地面三维激光扫描与无人机倾斜摄影协同重构危险化学品罐区三维场景

贾虎军 王立娟 范冬丽 唐尧 靳晓

摘      要： 开展危险化学品储罐区泄露三维场景扩散模拟，对储罐区精准精细管控、制定应急救援预案、科学规划企业布局具有现实意义。储罐区三维场景能更好地解释气云流场中的细节问题，能精准分析事故后果。因此，研究危险化学品储罐区高精度、精细化三维空间信息采集和快速三维建模技术已是亟须解决的重要问题。系统性研究了利用地面三维激光扫描和无人机倾斜摄影技术获取危险化学品储罐区三维点云数据的采集、处理与协同技术以及储罐区快速三维建模方法，研究建立了储罐区三维信息空地协同采集和三维场景快速重构方案。经在某化工集团有限公司一级重大危险源液氨储存区实例应用，证明该方案可复制、工程化应用，具有较好的推广应用价值。

关  键  词：地面三维激光扫描;无人机倾斜摄影;三维场景重构;危险化学品罐区

中图分类号：TQ019         文献标识码： A        文章编号： 1671-0460（2020）11-2611-04

3D Scene Reconstruction of Hazardous Chemical Storage Area Based on Terrestrial 3D Laser Scanning Combining With UAV

JIA Hu-jun1，2，3，WANG Li-juan1，2，3，FAN Dong-li1，2，3，TANG Yao1，2，3，JIN Xiao1，2，3

（1. Sichuan Academy of Safety Science and Technology， Chengdu 610045， China;

2. Major Hazard Measurement and Control Technology Key Laboratory of Sichuan Province， Chengdu 610045， China;

3. Sichuan Anxin Kechuang Technology Co.， Ltd.， Chengdu 610045， China）

Abstract： Carrying out three-dimensional scene diffusion simulation of leakage of dangerous chemical storage tanks has practical significance for precise and precise control of storage tanks， formulation of emergency rescue plans， and scientific planning of enterprise layout. The three-dimensional scene simulation of the tank area can better explain the details of the gas cloud flow field and accurately analyze the consequences of the accident.Therefore， the research on high-precision refined three-dimensional spatial information acquisition technology and fast three-dimensional modeling technology for hazardous chemical storage tank areas has become an important issue that needs to be solved. In this paper， the acquisition of dangerous chemicals tank 3D point cloud data by using terrestrial laser scanning and micro UAV tilt photography was studied， including data collection， data processing， collaborative and fast 3D modeling. At the same time，3D information space-ground collaborative acquisition and 3D scene rapid reconstruction scheme for dangerous chemicalstorage tank area was established.An application example in a liquid ammonia storage area of a chemical group Co.， Ltd. has proved that the scheme can be replicated and has good application value.

Key words： Terrestrial laser scanning; UAV tilt photography; 3D scene reconstruction; Hazardous chemical tank

我國危险化学品较大事故多发势头仍未得到有效遏制，危险化学品管理现状依然严峻复杂[1]。2010年“7·16”输油管道爆炸火灾、2013年“6·2”中石油大连石化公司三苯罐区爆炸火灾、2014年“6·9”中石化扬子石化公司酸性水储罐爆燃、2015年“8·12”天津港瑞海公司危险品仓库发生特别重大火灾爆炸等事故造成了重大社会影响。危险学品储罐数量大、种类多，大多易燃易爆、有毒有害，一旦发生事故，极易给人民生命财产安全等造成严重危害或威胁[2-3]。开展危险化学品泄漏扩散模拟，对危险化学品罐区精准精细管控、制定应急救援预案、科学规划危险化学品企业布局具有现实意义[4-6]。已有研究表明储罐区三维场景能更好地解释气云流场中的细节问题[7-8]，能更加科学地分析事故后果。因此，研究危险化学品储罐区高精度三维空间信息采集和快速三维建模技术已是亟须解决的关键问题。

三维激光扫描技术具有数据采集效率快、精度高、非接触等技术优势，能够直接获取危险化学品储罐表面的三维坐标数据。无人机倾斜摄影可以采集危险化学品储罐顶部和周边大面积的地形地貌数据，协同三维激光扫描仪采集的危险化学品储罐外部立面数据，可发挥各项技术优势，快速完成储罐区的三维场景重构[9-10]。本文系统性研究了三维激光扫描和无人机倾斜摄影技术在危险化学品储罐区三维空间数据采集、数据处理、三维建模、场景重构等方面的关键技术。

1  三维场景重构方法

1.1  三维激光扫描技术

激光是受激辐射光放大产生的一种强光束，它具有定向发光、亮度极高、颜色极纯及能量极大等特性。随着相关技术的迅猛发展，激光测量已经从单点测量发展到三维立体测量领域[11]。三维激光扫描仪是发射器发出一个激光脉冲信号，由物体表面漫反射后，沿着相同的路径反向传回到接收器，可以计算目标点P与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β[12]。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X軸垂直，Z轴与横向扫描面垂直，获得P的坐标[13]，见图1所示。三维激光扫描数据处理主要流程包括点云过滤、点云拼接等。

1.2  无人机倾斜摄影技术

无人机倾斜摄影在飞行过程中相机采集具有一定重叠度的影像，采用计算机视觉技术对数万个特征点进行确认并匹配，以摄影测量原理提取几何特征计算相机的位置、方位和畸变参数，生成精确的三维模型。轻型无人机具有起降灵活、低空飞行、分辨率高、高效精准、实时性强等特点[14]。随着无人机影像处理技术的发展，通过无人机序列影像获取区域性三维空间数据变得越来越快捷。无人机倾斜摄影主要流程包括相机标定原理、航线规划、控制点布设、实施飞行、数据预处理、空三加密、产品生成等步骤。

1.3  数据协同关键技术

以三维激光扫描点云为基础，获取储罐区外立面可视物的三维点云数据，以轻型无人机倾斜摄影获得的影像为辅助，获取储罐区顶部和周边点云数据，利用同名靶标将两者数据转换到统一坐标系，构成空地协同的储罐区三维点云数据采集技术方案，并以三维建模软件为工具进行三维场景重构，技术流程如图2所示。

1.3.1  建立统一的坐标系

1）首级控制点布设。为了保证控制测量准确性和精度，在危险化学品储罐区周边用全站仪布设4个控制点，作为三维激光扫描和无人机倾斜摄影的首级控制点。

2）靶标布设。为了能够将地面三维激光扫描和无人机倾斜摄影三维点云数据进行集成，在储罐区内统一布设靶标，并用无棱镜全站仪测量标靶的坐标。标靶的布设要均匀地分布在测区内，在储罐表面应加密布设靶标，且标靶不应在同一条线或是同一个高度。

1.3.2  三维激光扫描

三维激光扫描仪能够快速、有效、非接触采集危险化学品储罐外部立面和周边大面积地形地物的三维信息数据。但由于危险化学品储罐结构复杂，存在遮挡问题，三维激光点云数据采集时需要分站式扫描。同时，为了保证数据的拼接质量，需要两两测站之间存在4个以上的同名点靶标[10]。为了尽可能地减少数据漏洞，应多设站进行扫描，多站点云数据拼接可得到储罐完整的数据[15]。

1.3.3  无人机倾斜摄影

无人机倾斜摄影可有效获取储罐顶部、罐区地形地貌三维点云数据。为了精准构建储罐三维模型，无人机云台应设定相机以45°角绕储罐飞行一圈。减小相机倾角且增加飞行高度，继续绕储罐飞行获取倾斜图像，如图3所示。同时，根据储罐大小以及与无人机间的距离，相隔5°～10°获取一个照片，以保证倾斜图像的重叠率。为了保证能够计算匹配特征点，在最高和最低飞行高度获取影像的地面空间分辨率不能大于2倍，即最高飞行高度不应大于最低飞行高度的2倍，如公式1、公式2、公式3。

GSD1"≤" 2×GSD2 ;            （1）

（Sw×H1×100）/（Fr×lw）） "≤"  （Sw×H2×100）/（Fr×lw）） ;     （2）

H1"≤" H2 。               （3）

式中： GSD —地面空间分辨率，cm/像元;

Sw —像幅宽度，mm;

H —航高，m;

Fr —相机焦距，mm;

lw —像片宽度，mm。

1.3.4  三维场景重构方法

根据三维建模软件特性，对扫描点云进行分析，按属性类型模块化建模，重构三维场景。基于AutoCAD Plant 3D软件的等级库和元件库对罐体、管道进行快速三维建模。利用Autodesk Revit软件开展罐区防火堤等建筑进行三维建模。以无人机倾斜摄影三维模型为底图，在3D Studio Max软件中三维模型集成、渲染、着色，完成危险化学品罐区三维场景重构。

2  实例应用分析

2.1  研究区概况

本次实验区是某化工集团有限公司一级重大危险源液氨储存区，为400 m3的球罐。

2.2  液氨储存区三维场景重构

2.2.1  三维点云数据采集

1）三维激光扫描数据采集。本次试验所采用的三维激光扫描仪为德国Zoller + Frohlich IMAGER 5010C，测距是相位法，测程183.7 m，视场角360°×310°，精度3 mm·（20 m） -1，扫描速度101万点·s-1。三维激光扫描仪共设13站，有效靶标30个。扫描仪距靶标在20 m以内，每一站扫描不少于5个有效靶标。扫描站点数据拼接最大单点误差为8 mm，能够满足危险化学品储罐三维建模的精度要求。

2）无人机倾斜摄影数据采集。本次试验采用的无人机为DJI Phantom 3 Advanced，影像传感器总像素1 276万，照片最大分辨率4 000×3 000，云台俯仰-90°～ +30°。无人机在10、15、20 m三个航高，相机倾角45°、40°、35°，共获取液氨罐体274张厘米级高分辨率影像，生成点云数据平均点间距为1 cm。同时，在80 m航高，获取110张图像，生成液氨储存区无人机倾斜三维模型。

3）三维点云数据整合。利用Autodesk ReCap软件，整合地面三维激光扫描和无人机倾斜摄影罐区三维点云数据如图4所示。

2.2.2  三维场景重构

将液氨罐区点云数据导入AutoCAD Plant 3D软件，结合其等级库和元件库构建罐体、管道、法兰等的三维建模，并利用Autodesk Revit软件对罐体周边防火墙等建筑进行三维建模，三维模型如图5所示。

3  结 论

本文研究了三维激光扫描技术获取危险化学品罐体立面信息，无人机倾斜摄影技术获取储罐顶部和罐区地形地貌信息，协同快速完成三维场景重构的空地一体化三维点云数据采集技术体系。从技术原理、数据采集方法、三维建模方法等多个方面系统性地展开了研究。并在某化工集团有限公司一级重大危险源液氨储存区开展了试验研究，建立了一台球罐的三维模型，构建了罐区三维场景，其数据能够为储罐泄漏事故仿真模拟，科学、准确地评估事故可能影响范围，同时为消防虚拟仿真训练等提供数据支撑。

参考文献：

[1]刘美玲，石琛，齐菲.危险化学品的安全管理[J].当代化工，2014，43（12）：188-189.

[2]國家安全监管总局.国家安全监管总局关于进一步加强化学品罐区安全管理的通知安监总管三〔2014〕68号[J].劳动保护，2014（9）：13-14.

[3]王晓雨，赵斌.危险化学品的风险管理发展现状以及趋势[J].当代化工，2015，44（12）：2839-2841.

[4]周宁，潘东，冷明，等.油库罐区危险化学品的泄漏扩散实验[J].油气储运，2012，31（4）：263-266.

[5]沈国光.重大危险源评价法在环氧乙烷罐区火灾爆炸危险性分析中的应用[J].中国安全生产科学技术，2012（S2）：57-62.

[6]齐福强，赵云胜，何华刚，等.LPG罐区火灾爆炸事故危险性分析[J].工业安全与环保，2008，34（1）：27-29.

[7]罗艾民，贾宝硖，吴昊.工厂三维建模及其事故模拟[J].中国安全科学学报，2010， 20（1）：31- 35.

[8]HANNA S R， HANSEN O R， ICHARD M， et al. CFD model simulation of dispersion from chlorine railcar releases in industrial and urban areas[J]. Atmospheric Environment ， 2009， 43（2）： 262-270.

[9]PERSAD R A， ARMENAKIS C. Co-Registration of DSMs generated by UAV and terrestrial laser scanning systems[C]. ISPRS- International Archives of the Photogram，2016.

[10]闫阳阳，李永强，王英杰，等. 三维激光点云联合无人机影像的三维场景重建研究[J].测绘通报，2016（1）：84-87.

[11]廖紫骅，蔡继鸣，封全宏，等.三维激光扫描测量技术在古建筑维修保护中的应用[J].东华理工大学学报（自然科学版），2013，36（4）：410-414.

[12]师海.三维激光扫描技术在施工隧道监测中的应用研究[D]. 北京：北京交通大学，2013.

[13]郝洪. 露天开采隐患空区激光三维探测可视化研究及其稳定性分析[D].长沙：中南大学，2012.

[14]丁佩，曹马.基于微型无人机序列影像的快速数据获取[J].测绘通报，2015（9）：137-138.

[15]NEUGIRG F， STARKA M， KAISER A， et al. Erosion processes in calanchi in the Upper Orcia Valley， Southern Tuscany， Italy based on multitemporal high-resolution terrestrial LiDAR andUAV surveys[J]. Geomorphology， 2016， 269： 8-22.