點云數據在海上平臺設備三維數字化重建中的應用

劉 崢，吳 巍，高 陽

（中海油能源發展裝備技術有限公司設計研發中心，天津 300452）

0 引言

海上油氣田作為離岸設施，在生產運營過程中存在現場支援成本高、運維時效較低、海上與陸地方案溝通困難、數據傳輸通道有限、原工程模型完整性不足等問題，對三維數字引擎提出了特殊的要求。為有效克服傳統數據采集方式的弊端，本文創新性的將三維激光掃描與無人機航拍技術相互融合，并以此為基礎開展了海上平臺三維數字化重建的應用研究。

1 無人機技術與三維激光掃描數據采集技術

對客觀物體的描述通常包含有外形、紋理等信息，對于其空間信息的表達主要包括圖像、點云兩種模式[1]。由于二維圖像信息無法進行多角度分析，因此人們對三維空間信息有著迫切的需求。無人機航拍以及三維激光掃描是獲取空間數據的主要手段，是三維數字建模的重要基礎，也是高精度空間數據模擬的重要方式。

1.1 無人機航拍數據采集技術

無人機航拍技術能夠快速獲取高分辨率的影像數據，具有輕便靈活、響應快速等優勢。通過搭載高精度的傳感器可以實時精確獲取高分辨率的影像數據，確保數據建模的精度。從成本上來看，無人機耗費少，其控制系統可以按照既定航線自動采集數據，能夠確保采集人員的人身安全。

根據無人機飛行原理和動力系統的差異，可以將其劃分為固定翼無人機、旋翼無人機以及撲翼式無人機，不同搭載平臺各有優勢，在實際中需要根據實際情況選擇合適的無人機。航測系統是無人機采集的核心，由飛控系統及地控系統兩部分組成。其中，飛行控制系統包括GPS、傳感器、中央處理器等，能夠對預設采集參數做出快速響應；地面控制系統能夠進行航線規劃，并實時監測飛行狀態和任務進程。

在外業數據采集過程中，需要根據規范布設一定數量的控制點，這直接關系著后續成圖建模的精度。根據精度的不同，其布設方案分為全域布點以及局部布點兩大類，前者精度較高但是作業量大，多用于地形條件理想且測區范圍小的情況。目前常用的布點方案有基于航帶的布點方式以及區域網布點方法。隨著GPS快速動態單點精度的提升，其被越來越多的應用到攝影測量像控點的聯測中，實際應用顯示該方法的精度和效率較高。影像數據處理主要包括工程建立、空中三角測量、點云編輯等，在處理前重點檢查航線拼接效果，以及是否存在坐標參數問題等?？罩腥菧y量可以在不接觸測量目標的前提下對平臺設備進行測定，能夠獲取精度分布均勻的測量結果?？罩腥菧y量后，加密點云自動生成DTM（Digital Terrain Model，數字地面模型）。

1.2 三維激光掃描數據采集技術

為滿足海上平臺三維建模的精度要求，采用三維激光掃描技術對視角范圍內的空間曲面進行采集，經處理后可以獲取平臺區域完整的空間信息。與GPS、全站儀等設備相比，三維激光掃描儀每秒可以獲取數萬個點數據，采集效率更高。三維激光掃描是無接觸式的數據采集方式，不受測量空間的束縛，適合平臺危險區域、條件復雜場所的數據采集，能夠保障測量人員的人設安全。除此以外，該采集方式能夠高效地獲取設備細節信息，比如材料、紋理等，點云數據經拼接處理后可隨意分割[2]。

三維激光掃描系統將點激光投射到三維空間，通過計算軸心到空間某點的距離，使得激光源旋轉并得到平臺設備目標表面的線激光，進而計算得到垂直、水平方向的掃描角度和距離信息。

2 點云數據處理及三維重建技術

2.1 點云數據處理

無人機航拍和三維激光掃描采集獲取的信息數量龐大，且較多為冗余信息，為提升三維建模的精度和效率，需要進行點云精簡、分類、降噪等處理工作。此外，兩種采集方式獲取的數據采用了不同的坐標系，需要將兩者數據坐標系統一，方便數據的整體利用[3]。

（1）點云數據噪聲去除。數據采集過程中，受平臺設備運行以及儀器振動等因素的影響，使測量數據存在噪聲。點云數據噪聲的存在，會影響平臺設備信息的提取，進而對平臺三維模型的構建產生負面影響，并可能造成模型表面粗糙。雙邊濾波算法是將三維數據降維到二維平面，即將原始數據向參考平面做正射投影，并將投影點間的歐式距離定義為灰度值。將投影點定義為像素值，對二維影像數據進行雙邊濾波，通過迭代降噪獲取目標數據。但雙邊濾波降噪方式容易將設備形狀的復雜細節部分變得平滑，影響設備的真實特征。

應用魯棒降噪算法可以去除點云數據中的小尺度噪點，該算法以搜尋到的局部極大值為聚類中心，以此為基礎，對海量數據進行聚類分析。對比傳統的降噪方法，魯棒降噪算法能夠更好地獲取海上平臺設備原始模型的數據，通過選擇合適的閾值去除噪聲信息。在聚類過程中，多選擇內在收斂性較好的Mean-Shift 算法，將點云數據中的局部最大似然值歸為同一類，并進行局部濾波。對于離散點云數據，多采用拉普拉斯算法進行降噪，該方法能夠將高頻噪聲數據進行擴散處理，具有各向同性、速度快等優勢，但是在處理過程中會導致有效數據向密集處偏移，導致平臺設備模型表面變形。針對該方面的弊端，可以采用基于平均曲率的網格模型降噪方法，即沿著法向、切向兩個方向對頂點信息進行調整，進而有效規避模型表面的變形。

降噪過程中，應重點關注以下3 點：①保證平臺設備模型表面不變形；②預處理點與所選鄰域點相同，噪聲去除效率高；③魯棒性好，確保數據降噪后不會產生二次噪聲。采集到的數據進行兩次魯棒降噪后，噪聲得到了有效剔除，平臺設備的細節特征也得到了較好的保留。

（2）點云數據冗余信息去除。實際應用中點云數據量數以億計，基于該數據規模開展平臺設備三維模型重建，將會給計算機軟、硬件帶來極大的負擔[4-5]。為此，在滿足平臺設備模型重建幾何特征的前提下，對冗余數據進行精簡處理，盡可能地用最小的采樣點、最大程度地展示海上平臺設備的幾何結構特征。

當前常用的精簡方法有包圍盒法、基于曲率的精簡法、隨機采樣法等。包圍盒法以目標點云數據為中心構建最小外接立方體，對大立方體進行分割，該方法對于平臺設備表面相對簡單且變化均勻的模型具有較好的精簡效果。對于表面結構復雜的平臺設備模型需要應用基于曲率的精簡法，該方法針對單點構建鄰域并進行曲面擬合，依據曲面方程計算曲率并進行點云精簡。隨機采樣法則是構建隨機函數，并將計算出的采樣點從點云數據中刪除，直至滿足最終的精簡率。當面對數據量較大的情況時，該方法精簡后的數據難以準確體現平臺設備表面的細節特征，導致設備三維建模精度不夠。

考慮到海上平臺設備的復雜性，將研究區域劃分為曲率無明顯變化區域、變化較小區域以及變化較大區域三部分，其中對于曲無明顯變化的平臺區域選擇隨機采樣法，對于變化較小的平臺區域選擇包圍盒法，而曲率變化較大的區域則應用基于曲率的精簡法。以曲率變化較小的區域為例，基于包圍盒法設置空間距離為5 cm，將點云從15 223 個精簡至7805 個，精簡后擬合的三角網無顯著變化，可以看出該方法在達到精簡數據量的同時，最大程度上保留了平臺設備的原始表面特征。

（3）點云數據拼接。對于不同采集方式獲取的點云數據，源于不同的傳感器，這些數據能夠從不同的角度表征設備的表面特征。無人機航拍和三維激光掃描兩種數據采集方法優勢互補，二者融合應用能夠高精度的獲取平臺設備整體以及細節信息。無人機航拍采集方式對應像控點坐標系，三維激光掃描儀對應基準站坐標系。為保證后續三維模型重建的效率，在采集過程中利用基準站配準方法將激光掃描數據轉移到整個工區的坐標系，實現坐標系的統一，完成多源點云數據拼接操作。

2.2 三維模型重建

平臺設備三維模型重建時，特征點識別與重建與點云數據分析密切相關。為此，需要對降噪、精簡、拼接后的數據進行分類，以提升三維模型重建的效率和自動化程度。通過定義起始點和鄰域大小的方式，擬合曲面將平臺地面點數據從中分離，其余的數據點集合為平臺設備面點。

對于平臺大范圍場景的模型重建來說，利用無人機航拍獲取的點云數據構建三角網，使其盡可能接近平臺整體模型的表面，在此基礎上對三維激光掃描儀獲取的數據進行提取，獲得平臺設備的外形輪廓，通過精細編輯獲取設備的線框模型并封裝成面。對整體模型的三維重建來說，需要將不規則的離散點云數據進行規則化處理。目前常用擬合三角網的方式實現三維模型的精確表達。為了避免點云數據封裝模型中包含錯誤信息，需要將三角網格轉換為多邊形。

對于海上平臺設備設施來說，其重建方式包括自下而上的數據搭建以及自上而下的模型搭建兩種。其中前者多為傳感器采集的點云數據，通常情況下通過精細編輯可構建最終的設備三維模型；后者則是以預先設計的平臺整體基本單元為基礎，利用采集到的點云數據實現與設備模型的最優匹配，最終完成建筑物的重建。與模型搭建方法相比，基于數據的重建方法對于點云數據質量的依賴性較高，如果有效數據缺失較多，則難以提取高質量的特征線，進而影響建模的進程。為此，本次研究將兩種建模方式相結合，通過優勢互補提升了平臺設備三維模型的建模精度?；诙嘣雌唇犹幚淼狞c云數據構建完整的平臺設備表面信息，通過對平臺設備進行特征提取，并導入3ds max 進行模型仿真，對于特征細節提取效果不佳的部分可采用模型搭建的方式對局部細節進行重構，應用外業采集的照片進行校正勻色和紋理貼圖，最終得到理想的三維模型。以渤海油田為例，基于點云數據處理及三維重建的海上平臺設施設備數字化仿真效果如圖1 所示。

圖1 海上平臺三維重建仿真效果

3 結束語

在海上油田數字化建設的過程中，為了提升平臺設備三維建模的精度，本文利用無人機航拍以及三維激光掃描等方式獲取點云數據，對數據進行降噪、精簡、合并，并結合大場景三維重建的方法，實現了海上平臺設備的三維構建，有效提升了建模工作的效率和精度。