基于三維激光掃描的船舶測量技術

陳俊發，黃 港，陳國仁

(1.廣州航海學院，廣東 廣州 510725；2.廣船國際有限公司，廣東 廣州 511458)

三維激光掃描測量作為一種新的現代測量技術，為空間三維信息的獲取提供了全新的方法和手段，其測量采集數據精度高、速度快、操作簡單方便，擁有巨大的效率和成本優勢。三維激光掃描技術在土木工程、建筑、汽車、模具制造等行業應用廣泛[1]，但在船舶行業的應用還處于起步階段，研究及推廣三維激光掃描測量技術在船舶行業的應用將有助于提高船舶建造的精度、質量和效率，進一步提高我國船舶工業的數字化、信息化、智能化設計與制造的綜合能力。

1 傳統測量方法

通常對船舶進行改裝或者加裝設備，需要先利用原船圖紙進行初步方案設計，然后上船進行現場勘探測量，最終根據測量數據利用CAD等二維設計軟件設計出施工圖紙。傳統測量方法一般都是工人采用直尺、卷尺、水平儀、量角器、分度頭、經緯儀等測量工具在現場測量出構件設備的距離、大小、角度、管路直徑等。

由于現代船舶具有大型化、空間結構復雜、設備系統種類多等特點，并且一直處于運營狀態。傳統測量方法不但需要搭設大量腳手架，也要測量人員花費大量的時間進行測量，甚至需要讓船停運，耗費大量人力物力，費用和時間成本巨大，還存在安全風險。并且，這樣的測量方法產生的誤差較大，會導致設計出來的施工圖紙不準確，錯位、干涉等錯誤較多，需要反復測量、頻繁返工返修，致使工程質量和進度無法保證，成本高、效率低。

2 三維激光掃描測量技術在船舶的運用

隨著激光定位和激光掃描技術日漸成熟，把三維激光掃描測量技術運用到船舶測量中，可以很好修正傳統測量方法的缺點和不足。激光掃描方便、快捷、準確，可以得到高精度點云數據和高清全景圖像。并且激光掃描可以在船舶正常航行時進行，不用搭設腳手架，可以避免多次反復測量，降低安全風險，節省大量人力物力及時間，大大降低成本。通過實船激光掃描，我們可以將船舶結構、管系、設備等通過點云的方式呈現到計算機端，可以直接在計算機端測量所獲取的船體各構件及設備的參數，如構件大小、管徑、角度、距離等。在獲取船舶點云數據后，通過逆向建模軟件，將點云數據轉化為船舶實體3D模型。有了船舶實體模型后就可以直接在3D模型里進行相關改裝設計、專業協調、干涉檢查，還可以進行虛擬仿真建造。通過三維設計評審后就可以導出施工圖紙，進行分段和構件預制、管子加工、設備采購等準備工作，這樣的生產組織方式大大縮短船舶的進廠時間，提高了船舶改裝質量和效率。

3 運用三維激光掃描測量技術的要點

3.1 上船掃描

由于船舶的大型化、空間結構復雜、設備系統種類多，實船三維激光掃描精度要求高且工作量大。以一艘19 000 TEU集裝箱船的機艙部分掃描為例，大約需要設置300個站點進行掃描。按照1臺掃描儀、2個熟練操作人員的配比，1組人員大約需要5天時間才能完成整個船尾分段(包含煙囪部分、上甲板、機艙甲板、底甲板、雙層底甲板等)的掃描和點云數據采集。實船機艙三維激光掃描可以安排在船舶正常航行的一個航次期間進行，掃描人員攜帶設備上船掃描，船舶不用停航，不影響船舶正常營運。

3.2 掃描站點設置

掃描站點的設置是根據掃描對象、范圍、規劃路徑、精度要求等，一般在每層甲板按順序布置。另外，設置掃描站點后要放置標靶球，為提高掃描精度提供參考。在空間較大、設備多的復雜區域，利用標靶球可以很大程度降低人為誤差[2]。站點設置和標靶球是三維激光掃描測量的重要基礎工作，可提高掃描準確性、精度，減少時間、空間的浪費。同時，為了方便后續點云數據的拼接配準，站點設置好后要在圖紙上標記對應的站點信息。船舶某區域站點標記示意圖如圖1所示。

圖1 站點標記示意圖

3.3 掃描儀參數設置

掃描儀各種參數設置直接影響點云數據的質量，掃描前工作人員要根據掃描區域的具體情況如空間大小、結構的復雜程度、設備系統的密集情況、光線、濕度、溫度、震動等因素，結合自己的經驗積累，參考說明書中掃描儀參數設置表，對掃描儀的分辨率等各種參數進行設置，中途還需要做些調整。

3.4 關鍵位置注意事項

1)在震動較大區域，由于機艙主機、發電機等設備震動比較大，會影響測量精度，此類區域可以選擇船舶?？扛劭谘b卸貨停機時進行掃描。一艘萬噸級船舶停靠碼頭裝卸貨至少需要2天的時間，該部位掃描大概需要設置30個站點，時間充足。

2)在風、氣流較強區域，由于船舶在海上航行，在上甲板掃描時，一定要避免在大風大浪的情況下進行掃描。以免引起掃描儀抖動，導致掃描質量不佳。

3)在強光區域，需要同時在室內和室外掃描時，一定要注意窗口以及艙門的逆光情況，一般造成這樣的原因多為強太陽光或強燈光。這種情況下，可采取陰天、夜晚或將燈光亮度調低再測量的方法。

4)在大場景，設備又較多時，運用靶向球、棋盤標靶等標記的方式，同時設置較大的分辨率，既能節約掃描時間，又可解決精度較低的問題。在點云處理時，SCENE軟件會自動識別標靶，相對提高點云擬合精度，提高拼接配準的效率[3]。

4 點云數據拼接及處理

點云數據是通過設置好的站點依次進行掃描獲得的，當完成所有站點掃描后，將采集到的各站點掃描數據輸入計算機，應用SCENE等軟件對數據進行精簡、過濾除噪、配準、拼接及合并，形成一個完整、直觀的點云數據[4]。

在實船掃描中，由于設備老化殘缺，掃描設置錯誤；或者被掃描物件的紋理較粗糙、存在皺紋；或者掃描環境的溫度、濕度、曝光度的控制不當等原因，造成測量值與理想值存在一定誤差。這些由于被掃描體的屬性而導致的誤差稱之為隨機誤差。為降低隨機誤差的影響，使測量值最大限度接近理想值，數據處理人員通常會使用中值與均值濾波法進行濾波處理。點云數據處理前后對比圖見圖2。

5 點云數據檢查

配準拼接好完整的點云數據后，可以直接在點云數據上進行任意兩點間的距離測量，可獲得管道大小、鋼材型號、空間距離、角度尺寸等數據，而這些數據的誤差基本控制在2 mm以內。利用掃描儀拍攝的高清全景圖像，對比檢查船舶實體模型和整合后的點云數據是否存在較大偏差、是否需要進行修正。

(a)處理前 (b)處理后圖2 點云數據處理前后對比圖

相比傳統測量方法，三維激光掃描測量技術在精度、速度及操作方便性上擁有很大優勢，在船舶改裝工程中能大幅提高精度、質量和效率，減低成本。研究及推廣三維激光掃描測量技術在船舶行業的應用具有重要意義。