三维激光扫描技术在工厂改造工程中的应用研究

汪建忠

（杭州长安民生物流有限公司 浙江 杭州 310000）

0 引言

面对日益激烈的市场竞争和技术进步的压力，工厂改造成为提升产能、提高效率、降低成本、适应市场需求的关键举措。工厂改造离不开准确的基础数据，包括建筑物的尺寸、地形地貌、设备布局、管线走向等，这些数据是进行工程规划、设计和施工的基础。因此，工程测量工作在其中是不可或缺的，其可以确保改造工程的准确性和可行性，避免后续工作中的误差和问题。而传统测量手段通常依赖于人工单点测量，存在测量精度低、工作效率低、人力成本高等问题。此外，复杂的工厂环境和设备布局可能导致测量难度增加，尤其是在需要准确测量的大规模工厂改造项目中，传统测量手段可能无法满足精确度和效率的要求［1－2］。

随着激光扫描技术的不断应用和推广，成为一种新的测量技术手段逐渐在工厂改造设计等行业中得到应用，该技术可以提高测量精度、效率，并提供更全面的数据成果，从而解决传统测量手段所面临的痛点。因此，本文主要探讨三维激光扫描技术在工厂改造工程中的应用。首先，介绍了三维激光扫描技术的原理和特点；然后以实际工程为例，详细分析了三维激光扫描技术在工厂改造工程中的应用方法和流程，包括现场扫描数据的采集、点云数据的处理和分析、重要信息标注以及管道三维模型的生成和可视化等，验证三维激光扫描技术在工厂改造工程中的应用效果；最后，讨论三维激光扫描技术在工厂改造工程中的优势和局限性，并展望了未来的发展趋势［3］。

1 相关理论基础

1.1 三维激光扫描技术

三维激光扫描系统坐标原点位于扫描仪的相位中心，X轴与横向扫描面平行，Y轴与横向扫描面垂直，Z轴与横向扫描面垂直。首先，发射器发出一个激光脉冲信号，内部控制系统使反射镜旋转，将激光脉冲引导到物体表面，激光脉冲经过物体表面的漫反射后，沿着几乎相同的路径返回到接收器。内部计算系统通过测量脉冲发出和接收的时间差，计算出目标点到相位中心的距离S，并记录了扫描仪在水平和竖直方向上的旋转角度α和θ，最后通过坐标正算和校正获得P点坐标，其相关原理如图1所示［4－5］。

图1 三维激光扫描测量点坐标原理

传统三维激光扫描仪在外业过程中需要调平，摆放标靶，内业处理需要进行配准等操作，这些都需要具备一定的测绘专业知识，让非测绘专业人士在使用时遇到一些门槛。基于以上原因，本文主要应用Trimble X7 激光扫描仪。在实际工程中，该设备具备自动校准、自动调平、自动获取高分辨率全景照片、外业现场自动配准等智能化的功能，以上操作仅需一键即可自动完成，方便外业技术人员轻松使用并获取专业成果。

1.2 管道点云拟合建模

管道点云拟合建模是指利用激光扫描技术获取的管道点云数据，通过拟合算法，将离散的点云数据拟合成平滑的管道曲线或曲面模型，从而实现对管道的几何特征进行描述和分析。

①最小二乘法（least squares method）：最小二乘法是一种常用的曲线拟合算法，通过最小化点到曲线的距离平方和来确定最佳拟合曲线。该方法适用于拟合简单的曲线，如直线、圆弧等。②B 样条曲线（B-spline curve）：B 样条曲线是一种基于控制点和节点向量的曲线拟合算法。通过调整控制点的位置和节点向量的分布，可以得到灵活且光滑的曲线拟合结果。B 样条曲线适用于拟合复杂的曲线形状。③NURBS 曲线（non-uniform rational b-spline curve）：NURBS 曲线是一种基于有理函数的曲线拟合算法。它在B 样条曲线的基础上引入了权重因子，可以更精确地控制曲线的形状。NURBS 曲线适用于拟合具有复杂几何形状和曲率变化的管道。在实际应用中，选择合适的算法取决于管道的几何形状、曲率变化、拟合精度要求等因素。有时也可以结合多种算法进行组合拟合，以获得更好的拟合效果。此外，还可以根据实际情况对算法进行优化和改进，以提高拟合效率和准确性。

2 三维激光扫描技术应用——以某氟化工厂改造为例

2.1 测区概况

实验测区位于H 市某氟化工厂，总占地面积约800 m2，该工厂需要进行工艺优化，通过引入新的生产工艺和技术，改进生产过程，减少生产周期和成本，提高产品质量。在改造前，需要了解现有设备空间信息，并虚拟数字化对现有设备的位置、数量和布局进行重新规划。因此，项目应用三维激光扫描技术进行外业测量，测区数据采集实况如图2 所示。

图2 外业数据采集实况

2.2 外业数据采集及点云数据预处理

实验外业数据采集应用的是Trimble X7 激光扫描仪，在采集区域内，按照“远－近”交错设站方式进行测站布设，获取点云数据。在易遮挡区域，通常需要在不同位置和角度进行多次扫描，以获取全面的点云数据，见图3。

图3 配准好的点云数据

另外，通过集成到T10 平板电脑中的Perspective 外业软件，可在外业数据采集中即时操作、管理、查看和验证扫描数据，并能够进行自动校准，以保证每次扫描的准确性并减少或免除停工送检，整个过程自动配准、优化和报告，待数据无误后换站扫描。同时X7 集成激光指示功能，可以对控制点精确测量并现场进行地理坐标转换。

2.3 点云数据注记

外业完成后，点云数据可以通过Perspective 外业软件直接输出.E57、.LAS 或.RCP 等通用格式，也可输出.TDX格式导入到点云数据软件中。一方面，测量技术人员可以边扫描，边根据现场实况对现场关键点位添加图片和文字注释，以采集到更全面的信息；另一方面，内业利用点云软件，对数据进行加工处理，如添加注释和点云建模等，帮助设计人员更好地利用数据。如图4 所示，利用注释功能将重要的管道进行ID 注释，让设计人员进行快速定位。

图4 重要管道ID 标注

2.4 管道模型构建

工厂管道建模可以准确了解管道的位置、走向和尺寸，帮助规划工厂内的空间布局，有助于确定设备的位置、管道的走向以及其他设施的布置，以最大程度地优化工厂的运作效率。

Trimble X7 激光扫描仪配套软件中提供建模功能，可以对管道进行自动化的建模。使用自动管道功能可以对单根管道进行自动追踪建模，如图5 所示，将重要的管道进行建模，模型可以输出通用格式导入到设计软件中［6－7］。

图5 重要管道建模

预处理后的点云数据拟合建模使用的软件是Trimble Realworks，该软件中的Easy Pipe 模块工具较好地集成了B 样条曲线算法。由于管道间相互遮挡较为严重，因此针对管道点云数据是否完整进行分类处理：如果管道点云数据不完整或存在遮挡等问题，可以结合现有的二维资料，如照片、视频等参考资料，进行管道模型的重建。通过观察照片和视频中的管道形状和结构特征，结合已有的点云数据，可以进行管道模型的拟合建模。部分管道建模效果如图5 所示。

对于部分管道点云数据较为完整的区域，首先，利用Easy Pipe 工具或其他拟合工具对这些区域进行管道模型的拟合。其次，使用模型修改工具，根据已有的拟合模型，对模型进行拉伸、延长和修改，以填补缺失的部分。再次，可以复制已建好的同管径的管线模型，并通过平移、旋转等操作将其移动到相应的位置，以构建完整的管道模型。最后，对于管道上的其他附属结构，如阀门和关键部件，可以使用其他三维建模软件进行重建并将其导入到管道模型中进行合并。构建好的管道模型三维场景如图6 所示。

图6 管道模型三维场景

3 优势分析

为比较三维激光扫描技术在工厂改造中的应用优势，相同测区实验中也应用全站仪（传统测量方式）进行测量，并分别对内外业数据进行了统计和分析。两种测量手段对比如表1 所示［8－11］。

表1 三维激光扫描法与传统测量方式对比

通过表1 可以看出，在效率和成本上，传统的测量方式都是依靠测量员逐点观测，经过整理计算后才能获得数据和相关图件，耗费时间长且人工成本高。而利用三维激光扫描技术能够快速采集目标区域坐标数据，内外业综合效率约是传统方法的2 ～3 倍，具有更高的效率和更丰富的信息获取能力。

4 结语

综上所述，三维激光扫描技术在设备布局规划方面的应用，能够快速获取工厂内部的设备位置和布局信息，帮助工程师进行合理的设备调整和优化。通过优化设备布局，可以提高生产线的效率和流程，减少物料搬运距离和时间，从而提高生产能力和降低成本。随着技术的不断进步和应用的深入，相信三维激光扫描技术将在工厂改造中发挥越来越重要的作用，为工业界带来更大的变革和突破。