三维激光扫描技术数字工厂解决方案
武汉海达数云技术有限公司
2016年1月
目录
一、应用背景 (2)
二、基本原理 (3)
三、推荐方案 (6)
3.1硬件方案 (6)
3.2软件方案 (7)
3.2.1点云预处理软件（HD 3LS Scene） (8)
3.2.2点云建模软件（HD PtCloud Modeling） (9)
3.2.3点云建模软件（HD City Modeling） (10)
3.2.4三维虚拟应用平台（HD MapCloud 3DVirtual） (10)
四、实施流程 (11)
4.1总体流程 (11)
4.2原始数据采集 (13)
4.3点云数据预处理 (14)
4.4厂房半自动化建模 (16)
4.5结构件自动化建模 (20)
4.6零部件自动化建模 (23)
4.7可视化管理 (25)
五、成功案例 (26)
5.1某工厂数字化建设项目 (26)
5.2某变电站数字化项目 (28)
5.3某船舶内部数字化项目 (29)
六、公司简介 (32)
一、应用背景
随着信息技术的发展，数字工厂建设的步伐越来越快，特别是三维数字工厂建设更是目前的热点，在三维数字工厂建设工程中，不但需要采集大量的三维坐标信息和属性信息，还需要进行精细化建模、几何模型数据的可量测性和精度。
需求的发展带动了技术的进步，一些相关三维技术也相继出现或在原有基础上有了长足进步，虚拟显示、数字城市、数字博物馆、数字工厂等新名词相继出现并开始进入应用阶段。这些技术都或不可缺的需要进行三维几何建模，而传统的人工测量模式已经逐渐不能胜任人们对复杂曲面物体的建模需求。随着信息化时代的发展需求，工厂的经营管理、生产运营等生产过程和日常管理逐步走进全息化管理阶段。如何以生动直观的形式展现工厂现状，并以此为基础实现更多的分析、模拟、演练和培训等功能，对我们提出挑战。可见数字化工厂的建立需要现状工厂模型作为基础数据支撑国内工厂往往建构筑物密集，很多建构筑物不但结构复杂、几何形状还不规则，若采用传统测量方式进行数据采集，不但采集效率较低，还会收到一定的测量环境条件限制。不同于传统的建模手段，三维激光扫描仪采用非接触的测量方法，直接得到真实物体表现的采样点，基点云数据，利用点云数据既可以重构出任意曲面。这种方法不受曲面复杂度影响，表面采集密度足够的话可以达到很高的重构精度，因此三维激光扫描技术及相关数据建模技术解决方案有独天得厚的优势。采用三维激光扫描技术，可快速获取详细点云数据，通过点云数据提取相关建构筑物的体型模型，极大的提高了数字化采集效率，还可以消除人工采集数据可能存在的粗差。
三维激光扫描仪应用可以改善传统的工作方式，可以建立有效的工厂车间资产管理系统，为工厂的安全、设计、改造、维护等方面提供数据基础。与传统方法相比，它既可以节省外业工作时间，缩短工期，又可以将建筑、管道等信息全部记录下来，方便后期二维出图与三维建模，从而更好的对工厂设施进行设计管理，三维激光扫描技术在工厂数字化、管道数字化的应用上有着很成熟的技术系统。因此利用三维激光扫描技术得到的点云数据建设三维数字工厂数据是目前最优的解决方案。
图1 复杂的工厂结构
二、基本原理
三维激光扫描系统是继GPS (GlobalPosition System)技术以来测绘领域的又一次技术革命。三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，又称为“实景复制技术”，是继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新，将使测绘数据的获取方法、服务能力与水平、数据处理方法等进入新的发展阶段。传统的大地测量方法，如三角测量方法，GPS测量都是基于点的测量，而三维激光扫描是基于面的数据采集方式。三维激光扫描获得的原始数据为点云数据。点云数据是大量扫描离散点的结合。三维激光扫描的主要特点是实时性、主动性、适应性好。三维激光扫描数据经过简单的处理就可以直接使用，无需复杂的费时费力的数据后处理；且无需和被测物体接触，可
以在很多复杂环境下应用；并且可以和GPS等集合起来实现更强、更多的应用。
图2 三维激光扫描仪组成
无论扫描仪的类型如何，三维激光扫描仪的构造原理都是相似的。三维激光扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，那么则可以求得每一个扫描点的三维坐标。
点云坐标测量原理如下图所示。被测点云的三维坐标在三维激光扫描仪确定的左手坐标系中定义,XY面为横向扫描面,Z轴与横向扫描面垂直。
地面三维激光扫描系统主要由三部分组成:扫描仪、控制器(计算机)和电源供应系统。激光扫描仪本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统,同时也集成CCD 和仪器内部
控制和校正系统等。在仪器通过两个同步反射镜快速而有序地旋转,将激光脉冲发射体
发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域,测量每个激光脉冲从发出经被测物表面再返回
仪器所经过的时间(或者相位差)来计算距离,同时内置精密时钟控制编码器,同步测量每
个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ,因此任意一个被测云点P
的三维坐标为:
激光扫描系统的原始观测数据除了两个角度值和一个距离值，还有扫描点的反射强度I，用来给反射点匹配颜色。拼接不同站点的扫描数据时,需要用公共点进行变换, 以统一到同一个坐标系统中，公共点多采用球形目标。
图3 三维激光扫描仪工作原理
三、推荐方案
本推荐解决方案采用国外国内先进的三维激光硬件及软件组成，结合中海达自主研发相关产品及丰富的工程项目经验，集成一整套完整的解决方案，此方案主要包含硬件方案、软件方案两部分组成。
3.1硬件方案
国内常见工厂类型大致分为：变电站、石油石化厂、生产加工厂三大类型，由于不同类型工厂结构不一样，所以采用两种硬件推荐方案。
国产型：中海达HS系列高精度地面三维激光扫描仪
适用类型：石油石化、厂房、仓库，范围较大区域。
产品特点：距离远、精度高、范围广
详细参数：
图4 中海达HS系列详细参数
进口型：Z+F系列地面三维激光扫描仪
适用类型：变电站、管道、室内，范围较小区域。
产品特点：精度高、扫描快
详细参数：
图5 Z+F系列详细参数
3.2软件方案
本软件方案全部采用中海达自主研发系列软件，中海达在多年致力于国产三维激光应用研究中，结合多类型项目经验，研发出了一整套完整的全流程解决方案，从点云数据预处理、点云建模、虚拟三维应用多环节进行开发，定制了一套符合国内生产标准及相应需求的软件。
整套软件包含点云预处理软件（HD 3LS Scene）、CAD平台点云建模软件（HD PtCloud Modeling）、3DMax平台点云建模软件（HD City Modeling）、三维虚拟应用平台（HD MapCloud 3DVirtual）。
图6 全流程解决方案
3.2.1点云预处理软件（HD 3LS Scene）
点云处理软件（HD 3LS Scene）是为地面三维激光扫描仪专门自主研发提供的配套点云处理软件，主要提供了海量点云快速三维浏览、点云与全景影像配准、点云编辑、点云去噪过滤、点云分类、点云着色、点云数据转换、数据的导入导出、DEM快速生产、各种三维目标测量与地物采集测图等功能。
点云处理软件（HD 3L Scene）主要功能包括：
1）海量点云三维可视化快速浏览，提供多视角的点云浏览方式；
2）多种点云渲染方式，如：高程、循环色带、反射强度、RGB、分类渲染等，并支持用户配置；
3）支持手工选点拼接、靶球靶纸自动拼接、无靶标智能面自动拼接等多种多测站点云拼接模式；
4）全景影像和激光点云的配准，支持点云自动着色；
5）点云编辑过滤, 提供点云手工编辑过滤及多种方式的自动扫描过滤（离群过滤、统计过滤、距离过滤、平滑过滤）；
6）提供点云手动分类，半自动、自动分类功能，方便点云的后续提取加工应用处理；
7）提供与AutoCAD联合进行基于点云的二维多段线量测、三维多段线量测、平面拟合、球面拟合和柱面拟合等，测量提取或拟合的对象实时输出到AutoCAD软件中；
8）支持基于点云的DEM/TIN三维实时显示渲染、正射影像与DEM叠加融合显示；
9）兼容Rigel rxp、Faro fls、Z+F zfs等主流三维激光产品数据格式，支持多种点云数据第三方通用格式的导入导出，包括obj、dxf、xyz、las、bin等；
10）针对行业应用的插件式扩展定制二次开发；
3.2.2点云建模软件（HD PtCloud Modeling）
点云三维建模软件（HD PtCloud Modeling）是基于CAD平台开发的专业软件，主要是通过使用移动集成测量系统采集激光点云数据建立被测物体的模型。旨在为三维建模作业人员提供快速、便捷的工具，完成点云三维建模工作，并最终实现室内或城市三维景观建模和成果导出。主要功能包括点云管理、点云浏览、UCS管理、点云裁切、点云选择、点云拟合、3DMax点云建模等。
点云三维建模软件（HD PtCloud Modeling）其主要功能包括：
1）支持点云建模单视口和多视口两种作业视图浏览模式；
2）支持多种点云渲染模式（真彩色显示、Z值渲染、区域渲染、循环渲染、强度渲染）；
3）提供多种点云裁切处理功能，支持任意视图单切片、多重切片处理；
4）提供点云截面管理，支持切片显示/隐藏、颜色设置、导出输出、删除清空；
5）提供多种点云编辑选择功能,方便选定建模操作区域；
6）根据选中的点云自动拟合面，支持自动实现两面交线、三面交点功能；
7）根据选中的点云自动拟合圆柱，支持圆柱弯头自动连接拟合功能；
8）支持基于多重切片自动拟合曲线功能，提高作业效率；
9）支持多种点云数据格式的导入导出，三维建模成果的导入导出；
3.2.3点云建模软件（HD City Modeling）
点云三维建模软件（HD City Modeling），主要是通过使用移动测量系统采集激光点云数据建立被测物体的模型，是为三维建模作业人员提供快速、便捷的工具，完成点云三维建模工作，并最终实现室内或城市三维景观建模和成果导出
点云三维建模软件（HD City Modeling）其主要功能包括：
1）基于 3DMax 平台，实现多源数据管理，支持激光点云、全景、DOM、DLG、模型、纹理数据等；
2）基于 DLG 与点云数据，提供一键式批量模型自动构建功能；
3）支持基于高清全景影像高效进行模型对象立面纹理提取；
4）支持基于航拍 DOM 数据高效进行模型对象顶部纹理提取；
5）支持基于点云与全景进行道路模型半自动构建；
3.2.4三维虚拟应用平台（HD MapCloud 3DVirtual）
三维虚拟应用平台（HD MapCloud 3DVirtual）软件是利用虚拟现实技术、地理信息技术、数据压缩技术、网络技术等各种高科技手段，模拟出一个全三维、逼真的城市环境，建立城市规划、建设和运营管理的三维空间信息系统，提高城市规划管理水平，保障建设项目与城市环境的协调发展。
三维虚拟应用平台（HD MapCloud 3DVirtual）其主要功能包括：
1）支持三维建模成果在虚拟场景中漫游浏览，并支持任意角度方向虚拟三维漫游浏览体验；
2）可以第一人称、第三人称、飞行三种视角模式漫游浏览;
3）支持三维场景晴，雨，雪天气实时动态切换，及24小时光照变换；
4）支持距离测量和面积测量；
5）多种通用数据格式的导入，包括fbx、dwg、obj等；
四、实施流程
4.1总体流程
中海达三维数字化工厂方案经过多年开发，针对国内各类型工厂结构及环境定制了不同的实施方案，为电力、石油石化、机械加工等各领域的工厂提供服务，针对性的决绝客户需求，具有如下特点：
直观：全景式、实体化融合的三维虚拟现实工作环境，如实的描述和反映设备的实体关系，基于角色的用户界面，满足不同用户需求；
精确：精确的实体、位置和层级描述，提供准确的全景展示；
实际：与工厂、资产实际状况准确对应，并易于变更维护，实时更新；
智能：多专业集成，设备属性和工艺流程有机融合，集成资产信息，设备状态与生产流程数据实时管理；
协同：三维虚拟培训、演练与训练；
图7 三维虚拟工厂
图8 三维激光扫描数字工厂全流程
4.2原始数据采集
外业数据采集流程分为两部分：激光点云数据采集、高清纹理照片采集。
激光点云数据采集使用三维激光扫描仪，针对不同的环境及需求，可采用中海达HS系列三维激光扫描仪及Z+F系列三维激光扫描仪，采集过程自动化程度高，操作简便，快速。
高清纹理照片采集普遍使用高清单反相机采集，采集过程遵循从整体到局部，先全景后细节的原则，保证在最小的数据量情况下保证所有纹理采集完整。
图9 外业采集全流程
流程图说明：
外业工程师根据现场地形、地势合理规划扫描站点位；
外业工程师根据技术要求判定需要采集的物体是否需要多次架站采集；
如需多次架站则参照站点位置摆放定位物体（标靶球、标靶纸等）；
在规划的扫描站点上架设仪器；
检查仪器参数如与预扫描时不同则调整到预扫描时参数；
仪器根据设置参数完成点云数据采集；
采集完毕，关闭仪器并按要求完成拆卸。
图10 外业采集工作照
4.3点云数据预处理
外业采集点云数据后，每站坐标系将独立存在，需要将多站数据坐标系统一，在有需求的情况下，也可将相对坐标统一为绝对大地坐标系。对于激光点云数据拼接、去噪、坐标转换等处理步骤统称为点云数据预处理。
点云数据预处理软件（HD 3LS Scene）可支持市面上常见扫描仪品牌的所有数据，无需人工处理，自动导入数据、点云拼接、平差，可保证高精度点云数据的输出，为三维建模或二维线图提供准确、有效、直观的三维激光矢量点云数据。
图11 点云数据预处理流程
流程图说明：
导入原始点云数据并保存；
根据定位物体进行扫描站点拼接；
判定站点拼接精度是否满足成果制作要求，不满足则重新拼接直至满足要求； 点云赋彩色；
手动删除不需要的点云数据；
根据成果制作要求，导出相对应格式点云，并制作点云质检报告。
图12 外业采集点云数据
4.4厂房半自动化建模
工厂厂房及仓库可能占据了大部分区域，对于这种范围大，外形规则的区域，可使用点云建模软件HD City Modeling或HD PtCloud Modeling，针对客户不同平台的需求，可分别使用CAD平台或3DMax平台。
通过人工手动提取厂区平面图，软件可根据点云三维坐标信息自动将二维线图转化为三维模型数据，实现半自动化建模。
如厂区已有传统二线线划图可直接导入软件，自动生成模型。整个过程高效、自动，
模型可用率达到80%以上。
图13 半自动化建模流程
图14 根据点云提取二维线框建模
图15 根据线框自动建模
图16 根据已有平面图自动建模
图17 单个建筑纹理贴图
图18 彩色模型渲染效果