全站儀測量船體分段表面精度方法研究

白 冰，劉玉亮，鄭紹春

（武漢理工大學交通學院，武漢 430063）

0 引 言

在船廠中，精度控制受到高度重視，然而在分段建造過程中，只對船體分段進行長、寬、高以及對角測量以保證精度，對于分段外表面一般不進行精度測量。板材加工時用樣箱保證了每塊板的形狀規格，但是船體分段外表面是由許多塊板材、型材焊接而成，在拼板焊接過程中會造成板的收縮、伸展等變形，使得建造船體分段外表面與設計的船體分段外表面有一定的誤差，將對船舶的性能產生不利影響。對分段外表面進行測量，得到實際船體相對于設計船體的誤差，有利于提高船舶建造精度和質量[1]。基于此，提出一種采用全站儀的對邊測量法測量船體外表面形狀的簡易方法，并結合軟件生成三維模型與設計的三維模型比較，檢驗船體分段外表面建造的精度。

1 測量原理

對邊測量作為一種間接測量，主要根據相對測量原理，獲取兩個無法直接通視的測量點間距離和高差[2]。逆對邊測量法是根據相對測量原理，已知基準點坐標，獲取與此點高度差為Δh目標水線上一點的方法。

水線1為基準水線，水線間距為Δh，以水線1上各點為基準點，在對邊測量模式下，調解全站儀V =Δh（V－測量起點和測量終點的垂向高度差），得到與水線1上基準點高度差為Δh的各點，這些點即為水線2上各點。例：在通視分段的任意O點放置全站儀，A點為水線1上一基準點，在全站儀對邊測量模式下，僅調解V =Δh，得到 A1點，A1點即為水線2上的點（由于船體外表面的曲面變化，A、 A1的水平距離一般不為0），見圖1。全站儀采用球坐標系，L1、 L2為實測平距，α、β為實測豎角，γ為A和 A1實測水平角，并已知A點的坐標要素：平距 L1，水平角θ，豎角α。則 A1點坐標：

圖1 測量原理

2 測量方法

全站儀測量船體分段外表面時依據對邊測量模式，以基準水線上各點為基準點，依次進行垂直掃描，測量各水線上的點，并得到各點坐標。

2.1 全站儀位置

全站儀的位置要保證可以通視整個船體分段外表面。由于船首和船尾曲面變化較復雜，測量船首時，全站儀放置在船首偏前，測量船尾時，全站儀放置在船尾偏后。對于其他的船體分段外表面，全站儀放置只需保證通視外表面即可。整個測量過程中全站儀不發生位移。

2.2 測量步驟

1) 確定船體分段的基準水線，取分段上任意一條平行于設計水線的直線；

2) 用全站儀測得船體分段總長L，高度H。根據總長L在基準水線上選取X個基準點，則基準點間距為L/X，分別為點A, B, ……，根據高度H確定Y條水線，就可以得到水線間距H/Y；

3) 調整全站儀，測量基準水線上 A點的坐標值。在對邊測量模式下，以A為基準點進行垂直掃描，調節全站儀使得V=H/Y，確定目標水線上位置點A1，記錄A1的坐標值，繼續調節V=H/Y，依次可得到A2, A3, ……所有水線上與A點的對應點作全過程測量，調節全站儀對準基準水線點 B，重復上述操作，掃描高度差仍為V=H/Y，得到 B1、B2、B3, ……的坐標值，按照同樣的方法可以依次測出其他點的坐標（見圖2）。

4) 在測量船體輪廓線時，采用全站儀距離模式，掃描船體輪廓線，得到船體輪廓線上各點的坐標。

圖2 分段測量點

2.3 數據采集

將測量到的數據記錄到表1。

表1 數據記錄

表中：L——全站儀照準部中心至測量點的水平距離；ZA——望遠鏡（目鏡）中心垂向角度；HAR——望遠鏡（目鏡）中心水平方位角。

2.4 數據處理

全站儀采用球坐標系，需將其測量的L、ZA、HAR坐標轉換為直角坐標系的X、Y、Z坐標。將ZA、HAR轉換成弧度，再將數據轉換成分段上的點相對于全站儀的空間坐標：

其中：ZA′=90°-ZA

HAR依據角度大小應用源數據或360°-HAR。

可用如表2的EXCEL編輯公式后進行處理，將得到的直角坐標導入3D-CAD中，生成船體分段的外表面[3]，與設計分段外表面相比較，確定船體分段外表面的建造精度。

2.5 測量方法分析

1) 測量點A1, A2, ……與A點所在的橫剖面一般不重合，這是由于調解V=H/Y得到目標水線上的點與基準水線上的點平距不等于 0，根本原因是船體表面曲度造成的。但這并不影響最終生成的三維模型和型線，因為從 A到 A1，B到B1, ……的垂向高度差相同，則A1, B1, ……在同一水線上，同理，A2, B2, ……也在同一水線上，即得到船體分段的水線；

表2 數據處理

2) 在測量過程中，測量點處于以全站儀為坐標原點所構建坐標系中，為保證測量數據正確，全站儀需定點測量；

3) 在船體分段外表面和輪廓線變化很大的地方，增加測量點的密集度，以準確地反映分段外表面的曲度變化。

3 結 語

全站儀逆對邊測量法測量船體分段外表面，以基準水線上的點為基準點，調解高度差，進行垂直掃描，得到其他各水線上的測量點坐標，數據處理導入CAD中生成船體分段表面并得出型值，與設計分段表面和型值對比后，確定誤差，有助于船廠據此對分段進行精加工，提高分段建造精度，保證造船質量。用此方法測量時，全站儀定點測量無需移動，操作簡單、快捷，在船廠運用的可行性良好。

[1] 甘水來. 精益管理在船舶產品開發中的應用研究[J]. 上海造船，2011, (3): 75-78.

[2] 韓偉信. 淺談全站儀對邊測量原理[J]- 測繪與空間地理信息，2010, (4).

[3] 管 官，申 梅，林 焰，紀卓尚. 船體分段測量點數據與CAD模型自動匹配方法研究[J]- 哈爾濱工程大學學報2011, (9).