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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(biāo)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(biāo)靶的WGS-84標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)與三維激光掃描儀測得坐標(biāo)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(biāo)系可以通用的WGS-84標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系，使得獲得的最終數(shù)據(jù)可以直接用于工程、管理，同時(shí)可以和現(xiàn)行的GIS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對接，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。
【專利說明】三維化工園區(qū)建立方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于建筑物的三維測繪【技術(shù)領(lǐng)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(jì)的不斷進(jìn)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(diǎn)化工企業(yè)進(jìn)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(bǔ)。
[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(xiǎn)源，對這些危險(xiǎn)源進(jìn)行科學(xué)的監(jiān)控和管理，是保證人民群眾和企業(yè)生命財(cái)產(chǎn)安全的必要措施。在傳統(tǒng)方式下，工廠設(shè)備管線等實(shí)物一般利用線條和符號等二維圖形來表達(dá)，這種表達(dá)方式不夠直觀形象，需要具有一定經(jīng)驗(yàn)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(shè)備管線的所處位置及周邊環(huán)境；而且把一個實(shí)體分不同圖紙來表達(dá)，工作量大、工作效率低，易出錯且不易查出。因此，研究工廠設(shè)備三維可視化技術(shù)，以三維可視化方式直觀地展示出設(shè)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(shè)備錯綜復(fù)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(zhǔn)確、便捷地獲取石化裝置的實(shí)物(設(shè)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(yīng)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(shí)際生產(chǎn)中被廣泛采用的是利用全站儀、GPS等設(shè)備來進(jìn)行測量，其優(yōu)點(diǎn)是精度高、成本低，但其缺點(diǎn)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(diǎn)，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(xiǎn)區(qū)域人員也不許靠近，最終三維成果點(diǎn)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(shè)計(jì)，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(shè)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(diǎn)云成果難以為GIS系統(tǒng)等預(yù)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(yīng)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(shí)時(shí)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(diǎn)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(shí)(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(diǎn)的數(shù)量上則遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量手段，面掃獲取高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，帶來的是對目標(biāo)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(shè)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(biāo)點(diǎn)，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(shí)間和人數(shù)急劇減少，在某些危險(xiǎn)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(xiǎn)源進(jìn)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(jìn)了全站儀等傳統(tǒng)測量方式的缺點(diǎn)，被譽(yù)為測量科學(xué)的第二次技術(shù)革命，但由于其設(shè)備成本高，出現(xiàn)時(shí)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(jìn)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(dá)到lmm± Ippm的測距精度,而地面測量型三維激光掃描儀只能達(dá)到3mm@50m的測距精度，不能滿足重點(diǎn)設(shè)備的精細(xì)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(jìn)行三維測量需要耗費(fèi)非常多的時(shí)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(biāo)系下的各站點(diǎn)數(shù)據(jù)拼接，工作量大，而且不可避免的會造成配準(zhǔn)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(biāo)系，要將最終的數(shù)據(jù)成果轉(zhuǎn)換為國家2000大地坐標(biāo)系存在困難，一般只能通過手動的方式進(jìn)行，影響了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(shè)全站儀標(biāo)靶:在待測建筑物內(nèi)表面及內(nèi)部設(shè)備、管線上安置標(biāo)靶或棱鏡，設(shè)布設(shè)的標(biāo)靶的數(shù)量為η ；
[0016]S2、測定基準(zhǔn)站坐標(biāo)和標(biāo)靶坐標(biāo):在化工園區(qū)內(nèi)選擇空間開闊的任意位置為基準(zhǔn)站位置，并基于WGS-84標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系測量基準(zhǔn)站的坐標(biāo)；基準(zhǔn)站測定后，用全站儀測量得到每個標(biāo)祀的WGS-84坐標(biāo),并將測量結(jié)果標(biāo)記為{tj , i=l, 2...η ；
[0017]S3、根據(jù)待掃描目標(biāo)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(biāo)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(biāo)靶的坐標(biāo)標(biāo)記為{zkh}，h=l，2…m，5≤m≤n，表示標(biāo)靶的編號；
[0019]S4、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換:
[0020]S41、在全站儀測得的標(biāo)靶的坐標(biāo)ItJ中取坐標(biāo)為IzkJ的標(biāo)靶對應(yīng)的坐標(biāo)，并標(biāo)記為{xuJ ;[0021]S42、將{zkh}與IxkJ進(jìn)行配準(zhǔn)，獲取二者間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，設(shè):
[0022]Xkh = Rzkh+T(I)
[0023]要配準(zhǔn)這兩個點(diǎn)集，目標(biāo)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(zhǔn)點(diǎn)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(shè)全站儀標(biāo)靶:在待測建筑物內(nèi)表面及內(nèi)部設(shè)備、管線上安置標(biāo)靶或棱鏡，設(shè)布設(shè)的標(biāo)靶的數(shù)量為η ； 52、測定基準(zhǔn)站坐標(biāo)和標(biāo)靶坐標(biāo):在化工園區(qū)內(nèi)選擇空間開闊的任意位置為基準(zhǔn)站位置，并基于WGS-84標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系測量基準(zhǔn)站的坐標(biāo)；基準(zhǔn)站測定后，用全站儀測量得到每個標(biāo)革巴的WGS-84坐標(biāo),并將測量結(jié)果標(biāo)記為{tj，i=l, 2…η ； 53、根據(jù)待掃描目標(biāo)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(biāo)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(biāo)靶的坐標(biāo)標(biāo)記為。^，!^^…!!^^!!!^!!，表示標(biāo)靶的編號； 54、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換: 541、在全站儀測得的標(biāo)靶的坐標(biāo)ItJ中取坐標(biāo)為{zkh}的標(biāo)靶對應(yīng)的坐標(biāo)，并標(biāo)記為IW ； 542、將IzkJ與IxkJ進(jìn)行配準(zhǔn)，獲取二者間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，設(shè): Xkh = Rzkh+T (I) 要配準(zhǔn)這兩個點(diǎn)集，目標(biāo)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(zhǔn)點(diǎn)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(biāo)靶的坐標(biāo)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(biāo)靶的坐標(biāo)記為{z2h}； S33、使用手持型三維激光掃描儀獲取重點(diǎn)設(shè)備的三維數(shù)據(jù){y3j}，并將其中的標(biāo)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(shí)，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(shí)進(jìn)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(diǎn)設(shè)備的三維數(shù)據(jù)時(shí)被測設(shè)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(diǎn)設(shè)備的三維數(shù)據(jù)時(shí)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