基于三維點云數(shù)據(jù)的油罐罐頂變形檢測

王馳

摘? 要：石油安全關(guān)系著一個社會的穩(wěn)定和人民生活安全，定期檢測石油油罐變形情況，是保證油罐安全的重要方法。傳統(tǒng)的油罐檢測方法存在著檢測結(jié)果精確度低問題。針對這一問題，提出一種基于三維點與數(shù)據(jù)的油罐罐頂變形檢測方法，并對其云數(shù)據(jù)的采集以及各參數(shù)的計算進行詳細(xì)的設(shè)計。通過實驗證明，與傳統(tǒng)檢測方法相比，新的檢測方法的精確度更高，更適用于實際的石油油罐的變形檢測。

關(guān)鍵詞：三維? 點云數(shù)據(jù)? 油罐? 變形

油罐是石油化工行業(yè)中最常用的存儲容器，油罐長時間使用后，會受到其自身材質(zhì)變性以及外界環(huán)境等因素的綜合影響，導(dǎo)致油罐的罐頂出現(xiàn)不同程度的幾何變形，降低耐壓性，對于石化行業(yè)的安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重的威脅[1]。傳統(tǒng)檢測方法有徑向偏差儀法、光學(xué)參比線法等[2]，操作流程復(fù)雜，且儀器精密脆弱，較為笨重，機動性較差，檢測出的結(jié)果精確度較低，因此傳統(tǒng)方法應(yīng)用于對油罐的變形檢測尚存在缺陷。為此，設(shè)計一種激光三維掃描檢測方法，實現(xiàn)油罐罐頂變形量的檢測。

1? 油罐罐頂變形檢測方法設(shè)計

儲存石油的油罐分為空油罐和在役油罐兩種。對于空油罐的罐頂變形檢測可以充分利用油罐內(nèi)部的巨大空間，在油罐中的浮頂板上放置相應(yīng)的測量儀器，對其罐頂?shù)淖冃芜M行檢測;而對于在役油罐，即油罐中裝有石油的油罐，對其罐頂進行變形檢測，處于安全考慮，建立了一種激光三維掃描基于三維點云數(shù)據(jù)的檢測方法[3]。這種檢測方法首先是將云數(shù)據(jù)進行采集再經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚淼玫綑z測結(jié)果。

1.1 采集點云數(shù)據(jù)

在采集油罐罐頂上的點云數(shù)據(jù)前，詳細(xì)掌握油罐所在場地內(nèi)的所有油罐分布及地理位置，并做好檢測計劃。選取適合檢測的測試點以及標(biāo)靶的位置，讓每兩個測試點上有足夠的重合部分，并且每兩個測試點要有4個共同使用的標(biāo)靶。將檢測儀器調(diào)節(jié)成水平并架設(shè)好，在儀器中事先設(shè)定好相應(yīng)的分布率數(shù)據(jù)以及點云質(zhì)量信息。

采集油罐罐頂?shù)狞c云數(shù)據(jù)可以分為兩種方法：一是內(nèi)測法;二是外測法。內(nèi)測法是將三維激光掃描儀器放置在油罐的罐底中心位置，通過一次完整的掃描即可獲取到所需要的點云數(shù)據(jù)，這種方法只適用于油罐中沒有石油存儲，且內(nèi)部清潔。外測法是將測試點設(shè)置在油罐外部，對于油罐中裝有石油的油罐同樣適用，以此可以完成對油罐罐頂?shù)淖冃螜z測。利用外測法測量時需要特別注意測量基點的選擇以及點位重復(fù)測量的精準(zhǔn)匹配問題。

1.2 點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

在采集到的點云數(shù)據(jù)中包含了油罐罐頂?shù)葴y量對象周圍的點云數(shù)據(jù)與噪點信息，以此應(yīng)首先對點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。預(yù)處理的步驟分為拼接、去噪、切片三步。

（1）拼接。運用相關(guān)的點云數(shù)據(jù)處理軟件對點云數(shù)據(jù)的標(biāo)靶進行標(biāo)定并拼接。從眾多測試點中選出兩個相鄰的測試點，并對其中共用的4個或4個以上的共用標(biāo)靶進行標(biāo)記并拼接在一起，這樣做的目的是為了讓兩個測試點上采集到的點云數(shù)據(jù)可以共處于一個坐標(biāo)系中，方便后續(xù)的計算。通過這種方法將其他測試點依次進行拼接，最終將所有的測試點獲取到的點云坐標(biāo)都可以轉(zhuǎn)換到一個共同的坐標(biāo)系中。

（2）去噪。利用點云數(shù)據(jù)處理軟件中的刪除功能，對變形檢測結(jié)果沒有幫助的點云數(shù)據(jù)進行初步的刪除處理，再利用該軟件中的去噪指令對點云數(shù)據(jù)中的噪點信息進行消除。

（3）切片。預(yù)先設(shè)定好切片的剪切平面，對油罐罐頂進行切片處理，以此獲取到圈板水平截面以及罐頂?shù)拇怪苯孛娴狞c云數(shù)據(jù)。需要注意的是在對圈板切片時，要選用較小的高度間隔，通常情況下選用不超過15mm的間隔，以此獲取到更多的截面點云數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，這種短距離的間隔獲取到的數(shù)據(jù)信息在后續(xù)的計算中精確度更高，更能體現(xiàn)出油罐罐頂?shù)娜S特征。

1.3 點云數(shù)據(jù)擬合計算

1.3.1 基圓擬合

油罐罐頂?shù)淖冃纹钣嬎阈枰贫?biāo)準(zhǔn)的參考數(shù)據(jù)，通常情況下，油罐的底圈板會受到板焊縫產(chǎn)生的作用力影響，發(fā)生變形的程度是整個油罐中最小的，因此將油罐的底圈板作為標(biāo)準(zhǔn)參考。在對油罐罐頂內(nèi)部進行檢測時，由于檢測會受到油罐空間上的制約，因此選用起始圈板作為標(biāo)準(zhǔn)。通過采集到的油罐基圓上的點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)，利用最小二乘法對基圓進行擬合，以此求得相應(yīng)的擬合圓心以及擬合直徑，并將其作為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。

1.3.2 徑向偏差值計算

徑向偏差值可以通過公式（1）計算得出：

公式（1）中，σ為各圈板的徑向偏差值;L為除標(biāo)準(zhǔn)圈板外的其他圈板點云數(shù)據(jù)到圓心之間的距離;S為標(biāo)準(zhǔn)圈板的點云數(shù)據(jù)到圓心之間的距離。通過計算得到的σ若為正值，則表示油罐罐頂板壁向外突出;若為負(fù)值，則表示油罐罐頂板壁向內(nèi)凹陷。

1.3.3 橢圓度計算

橢圓度的計算是為了檢測油罐罐頂壁板的橫向偏差變形情況，實質(zhì)上是對上文的徑向偏差值做進一步推算，其公式表示為：

公式（2）中，α為該油罐罐頂壁板的橫向橢圓度;L為該油罐圈板的平均直徑大小;Lmax為徑向偏差的最大值;Lmin為徑向偏差的最小值。

2? 實驗論證分析

為了驗證該文方法的有效性，將其與傳統(tǒng)檢測方法進行對比實驗。實驗對象設(shè)定為某一體積大小為500m3的油罐，通過測量得出，該油罐的高度約為6.8m，半徑約為10m，且油罐罐頂具有6層圈板。利用兩種方法對其變形程度進行檢測，圖1為兩種方法的檢測結(jié)果精確度對比。

從圖1可以清晰地看出，該文提出的檢測方法精確度明顯高于傳統(tǒng)檢測方法，且該文檢測方法的精確度基本維持在90%以上，因此可以說明，該方法更具有實際的應(yīng)用價值。

3? 結(jié)語

該文基于三維點云數(shù)據(jù)，提出了一種新的檢測油罐罐頂變形的方法，通過三維激光掃描設(shè)備獲取到油罐罐頂?shù)南嚓P(guān)點云數(shù)據(jù)，并通過對其基圓、徑向偏差以及橢圓度依次進行計算，使得檢測的結(jié)果更加精確，更加直觀地得出油罐罐頂?shù)淖冃吻闆r，實現(xiàn)對油罐罐頂變形的定量分析及評估。通過實驗再次證明了該方法的準(zhǔn)確性和可行性。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳瀚，張思瑾，高見，等.基于多個線激光傳感器旋轉(zhuǎn)掃描的鑄鋼車輪在線三維測量技術(shù)[J].中國激光，2019，46（7）：199-205.

[2] 張銀，任國全，程子陽，等.三維激光雷達(dá)在無人車環(huán)境感知中的應(yīng)用研究[J].激光與光電子學(xué)進展，2019，56（13）：9-19.

[3] 徐亞軍，謝海榮，袁小軍，等.三維激光掃描技術(shù)在異型建筑物施工軸線檢測中的應(yīng)用[J].測繪通報，2019（8）：162-164.