3D激光扫描仪在电厂冷却塔变形监测中的应用探讨.pdf

3 d 激光扫描仪在 电厂 冷却塔变形监测中的应用探讨 谭 国铨 ( 浙江省 电力设计院，浙江杭州3 1 0 0 1 4 ) 摘要 ：3 d 激光扫描技术可以直接获取地面3 d 数据 ，比传统测量方法具有 高精度、高密集、高效率和成本低 的 优点。本文介绍使用3 d 激光扫描仪对 电厂冷却塔进行变形监测测量技术克服 了传统测量技术的局限性 ，采用 非接触主动测量方式直接获取 高精度3 d 数据，能够对任意物体进行扫描 ，且没有 白天和黑夜的限制，快速将 现 实世界的信息转换成可以处理的数据 。它具有扫描速度快、实时性强、精度 高、主动性强、全数字特征等 特点，可以极大地降低成本，节约时间，而且使用方便 ，能够 实现与设计图纸进行分析 比较 ，以确定其形变 误差大小等。 关键词：3 d激光扫描 ；变形监测；原理。 中图分类号：p 2 文献标志码：b 文章编号：1 6 7 1 9 9 1 3 ( 2 0 0 9 ) 0 4 0 0 3 0 0 3 ap p l i c a t i o n o f 3 d la s e r s c a n n e r i n t h e de f o r ma t i o n m o n i t o rin g o f co o l i n g t o we r s i n po we r p l a n t t an gu o q u a n ( z h i a n g e l e c t r i c p o w e r de s i g n i n s t i t u t e ， h a n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， c h i n a ) ab s t r a c t ： t h e t e c h n o l o g y o f 3 d l a s e r s c a n n i n g c a n d i r e c t l y a c c e s s t o g r o u n d b a s e d 3 d d a t a ， a n d wh i c h h a s t h e a d v a n t a g e s o f h i g h p r e c i s i o n a n d h i g h d e n s i t y , h i g h e ffic i e n c y a n d l o w c o s t t h a n t h e t r a d i t i o n a l me a s u r e me n t me t h o d th i s t e c h n o l o g y h a s o v e r c o me t h e l i mi t a t i o n s o f t r a d i t i o n a l me a s u r e me n t t e c h n i q u e s i n d e f o r ma t i o n mo n i t o r i n g o f t h e c o o l i n g t o we r re g a r d l e s s o f d a y o r n i gh t ， i t a c c e s s d i r e c t l y t o h i g h p r e c i s i o n 3 d d a t a b y t h e a c t i v e n o n c o n t a c t me a s u r e me n t ， a n d c a n s c a n f o r a n y o b j e c t s ， a n d t h a t c o n v e e d q u i c k l y r e a l - wo r l d i n f o r ma t i o n i n t o d a t a t h a t c o u l d b e d e a l wi t h i t h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f f a s t s c a n ni n g s p e e d ， r e a l t i me a n d h i g h p r e c i s i o n ， mo r e mo t i v a t e d ， a l l d i g i t a l f e a t u r e s ， a n d c a n r e d u c e c o s t s g r e a t l y , s a v e t i me ， a n d e a s y t o u s e t h i s t e c h n o l o g y c a n d e t e r mi n e t h e d e f o rm a t i o n e r r o r b y c o mp a r mg wi t h t h e d e s i g n k e y wor d s ：3 d l a s e r s c a n n i n g ； d e f o rm a t i o n mo n i t o r i n g ； t h e o r y 1 应用背景 电厂 的冷却塔是特种高大构筑物，它下部 的水池长期贮水 ，属水工结构。水塔对地基的 承载力 ，刚性等都有较高的要求 。在冷却塔的 施工及早期运行过程中，沉 降过程加快 ，冷却 塔的基础因地质情况 的不均匀或施工工艺与质 量等原因，会产生不均匀 的沉降，造成冷却塔 塔身变形 ，与设计要求精度产 生差异 ，当这种 不均匀沉降超过 了一定 限度后 ，产生的后果就 是不 能完全利用或根本无法使用。因此对冷却 塔环墙进行连续的监测是冷却塔储水过程的必 要安全措施 。为保证 以后运行安全 ，也急需获 收稿 日期 ：2 0 0 9 0 6 0 2 作者简介 ：谭 围铨 ( 1 9 6 5 )，男，杭 州人，高级工程师 ，长期从事 电力勘测管理 工作。 3 0 2 0 0 9 8 n第 4 期 岩土 工程 勘测3 d 激光扫描仪在电厂冷却塔变形监测中的应用探讨 圃 贼啦嘲嘲 取实际变形量来确定冷却塔塔身厚度 。 3 d激光测量技 术的 出现和发展 为空间3 d 信息 的获取提供 了全新的技术手段 ，为信息数 字化发展提供 了必要的生存条件 。由于激光具 有单色性、方 向性 、相干 性和 高亮度等特性， 将其引入测量装置 中，在精度 、速度、易操作 性等方面均表现 出巨大的优势，它 的出现引发 了现代测量技术 的一场革命，激光测量技术也 逐步 由点对 点的激光测距装置发展到采用非接 触主动测量方式快速获取物体表面大量采样点 3 d空问坐标的3 d激光扫描测量技术 。随着3 d激 光扫描测量装置在精度 、速度 、易操作性、轻 便、抗干扰能力等性能方面 的提升及价格方面 的逐步下降，2 o 世纪9 0 年代 ，其在测绘领域成 为研究的热点 ，扫描对象 不断扩大 ，应用领域 不断扩展，逐步成为快速获取空 间实体3 d模 型 的主要方式之一 ，许 多公 司都推 出了不同类型 的3 d 激光扫描测量系统 。3 d激光扫描测量技术 在测绘形变监测等领域有广泛的应用。 2 测量技术手段及原理 2 1 采用 的技术手段 由于使用常规 的测量手段时，必须进行周 期性观测 ，计算本周期各观测平均沉 降量及沉 降速 率。对于 电厂冷却塔来说实施难度大 ，测 量的点数较多，有无法满足其精度要求 。 本项 目拟采用激光3 d扫描仪进行测量。激 光3 d扫描仪是通过激光测距原理( 包括脉冲激光 和相位激光) ，瞬 时测得空 间3 d坐 标值的测量 仪 器 。 2 2 测量原理 传统测量概念里 ，所 测的的数据 最终输 出 的都是二维结果( h c ad出图) ，在现在测量仪 器里全站仪 ，gp s比重居 多，但测量 的数据都 是二维形式的， 在逐步数字化 的今天 ，3 d已经 逐渐 的代替二维，因为其直观是二维无法表示 的，现在的3 d激光扫描仪每次测量 的 数据不仅 仅包含x，y，z 点的信息 ，还包括r，g，b颜 色信息 ，同时还有物体反色率的信息 ，这样全 面的信息能给人一种物体在 电脑里真实再现的 感觉，是一般测量手段无法做到的。 快速扫描是扫描仪诞生产生的概念 ，在常 规测量手段里 ，每一点的测量 费时都在2 5 秒 不等 ，更甚者 ，要花几分钟的时间对一点的坐 标进行测量，在数字化的今天，这样的测量速 度 已经不 能满 足测量 的需求 ，3 d激 光扫描仪 的诞生改变 了这一现状 ，最初每秒 1 0 0 0 点的测 量速度 已经让测量界大为惊叹，而现在脉冲扫 描仪( s c a n s t a t i o n 2 ) 最大速度 已经达 j 5 o o o o 点每 秒，相位式扫描仪( hds 6 0 0 0 ) 最高速度 已经达到 5 0 0 0 0 0 点每秒 ，这是3 d激光扫描仪对物体详细 描述的基本保证 ，古文物 ，工厂管道，隧道 ， 地形等复杂 的领域无法测量 已经成为过去式 。 作为新 的高科 技产 品，3 d激光 扫描仪 已经成 功地在文物保护、城市建筑测量、地 形测绘、 采矿业、变形监测、工厂 、大型结构、管道设 计 、飞机 船舶 制造 、公路 铁路 建设 、 隧道工 程、桥梁改建等领域里应用。 2 3 主要技 术指标精度 3 m 1 5 0 0 m 8 0 反 射 率 的 目标 ， 3 m8 0 0 m2 0 反射率的 目标 ，3 m3 5 0 m4 反 射率 的 目标；数据采样 率 2 0 0 0 点 s ，光束发散 率 0 0 0 9 7 4 。，最小点步距f x，y轴) 0 0 0 1 5 。， 距离精度7 mm1 0 0 m，定位精度8 mm1 0 0 m； 扫 描 视 场 ( i l r i s一 3 6 d) 2 0。 9 0。 f v 1 3 6 0 ( h) ；环境：作业温度0 4 0 。 3 使用3 d 激 光扫描仪进行 电厂冷 却塔变形观测的特点及优势 ( 1 ) 独 有控制测 量流程 ，点云数据无需拼 接 ，可 以 自建坐标 系统 ，可 以不用设置标靶、 标志球 ，所扫描的点云无需后期拼接 、一致性 好 ，无 累积 误差 。 ( 2 )测量点位 多 ，精度 高，更容易进行数 据 比较 分析；扫描标准差 ：1 4 mm5 0 m： 2 5 mm 1 0 0 m：3 6 mm1 5 0 m；6 5 mm 2 0 0 m 用户可 以 白定义多测值平均进一步提高精度 ， 更远的扫描距离可 以加长到3 5 0 m，保证 了所采 集数据的高准确性、高可靠性。 ( 3 ) 内置高分辨率摄像头，影像数据点云一 体化 ，能够获取更 多地信息；点云 、真彩色影 像 同步获取，影像数据点云匹配一致性好。 ( 4 )与光学仪 器及gp s 等测量 设备联合作 2 o 0 9 年 8 月第 4 期 -3 1 业，将极大提高3 d解决方案的整体性能和适应 性，比如可以适应复杂环境下的作业等；而常 规变形测量手段就受到环境影响较大。 4 观测实施方案 4 1 控制测量 4 1 1 测量 系统 测量的平面坐标系统采用独立坐标系统， 高程采用独立高程系统。 4 1 2控 伟 ，3 点的选点和布j 殳 新布设的平面控制 点采用统一编号，即从 东北 侧 开始 开 始 ，沿 电厂 冷 却塔 设 环绕 编 号 依 此为g1 、g2 、g3 。且三点呈 以冷却塔为中心 的正三角形分布 。考虑到现场使用的方便性及 控制点的稳定性，控制点应 以布设在地面上为 主，在不受工程影响之处的地面上，做地面测 量标 志 。 4 1 3平面控制 的测量方法 平面控制测量原则上可采用传统的作业手 段 ，以导线测量 的方式，按照建筑变形测量等 级二级的精度要求进行平面控制测量。 4 1 4技 术要求 ( 1 ) 导线测量技术要求 注： c 1 ，c 2 为导线类别 系数 。 ( 2 ) 高程测量技术要求 注： 7 为测站数 ； 视线 高度 为下丝读数 。 4 2 3 d 激光扫描数据采集 在布设的控制点上架设激光3 d扫描仪器 ， 用一根 网线连接 扫描仪和 电脑 ；通过专 门的 适 配器连接 扫描 仪 电源 。开启适配 器 电源 ， 接通 扫描仪 电源 。从 电脑打 开数据采 集软件 p o i n t s c a p e ，会显示扫描仪与p c连接信息 ，扫 描仪旋转开始初始化。设置扫描仪，扫描仪就 会按照设置的参数和范围开始扫描测量；冷却 塔分外部和内部2 次进行扫描。 4 3 数据处理 整个数据处理过程包括数据采集、数据预 处理、几何模型重建和模型可视化。通过专门 的数据处理软件， 对采集的影像进行各种3 d计 量、计算或数字建模 ，最终求 出所测物体的空 间模 型。通过与设计模型的比较计算 ，从而计 3 2 2 o 0 9 年 8 月第 4 期 算二者的差异 。同时通过 内部和外