，前者使用庞大的点阵和浓密的格网，采样点点距很小，获取的点云分布较均匀，可以达到较高的分辨率。
5、数字化、自动化。
该技术采集的数据是直接获取的数字距离信号，全数
字特征，易自动化，可靠性好，易于后期处理及输出。
7.2.仿真系统
仿真系统技术是一种省钱、安全、有效的培训方法，现今已被推广到各行各业的培训中。
基于仿真系统用户可以和一个由计算机产生的三维立体空间中的对象交互,除观看外还可以在空间中随用户的意志自由操纵其中的对象,进而产生相当的融入感及参与感。
仿真技术如今被运用到科技、商业、医疗、娱乐等多个领域中。
升级会员 