三維激光掃描技術(shù)在立式金屬罐容量計量中的應(yīng)用研究

袁少輝 劉應(yīng)乾

摘 要：近年來，隨著時代的不斷發(fā)展和進(jìn)步，三維激光掃描技術(shù)也迅速成熟，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)滲透到智慧城市建設(shè)中例如：機械制造、逆向工程、虛擬現(xiàn)實和大容量測量等多個領(lǐng)域。使用三維激光掃描儀能夠快速、便捷的獲取被測物表面特征點的高精度三維坐標(biāo)信息，即點云數(shù)據(jù)。所以，針對在立式金屬罐容量計量中的應(yīng)用研究具有著十分重要的意義。鑒于此，文章結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗，對三維激光掃描技術(shù)在立式金屬罐容量計量中的應(yīng)用研究提出了一些建議，僅供參考。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù);立式金屬罐容量計量;應(yīng)用研究

基于在立式金屬罐容量計量中的應(yīng)用研究，提出有效方法開發(fā)的三維激光掃描儀點云處理軟件盡管沒有達(dá)到很高的智能化水平，但由于我國工業(yè)行業(yè)數(shù)量非常多，需要使用該軟件的情況較多，必須對軟件使用人員進(jìn)行一定的培訓(xùn)，就可以掌握三維激光掃描技術(shù)計量等操作，得到可靠的計算結(jié)果。

1 三維激光掃描技術(shù)簡介

三維激光掃描技術(shù)（Three-Dimensional Laser Scan Technology），

又稱“實景復(fù)制技術(shù)”。它是通過對物體空間外形和輪廓進(jìn)行激光掃描的方法，快速、大范圍的采集得到物體表面的點云數(shù)據(jù)（即空間三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)），并利用相關(guān)軟件建立物體的實景三維模型的一種技術(shù)方法和手段。三維激光掃描技術(shù)是利用一臺高速、精確的激光測距儀，并配備一套反射棱鏡組，引導(dǎo)激光以均勻的角速度掃描。激光測距儀主動發(fā)射激光，同時接收由自然物表面反射的信號，計算出距離。針對每一個掃描點可測得測站至掃描點的斜距、水平角和垂直角，從而得到每一掃描點與測站的空間相對坐標(biāo)。如果輸入測站點的工程三維空間坐標(biāo)，就可以求得任一掃描點的工程三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)的特點和優(yōu)勢就在于能夠快速掃描被測物體，不用反射棱鏡配合即可直接獲得高精度的掃描點云數(shù)據(jù)，這樣一來可以高效地對真實世界進(jìn)行三維建模和虛擬重現(xiàn)。通過構(gòu)建三維數(shù)據(jù)庫，三維掃描可以達(dá)到測量、模擬和分析空間三維物體的目的。測繪技術(shù)由傳統(tǒng)的單點測量，到面式、體式測量，由原來的影像與方位數(shù)據(jù)分離，到如今三維物體影像及方位數(shù)據(jù)的聯(lián)合采集，三維掃描技術(shù)是測量領(lǐng)域的革命性技術(shù)，在測繪信息領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2 存在的不足之處

自動化水平低，任務(wù)復(fù)雜，效率低;高空作業(yè)，操作風(fēng)險高;測量點相對較少，無法完全反映坦克墻信息，測量準(zhǔn)確度不高，因此，坦克某處發(fā)生變形時，測量誤差可能會顯著增加。

3 三維激光掃描技術(shù)在立式金屬罐容量計量中的應(yīng)用研究

3.1圈板直徑測量

立式罐罐壁是油罐的主要受力部件，由環(huán)形板焊接成圓形，水箱壁用垂直焊接和環(huán)形焊接，垂直焊接通常是對接焊接，環(huán)形焊接根據(jù)使用要求用對接或搭接連接進(jìn)行焊接。圓環(huán)板下面主要是套筒、對接、交互式和混合式。這導(dǎo)致垂直金屬罐中每個圓環(huán)板的直徑不完全相同，考慮到罐壁壓力容量，通常需要單獨測量每個圓環(huán)板的直徑，因為底部圓環(huán)厚度相對較大。擦拭法通過測量基座線圈板高度的三分之四和其馀線圈板的四分之一、三分之四處的擦拭來計算圓環(huán)板直徑，該方法在工具精度高、測量方法合適的情況下可以獲得更好的測量結(jié)果，但該方法需要花費大量時間和高空作業(yè)，因此存在一定的風(fēng)險，并且在坦克變形時測量誤差會更大。光學(xué)垂直準(zhǔn)直方法首先使用擦拭法測量底部的環(huán)形板，然后使用帶有光學(xué)垂直準(zhǔn)直器或?qū)к壍墓鈱W(xué)徑向偏差計測量罐直徑方向連接的垂直線的半徑偏差，依次獲得每個環(huán)形板直徑。光學(xué)三角剖分是一種使用經(jīng)緯儀的光學(xué)準(zhǔn)直軸沿水箱的切線方向瞄準(zhǔn)測量目標(biāo)點，同時使用長度和角度測量圓環(huán)直徑的方法。這種方法可以避免高空作業(yè)，但對儀器測量精度的要求很高。全站儀方法是一種利用全站儀電子測距、角度測量和數(shù)據(jù)處理等功能測量每個環(huán)板直徑和高度的方法。這種方法耗時少，自動化程度高，但測量數(shù)據(jù)點的數(shù)量并不能完全反映坦克的情況。

3.2 金屬罐檢測處理方法

該系統(tǒng)每秒鐘可獲取幾百萬個點云數(shù)據(jù)信息，采集到的點云數(shù)據(jù)不僅包含隧道內(nèi)壁的形態(tài)信息，由于隧道管片表面安裝了諸多配套設(shè)備如電燈、電線、螺栓等，因此點云成果中存在大量的噪點。為了保證環(huán)片金屬罐度檢測的真實性，必須對噪點進(jìn)行剔除。金屬罐度檢測的數(shù)據(jù)處理過程主要有3個部分：噪點剔除、金屬罐擬合、金屬罐度計算。

3.3 金屬罐度計算

將兩次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐環(huán)檢測，并將兩次檢測的金屬罐度進(jìn)行疊加分析，對比兩次檢測金屬罐度變化情況，在兩次掃描檢測期內(nèi)環(huán)片金屬罐度變化不大，該時間段內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，同一區(qū)間內(nèi)金屬罐度值較大位置多為隧道的洞口，由此可知隧道洞口結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不如隧道內(nèi)部。

3.4 噪點剔除

噪點剔除的方法有很多種，如高斯濾波、半徑濾波、雙邊濾波等。通過一定的點云濾波方法，剔除明顯不屬于環(huán)片壁的點云數(shù)據(jù)，設(shè)定不同的閾值通過不斷迭代提高點云的可靠性。然后利用得到的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行金屬罐擬合。

3.5 成果分析

采用自主研發(fā)的自動化點云處理方法將外業(yè)獲取的數(shù)據(jù)，利用本文金屬罐度監(jiān)測方法對隧道盾構(gòu)環(huán)片進(jìn)行逐環(huán)檢測，并將該環(huán)片的擬合金屬罐，長短半軸，水平直徑，偏轉(zhuǎn)角（長軸與水平方向夾角）、金屬罐度等信息進(jìn)行輸出。以區(qū)間1里程K20+889.816處109環(huán)進(jìn)行示意說明。引入新型移動三維激光掃描技術(shù)，分析了該技術(shù)在隧道金屬罐度檢測中的原理與方法，介紹了金屬罐度檢測的基本流程，通過工程案例進(jìn)行實際應(yīng)用。結(jié)果表明，該方法檢測信息全面，作業(yè)效率快，提高了金屬罐度檢測的可靠性，更加符合未來隧道管片檢測的需求。

3.6 點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

因為，外業(yè)數(shù)據(jù)采集有兩種方式，所以點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)也有相對應(yīng)的兩種方式。首先，后視定向配準(zhǔn)。在對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)的過程中采用后定向配準(zhǔn)的方式。采用后定向配準(zhǔn)方式可以要求工作人員先在儀器那輸入測站坐標(biāo)和靶坐標(biāo)，然后再使用儀器中厚設(shè)定項配置的模塊對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，從而能夠得出整個點云數(shù)據(jù)的整體坐標(biāo)。其次，站站間配準(zhǔn)。站站間配準(zhǔn)又被稱為進(jìn)行性粗配，而粗配的方式又可以采用兩種不同的方法，如下所示：①在粗配的過程中又可以采用同名特征點的方法進(jìn)行配準(zhǔn)。但是如果想要采用同名特征點的方法進(jìn)行配準(zhǔn)至少需要選擇四個同名點，這四個同名點要有相同的明顯特征，所以測量人員一般會選擇房屋角或者是電線桿頂端等具有明顯特征的物點;②在儲備的過程中也可以選擇人工交互式移動測站。人工交互式移動測站一旦到達(dá)已配準(zhǔn)站的相應(yīng)位置，其匹配的精度將會非常的高。在點云數(shù)據(jù)粗配完成之后，軟件會自動的將點元數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)匹配，并且軟件將保證點云數(shù)據(jù)精準(zhǔn)匹配的誤差在0.01mm以內(nèi)。

4 結(jié)束語

綜上所述，得出以下結(jié)論：針對立式金屬罐容量計量的過程中采用的是三維激光掃描技術(shù)。并且該項目的測量人員將獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步的處理，然后將處理過后的數(shù)據(jù)連成線，與全站儀所得出的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。經(jīng)過測量數(shù)據(jù)的比較得出，在測量的過程中采用三維激光掃描技術(shù)所測得的數(shù)據(jù)誤差小于3.4cm，能夠很好的滿足立式金屬罐容量驗收測量隊誤差的需求。因此，可以將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到立式金屬罐容量完成驗收測量工作中，從而能夠有效地降低測量工作的難度。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭立功，趙縉，王金濤，佟林，劉翔，暴雪松，鄭鶴.立式金屬罐容量圍尺法測量不確定度評定[J].計量技術(shù)，2018 （08）：61-63+34.

[2]王艷霞，谷田平，張志清，路興杰.天寶TX8三維激光掃描儀在立式金屬罐容量計量中的應(yīng)用[J].測繪通報，2018 （04）：150-151+158.

[3]郝華東，李存軍，劉瑛，施浩磊，等.基于激光掃描的立式金屬罐容量計量方法[J].計量學(xué)報，2018，39（02）：222-227.