三维激光扫描技术在石油石化油田站场中的应用

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摘要

为务实推进“共享中国石油”顶层设计,实现数字化转型和智能化发展,中国石油集团围绕两化融合总体目标,紧密结合主营业务,全力建设以“岗位标准化、属地规范化、管理数字化”和“自动化生产、数字化办公、智能化管理”两个“三化”为特色的数字化油气田。

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石油石化工厂管道三维激光扫描技术应用,油田站场三维建模,数字化工厂三维扫描技术服务解决方案,为务实推进“共享中国石油”顶层设计,实现数字化转型和智能化发展,中国石油集团围绕两化融合总体目标,紧密结合主营业务,全力建设以“岗位标准化、属地规范化、管理数字化”和“自动化生产、数字化办公、智能化管理”两个“三化”为特色的数字化油气田。文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

  油气田的全面数字化在管理和建设方面有了突破性的提升。文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

  1. 运营管理方面,可以实现便捷的新员工培训和日常现状查询调查。
  2. 资产管理方面,可以实现精准的设备设计统计备份,可视化分类管理,对设备状态查询方便精准。
  3. 安全管理方面,可以轻松实现智能巡检、实时安全检查、应急预案推演、大型设备(罐体、管道等)形变检测分析等,及时、迅速、有效、直观地对事故做出应急措施。
  4. 在油田建设方面,可以实现1:1复制搬迁,改建过程中可根据三维模型辅助设计,安装阶段可实现模拟碰撞分析,让改扩建更精准便捷。

一、项目技术要求

  1. 场站设备、管线、建筑内部结构等采用2mm精度的三维激光扫描仪进行数据采集,并重构模型。贴图材质用单反相机单独采集,不低于10px/cm。模型按生产流程、功能模块划分组织结构。
  2. 场站外部场景采用倾斜摄影方式进行三维建模,分辨率≤5cm。
  3. 所有数据统一到国家2000坐标系统。

二、技术路线

  1. 根据项目要求,采取空地一体化数据采集。其中空中影像数据用大疆精灵4RTK;地面采用FARO三维激光扫描仪进行三维点云数据采集;用RTK做相控点,保证空地数据能精准结合到同一个坐标系统;纹理贴图用佳能单反相机拍摄。以先进的技术手段全面、细致的记录油田场站内部的真实现状,满足现状空间三维信息全记录的基本要求,为后续的管理、建设、维护提供重要依据。
  2. 作业流程如下:

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      三维激光扫描技术的特点就是实景复制,即将现状数据实现快速、准确地三维模型重建,保证了在建三维系统的所有数据来源于实际情况。因此避免了因为依赖设计数据,而导致管道和设备在建设施工期间的变更,以及后续的更新改造变更部分数据的不准确。从而实现信息提供的实时性和准确性。无人机倾斜建模,与三维点云数据配合,形成场站室内外、包括屋顶的全方位的信息记录。无人机倾斜摄影测量技术也可以生成建筑的真实模型,记录油田场站真是的风貌。文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

3.设备介绍文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

  • 三维激光扫描仪2台
  • 无人机摄影测量系统:大疆精灵4 RTK 1台
  • 单反相机:佳能5D Ⅱ
  • RTK:Trimble R10

三维激光扫描技术在石油石化油田站场中的应用
      FARO FocusS 350是一款具有超长扫描距离的高速三维扫描仪。FARO FocusS 350将扫描范围扩展至全新的尺寸,能够在阳光直射下扫描距离为350米的物体。文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

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      FARO FocusS 350 能够扫描距离为350米物体。只需进行次数更少的扫描,就能对远处的大型的、地形复杂的、难以靠近的建筑,地基坑道或物体完成测量,因此能够极大地提高测量速度。
其主要特征有:

• 高精度
• 高分辨率
• 高速
• 可通过内置触摸屏进行直观控制
• 尺寸小、重量轻,集成了快速充电电池,从而实现高移动性
• 逼真三维彩色扫描,通过集成的彩色照相机进行。
• 集成双轴补偿器,用于自动校平捕获的扫描数据。
• 集成 GPS 传感器,用于确定扫描仪的位置。
• 集成罗盘和高度计,用于为扫描提供方向和高度信息。

      FARO FocusS 350 的工作原理是将红外线激光束射到旋转光学镜的中心。该光学镜将使激光在围绕扫描环境垂直旋转的方向上产生偏差;之后,将周围对象的散射光反射回扫描仪。
      FARO FocusS 350 使用相位偏移技术测量距离。这意味着使用不同长度的等幅波对激光束进行调制。通过测量红外线光波的相位偏移,即可准确判断扫描仪到对象的距离。借助特殊的调制技术,HYPERMODULATIONTM 可大幅提高调制信号的信噪比。之后,通过使用角度编码器测量 FARO FocusS 350 的镜像旋转和水平旋转,计算各点的 X、 Y、 Z 坐标。会同时使用距离测量对这些角度进行编码。距离、垂直角度和水平角度组成极坐标 (δ, α, β),该坐标随后会转换为笛卡尔坐标 (x, y, z)。扫描仪可覆盖 360° x 300° 的视野。
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测距单元
可视范围: 122 - 488 kpts/sec (在614m处);976 kpts/sec(在307m处)
反射率 90% (白) 10% (黑-灰) 2% (黑)
范围 0.6-350 m 

测距噪声 10m 10m-噪声压缩 3 25m 25m-噪声压缩 3
90% 反射率 0.3mm 0.15mm 0.3mm 0.3mm
10% 反射率 0.4mm 0.2mm 0.5mm 0.25mm
2% 反射率 1.3mm 0.65mm 2mm 1mm
测量速度 (pts/sec): 122,000 / 244,000 / 488,000 / 976,000
测距误差 4 : ±1mm
测角精度 5 : 19arcsec - 竖直/水平角
3D 点位精度 6 : 10m: 2mm / 25m: 3.5mm

彩色单元
分辨率:高达一亿七千万像素,彩色
HDR: 曝光倍率 2x, 3x, 5x
视差: 同轴设计-无视差

折射单元
视野(垂直 7 /水平): 300° / 360°
步长 (垂直/水平): 0.009° (360°含40960三维像素) /0.009° (360°含40960三维像素)
垂直扫描速度: 97Hz

激光 (光发射器)
激光等级: 1级激光
波长: 1550nm
光束发散角: 0.3mrad (1/e,半角)
出射光直径: 2.12mm (1/e,半角)

数据处理和控制
数据存储: SD, SDHC™, SDXC™; 包括32GB内存卡
扫描仪控制: 通过触摸屏显示和无线局域网连接,通过移动设备访问HTML5.

接口连接
WLAN: 802.11n (150Mbit/s), 在现有的网络接入点或客户端连接.

集成传感器
双轴补偿器: 精度0.005°;范围±2° .
高度传感器: 可通过电子气压计为每次扫描添加相对于某一参考点的相对高度信息.
指南针 8 : 电子罗盘为扫描提供了一个方向.
GNSS: 集成 GPS & GLONASS.

一般技术规格
电源电压: 19V (外接电源) 14.4V (内置电池)
功耗: 15W (待机), 25W (扫描),80W (充电)
电池持续使用时间: 4.5 小时
环境温度: 5° - 40°C
扩展工作温度 : -20° - 55°C
储存温度: -10° - 60°C
IP防护等级: IP54
湿度: 无冷凝
重量(包括电池): 4.2kg
尺寸: 230 x 183 x 103mm
维护/校准: 每年一次

项目实施

一、外业数据采集
此次外业采集组由4个人组成:
三维扫描工程师2名,负责场站内外、设备、管廊等结构三维点云数据采集,保证相邻站间数据重合率≥30%。文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

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(石油场站三维扫描外业数据采集)文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

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(石油场站三维扫描外业数据采集)文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

三维激光扫描技术在石油石化油田站场中的应用(石油场站设备数据采集)文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

(石油场站无人机数据采集)文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

飞手1名,负责像控点的布设和无人机影像数据采集,飞行时间段上午11:00至下午14:00之间。
摄影师1名,负责场景、建筑、设备、管廊等纹理影像拍摄,保证对焦清晰,颜色还原度高。文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

二、内业数据处理

1.无人机倾斜建模。
2.三维激光点云数据处理。文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

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维点云建模流程文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

作业流程的具体说明:
A、对扫描得到的点云进行预处理,配准拼接,形成完整统一的点云。文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

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(石油场站整体点云数据展示)文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

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(石油场站设备点云数据展示)文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

B、对点云数据进行去噪处理,去除厂区内不需要体现的人、杂物等点云数据,以及对表面比较明显的噪点进行修整。形成整洁完整的点云数据进行后期建模应用。文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

三维激光扫描技术在石油石化油田站场中的应用(石油场站设备管线点云三维建模)文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

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C、模型构建,将点云导入相应的建模软件中,通过点云的识别建管道模型,对于特殊地方需要精细修正。不同口径、型号、用途的管道采用不同颜色图层显示,以方便工作人员区分。如图所以:文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

三维激光扫描技术在石油石化油田站场中的应用
D、数据整合,属性信息编辑添加。如图所示,在特征项里,我们可以看到当前选中这段管道的信息,被选中管道型号(管型及尺寸)为CS600,长度4.5168m,以及其他相关信息都详细的显示在里面。文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

三维激光扫描技术在石油石化油田站场中的应用E、成果提交。检查所有数据信息的,查漏补缺,保整成果的完整性和准确性。文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

三维激光扫描技术在石油石化油田站场中的应用(石油场站设备管线三维模型)文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

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(石油场站三维模型)文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

成果构成

A、高精彩色点云;(XYZ、PTS、LAS等多种可选)
B、彩色模型;(OBJ、DWF、DXF、DWG等多种格式可选)文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

技术关键点

A、高密度点云的采集:控制按需分配的采样精度和采样密度,确保空间数据完整、重点位置细致、一次采集完备;
B、点云数据的处理:按空间区域划分,实现单元数据编组的逻辑关系,达到大数据全面、小数据精准的综合目的,从而避免出现因数据大而造成的处理困难和怕数据大而造成的缺失;
C、模型的建立:根据项目需求保障建模的精细度,需对阀门、表盘、螺钉等细节独立封装模型,工作量大。
D、无人机倾斜模型和地面重构模型的整合问题,由于两种模型精度有差异,要保证模型整合完整,必须保证坐标系统的统一,且在两个模型整合时注意结合点的处理,保证模型完整。文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

项目总结

      三维扫描实景建模实现了精准、可视化、直观、方便交互查询和查看。通过三维方式展现和表达,利于交互操作,并可以直观查询,是数字油气田的核心载体,互联网+油气开采”两化融合路径,打造信息化条件下推动公司高质量发展新型能力,持续推进“两个三化”管理推动生产组织优化转型升级,掌握了数字化气田设计和建设技术,推进“油公司”模式下公司数字化转型纵深发展。
2025年初步建成、2030年全面建成智能油气田的目标即将实现!文章源自吉优赛维数字孪生建模供应商-https://www.geosv.com/3d/9329.html

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