三維激光掃描技術(shù)在船體型線測(cè)量中的應(yīng)用

林偉恩，謝剛生，謝輝榮

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，廣東 廣州 510642)

一、引 言

船體型線是描述船體形狀和尺寸大小的主要要素，是計(jì)算船舶航海性能、確定其他船舶內(nèi)部構(gòu)件及船體放樣的主要依據(jù)[1]。在船體改造項(xiàng)目中，船體型線測(cè)量是項(xiàng)目精度控制管理中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，為船體改造過程中的設(shè)備安裝、結(jié)構(gòu)件改造、船體形位監(jiān)測(cè)等提供精確的尺寸依據(jù)，直接影響船體建造的質(zhì)量。因此，準(zhǔn)確、高效地獲取船體型線具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)船體型線測(cè)量主要使用卷尺、角尺、吊錘、水平軟管等工具，但是存在測(cè)量工作量大、精度低等缺陷[2-3]。在船體改造項(xiàng)目中，傳統(tǒng)型線測(cè)量的工程量大而且精度較低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件誤差較大，耗材嚴(yán)重并且延誤施工周期。隨著電磁波技術(shù)的發(fā)展，船體型線測(cè)量引入了全站儀測(cè)量技術(shù)，有效地提高了型線測(cè)量精度，但是其單點(diǎn)采集方法不能快速獲取船體表面幾何特征信息，測(cè)量工作量仍然較大[4]。通過有限離散點(diǎn)難以準(zhǔn)確表達(dá)局部形態(tài)復(fù)雜的曲面。因此，需要進(jìn)一步提高船體型線測(cè)量效率和數(shù)據(jù)完整性。

三維激光掃描技術(shù)是一種利用激光測(cè)距原理的新型空間數(shù)據(jù)采集手段，能夠自動(dòng)快速獲取被測(cè)對(duì)象表面密集的三維坐標(biāo)、反射值和紋理信息，形成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此，能夠準(zhǔn)確描述被測(cè)對(duì)象的三維空間位置、形態(tài)和尺寸信息并快速重構(gòu)建其三維模型[5]。相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量模式，三維激光掃描技術(shù)具有高采樣率、高精度、高密度、工作周期短等優(yōu)勢(shì)，通過海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)準(zhǔn)確表達(dá)被測(cè)對(duì)象的空間幾何特征，可以有效解決傳統(tǒng)船體型線測(cè)量中的難題[6]。

二、傳統(tǒng)型線測(cè)量技術(shù)

1. 型線的定義

船體表面是一個(gè)復(fù)雜的空間曲面，如果用工程制圖中的三視圖表達(dá)方法，只能表示船體最大輪廓線，不能準(zhǔn)確地表達(dá)船體的真實(shí)形狀和大小。采用3個(gè)相互垂直的平面與船體相交，將交線投影到3個(gè)相互垂直的視圖上，構(gòu)成船體型線圖。船體型線主要包括橫剖線、縱剖線和水線，分別反映船體形狀沿船長(zhǎng)方向、船寬方向和船深方向的變化情況[7]。通過3個(gè)方向的型線，能夠準(zhǔn)確、完整地表達(dá)船體空間立體形狀。

2. 型線測(cè)量的要求

在船體改造項(xiàng)目中，型線測(cè)量要求主要有以下3點(diǎn)：① 高精度，精度在型線測(cè)量過程中占有首要位置，較大的測(cè)量誤差對(duì)后期船舶施工產(chǎn)生嚴(yán)重影響。實(shí)踐證明，型線測(cè)量誤差極易造成材料浪費(fèi)、施工周期延誤等問題。② 數(shù)字化測(cè)量，減少人工干預(yù)，自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、記錄、處理、存儲(chǔ)和成果輸出。一方面可以降低人為操作引起的誤差，另一方面有利于與現(xiàn)代造船設(shè)計(jì)軟件及相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件融合，便于數(shù)據(jù)后期的管理和使用。③ 高效率，低工作強(qiáng)度。型線測(cè)量一般需要耗費(fèi)大量的人員和測(cè)量設(shè)備，從外業(yè)測(cè)量到內(nèi)業(yè)成圖周期較長(zhǎng)。此外，船塢資源有限，作業(yè)周期過長(zhǎng)容易引起經(jīng)濟(jì)成本提高和影響其他項(xiàng)目的推進(jìn)。

3. 傳統(tǒng)船體型線測(cè)量方法

傳統(tǒng)型線測(cè)量方法首先根據(jù)型線測(cè)量需求和施工現(xiàn)場(chǎng)情況，科學(xué)合理地構(gòu)建控制網(wǎng)格。然后根據(jù)船體自身軸線和水平基準(zhǔn)，利用高精度全站儀測(cè)量控制網(wǎng)格，建立船體坐標(biāo)系。在船體坐標(biāo)系下，根據(jù)船體型線測(cè)量的需求，利用全站儀采集船體曲面數(shù)據(jù)，獲取型線上離散點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。最后，將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件中，依次生成船體型線，并對(duì)橫剖線、縱剖線和水線進(jìn)行光順檢驗(yàn)和修改。

三、三維激光掃描技術(shù)解決方案

1. 三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描儀從工作原理上分為兩類：脈沖式和相位式。脈沖式三維激光掃描儀的工作原理是：激光二極管在脈沖發(fā)射器的觸發(fā)下，周期性地對(duì)外發(fā)射激光脈沖；然后由探測(cè)器接收激光反射信號(hào)，并通過精密時(shí)鐘獲取發(fā)射和接收信號(hào)間的時(shí)間差，根據(jù)式(1)可獲得掃描儀與被測(cè)對(duì)象間的距離[8]

(1)

式中，s表示測(cè)量距離；c表示光速；t表示激光脈沖往返時(shí)間差。

而相位式三維激光掃描儀的工作原理則是通過相位差的方法，間接計(jì)算激光發(fā)射與接收相距的時(shí)間，根據(jù)式(2)可求得對(duì)應(yīng)的測(cè)量距離

(2)

式中,s表示測(cè)量距離;c表示光速;φ表示相位差;f表示頻率。

三維激光掃描儀一般采用儀器坐標(biāo)系，以激光發(fā)射點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，在橫向掃描面內(nèi)建立相互垂直的X軸和Y軸，Z軸與橫向掃描面垂直，構(gòu)成右手坐標(biāo)系。在掃描過程中，三維掃描儀根據(jù)偏轉(zhuǎn)鏡同步記錄每束激光的橫向掃描角度α和縱向掃描角度β，由此獲得被測(cè)對(duì)象表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)(x，y，z)[9]

(3)

2. 三維激光掃描技術(shù)在船體型線測(cè)量中的技術(shù)流程

根據(jù)船體型線測(cè)量的特點(diǎn)和要求，結(jié)合三維激光掃描技術(shù)作業(yè)規(guī)程，本文提出了三維激光掃描技術(shù)在船體型線測(cè)量中的技術(shù)流程，并在實(shí)際項(xiàng)目中加以試驗(yàn)研究。技術(shù)流程主要有5點(diǎn)：

1) 確定掃描路線，布置掃描標(biāo)靶。在三維激光掃描儀有效測(cè)程內(nèi)，掃描標(biāo)靶應(yīng)均勻分布在每一測(cè)站的掃描區(qū)域，合理布置標(biāo)靶能夠有效控制后期數(shù)據(jù)處理精度。

2) 架設(shè)三維激光掃描儀，全面完整地采集船體表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于施工周期短，進(jìn)塢成本大，難以進(jìn)行二次補(bǔ)測(cè)。因此，在測(cè)量項(xiàng)目的推進(jìn)過程中，需要確保掃描數(shù)據(jù)的完整性和有效性。

3) 構(gòu)建控制網(wǎng)，測(cè)量掃描標(biāo)靶坐標(biāo)值。船體型線測(cè)量要求所有型線成果以船體坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，而三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是基于儀器坐標(biāo)系。因此，需要構(gòu)建控制網(wǎng)，建立船體坐標(biāo)系，聯(lián)測(cè)標(biāo)靶坐標(biāo)值。

4) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理中，可以刪除船塢內(nèi)施工人員、車輛和建筑物等非測(cè)量要素，同時(shí)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換到船體坐標(biāo)系下。

5) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模并提取船體型線。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件中，生成船體模型，利用軟件工具提取船體型線。在建模過程中，由于個(gè)別噪點(diǎn)引起的不光順現(xiàn)象，需要嚴(yán)格按照《中國(guó)造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)慎重處理。

三維激光掃描技術(shù)能夠在復(fù)雜的空間環(huán)境下進(jìn)行自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集工作，完整獲取各種復(fù)雜、不規(guī)則實(shí)體對(duì)象的三維空間信息。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以快速重構(gòu)實(shí)體對(duì)象的三維模型，獲取實(shí)體對(duì)象的點(diǎn)、線、面等幾何特征信息。同時(shí)，利用輔助軟件可以對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)和成果模型可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，與其他工程軟件平臺(tái)相互兼容，有利于后期數(shù)據(jù)的進(jìn)一步管理和使用[10]。因此，三維激光掃描技術(shù)在船體型線測(cè)量中具有一定的可行性。

四、案例實(shí)施

1. 項(xiàng)目需求

本項(xiàng)目需要對(duì)一艘長(zhǎng)300余米，寬60余米，高30余米的輪船體左舷型線測(cè)量，并按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)繪制型線圖。為了在施工過程中各項(xiàng)改造工作能夠高效順利進(jìn)行，避免施工周期延誤，減少船塢占用時(shí)間，本項(xiàng)目采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行船體型線測(cè)量。

2. 項(xiàng)目實(shí)施和數(shù)據(jù)處理

項(xiàng)目使用Faro掃描儀獲取船體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使用徠卡全站儀測(cè)量標(biāo)靶坐標(biāo)，利用三維建模軟件Geomagic對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模并提取船體型線。具體步驟如下：

1) 確定掃描路線，合理布置掃描標(biāo)靶，確保每測(cè)站能夠掃描4～5張標(biāo)靶，按規(guī)劃路線完成船體左舷掃描。在船首和船尾部，船體表面幾何特征變化較大，相鄰測(cè)站間距離相對(duì)縮短，以保證數(shù)據(jù)的有效性。

2) 建立控制網(wǎng)，利用全站儀測(cè)量標(biāo)靶三維坐標(biāo)值。通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，得到基于船體坐標(biāo)系下標(biāo)靶的三維坐標(biāo)值。

3) 利用Faro自帶后處理軟件Scene對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步預(yù)處理。首先，在軟件Scene中，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入并保存。在平面視圖模式下，標(biāo)記掃描標(biāo)靶的位置并刪除噪點(diǎn)和冗余物體，以便數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和降低數(shù)據(jù)冗余量，加快數(shù)據(jù)處理速度(如圖1和圖2所示)。然后導(dǎo)入標(biāo)靶坐標(biāo)值，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。由此，可將所有掃描獲取得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)值從儀器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為船體坐標(biāo)系。最后，將預(yù)處理完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出為XYZ格式，以便下一步的建模工作。

圖1 船體原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖2 船體去噪后點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4) 將點(diǎn)云數(shù)據(jù)按一定的規(guī)則分成若干組,分批導(dǎo)入Geomagic軟件中，可以加快建模速度。按照三維建模的一般操作流程對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行二次去噪、合并、封裝等處理，最終得到船體左舷的三維模型(如圖3所示)。

5) 利用Geomagic軟件中截面創(chuàng)建工具，根據(jù)橫剖線、縱剖線和水線剖切的定義選擇剖切平面。然后按照型線繪制要求，確定平面剖切的位置。最后得到相應(yīng)的船體截線(如圖4和圖5所示)。如果存在連續(xù)多條截線間距相同的情況，可以設(shè)置多重截面數(shù)和間距大小，快速生成多條截線。

圖3 船體模型

圖4 船體單條橫剖線

圖5 船體局部橫剖線型圖

3. 成果分析

利用三維激光掃描技術(shù)在一周內(nèi)完成了該艘輪船左舷的數(shù)據(jù)采集和型線圖繪制(約200余條型線)。據(jù)船方技術(shù)人員評(píng)估，若按傳統(tǒng)模式測(cè)繪，整體工期需1個(gè)月左右?，F(xiàn)與傳統(tǒng)測(cè)量模式相比，明顯減少了人員和設(shè)備的需求量，縮短了施工周期，保證了項(xiàng)目推進(jìn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

為了驗(yàn)證三維激光掃描技術(shù)在船體型線測(cè)量中的有效性，本文利用全站儀檢驗(yàn)測(cè)量其中一條船體橫剖線a，在三維模型對(duì)應(yīng)位置提取一條橫剖線b，如圖6所示。假設(shè)全站儀測(cè)量得到的橫剖線a為理論真值，橫剖線b為待檢驗(yàn)線。將橫剖線a、b導(dǎo)入AutoCAD軟件中進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)表明橫剖線a、b存在部分區(qū)域大致重疊，局部區(qū)域出現(xiàn)分離現(xiàn)象，兩橫剖線最大距離處為9.6 mm(如圖7所示)，表明三維激光掃描技術(shù)能夠滿足船體型線的測(cè)量要求。

圖6

圖7 橫剖線a、b對(duì)比分析

五、結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)在船體型線測(cè)量中具有高采樣率、高精度、高密度、工作周期短等優(yōu)勢(shì)，能有效克服傳統(tǒng)測(cè)量中工作強(qiáng)度大、工作效率低等難點(diǎn)。在船體曲面較為復(fù)雜的區(qū)域，通過海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確完整記錄其空間幾何特征信息，解決了單點(diǎn)采集方法應(yīng)用有限離散點(diǎn)擬合曲線的不足。利用三維模型提取船體型線，降低了數(shù)據(jù)處理難度，提高了型線圖繪制效率。通過案例實(shí)施表明三維激光掃描技術(shù)能夠滿足船體型線測(cè)量的基本要求，技術(shù)流程具有可行性。三維激光掃描技術(shù)在船體型線測(cè)量中的推廣，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

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