三維激光掃描技術(shù)在立式金屬罐容量計(jì)量中的應(yīng)用研究

袁少輝 劉應(yīng)乾

摘 要：近年來(lái)，隨著時(shí)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(jī)械制造、逆向工程、虛擬現(xiàn)實(shí)和大容量測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域。使用三維激光掃描儀能夠快速、便捷的獲取被測(cè)物表面特征點(diǎn)的高精度三維坐標(biāo)信息，即點(diǎn)云數(shù)據(jù)。所以，針對(duì)在立式金屬罐容量計(jì)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(yàn)，對(duì)三維激光掃描技術(shù)在立式金屬罐容量計(jì)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(jì)量;應(yīng)用研究

基于在立式金屬罐容量計(jì)量中的應(yīng)用研究，提出有效方法開(kāi)發(fā)的三維激光掃描儀點(diǎn)云處理軟件盡管沒(méi)有達(dá)到很高的智能化水平，但由于我國(guó)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(duì)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(jì)量等操作，得到可靠的計(jì)算結(jié)果。

1 三維激光掃描技術(shù)簡(jiǎn)介

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

又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。它是通過(guò)對(duì)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(diǎn)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(shí)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(tái)高速、精確的激光測(cè)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(cè)距儀主動(dòng)發(fā)射激光，同時(shí)接收由自然物表面反射的信號(hào)，計(jì)算出距離。針對(duì)每一個(gè)掃描點(diǎn)可測(cè)得測(cè)站至掃描點(diǎn)的斜距、水平角和垂直角，從而得到每一掃描點(diǎn)與測(cè)站的空間相對(duì)坐標(biāo)。如果輸入測(cè)站點(diǎn)的工程三維空間坐標(biāo)，就可以求得任一掃描點(diǎn)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(diǎn)和優(yōu)勢(shì)就在于能夠快速掃描被測(cè)物體，不用反射棱鏡配合即可直接獲得高精度的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這樣一來(lái)可以高效地對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行三維建模和虛擬重現(xiàn)。通過(guò)構(gòu)建三維數(shù)據(jù)庫(kù)，三維掃描可以達(dá)到測(cè)量、模擬和分析空間三維物體的目的。測(cè)繪技術(shù)由傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量，到面式、體式測(cè)量，由原來(lái)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(cè)量領(lǐng)域的革命性技術(shù)，在測(cè)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(dòng)化水平低，任務(wù)復(fù)雜，效率低;高空作業(yè)，操作風(fēng)險(xiǎn)高;測(cè)量點(diǎn)相對(duì)較少，無(wú)法完全反映坦克墻信息，測(cè)量準(zhǔn)確度不高，因此，坦克某處發(fā)生變形時(shí)，測(cè)量誤差可能會(huì)顯著增加。

3 三維激光掃描技術(shù)在立式金屬罐容量計(jì)量中的應(yīng)用研究

3.1圈板直徑測(cè)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(duì)接焊接，環(huán)形焊接根據(jù)使用要求用對(duì)接或搭接連接進(jìn)行焊接。圓環(huán)板下面主要是套筒、對(duì)接、交互式和混合式。這導(dǎo)致垂直金屬罐中每個(gè)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(dú)測(cè)量每個(gè)圓環(huán)板的直徑，因?yàn)榈撞繄A環(huán)厚度相對(duì)較大。擦拭法通過(guò)測(cè)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(lái)計(jì)算圓環(huán)板直徑，該方法在工具精度高、測(cè)量方法合適的情況下可以獲得更好的測(cè)量結(jié)果，但該方法需要花費(fèi)大量時(shí)間和高空作業(yè)，因此存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，并且在坦克變形時(shí)測(cè)量誤差會(huì)更大。光學(xué)垂直準(zhǔn)直方法首先使用擦拭法測(cè)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(jì)測(cè)量罐直徑方向連接的垂直線的半徑偏差，依次獲得每個(gè)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(cè)量目標(biāo)點(diǎn)，同時(shí)使用長(zhǎng)度和角度測(cè)量圓環(huán)直徑的方法。這種方法可以避免高空作業(yè)，但對(duì)儀器測(cè)量精度的要求很高。全站儀方法是一種利用全站儀電子測(cè)距、角度測(cè)量和數(shù)據(jù)處理等功能測(cè)量每個(gè)環(huán)板直徑和高度的方法。這種方法耗時(shí)少，自動(dòng)化程度高，但測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量并不能完全反映坦克的情況。

3.2 金屬罐檢測(cè)處理方法

該系統(tǒng)每秒鐘可獲取幾百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，采集到的點(diǎn)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(diǎn)云成果中存在大量的噪點(diǎn)。為了保證環(huán)片金屬罐度檢測(cè)的真實(shí)性，必須對(duì)噪點(diǎn)進(jìn)行剔除。金屬罐度檢測(cè)的數(shù)據(jù)處理過(guò)程主要有3個(gè)部分：噪點(diǎn)剔除、金屬罐擬合、金屬罐度計(jì)算。

3.3 金屬罐度計(jì)算

將兩次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐環(huán)檢測(cè)，并將兩次檢測(cè)的金屬罐度進(jìn)行疊加分析，對(duì)比兩次檢測(cè)金屬罐度變化情況，在兩次掃描檢測(cè)期內(nèi)環(huán)片金屬罐度變化不大，該時(shí)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(diǎn)剔除

噪點(diǎn)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(guò)一定的點(diǎn)云濾波方法，剔除明顯不屬于環(huán)片壁的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，設(shè)定不同的閾值通過(guò)不斷迭代提高點(diǎn)云的可靠性。然后利用得到的點(diǎn)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(dòng)化點(diǎn)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(cè)方法對(duì)隧道盾構(gòu)環(huán)片進(jìn)行逐環(huán)檢測(cè)，并將該環(huán)片的擬合金屬罐，長(zhǎng)短半軸，水平直徑，偏轉(zhuǎn)角（長(zhǎng)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(shuō)明。引入新型移動(dòng)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(cè)中的原理與方法，介紹了金屬罐度檢測(cè)的基本流程，通過(guò)工程案例進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果表明，該方法檢測(cè)信息全面，作業(yè)效率快，提高了金屬罐度檢測(cè)的可靠性，更加符合未來(lái)隧道管片檢測(cè)的需求。

3.6 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

因?yàn)?，外業(yè)數(shù)據(jù)采集有兩種方式，所以點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)也有相對(duì)應(yīng)的兩種方式。首先，后視定向配準(zhǔn)。在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)的過(guò)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(cè)站坐標(biāo)和靶坐標(biāo)，然后再使用儀器中厚設(shè)定項(xiàng)配置的模塊對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，從而能夠得出整個(gè)點(diǎn)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(guò)程中又可以采用同名特征點(diǎn)的方法進(jìn)行配準(zhǔn)。但是如果想要采用同名特征點(diǎn)的方法進(jìn)行配準(zhǔn)至少需要選擇四個(gè)同名點(diǎn)，這四個(gè)同名點(diǎn)要有相同的明顯特征，所以測(cè)量人員一般會(huì)選擇房屋角或者是電線桿頂端等具有明顯特征的物點(diǎn);②在儲(chǔ)備的過(guò)程中也可以選擇人工交互式移動(dòng)測(cè)站。人工交互式移動(dòng)測(cè)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(huì)非常的高。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)粗配完成之后，軟件會(huì)自動(dòng)的將點(diǎn)元數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)匹配，并且軟件將保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)精準(zhǔn)匹配的誤差在0.01mm以內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，得出以下結(jié)論：針對(duì)立式金屬罐容量計(jì)量的過(guò)程中采用的是三維激光掃描技術(shù)。并且該項(xiàng)目的測(cè)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(guò)后的數(shù)據(jù)連成線，與全站儀所得出的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。經(jīng)過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)的比較得出，在測(cè)量的過(guò)程中采用三維激光掃描技術(shù)所測(cè)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(yàn)收測(cè)量隊(duì)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(yàn)收測(cè)量工作中，從而能夠有效地降低測(cè)量工作的難度。

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