三维激光扫描仪在岩洞储油工程施工中的应用

万华营

摘 要：为了加强国内石油安全，应对突发事件，我国于2003年正式启动建立石油储备体系。地下洞库因具有投资少、环保和安全性高等优势被视作储存油品的最好形式。随着地下储库建设项目的展开，对地下洞库容积的测量显得尤为重要。目前，我国储油洞穴的容积测量方法研究仍处于起步阶段，国内尚未制定洞库储油容积的检定规程。而在地下储库设计建设中，洞库的稳定性、建设成本等问题，是工程的关键点。该文通过探索可行的计量方法，服务保障国家重大工程，同时为国防工程提供技术支撑，可以带来可观的社会效益和经济效益。

关键词：三维激光扫描仪 岩洞储油 工程施工

中图分类号：TB938.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）03（c）-0029-02

1 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术又叫实景复制技术，是一种通过高速激光扫描来获取被探测物体的三维坐标数据的高新技术，该技术具有高效率、高精度等独特优势，成为测绘领域中继GPS空间定位系统之后的又一项新突破。由于三维激光扫描系统可以在大面积高密度空间内进行三维数据采集，并且具有不接触性、主动性、高精度性和自动化性等特点，打破了传统的单点测量，在国内引起越来越多科研人员的关注，并广泛应用到社会生产的各个领域。

2 三维激光扫描技术测量流程

三维激光扫描技术的测量流程主要包括现场数据采集和点云数据处理部分。

2.1 现场数据采集

（1）在采集数据工作开展之前，首先应当做好测量人员的安全教育工作，对现场火和电进行严格管理，对所用设备进行全面检查，确保设备运行良好。

（2）准备工作做好之后，根据数据采集规划，在设定的位置上摆放标靶和三脚架，三脚架要求稳固，三维激光扫描设备安放好后根据仪器基座的气泡情况进行调整。

（3）设置合适的分辨率和点云质量，同时为了避免闯入的人员、车辆对测量造成干扰，应当在扫描过程中设置禁区。

（4）对于被测区内少部分起伏较大或者离仪器距离较远的洞壁，或者前一次扫描精度设置的较低时，可以对被测物局部进行二次精细扫描，即框选标靶，实现点云精确，从而保证对洞壁起伏等较复杂区域的测绘精度。

（5）在一个站点的扫描工作完成之后，依照数据采集规划将仪器移至下一个站点，重复上述扫描过程，最终完成对整个被测物的扫描测量和数据采集。

2.2 点云数据处理

2.2.1 自动配准

点云自动初始配准可以缩小点云之间的旋转平移错位，每个点云图像在空间上都存在一个主方向，由计算点云所有点的特征向量得到，而根据特征向量又可以得到与主方向垂直的两个次方向。因而可以根据这种关系建立一个以点云中心为原点，以主方向和两个次方向为坐标轴的参考坐标系，这样，对于相似度较大的两幅点云图像，通过两个参考坐标系的旋转可以达到一致，从而缩小点云错位，达到初始配准的目的。

在完成初始配准后，对多幅点云图像进行精确点云自动配准。ICP算法是当前广泛应用的点云配准算法，但该算法计算效率不高，花费时间长，不适用于海量点云数据的自动配准。改进后的ICP算法，根据点的曲线率特征在目标点云中寻找特征点，再利用k-tree法来寻找这些特征点在参考点云中的最近点，从而达到减少配准时间，提高配准效率的作用。其详细算法流程如图1所示。

然而，改进后的ICP算法经过公司现场实测的大量点云数据进行实际检验，对点云的适应性还存在问题，采集的样本中仅有1/5的点云数据完成了自动配准拼接。该方法在理论上可行，但仍需要通过大量的实验，逐步完善算法，目前还无法在工程中有效应用。

2.2.2 配准拼接

所谓点云配准或者拼接，是指三维扫描测量过程中，每次扫描得到的数据都是在当前测量站点为原点在仪器内部所建立的独立坐标系，为了获得完整的测量信息，需要从不同的站点进行扫描，特殊地形的部位后期还会进行部位再次精准扫描。因而所得到的数据需要通过三个及三个以上的同名靶标作为公共控制点对坐标进行统一。点云配准拼接包括两部分，即标靶中心提取和点云拼接。

标靶中心提取：打开单站点云数据，在点云处理界面上对标靶进行识别和标定，并给每个标靶进行编号，提取标靶的几何中心。在对标靶进行编号时，相同靶标在不同的测量站点坐标系中的标号要保持一致，以便确保拼接的准确性。

点云拼接：在扫描测量过程中，往往得到的只是被测物单侧面的点云数据，为了从多方位来测量被探测物，获得其完整的点云数据，需要将多个点云数据根据标靶的编号等进行拼接，不同站点所测得的同一标靶标号一样，因而拼接后同一标号的坐标点为同一点，拼接后则可以获得多方位立体的点云数据信息。

3 洞库容积的计算

对储油洞库总容积的计算，需要先获得洞库容积与洞库高度之间的关系，这个可以从异形单元体积在高度方向上的积分得到。例如，人工挖掘的典型储油洞库，按照国际标准的要求，洞库的水平面应近似矩形，纵部剖面是直墙圆拱式的断面。从积分的思想出发，可以将洞库分割为若干个小棱台，小棱台的横截面积采用三角形面积计算方法获得，则储油洞库的容积为若干个小棱台体积的叠加。

首先将切片点云投影至XOY平面，进行平差排重，确定边界点云的重心坐标；计算剖面中各点到重心的极坐标角度并按照方位角度对点云进行排序；然后对有序点云进行滤波、精简。相邻两点与重心组成一个三角形，计算该三角形面积，最后将所有三角形面积累加得到横剖面面积。根据棱台上下表面面积和棱台高度计算小棱台体积，将所有小棱柱体积叠加得到总体积。

4 结语

该文主要论述了采用先进的三维激光扫描技术进行洞库勘测、容积计量的基本方法和作业程序。并根据实际检验，对数据采集、点云预处理、容积计算方法进行了试验验证。得到的基本结论是上述方法比现行的计量方法简单、高效、成本低廉，且计量精度能够达到设计要求。经过进一步的积累、完善必将带来巨大的社会效益和经济效益。

参考文献

[1] 张启福，孙现申.三维激光扫描仪测量方法与前景展望[J].北京测绘，2011（1）：39-42

[2] 邢保振，吴雨.三维激光扫描仪在煤矿安全生产中的应用综述[J].中国安全生产科学技术，2013（2）：135-139.