三維激光測量技術在砂船量方中的應用

梅志能，焦永強，黃雙飛，李書瑭

0　引言

在許多海洋工程建設中，砂是重要的填筑材料之一，大量的砂料是運砂船經過漫長的水上運輸到達施工現場的，每方砂的單價較高，是項目成本的重要組成部分，如何快速、準確地計量是關鍵；在一些用砂量較大的沿海機場建設項目中，砂料量測的準確與否直接影響到項目的盈虧。傳統的人工量方，速度慢、誤差大、晚上量測困難且人員投入多，不能滿足現場施工需求；因此，如何快速、準確地量測砂船的運載量是亟待解決的難題。

三維激光背包掃描儀具有攜帶方便、操作簡單、快速準確等特點，適合在各種復雜條件下作業，將其用于砂船的量方，可有效提高砂船的量方效率與量測精度，確保施工進度與成本得到有效控制。

1　三維激光測量技術

1.1　三維激光的測量工作原理

三維激光測量技術是一種全新的遙感技術，可連續、快速地采集目標物表面的三維空間信息，又稱為“實景復制技術”；該技術具有自動化程度高、受天氣影響小、數據生產周期短、精度高等特點，可廣泛應用于堆料量方、三維測量、森林資源調查、水利水電勘察設計、灘涂地形測量、農作物長勢監測等領域[1-3]。

三維激光背包掃描儀由激光掃描雷達、慣性測量單元（IMU）、控制顯示平板及相關附件組成的移動式激光測量系統；系統利用經典的基于卡爾曼濾波的Slam算法，可實現即時定位與模型構建[4-5]。該測量系統小巧，攜帶方便，測距精度高。三維激光背包系統結構及技術參數如圖1、表1所示。

圖1　三維激光背包Fig.1　3D laser knapsack

表1　三維激光背包技術參數Table1　3Dlaser knapsack technology parameters

1.2　主要技術特點

1）測量速度快、使用靈活便捷；

2）點云數據密集，測量精度以及分辨率非常高；

3）能夠全天候工作，受天氣、氣象等環境影響小；

4）滿足復雜結構目標（如復雜船形結構）的三維建模；

5）數據源多樣性，滿足多種軟件進行數據處理。

1.3　砂船量方

1.3.1砂船量方流程

為提高運輸效率，砂船在裝載過程中往往要冒出船舷很高，總裝載量包括兩部分：艙內部分和船舷以上冒出部分。砂量計算也分兩部分：空艙量、滿載量。

具體的測量作業流程為：砂船空艙艙容測量—砂船滿載測量—方量計算；在實際測量中，也可先測滿艙，卸載后再測空艙，同樣可準確量測砂船的運載量。

1.3.2數據采集方法

1）空艙艙容測量

船舶空艙艙容的準確測量并不是一件容易的事，一些砂船艙形不規則、結構復雜，艙內管道密布，如采用傳統人工拉尺測距的方法量測空艙艙容，測量及計算時間長，成果的準確度非常低，很難滿足現場施工量方要求。

與人工量測方法相比，三維激光背包測量砂船空艙艙容就非常簡單，測量人員背著三維激光掃描儀沿砂船船舷走一圈或半圈，就可測出砂船的空艙艙容；整個測量過程一般在幾分鐘內即可完成，便捷、快速、準確是其最大優勢。

2）滿艙測量

船舶裝滿砂以后，再次用三維激光背包進行測量，測量方法與空艙測量方法相同。

1.3.3砂船方量計算原理

計算原理：如圖2所示，砂船裝載好后，會出現冒艙現象，船艙以下為實測艙容，測一次后即可，艙面以上的部分為冒艙量需要每次測量；計算方量時以船艙上沿為基準面，分別計算出基準面以下及以上的砂量（基面以上為正，基面以下為負），再加上艙容就可準確計算出裝載的砂量。計算公式如下：

V實載方量=V實測艙容-V未滿艙方量+V冒艙方量

式中：V實測艙容為實測的砂船空艙艙容；V未滿艙方量為實測船艙基面以下的空缺部分（圖2中艙內白色部分）；V冒艙方量為實測船艙基面以上冒出部分（圖2中斜線部分）。

圖2　砂船裝砂示意圖Fig.2　Sand laden vessel

2　三維激光量方作業

2.1　驗證測量

2.1.1實船量方外業可行性驗證

首先，進行實船數據采集與計算，測量人員背著三維激光背包上船進行可行性驗證；其次，在不同氣象環境及晚上進行了測試；測量人員分別在雨天、晚上、大風天等環境下對數條砂船進行空載與滿載量方；第三，量方時間的驗證，要求外業測量、內業計算及成果打印在30 min以內完成。可行性的驗證工作相對比較簡單，通過實際的操作驗證很容易實現。

2.1.2測量準確性的測試驗證

測量準確性是量方工作的關鍵，盡管三維激光掃描儀出廠前已采用標準模板法進行了系統的標定及精度指標驗證[6]，但在設備驗收及特殊場景應用等方面仍需進行有針對性的現場比對驗證。

1）距離測量的比對；首先利用三維激光背包對一些復雜的結構進行動態測量，然后人工隨機選取不同位置進行距離的驗證；在驗證測量時隨機比對了36個點，平均誤差為0.011 m，標準差為0.008 m；比對結果顯示：三維激光背包的動態測距精度非常高。

2）固定目標的體積量測比對；選取人工可準確量測的建（構筑）物，如：規則的泥漿池（或游泳池）、混凝土結構等；分別采用人工測量方式、全站儀測量方式及激光背包測量方式進行比對；對近2 000 m3的泥漿池進行了6次的重復測量，互差最大的為12.1 m3誤差僅0.6%，其測量的準確性勿容置疑。

3）砂船測量驗證；分別采用船上和陸上兩種量測比對模式。

第1種，船上測量比對模式；首先利用三維激光背包對自然堆載的砂船進行量方，所測砂船的激光點云如圖3所示；然后將砂船上的砂整理成可人工準確量測的形狀，用激光背包及人工分別多次測量，并對測量結果進行比較，驗證其準確性；整平后激光點云如圖4所示。

圖3　整平前的點云Fig.3　Point cloud before leveling

圖4　整平后的點云Fig.4　Point cloud after leveling

人工3次量方的均值為2 480 m3，激光背包測量3次的均值為2 451 m3，互差僅有29 m3，兩者互差不超過1.2%。

第2種，船砂卸載至規則堆場的驗證模式；先對砂船上自然堆載的砂進行三維激光量測，獲得其船載量，然后將船上的砂全部卸載到平整好的場地上（50 m×20 m），堆載成可人工量測的規則形狀，分別利用三維激光背包、全站儀、人工測量3種方式進行測量。其測量并計算的結果為：1 376 m3、1 372 m3、1 356 m3。3 種方式量測的結果互差最大僅20 m3，相對誤差在1.5%以內，激光背包與全站儀測量值之差僅4 m3，其相對誤差小于0.3%。

2.2　實船量方

為進一步驗證三維激光量方作業方式在現場應用的綜合情況，先后對香港國際機場第三跑道項目3206標段、馬來西亞新山麗都林蔭大道吹填造地項目近百條砂船進行了空載及滿載的三維激光量方作業，應用效果非常理想。

1）外業數據采集

砂船的空艙測量：測量人員背著三維激光背包沿船舷走一圈（或半圈），即使艙深近6 m，也可一次性完成空船船艙的數據采集；現場量測了近百條砂船，對60 m（長）×13 m（寬）×6 m（深）砂船來講，空艙的數據采集時間（包括開機與結果檢查）在3 min以內。

砂船的滿載測量：砂船的滿載測量方法與空艙測量方法相同。值得關注的是，對于超大型船舶來講，堆載的砂太高，測量人員需要走在高處或上砂頂進行量測。

每次外業測量結束后，在現場利用圖1中的控制顯示平板檢查外業測量的質量，確認沒有漏測、扭曲變形就可結束外業測量進入內業數據處理；否則就要重新進行外業數據采集。

2）內業數據處理

測量結束后，用U盤從采集終端中導出原始點云數據（標準的LAS格式），利用Lidar360軟件進行數據的處理與方量計算，計算的流程：數據格式轉換—數據的導入—數據的預處理（數據的裁切、去噪）—方量計算。整個處理流程時間不超過15 min，滿足現場量方作業的時間要求。

3）打印并簽認

為滿足砂船量方結算的確認，選擇可充電的小型打印機，每次計算結束后，現場立即打印出計算結果并供雙方簽字確認；同時，手機掃描打印單上的二維碼可將雙方簽認后的測量成果信息上傳至管理平臺備查。

2.3　簡要分析

1）作業效率

在香港國際機場第三跑道3206標段項目、馬來西亞新山麗都林蔭大道吹填造地項目等工程中，利用三維激光背包測量系統對近百條砂船進行了量方作業，每條船的量測時間都在25 min以內，測量人員僅需2名，作業效率高，滿足全天候量測要求，實用性、可操作性強。

2）準確性

三維激光測量是一種高密度點云全覆蓋測量，采集的數據量更大，計算的更精細，準確性更高。通過一系列內外部測量驗證及實船量測比較，三維激光量方的相對誤差小于2%，對施工量方作業來講，該精度完全滿足各種工程施工的需求。

通過比較也可以發現，三維激光量方是目前最高效、最準確的量測手段。

3　結語

三維激光背包測量系統，將高精度激光掃描技術、Slam算法及慣導技術相結合，使用便捷、測量準確，適用于各種復雜的船舶結構與氣象環境，將該系統用于砂船的量方是一種應用技術的大膽創新；與傳統的砂船量方技術相比，三維激光背包量方技術具有用人少（1～2人）、速度快、準確度高、原始數據及成果可追溯性強的明顯優勢。如廣泛推廣，不但能節約大量的人力、時間及砂源成本，而且還將在一定程度上推動整個行業的工藝與技術進步。

參考文獻：

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