地面三維激光掃描與無人機傾斜攝影協同重構危險化學品罐區三維場景

賈虎軍 王立娟 范冬麗 唐堯 靳曉

摘? ? ? 要： 開展危險化學品儲罐區泄露三維場景擴散模擬，對儲罐區精準精細管控、制定應急救援預案、科學規劃企業布局具有現實意義。儲罐區三維場景能更好地解釋氣云流場中的細節問題，能精準分析事故后果。因此，研究危險化學品儲罐區高精度、精細化三維空間信息采集和快速三維建模技術已是亟須解決的重要問題。系統性研究了利用地面三維激光掃描和無人機傾斜攝影技術獲取危險化學品儲罐區三維點云數據的采集、處理與協同技術以及儲罐區快速三維建模方法，研究建立了儲罐區三維信息空地協同采集和三維場景快速重構方案。經在某化工集團有限公司一級重大危險源液氨儲存區實例應用，證明該方案可復制、工程化應用，具有較好的推廣應用價值。

關? 鍵? 詞：地面三維激光掃描;無人機傾斜攝影;三維場景重構;危險化學品罐區

中圖分類號：TQ019? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? 文章編號： 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

我國危險化學品較大事故多發勢頭仍未得到有效遏制，危險化學品管理現狀依然嚴峻復雜[1]。2010年“7·16”輸油管道爆炸火災、2013年“6·2”中石油大連石化公司三苯罐區爆炸火災、2014年“6·9”中石化揚子石化公司酸性水儲罐爆燃、2015年“8·12”天津港瑞海公司危險品倉庫發生特別重大火災爆炸等事故造成了重大社會影響。危險學品儲罐數量大、種類多，大多易燃易爆、有毒有害，一旦發生事故，極易給人民生命財產安全等造成嚴重危害或威脅[2-3]。開展危險化學品泄漏擴散模擬，對危險化學品罐區精準精細管控、制定應急救援預案、科學規劃危險化學品企業布局具有現實意義[4-6]。已有研究表明儲罐區三維場景能更好地解釋氣云流場中的細節問題[7-8]，能更加科學地分析事故后果。因此，研究危險化學品儲罐區高精度三維空間信息采集和快速三維建模技術已是亟須解決的關鍵問題。

三維激光掃描技術具有數據采集效率快、精度高、非接觸等技術優勢，能夠直接獲取危險化學品儲罐表面的三維坐標數據。無人機傾斜攝影可以采集危險化學品儲罐頂部和周邊大面積的地形地貌數據，協同三維激光掃描儀采集的危險化學品儲罐外部立面數據，可發揮各項技術優勢，快速完成儲罐區的三維場景重構[9-10]。本文系統性研究了三維激光掃描和無人機傾斜攝影技術在危險化學品儲罐區三維空間數據采集、數據處理、三維建模、場景重構等方面的關鍵技術。

1? 三維場景重構方法

1.1? 三維激光掃描技術

激光是受激輻射光放大產生的一種強光束，它具有定向發光、亮度極高、顏色極純及能量極大等特性。隨著相關技術的迅猛發展，激光測量已經從單點測量發展到三維立體測量領域[11]。三維激光掃描儀是發射器發出一個激光脈沖信號，由物體表面漫反射后，沿著相同的路徑反向傳回到接收器，可以計算目標點P與掃描儀距離S，控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β[12]。三維激光掃描測量一般為儀器自定義坐標系。X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，獲得P的坐標[13]，見圖1所示。三維激光掃描數據處理主要流程包括點云過濾、點云拼接等。

1.2? 無人機傾斜攝影技術

無人機傾斜攝影在飛行過程中相機采集具有一定重疊度的影像，采用計算機視覺技術對數萬個特征點進行確認并匹配，以攝影測量原理提取幾何特征計算相機的位置、方位和畸變參數，生成精確的三維模型。輕型無人機具有起降靈活、低空飛行、分辨率高、高效精準、實時性強等特點[14]。隨著無人機影像處理技術的發展，通過無人機序列影像獲取區域性三維空間數據變得越來越快捷。無人機傾斜攝影主要流程包括相機標定原理、航線規劃、控制點布設、實施飛行、數據預處理、空三加密、產品生成等步驟。

1.3? 數據協同關鍵技術

以三維激光掃描點云為基礎，獲取儲罐區外立面可視物的三維點云數據，以輕型無人機傾斜攝影獲得的影像為輔助，獲取儲罐區頂部和周邊點云數據，利用同名靶標將兩者數據轉換到統一坐標系，構成空地協同的儲罐區三維點云數據采集技術方案，并以三維建模軟件為工具進行三維場景重構，技術流程如圖2所示。

1.3.1? 建立統一的坐標系

1）首級控制點布設。為了保證控制測量準確性和精度，在危險化學品儲罐區周邊用全站儀布設4個控制點，作為三維激光掃描和無人機傾斜攝影的首級控制點。

2）靶標布設。為了能夠將地面三維激光掃描和無人機傾斜攝影三維點云數據進行集成，在儲罐區內統一布設靶標，并用無棱鏡全站儀測量標靶的坐標。標靶的布設要均勻地分布在測區內，在儲罐表面應加密布設靶標，且標靶不應在同一條線或是同一個高度。

1.3.2? 三維激光掃描

三維激光掃描儀能夠快速、有效、非接觸采集危險化學品儲罐外部立面和周邊大面積地形地物的三維信息數據。但由于危險化學品儲罐結構復雜，存在遮擋問題，三維激光點云數據采集時需要分站式掃描。同時，為了保證數據的拼接質量，需要兩兩測站之間存在4個以上的同名點靶標[10]。為了盡可能地減少數據漏洞，應多設站進行掃描，多站點云數據拼接可得到儲罐完整的數據[15]。

1.3.3? 無人機傾斜攝影

無人機傾斜攝影可有效獲取儲罐頂部、罐區地形地貌三維點云數據。為了精準構建儲罐三維模型，無人機云臺應設定相機以45°角繞儲罐飛行一圈。減小相機傾角且增加飛行高度，繼續繞儲罐飛行獲取傾斜圖像，如圖3所示。同時，根據儲罐大小以及與無人機間的距離，相隔5°～10°獲取一個照片，以保證傾斜圖像的重疊率。為了保證能夠計算匹配特征點，在最高和最低飛行高度獲取影像的地面空間分辨率不能大于2倍，即最高飛行高度不應大于最低飛行高度的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 —地面空間分辨率，cm/像元;

Sw —像幅寬度，mm;

H —航高，m;

Fr —相機焦距，mm;

lw —像片寬度，mm。

1.3.4? 三維場景重構方法

根據三維建模軟件特性，對掃描點云進行分析，按屬性類型模塊化建模，重構三維場景?；贏utoCAD Plant 3D軟件的等級庫和元件庫對罐體、管道進行快速三維建模。利用Autodesk Revit軟件開展罐區防火堤等建筑進行三維建模。以無人機傾斜攝影三維模型為底圖，在3D Studio Max軟件中三維模型集成、渲染、著色，完成危險化學品罐區三維場景重構。

2? 實例應用分析

2.1? 研究區概況

本次實驗區是某化工集團有限公司一級重大危險源液氨儲存區，為400 m3的球罐。

2.2? 液氨儲存區三維場景重構

2.2.1? 三維點云數據采集

1）三維激光掃描數據采集。本次試驗所采用的三維激光掃描儀為德國Zoller + Frohlich IMAGER 5010C，測距是相位法，測程183.7 m，視場角360°×310°，精度3 mm·（20 m） -1，掃描速度101萬點·s-1。三維激光掃描儀共設13站，有效靶標30個。掃描儀距靶標在20 m以內，每一站掃描不少于5個有效靶標。掃描站點數據拼接最大單點誤差為8 mm，能夠滿足危險化學品儲罐三維建模的精度要求。

2）無人機傾斜攝影數據采集。本次試驗采用的無人機為DJI Phantom 3 Advanced，影像傳感器總像素1 276萬，照片最大分辨率4 000×3 000，云臺俯仰-90°～ +30°。無人機在10、15、20 m三個航高，相機傾角45°、40°、35°，共獲取液氨罐體274張厘米級高分辨率影像，生成點云數據平均點間距為1 cm。同時，在80 m航高，獲取110張圖像，生成液氨儲存區無人機傾斜三維模型。

3）三維點云數據整合。利用Autodesk ReCap軟件，整合地面三維激光掃描和無人機傾斜攝影罐區三維點云數據如圖4所示。

2.2.2? 三維場景重構

將液氨罐區點云數據導入AutoCAD Plant 3D軟件，結合其等級庫和元件庫構建罐體、管道、法蘭等的三維建模，并利用Autodesk Revit軟件對罐體周邊防火墻等建筑進行三維建模，三維模型如圖5所示。

3? 結 論

本文研究了三維激光掃描技術獲取危險化學品罐體立面信息，無人機傾斜攝影技術獲取儲罐頂部和罐區地形地貌信息，協同快速完成三維場景重構的空地一體化三維點云數據采集技術體系。從技術原理、數據采集方法、三維建模方法等多個方面系統性地展開了研究。并在某化工集團有限公司一級重大危險源液氨儲存區開展了試驗研究，建立了一臺球罐的三維模型，構建了罐區三維場景，其數據能夠為儲罐泄漏事故仿真模擬，科學、準確地評估事故可能影響范圍，同時為消防虛擬仿真訓練等提供數據支撐。

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