三维激光扫描技术在地下洞库中的应用与研究

论文摘要

面对日益增长的能源消耗,石油储备的多少直接影响了国家的经济发展和政治地位。自上个世纪70年代以来,我国建设了多个国家战略石油储备的大型地下洞库,但大型地下洞库的容量测量方法的研究尚不成熟。石油的储备形式分为地上储罐、地下储罐和地下洞库。其中地下洞库聚有造价低、管理费用低、节约占地、不污染环境等优点而被广泛利用。但由于发展时间较短,不仅有选址和设计上的问题需要研究解决,而且在地下洞库的测量中也面临很多地面测量没有的问题。受到地下实际地形条件的限制,传统的全站仪测量作业效率低,测量精度不够、并在实际操作中收到很大限制。三维激光扫描技术是近年来迅猛发展起来的新型测绘技术,是一种可以做到实景复制新型技术,具有非接触、高精度、快速采集点云数据等优点,其应用在各个领域得到广泛应用。该技术不仅减轻了测量工程的强度,而且能够完整扫描实物并高精度重建三维形态,无需对扫描物体做任何操作,提高了工作效率,真正实现无接触测量。随着激光扫描技术的日臻成熟并被逐步应用于地质勘探的工作中,激光点云正成为重建工作中的重要基础数据收集手段,运用三维激光扫描仪来工作测量并处理分析数据,对洞库进行容积计算,解决了大型地下储油洞库容量计量方法数据量大、计算较繁琐等问题。本文在分析三维激光点云数据特点的情况下,对地下洞库的三维构建和洞库容积进行了研究。主要研究内容如下:针对地下洞库复杂的三维结构,本文在分析点云数据特点和总结国内外参考经验的基础上,设计了一套完整的地下水封洞库三维建模的技术方法。文中首先结合地面激光雷达的数据特点和扫描场景的复杂特性,在经过数据预处理的基础上,采用一种人工选取特征点和标靶自动配准的半自动点云拼接方法以获取完整的洞库场景数据。其次,采用Autodesk 3Dsmax软件建立三维模型,并结合纹理映射、灯光渲染等技术,使三维模型具有材质纹理,更具有立体感真实性。文中结合中国某PO/AE一体化研究场地的三组水幕洞室验证了方法的有效性。

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1 引言

1.1 研究背景和意义

1.1.1 地下洞库的基本特征

1.1.2 地下洞库的监测内容与目的

1.1.3 激光测量在地下洞库中的研究

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

2 三维扫描技术基础理论

2.1 三维激光的扫描原理和分类

2.1.1 激光扫描仪的工作原理

2.1.2 三维激光扫描的分类

2.2 扫描仪的介绍和使用方法

2.2.1 本研究使用的三维扫描仪介绍

2.2.2 使用扫描仪的注意事项

2.3 三维激光测量优势与应用

2.3.1 三维激光扫描仪与传统测量技术的区别

2.3.2 三维激光扫描技术的特点和优势

2.3.3 三维激光技术的应用领域

2.4 本章小结

3 点云数据的预处理和配准

3.1 点云数据的采集

3.1.1 重复采样

3.1.2 扫描时产生的噪音

3.1.3 目标对象结构的起伏和粗糙度

3.2 点云降噪和优化

3.2.1 多余数据的过滤

3.2.2 扫描间距优化

3.2.3 计算模型优化

3.3 点云数据的拼接

3.3.1 基于特征点拼接

3.3.2 粗配准配准

3.3.3 ICP 优化无特征点拼接

3.3.4 精配准配准

3.4 本章小结

4 地下洞库三维建模与容积计算

4.1 研究区概况

4.2 实施方案制定

4.2.1 总体流程图

4.2.2 作业流程

4.3 洞库容积的计算

4.3.1 原始数据的过滤

4.3.2 点云图像配准

4.3.3 去除点云杂点

4.3.4 点云数据采样

4.3.5 体积计算

4.3.6 方法正确性验证

4.3.7 影响结果准确性的分析

4.3.8 利用常规全站仪量测结果的误差

4.3.9 不同测量实验结果展示

4.4 三维数据的构建

4.4.1 三维建模技术概述

4.4.2 模型的制作

4.4.3 材质制作

4.4.4 其他辅助制作

4.4.5 点云模型具体制作方法

4.5 本章小结

5 研究总结与展望

5.1 研究工作总结

5.2 对未来工作的展望

参考文献

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王珂

导师: 康志忠,李玉富

关键词: 地下水封洞库,激光扫描,点云数据,三维建模,洞库容积

来源: 中国地质大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 自然地理学和测绘学,建筑科学与工程

单位: 中国地质大学(北京)

分类号: P225.2;TU91

DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.001506

总页数: 93

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