三維掃描在數字孿生城市智慧工廠中的應用

三維掃描技術，可複製的實景三維技術，現代測量測繪，實景三維，三維掃描點雲建模，智慧管理科學資料依據，現就和大家分享下BIM-數字化工廠-智慧製造工程建設-數字孿生中的應用

一、 專案概述

三維掃描工廠實現數字化工廠

一汽大眾汽車有限公司成立於1991年，廠區佔地面積180萬平方米，是中國第一個現代化轎車工業基地。廠區之間和廠區內部縱橫交錯著大量用於設計、生產、總裝、測試、實驗等廠房、車間、辦工區等建築及管道橋架，隨著新建裝置和廠區的發展，老舊廠區的改造，原有的設計圖紙和資料已經無法快速、準確地提供指定位置和指定管線的相關資料資訊，同時原有的圖紙無法提供一個完整的覆蓋整個廠區的建築、橋架及管線的表達。對於地面廠區的車間、設施裝置和車間內部的具體資訊不能進行處理和顯示。而且經過多次改造，地面設施裝置和進站埋地管道（線路）錯綜複雜，管道的使用狀況、走向等也不能及時準確地掌握，給規劃、設計、施工、管理等部門查尋、維護、防腐檢測與更新改造帶來諸多困難。

三維GIS（地理資訊系統）技術和三維鐳射掃描技術的出現，為建立一套覆蓋完整、資料更新及時的三維橋架資訊系統提供了可能。透過新的技術，可以幫助我們快速建立一套完整的基於一汽大眾現場運營現狀的、直觀的、地理位置準確的、基於資料庫服務可快速響應的三維地理資訊系統，把連線廠區之間的及連線廠區內部的橋架及橋架相關管線準確建立到一個三維GIS平臺中，供三維瀏覽、聯網檢視、檢索。可為廠區規劃、人員培訓、事件應急提供快速、準確地服務。領用該系統為領導層決策提供完善的資料依據，為廠區的規劃和更新提供直觀的資料基礎，為安全評估、危急事件處理提供現場基礎資料，可基於平臺完成三維空間分析、人員虛擬培訓等。

真三維數字化工廠基礎的工作就是建築實體模型，3D模型是數字化工作的起點，也是開發數字化工廠功能的基礎，此專案一期將對整個廠區和部分車間進行真掃描掃描、建模、貼圖。

二、專案主要工作

1、廠區部分

（1）對廠區和部分建築內部進行高精度全景3D掃描，獲得準確尺寸和顏色；

（2）三維建模及貼圖，要求建模精確到cm，與原結構尺寸偏差小於2cm，模型顏色貼近實際顏色；

（3）掃描建模範圍見附圖紅線框內，場內施工和規劃中部分按照設計效果進行處理；

（4）全部有資產實物必須準確建模，無資產部分按甲方要求建模；

（5）模型渲染和特效效果製作，要求效果接近或優於現實效果；

（6）三維虛擬現實工能，結合固定手觸屏裝置特點進行程式設計開發，具有飛行、漫遊、測量、導覽簡單設定；其中建築模型預留資訊編輯按口，由甲方負責編輯資訊；

2、車間部分

（7）對奧迪二總裝車間內部土建和工藝裝置全方位掃描，得到完整的彩色點雲，無缺失、無破面、不失真，並對全部土建、部分生產線和裝置進行建模，包括建築結構水暖動電、工藝裝置、輔具等；

（8）對土建和共用部分基於點雲和二維圖建模；

（9）對區域性設部和生產線建模，生產線做動態模擬；

3、其他

（10）在工作過程或出租裝置時，對甲方相關人員進行必要的技能培訓；

（11）建築模型中資訊，連線部分要可編輯、部門資訊檢視查詢和網路介面與具有許可權設定功能，

（12）交付點雲和3D模型格式必須被Microstaterm相容，Web端和移動端釋出要一鍵進入；

（13）交付點雲和3D模型可進入三維GIS平臺軟體應用；

三、專案實施

1、廠區：車載三維鐳射掃描系統對整個廠區進行三維掃描，對於廠區車載不能獲得原始資料的用地面掃描器進行彌補，無人機輔助獲取廠區建築頂部資料，與車載資料融合；

2、車間：利用2套地面三維鐳射掃描器分別對樓上、樓下進行全面三維資料描獲取；

3、內業：利用TRW、3Dmax進行資料的去噪、拼接、建模等工作

掃描分為三部分：人工掃描車間，車載掃描廠區，無人機掃描廠區房頂。

四、專案中使用的儀器裝置和所獲取的資料成果

1、地面測量型三維鐳射掃描器進行廠區、車間資料掃描

根據現場、裝置形狀和環境以及三維鐳射掃描器的有效測程合理的佈設掃描器的架站點，然後在每個站點根據後續成圖需求設定合適的解析度進行掃描。在掃描過程中，可以透過架設標靶以提高後續點雲拼接的精度。地面掃描我們採用的是FARO330和Trimble TX5。將全部站點的掃描資料匯入到 Trimble Realworks軟體中，執行自動拼接命令。 Trimble Realworks軟體自動拼接命令完全不需要人為干預，可以簡單、快捷的得到高精度的整體點雲資料。

廠區內三維鐳射掃描器資料採集

2、車載移動三維鐳射掃描器裝置獲取廠區整個室外三維點雲資料

車載三維鐳射掃描器是將三維鐳射掃描裝置、衛星定位模組、慣性測量裝置、里程計、360°全景相機、總成控制模組和高效能板卡計算機整合並封裝於汽車的剛性平臺之上，在汽車移動過程中，快速獲取高精度定位定姿資料、高密度三維點雲和高畫質連續全景影像資料，透過統一的地理參考和攝影測量解析處理，實現無控制的空間地理資訊採集與建庫。我們採用的車載是Topcon IP-S2移動測量系統：

廠區整個室外三維點雲資料

3、無人機空中航測照片獲取廠區空中三維模型點雲資料

無人機是利用無線電遙控裝置和自備的程式控制裝置的不載人飛機，可以實時、動態、大量採集空間點雲資訊，可快速獲取高密度、高精度的點雲資料。無人機航測我們採用的是Motoar Sky MS-970，機身採用碳纖複合材料及鈦合金連線件，翼臂可摺疊，可搭配2D/3D雲臺，高負載掛接微單、專業單反、紅外、鐳射雷達等多種感測器，地面站全程監控，一鍵起飛、懸停、返航遙控器、平板、三防筆記本多種控制方式。

無人機空中航測照片獲取廠區空中採集資料

無人機空中航測照片獲取廠區空中三維模型點雲資料

五、利用高精度測量裝置獲取的資料建立高精度三維實景模型

拼接、去噪處理後的點雲在Trimble Realworks 和3Dmax軟體中，根據點雲進行廠區和車間的模型建立和貼圖，以達到其真實性。以下是車間和廠區的部分模型：

拼接去噪後高精度三維實景模型

拼接去噪後高精度三維實景模型

六、專案總結

利用三維鐳射掃描器高新科技裝置完成對廠區的完整真三維原始資料的採集和儲存，真三維的點雲、模型為數字化工廠提供了直觀、可靠的依據，完成了對現有裝置和廠區的高精度建模和三維數字視覺化，繼而為後繼BIM及三維資訊管理提供了原始資料模型。

專案難點：

1：國內首例工廠大範圍三維數字化，在保證精度的前提下融合多渠道資料的統一；

2：廠區內地形起伏較大，為地表模型的構建與廠房模型的對位帶來很大的影響；

3：廠房房頂部的三維資料難以獲取，單靠某一種技術很難實現，需要多手段實現；

專案亮點：

1：車載三維掃描、地面三維掃描、無人機航測新技術在工廠三維數字化中首次完美結合應用；

2：廠區、車間三維原始資料的儲存，為以後規劃應用提供真實資料依據；

3：三維模型的建立為後繼BIM及三維資訊管理平臺搭建提供了原始資料模型；