三維激光掃描技術在立式金屬罐容量計量中的應用研究

袁少輝 劉應乾

摘 要：近年來，隨著時代的不斷發展和進步，三維激光掃描技術也迅速成熟，三維激光掃描技術已經滲透到智慧城市建設中例如：機械制造、逆向工程、虛擬現實和大容量測量等多個領域。使用三維激光掃描儀能夠快速、便捷的獲取被測物表面特征點的高精度三維坐標信息，即點云數據。所以，針對在立式金屬罐容量計量中的應用研究具有著十分重要的意義。鑒于此，文章結合筆者多年工作經驗，對三維激光掃描技術在立式金屬罐容量計量中的應用研究提出了一些建議，僅供參考。

關鍵詞：三維激光掃描技術;立式金屬罐容量計量;應用研究

基于在立式金屬罐容量計量中的應用研究，提出有效方法開發的三維激光掃描儀點云處理軟件盡管沒有達到很高的智能化水平，但由于我國工業行業數量非常多，需要使用該軟件的情況較多，必須對軟件使用人員進行一定的培訓，就可以掌握三維激光掃描技術計量等操作，得到可靠的計算結果。

1 三維激光掃描技術簡介

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

又稱“實景復制技術”。它是通過對物體空間外形和輪廓進行激光掃描的方法，快速、大范圍的采集得到物體表面的點云數據（即空間三維坐標數據），并利用相關軟件建立物體的實景三維模型的一種技術方法和手段。三維激光掃描技術是利用一臺高速、精確的激光測距儀，并配備一套反射棱鏡組，引導激光以均勻的角速度掃描。激光測距儀主動發射激光，同時接收由自然物表面反射的信號，計算出距離。針對每一個掃描點可測得測站至掃描點的斜距、水平角和垂直角，從而得到每一掃描點與測站的空間相對坐標。如果輸入測站點的工程三維空間坐標，就可以求得任一掃描點的工程三維空間坐標數據。三維激光掃描技術的特點和優勢就在于能夠快速掃描被測物體，不用反射棱鏡配合即可直接獲得高精度的掃描點云數據，這樣一來可以高效地對真實世界進行三維建模和虛擬重現。通過構建三維數據庫，三維掃描可以達到測量、模擬和分析空間三維物體的目的。測繪技術由傳統的單點測量，到面式、體式測量，由原來的影像與方位數據分離，到如今三維物體影像及方位數據的聯合采集，三維掃描技術是測量領域的革命性技術，在測繪信息領域得到了廣泛的應用。

2 存在的不足之處

自動化水平低，任務復雜，效率低;高空作業，操作風險高;測量點相對較少，無法完全反映坦克墻信息，測量準確度不高，因此，坦克某處發生變形時，測量誤差可能會顯著增加。

3 三維激光掃描技術在立式金屬罐容量計量中的應用研究

3.1圈板直徑測量

立式罐罐壁是油罐的主要受力部件，由環形板焊接成圓形，水箱壁用垂直焊接和環形焊接，垂直焊接通常是對接焊接，環形焊接根據使用要求用對接或搭接連接進行焊接。圓環板下面主要是套筒、對接、交互式和混合式。這導致垂直金屬罐中每個圓環板的直徑不完全相同，考慮到罐壁壓力容量，通常需要單獨測量每個圓環板的直徑，因為底部圓環厚度相對較大。擦拭法通過測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計算圓環板直徑，該方法在工具精度高、測量方法合適的情況下可以獲得更好的測量結果，但該方法需要花費大量時間和高空作業，因此存在一定的風險，并且在坦克變形時測量誤差會更大。光學垂直準直方法首先使用擦拭法測量底部的環形板，然后使用帶有光學垂直準直器或導軌的光學徑向偏差計測量罐直徑方向連接的垂直線的半徑偏差，依次獲得每個環形板直徑。光學三角剖分是一種使用經緯儀的光學準直軸沿水箱的切線方向瞄準測量目標點，同時使用長度和角度測量圓環直徑的方法。這種方法可以避免高空作業，但對儀器測量精度的要求很高。全站儀方法是一種利用全站儀電子測距、角度測量和數據處理等功能測量每個環板直徑和高度的方法。這種方法耗時少，自動化程度高，但測量數據點的數量并不能完全反映坦克的情況。

3.2 金屬罐檢測處理方法

該系統每秒鐘可獲取幾百萬個點云數據信息，采集到的點云數據不僅包含隧道內壁的形態信息，由于隧道管片表面安裝了諸多配套設備如電燈、電線、螺栓等，因此點云成果中存在大量的噪點。為了保證環片金屬罐度檢測的真實性，必須對噪點進行剔除。金屬罐度檢測的數據處理過程主要有3個部分：噪點剔除、金屬罐擬合、金屬罐度計算。

3.3 金屬罐度計算

將兩次采集的數據進行逐環檢測，并將兩次檢測的金屬罐度進行疊加分析，對比兩次檢測金屬罐度變化情況，在兩次掃描檢測期內環片金屬罐度變化不大，該時間段內隧道結構較為穩定，同一區間內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構穩定性不如隧道內部。

3.4 噪點剔除

噪點剔除的方法有很多種，如高斯濾波、半徑濾波、雙邊濾波等。通過一定的點云濾波方法，剔除明顯不屬于環片壁的點云數據，設定不同的閾值通過不斷迭代提高點云的可靠性。然后利用得到的點云數據進行金屬罐擬合。

3.5 成果分析

采用自主研發的自動化點云處理方法將外業獲取的數據，利用本文金屬罐度監測方法對隧道盾構環片進行逐環檢測，并將該環片的擬合金屬罐，長短半軸，水平直徑，偏轉角（長軸與水平方向夾角）、金屬罐度等信息進行輸出。以區間1里程K20+889.816處109環進行示意說明。引入新型移動三維激光掃描技術，分析了該技術在隧道金屬罐度檢測中的原理與方法，介紹了金屬罐度檢測的基本流程，通過工程案例進行實際應用。結果表明，該方法檢測信息全面，作業效率快，提高了金屬罐度檢測的可靠性，更加符合未來隧道管片檢測的需求。

3.6 點云數據配準

因為，外業數據采集有兩種方式，所以點云數據的配準也有相對應的兩種方式。首先，后視定向配準。在對點云數據進行配準的過程中采用后定向配準的方式。采用后定向配準方式可以要求工作人員先在儀器那輸入測站坐標和靶坐標，然后再使用儀器中厚設定項配置的模塊對點云數據進行配準，從而能夠得出整個點云數據的整體坐標。其次，站站間配準。站站間配準又被稱為進行性粗配，而粗配的方式又可以采用兩種不同的方法，如下所示：①在粗配的過程中又可以采用同名特征點的方法進行配準。但是如果想要采用同名特征點的方法進行配準至少需要選擇四個同名點，這四個同名點要有相同的明顯特征，所以測量人員一般會選擇房屋角或者是電線桿頂端等具有明顯特征的物點;②在儲備的過程中也可以選擇人工交互式移動測站。人工交互式移動測站一旦到達已配準站的相應位置，其匹配的精度將會非常的高。在點云數據粗配完成之后，軟件會自動的將點元數據進行精準匹配，并且軟件將保證點云數據精準匹配的誤差在0.01mm以內。

4 結束語

綜上所述，得出以下結論：針對立式金屬罐容量計量的過程中采用的是三維激光掃描技術。并且該項目的測量人員將獲得的數據進行了初步的處理，然后將處理過后的數據連成線，與全站儀所得出的測量數據進行比較。經過測量數據的比較得出，在測量的過程中采用三維激光掃描技術所測得的數據誤差小于3.4cm，能夠很好的滿足立式金屬罐容量驗收測量隊誤差的需求。因此，可以將三維激光掃描技術應用到立式金屬罐容量完成驗收測量工作中，從而能夠有效地降低測量工作的難度。

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