三維化工園區(qū)建立方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三維化工園區(qū)建立方法，該三維化工園區(qū)建立方法根據(jù)待掃描目標對象特征采用不同類型的三維激光掃描儀獲取其三維信息，較好的解決了掃描精度與掃描速度之間的矛盾，且本發(fā)明的三維化工園區(qū)建立方法利用標靶的WGS-84標準坐標與三維激光掃描儀測得坐標之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系方便地將三維激光掃描儀獲取的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至與最新的2000坐標系可以通用的WGS-84標準坐標系，使得獲得的最終數(shù)據(jù)可以直接用于工程、管理，同時可以和現(xiàn)行的GIS技術(shù)標準進行對接，具有較大的應用價值。
【專利說明】三維化工園區(qū)建立方法【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于建筑物的三維測繪【技術(shù)領域】，具體涉及一種三維化工園區(qū)建立方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會、經(jīng)濟的不斷進步與發(fā)展，越來越多的城市規(guī)劃建立了專門的化工園區(qū)用于集中各化工企業(yè)?；@區(qū)的建立能將一定區(qū)域范圍內(nèi)的重點化工企業(yè)進行集中安置，從而形成化工企業(yè)的集聚，有利于資源合理利用，有利于企業(yè)間優(yōu)勢的互補。
[0003]由于化工園區(qū)內(nèi)的企業(yè)多為石油、化工、能源等高危重工業(yè)企業(yè)，企業(yè)的性質(zhì)決定了園區(qū)內(nèi)必然存在為數(shù)眾多的重大危險源，對這些危險源進行科學的監(jiān)控和管理，是保證人民群眾和企業(yè)生命財產(chǎn)安全的必要措施。在傳統(tǒng)方式下，工廠設備管線等實物一般利用線條和符號等二維圖形來表達，這種表達方式不夠直觀形象，需要具有一定經(jīng)驗的專業(yè)人員才能理解其含義；不能直接反映出工廠及其內(nèi)在設備管線的所處位置及周邊環(huán)境；而且把一個實體分不同圖紙來表達，工作量大、工作效率低，易出錯且不易查出。因此，研究工廠設備三維可視化技術(shù)，以三維可視化方式直觀地展示出設備管線等的位置及相互關(guān)系有著重要意義。
[0004]石化企業(yè)中的設備錯綜復雜，管道縱橫交錯，要管理的對象在空間上密集排列，通過二維符號或線條的描述方式已顯得束手無策，而通過三維激光掃描技術(shù)可以快速、準確、便捷地獲取石化裝置的實物(設備、管網(wǎng)、框架)的三維空間信息，在石化企業(yè)具有廣闊的應用前景。
[0005]如今已有多種獲取三維信息的手段，最常見并已在實際生產(chǎn)中被廣泛采用的是利用全站儀、GPS等設備來進行測量，其優(yōu)點是精度高、成本低，但其缺點也很明顯，如作業(yè)條件受到限制——由于全站儀測量依靠棱鏡反射測點，易受到視域影響致使很多多死角觀測不到，另外在油氣田站址里面好些區(qū)域油氣管網(wǎng)較多不容許帶有金屬的棱鏡使用，有些危險區(qū)域人員也不許靠近，最終三維成果點稀疏使得精度降低；成果單一，數(shù)據(jù)量小——目前測量的CAD圖紙只能用作平面圖紙，滿足不了一些立體的管網(wǎng)設計，對一些管網(wǎng)密布區(qū)域，直徑過小的管道將不能在圖紙上顯示，給設備精確管理帶來了很大的制約；不利于后期拓展——全站儀與GPS測量的點云成果難以為GIS系統(tǒng)等預留接口，在數(shù)字化的大背景下，不利于與未 來可能米用的技術(shù)兼容。
[0006]為解決上述難題，近年來，三維激光掃描技術(shù)被逐步應用于化工企業(yè)的三維數(shù)據(jù)獲取，相較于全站儀等傳統(tǒng)測量手段，三維激光掃描儀在技術(shù)上有很多革新，如快速性、非接觸性、實時性、動態(tài)性、主動性，高密度、高精度，數(shù)字化、自動化等。其中最重要的兩點是:測量速度快；測量信息量大。三維激光掃描儀在測量速度上與傳統(tǒng)測量方式相比具有絕對的優(yōu)勢；在測量精度方面，在近距離掃描時(測量距離50m以內(nèi))，三維激光掃描儀擁有不遜于全站儀的測量精度，但在獲取點的數(shù)量上則遠遠高于傳統(tǒng)的單點測量手段，面掃獲取高密度的點云數(shù)據(jù)，帶來的是對目標物體整體三維評估、測量更為精確，而且由于不需要像常規(guī)測量手段一樣設置反射棱鏡等裝置，使得三維激光掃描儀能輕松采集不同環(huán)境中的三維坐標點，而這些數(shù)據(jù)通常是通過常規(guī)手段不能獲取或難以獲取的。掃描速度的提升，使得搜集數(shù)據(jù)所需要的時間和人數(shù)急劇減少，在某些危險作業(yè)區(qū)域，較少的作業(yè)人員和較快的掃描速度，直接減少了事故發(fā)生的概率，保障了作業(yè)人員的安全；對可能存在的重大事故隱患區(qū)域和重大危險源進行三維掃描，也利于后續(xù)的監(jiān)控與管理，確?；@區(qū)的生產(chǎn)安全。
[0007]三維激光掃描儀極大地改進了全站儀等傳統(tǒng)測量方式的缺點，被譽為測量科學的第二次技術(shù)革命，但由于其設備成本高，出現(xiàn)時間晚，目前并沒有形成一套完整、成熟的施工作業(yè)方法，現(xiàn)在普遍采用的技術(shù)手段一般采用地面測量型三維激光掃描儀進行整個園區(qū)/企業(yè)的三維數(shù)據(jù)獲取，存在不同程度的問題:
[0008](I)與全站儀相比，測量精度不高。全站儀最高能達到lmm± Ippm的測距精度,而地面測量型三維激光掃描儀只能達到3mm@50m的測距精度，不能滿足重點設備的精細測量要求；
[0009](2)測量速度依舊較慢。如今的化工園區(qū)規(guī)模越來越大，通常有幾十平方公里甚至上百平方公里的面積，在保證精度的情況下，在如此大范圍的區(qū)域內(nèi)進行三維測量需要耗費非常多的時間和精力；
[0010](3)數(shù)據(jù)拼接難度較大。由于化工園區(qū)面積較大，往往要經(jīng)過數(shù)百站的掃描才能完成所有區(qū)域的數(shù)據(jù)采集，要把不同坐標系下的各站點數(shù)據(jù)拼接，工作量大，而且不可避免的會造成配準誤差；
[0011](4)與GIS系統(tǒng)的對接存在難度。與全站儀和GPS不同，三維激光掃描儀采用自身的及其坐標系，要將最終的數(shù)據(jù)成果轉(zhuǎn)換為國家2000大地坐標系存在困難，一般只能通過手動的方式進行，影響了數(shù)據(jù)的準確性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，提供一種測量精度高、測量速度快且易于與GIS系統(tǒng)對接的三維化工園區(qū)建立方法。
[0013]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0014]一種三維化工園區(qū)建立方法，包括以下步驟:
[0015]S1、在化工園區(qū)內(nèi)布設全站儀標靶:在待測建筑物內(nèi)表面及內(nèi)部設備、管線上安置標靶或棱鏡，設布設的標靶的數(shù)量為η ；
[0016]S2、測定基準站坐標和標靶坐標:在化工園區(qū)內(nèi)選擇空間開闊的任意位置為基準站位置，并基于WGS-84標準坐標系測量基準站的坐標；基準站測定后，用全站儀測量得到每個標祀的WGS-84坐標,并將測量結(jié)果標記為{tj , i=l, 2...η ；
[0017]S3、根據(jù)待掃描目標對象特征使用不同類型的三維激光掃描儀獲取化工園區(qū)的三維數(shù)據(jù){yw}，其中，k為大于零的自然數(shù)，表示待掃描目標對象的編號，j為大于零的自然數(shù),表示所獲取三維數(shù)據(jù)的個數(shù)；
[0018]將獲取的三維數(shù)據(jù){ykj}中標靶的坐標標記為{zkh}，h=l，2…m，5≤m≤n，表示標靶的編號；
[0019]S4、坐標轉(zhuǎn)換:
[0020]S41、在全站儀測得的標靶的坐標ItJ中取坐標為IzkJ的標靶對應的坐標，并標記為{xuJ ;[0021]S42、將{zkh}與IxkJ進行配準，獲取二者間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，設:
[0022]Xkh = Rzkh+T(I)
[0023]要配準這兩個點集，目標就是要找到合適的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T使得待配準點集的歐氏距離和最小:
【權(quán)利要求】
1.一種三維化工園區(qū)建立方法，其特征在于:包括以下步驟: 51、在化工園區(qū)內(nèi)布設全站儀標靶:在待測建筑物內(nèi)表面及內(nèi)部設備、管線上安置標靶或棱鏡，設布設的標靶的數(shù)量為η ； 52、測定基準站坐標和標靶坐標:在化工園區(qū)內(nèi)選擇空間開闊的任意位置為基準站位置，并基于WGS-84標準坐標系測量基準站的坐標；基準站測定后，用全站儀測量得到每個標革巴的WGS-84坐標,并將測量結(jié)果標記為{tj，i=l, 2…η ； 53、根據(jù)待掃描目標對象特征使用不同類型的三維激光掃描儀獲取化工園區(qū)的三維數(shù)據(jù){yw}，其中，k為大于零的自然數(shù)，表示待掃描目標對象的編號，j為大于零的自然數(shù)，表示所獲取三維數(shù)據(jù)的個數(shù)； 將獲取的三維數(shù)據(jù){ykj}中標靶的坐標標記為。^，!^^…!!^^!!!^!!，表示標靶的編號； 54、坐標轉(zhuǎn)換: 541、在全站儀測得的標靶的坐標ItJ中取坐標為{zkh}的標靶對應的坐標，并標記為IW ； 542、將IzkJ與IxkJ進行配準，獲取二者間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，設: Xkh = Rzkh+T (I) 要配準這兩個點集，目標就是要找到合適的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T使得待配準點集的歐氏距離和最小:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維化工園區(qū)建立方法，其特征在于:所述S3包括以下步驟: S31、使用車載三維激光掃描系統(tǒng)掃描化工園區(qū)的三維數(shù)據(jù){yij}，并將其中的標靶的坐標記為{zlh}； S32、使用地面測量型三維激光掃描儀獲取廠房內(nèi)部的三維數(shù)據(jù){y2j}，并將其中的標靶的坐標記為{z2h}； S33、使用手持型三維激光掃描儀獲取重點設備的三維數(shù)據(jù){y3j}，并將其中的標靶的坐豐不記為{zj。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維化工園區(qū)建立方法，其特征在于:所述S31中使用車載三維激光掃描系統(tǒng)掃描化工園區(qū)三維數(shù)據(jù)時，車輛行駛為勻速行駛，車速范圍為40~50km/h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光掃描的三維化工園區(qū)建立方法，其特征在于:所述S2和S32同時進行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維化工園區(qū)建立方法，其特征在于:所述S33中使用手持型三維激光掃描儀獲取重點設備的三維數(shù)據(jù)時被測設備與三維激光掃描儀的距離為 0.5 ~5m。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的三維化工園區(qū)建立方法，其特征在于:所述S33中使用手持型三維激光掃描儀獲取重點設備的三維數(shù)據(jù)時手持三維激光掃描儀掃描頭的傾斜角度差在±40°以內(nèi)。
【文檔編號】G01C7/00GK103791887SQ201410033787
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】邢保振 申請人:成都九洲電子信息系統(tǒng)股份有限公司