三維激光掃描技術在船體型線測量中的應用

林偉恩，謝剛生，謝輝榮

(華南農業大學 信息學院，廣東 廣州 510642)

一、引 言

船體型線是描述船體形狀和尺寸大小的主要要素，是計算船舶航海性能、確定其他船舶內部構件及船體放樣的主要依據[1]。在船體改造項目中，船體型線測量是項目精度控制管理中的一項重要內容，為船體改造過程中的設備安裝、結構件改造、船體形位監測等提供精確的尺寸依據，直接影響船體建造的質量。因此，準確、高效地獲取船體型線具有重要的現實意義。

傳統船體型線測量主要使用卷尺、角尺、吊錘、水平軟管等工具，但是存在測量工作量大、精度低等缺陷[2-3]。在船體改造項目中，傳統型線測量的工程量大而且精度較低，導致結構件誤差較大，耗材嚴重并且延誤施工周期。隨著電磁波技術的發展，船體型線測量引入了全站儀測量技術，有效地提高了型線測量精度，但是其單點采集方法不能快速獲取船體表面幾何特征信息，測量工作量仍然較大[4]。通過有限離散點難以準確表達局部形態復雜的曲面。因此，需要進一步提高船體型線測量效率和數據完整性。

三維激光掃描技術是一種利用激光測距原理的新型空間數據采集手段，能夠自動快速獲取被測對象表面密集的三維坐標、反射值和紋理信息，形成三維點云數據，因此，能夠準確描述被測對象的三維空間位置、形態和尺寸信息并快速重構建其三維模型[5]。相對于傳統測量模式，三維激光掃描技術具有高采樣率、高精度、高密度、工作周期短等優勢，通過海量的點云數據準確表達被測對象的空間幾何特征，可以有效解決傳統船體型線測量中的難題[6]。

二、傳統型線測量技術

1. 型線的定義

船體表面是一個復雜的空間曲面，如果用工程制圖中的三視圖表達方法，只能表示船體最大輪廓線，不能準確地表達船體的真實形狀和大小。采用3個相互垂直的平面與船體相交，將交線投影到3個相互垂直的視圖上，構成船體型線圖。船體型線主要包括橫剖線、縱剖線和水線，分別反映船體形狀沿船長方向、船寬方向和船深方向的變化情況[7]。通過3個方向的型線，能夠準確、完整地表達船體空間立體形狀。

2. 型線測量的要求

在船體改造項目中，型線測量要求主要有以下3點：① 高精度，精度在型線測量過程中占有首要位置，較大的測量誤差對后期船舶施工產生嚴重影響。實踐證明，型線測量誤差極易造成材料浪費、施工周期延誤等問題。② 數字化測量，減少人工干預，自動化實現數據采集、記錄、處理、存儲和成果輸出。一方面可以降低人為操作引起的誤差，另一方面有利于與現代造船設計軟件及相關數據處理軟件融合，便于數據后期的管理和使用。③ 高效率，低工作強度。型線測量一般需要耗費大量的人員和測量設備，從外業測量到內業成圖周期較長。此外，船塢資源有限，作業周期過長容易引起經濟成本提高和影響其他項目的推進。

3. 傳統船體型線測量方法

傳統型線測量方法首先根據型線測量需求和施工現場情況，科學合理地構建控制網格。然后根據船體自身軸線和水平基準，利用高精度全站儀測量控制網格，建立船體坐標系。在船體坐標系下，根據船體型線測量的需求，利用全站儀采集船體曲面數據，獲取型線上離散點的三維坐標值。最后，將原始數據導入專業的數據處理軟件中，依次生成船體型線，并對橫剖線、縱剖線和水線進行光順檢驗和修改。

三、三維激光掃描技術解決方案

1. 三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描儀從工作原理上分為兩類：脈沖式和相位式。脈沖式三維激光掃描儀的工作原理是：激光二極管在脈沖發射器的觸發下，周期性地對外發射激光脈沖；然后由探測器接收激光反射信號，并通過精密時鐘獲取發射和接收信號間的時間差，根據式(1)可獲得掃描儀與被測對象間的距離[8]

(1)

式中，s表示測量距離；c表示光速；t表示激光脈沖往返時間差。

而相位式三維激光掃描儀的工作原理則是通過相位差的方法，間接計算激光發射與接收相距的時間，根據式(2)可求得對應的測量距離

(2)

式中,s表示測量距離;c表示光速;φ表示相位差;f表示頻率。

三維激光掃描儀一般采用儀器坐標系，以激光發射點為坐標原點，在橫向掃描面內建立相互垂直的X軸和Y軸，Z軸與橫向掃描面垂直，構成右手坐標系。在掃描過程中，三維掃描儀根據偏轉鏡同步記錄每束激光的橫向掃描角度α和縱向掃描角度β，由此獲得被測對象表面點的三維坐標(x，y，z)[9]

(3)

2. 三維激光掃描技術在船體型線測量中的技術流程

根據船體型線測量的特點和要求，結合三維激光掃描技術作業規程，本文提出了三維激光掃描技術在船體型線測量中的技術流程，并在實際項目中加以試驗研究。技術流程主要有5點：

1) 確定掃描路線，布置掃描標靶。在三維激光掃描儀有效測程內，掃描標靶應均勻分布在每一測站的掃描區域，合理布置標靶能夠有效控制后期數據處理精度。

2) 架設三維激光掃描儀，全面完整地采集船體表面點云數據。由于施工周期短，進塢成本大，難以進行二次補測。因此，在測量項目的推進過程中，需要確保掃描數據的完整性和有效性。

3) 構建控制網，測量掃描標靶坐標值。船體型線測量要求所有型線成果以船體坐標系為基準，而三維激光掃描儀獲取的點云數據是基于儀器坐標系。因此，需要構建控制網，建立船體坐標系，聯測標靶坐標值。

4) 點云數據的預處理。在點云數據預處理中，可以刪除船塢內施工人員、車輛和建筑物等非測量要素，同時將點云數據三維坐標值轉換到船體坐標系下。

5) 點云數據建模并提取船體型線。將點云數據導入三維建模軟件中，生成船體模型，利用軟件工具提取船體型線。在建模過程中，由于個別噪點引起的不光順現象，需要嚴格按照《中國造船質量標準》等相關國家標準、行業標準慎重處理。

三維激光掃描技術能夠在復雜的空間環境下進行自動化的數據采集工作，完整獲取各種復雜、不規則實體對象的三維空間信息。利用點云數據可以快速重構實體對象的三維模型，獲取實體對象的點、線、面等幾何特征信息。同時，利用輔助軟件可以對三維點云數據進行各種分析處理。點云數據和成果模型可以進行標準數據格式轉換，與其他工程軟件平臺相互兼容，有利于后期數據的進一步管理和使用[10]。因此，三維激光掃描技術在船體型線測量中具有一定的可行性。

四、案例實施

1. 項目需求

本項目需要對一艘長300余米，寬60余米，高30余米的輪船體左舷型線測量，并按行業標準繪制型線圖。為了在施工過程中各項改造工作能夠高效順利進行，避免施工周期延誤，減少船塢占用時間，本項目采用三維激光掃描技術進行船體型線測量。

2. 項目實施和數據處理

項目使用Faro掃描儀獲取船體點云數據，使用徠卡全站儀測量標靶坐標，利用三維建模軟件Geomagic對點云數據建模并提取船體型線。具體步驟如下：

1) 確定掃描路線，合理布置掃描標靶，確保每測站能夠掃描4～5張標靶，按規劃路線完成船體左舷掃描。在船首和船尾部，船體表面幾何特征變化較大，相鄰測站間距離相對縮短，以保證數據的有效性。

2) 建立控制網，利用全站儀測量標靶三維坐標值。通過坐標轉換方法，得到基于船體坐標系下標靶的三維坐標值。

3) 利用Faro自帶后處理軟件Scene對點云數據進行初步預處理。首先，在軟件Scene中，將點云數據導入并保存。在平面視圖模式下，標記掃描標靶的位置并刪除噪點和冗余物體，以便數據坐標轉換和降低數據冗余量，加快數據處理速度(如圖1和圖2所示)。然后導入標靶坐標值，對點云數據進行坐標轉換。由此，可將所有掃描獲取得到的點云數據坐標值從儀器坐標系轉換為船體坐標系。最后，將預處理完成的點云數據導出為XYZ格式，以便下一步的建模工作。

圖1 船體原始點云數據

圖2 船體去噪后點云數據

4) 將點云數據按一定的規則分成若干組,分批導入Geomagic軟件中，可以加快建模速度。按照三維建模的一般操作流程對點云數據進行二次去噪、合并、封裝等處理，最終得到船體左舷的三維模型(如圖3所示)。

5) 利用Geomagic軟件中截面創建工具，根據橫剖線、縱剖線和水線剖切的定義選擇剖切平面。然后按照型線繪制要求，確定平面剖切的位置。最后得到相應的船體截線(如圖4和圖5所示)。如果存在連續多條截線間距相同的情況，可以設置多重截面數和間距大小，快速生成多條截線。

圖3 船體模型

圖4 船體單條橫剖線

圖5 船體局部橫剖線型圖

3. 成果分析

利用三維激光掃描技術在一周內完成了該艘輪船左舷的數據采集和型線圖繪制(約200余條型線)。據船方技術人員評估，若按傳統模式測繪，整體工期需1個月左右。現與傳統測量模式相比，明顯減少了人員和設備的需求量，縮短了施工周期，保證了項目推進的時間節點。

為了驗證三維激光掃描技術在船體型線測量中的有效性，本文利用全站儀檢驗測量其中一條船體橫剖線a，在三維模型對應位置提取一條橫剖線b，如圖6所示。假設全站儀測量得到的橫剖線a為理論真值，橫剖線b為待檢驗線。將橫剖線a、b導入AutoCAD軟件中進行對比分析，試驗表明橫剖線a、b存在部分區域大致重疊，局部區域出現分離現象，兩橫剖線最大距離處為9.6 mm(如圖7所示)，表明三維激光掃描技術能夠滿足船體型線的測量要求。

圖6

圖7 橫剖線a、b對比分析

五、結束語

三維激光掃描技術在船體型線測量中具有高采樣率、高精度、高密度、工作周期短等優勢，能有效克服傳統測量中工作強度大、工作效率低等難點。在船體曲面較為復雜的區域，通過海量的點云數據能夠準確完整記錄其空間幾何特征信息，解決了單點采集方法應用有限離散點擬合曲線的不足。利用三維模型提取船體型線，降低了數據處理難度，提高了型線圖繪制效率。通過案例實施表明三維激光掃描技術能夠滿足船體型線測量的基本要求，技術流程具有可行性。三維激光掃描技術在船體型線測量中的推廣，具有一定的現實意義和應用價值。

參考文獻：

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