三維激光測量技術(shù)在砂船量方中的應(yīng)用

梅志能，焦永強(qiáng)，黃雙飛，李書瑭

0　引言

在許多海洋工程建設(shè)中，砂是重要的填筑材料之一，大量的砂料是運(yùn)砂船經(jīng)過漫長的水上運(yùn)輸?shù)竭_(dá)施工現(xiàn)場的，每方砂的單價(jià)較高，是項(xiàng)目成本的重要組成部分，如何快速、準(zhǔn)確地計(jì)量是關(guān)鍵；在一些用砂量較大的沿海機(jī)場建設(shè)項(xiàng)目中，砂料量測的準(zhǔn)確與否直接影響到項(xiàng)目的盈虧。傳統(tǒng)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(xiàn)場施工需求；因此，如何快速、準(zhǔn)確地量測砂船的運(yùn)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(zhǔn)確等特點(diǎn)，適合在各種復(fù)雜條件下作業(yè)，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(jìn)度與成本得到有效控制。

1　三維激光測量技術(shù)

1.1　三維激光的測量工作原理

三維激光測量技術(shù)是一種全新的遙感技術(shù)，可連續(xù)、快速地采集目標(biāo)物表面的三維空間信息，又稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”；該技術(shù)具有自動(dòng)化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、精度高等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于堆料量方、三維測量、森林資源調(diào)查、水利水電勘察設(shè)計(jì)、灘涂地形測量、農(nóng)作物長勢監(jiān)測等領(lǐng)域[1-3]。

三維激光背包掃描儀由激光掃描雷達(dá)、慣性測量單元（IMU）、控制顯示平板及相關(guān)附件組成的移動(dòng)式激光測量系統(tǒng)；系統(tǒng)利用經(jīng)典的基于卡爾曼濾波的Slam算法，可實(shí)現(xiàn)即時(shí)定位與模型構(gòu)建[4-5]。該測量系統(tǒng)小巧，攜帶方便，測距精度高。三維激光背包系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)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(shù)參數(shù)Table1　3Dlaser knapsack technology parameters

1.2　主要技術(shù)特點(diǎn)

1）測量速度快、使用靈活便捷；

2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)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(huán)境影響?。?/p>

4）滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)目標(biāo)（如復(fù)雜船形結(jié)構(gòu)）的三維建模；

5）數(shù)據(jù)源多樣性，滿足多種軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.3　砂船量方

1.3.1砂船量方流程

為提高運(yùn)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(nèi)部分和船舷以上冒出部分。砂量計(jì)算也分兩部分：空艙量、滿載量。

具體的測量作業(yè)流程為：砂船空艙艙容測量—砂船滿載測量—方量計(jì)算；在實(shí)際測量中，也可先測滿艙，卸載后再測空艙，同樣可準(zhǔn)確量測砂船的運(yùn)載量。

1.3.2數(shù)據(jù)采集方法

1）空艙艙容測量

船舶空艙艙容的準(zhǔn)確測量并不是一件容易的事，一些砂船艙形不規(guī)則、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，艙內(nèi)管道密布，如采用傳統(tǒng)人工拉尺測距的方法量測空艙艙容，測量及計(jì)算時(shí)間長，成果的準(zhǔn)確度非常低，很難滿足現(xiàn)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(gè)測量過程一般在幾分鐘內(nèi)即可完成，便捷、快速、準(zhǔn)確是其最大優(yōu)勢。

2）滿艙測量

船舶裝滿砂以后，再次用三維激光背包進(jìn)行測量，測量方法與空艙測量方法相同。

1.3.3砂船方量計(jì)算原理

計(jì)算原理：如圖2所示，砂船裝載好后，會(huì)出現(xiàn)冒艙現(xiàn)象，船艙以下為實(shí)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(jì)算方量時(shí)以船艙上沿為基準(zhǔn)面，分別計(jì)算出基準(zhǔn)面以下及以上的砂量（基面以上為正，基面以下為負(fù)），再加上艙容就可準(zhǔn)確計(jì)算出裝載的砂量。計(jì)算公式如下：

V實(shí)載方量=V實(shí)測艙容-V未滿艙方量+V冒艙方量

式中：V實(shí)測艙容為實(shí)測的砂船空艙艙容；V未滿艙方量為實(shí)測船艙基面以下的空缺部分（圖2中艙內(nèi)白色部分）；V冒艙方量為實(shí)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(yè)

2.1　驗(yàn)證測量

2.1.1實(shí)船量方外業(yè)可行性驗(yàn)證

首先，進(jìn)行實(shí)船數(shù)據(jù)采集與計(jì)算，測量人員背著三維激光背包上船進(jìn)行可行性驗(yàn)證；其次，在不同氣象環(huán)境及晚上進(jìn)行了測試；測量人員分別在雨天、晚上、大風(fēng)天等環(huán)境下對數(shù)條砂船進(jìn)行空載與滿載量方；第三，量方時(shí)間的驗(yàn)證，要求外業(yè)測量、內(nèi)業(yè)計(jì)算及成果打印在30 min以內(nèi)完成?？尚行缘尿?yàn)證工作相對比較簡單，通過實(shí)際的操作驗(yàn)證很容易實(shí)現(xiàn)。

2.1.2測量準(zhǔn)確性的測試驗(yàn)證

測量準(zhǔn)確性是量方工作的關(guān)鍵，盡管三維激光掃描儀出廠前已采用標(biāo)準(zhǔn)模板法進(jìn)行了系統(tǒng)的標(biāo)定及精度指標(biāo)驗(yàn)證[6]，但在設(shè)備驗(yàn)收及特殊場景應(yīng)用等方面仍需進(jìn)行有針對性的現(xiàn)場比對驗(yàn)證。

1）距離測量的比對；首先利用三維激光背包對一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量，然后人工隨機(jī)選取不同位置進(jìn)行距離的驗(yàn)證；在驗(yàn)證測量時(shí)隨機(jī)比對了36個(gè)點(diǎn)，平均誤差為0.011 m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.008 m；比對結(jié)果顯示：三維激光背包的動(dòng)態(tài)測距精度非常高。

2）固定目標(biāo)的體積量測比對；選取人工可準(zhǔn)確量測的建（構(gòu)筑）物，如：規(guī)則的泥漿池（或游泳池）、混凝土結(jié)構(gòu)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(jìn)行比對；對近2 000 m3的泥漿池進(jìn)行了6次的重復(fù)測量，互差最大的為12.1 m3誤差僅0.6%，其測量的準(zhǔn)確性勿容置疑。

3）砂船測量驗(yàn)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(jìn)行量方，所測砂船的激光點(diǎn)云如圖3所示；然后將砂船上的砂整理成可人工準(zhǔn)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(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證其準(zhǔn)確性；整平后激光點(diǎn)云如圖4所示。

圖3　整平前的點(diǎn)云Fig.3　Point cloud before leveling

圖4　整平后的點(diǎn)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(guī)則堆場的驗(yàn)證模式；先對砂船上自然堆載的砂進(jìn)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(guī)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(jìn)行測量。其測量并計(jì)算的結(jié)果為：1 376 m3、1 372 m3、1 356 m3。3 種方式量測的結(jié)果互差最大僅20 m3，相對誤差在1.5%以內(nèi)，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(shí)船量方

為進(jìn)一步驗(yàn)證三維激光量方作業(yè)方式在現(xiàn)場應(yīng)用的綜合情況，先后對香港國際機(jī)場第三跑道項(xiàng)目3206標(biāo)段、馬來西亞新山麗都林蔭大道吹填造地項(xiàng)目近百條砂船進(jìn)行了空載及滿載的三維激光量方作業(yè)，應(yīng)用效果非常理想。

1）外業(yè)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集；現(xiàn)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(shù)據(jù)采集時(shí)間（包括開機(jī)與結(jié)果檢查）在3 min以內(nèi)。

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(guān)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(jìn)行量測。

每次外業(yè)測量結(jié)束后，在現(xiàn)場利用圖1中的控制顯示平板檢查外業(yè)測量的質(zhì)量，確認(rèn)沒有漏測、扭曲變形就可結(jié)束外業(yè)測量進(jìn)入內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理；否則就要重新進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集。

2）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

測量結(jié)束后，用U盤從采集終端中導(dǎo)出原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)（標(biāo)準(zhǔn)的LAS格式），利用Lidar360軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與方量計(jì)算，計(jì)算的流程：數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換—數(shù)據(jù)的導(dǎo)入—數(shù)據(jù)的預(yù)處理（數(shù)據(jù)的裁切、去噪）—方量計(jì)算。整個(gè)處理流程時(shí)間不超過15 min，滿足現(xiàn)場量方作業(yè)的時(shí)間要求。

3）打印并簽認(rèn)

為滿足砂船量方結(jié)算的確認(rèn)，選擇可充電的小型打印機(jī)，每次計(jì)算結(jié)束后，現(xiàn)場立即打印出計(jì)算結(jié)果并供雙方簽字確認(rèn)；同時(shí)，手機(jī)掃描打印單上的二維碼可將雙方簽認(rèn)后的測量成果信息上傳至管理平臺(tái)備查。

2.3　簡要分析

1）作業(yè)效率

在香港國際機(jī)場第三跑道3206標(biāo)段項(xiàng)目、馬來西亞新山麗都林蔭大道吹填造地項(xiàng)目等工程中，利用三維激光背包測量系統(tǒng)對近百條砂船進(jìn)行了量方作業(yè)，每條船的量測時(shí)間都在25 min以內(nèi)，測量人員僅需2名，作業(yè)效率高，滿足全天候量測要求，實(shí)用性、可操作性強(qiáng)。

2）準(zhǔn)確性

三維激光測量是一種高密度點(diǎn)云全覆蓋測量，采集的數(shù)據(jù)量更大，計(jì)算的更精細(xì)，準(zhǔn)確性更高。通過一系列內(nèi)外部測量驗(yàn)證及實(shí)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(yè)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(fā)現(xiàn)，三維激光量方是目前最高效、最準(zhǔn)確的量測手段。

3　結(jié)語

三維激光背包測量系統(tǒng)，將高精度激光掃描技術(shù)、Slam算法及慣導(dǎo)技術(shù)相結(jié)合，使用便捷、測量準(zhǔn)確，適用于各種復(fù)雜的船舶結(jié)構(gòu)與氣象環(huán)境，將該系統(tǒng)用于砂船的量方是一種應(yīng)用技術(shù)的大膽創(chuàng)新；與傳統(tǒng)的砂船量方技術(shù)相比，三維激光背包量方技術(shù)具有用人少（1～2人）、速度快、準(zhǔn)確度高、原始數(shù)據(jù)及成果可追溯性強(qiáng)的明顯優(yōu)勢。如廣泛推廣，不但能節(jié)約大量的人力、時(shí)間及砂源成本，而且還將在一定程度上推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的工藝與技術(shù)進(jìn)步。

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