基于三維激光掃描技術(shù)的無圖紙漁船船體型線獲取方法研究與應(yīng)用

張怡 張彬 焦?fàn)? 張舒

摘要：我國的漁船在所有船舶中數(shù)量占比最多，為實(shí)現(xiàn)對(duì)漁船的安全生產(chǎn)、漁業(yè)資源和環(huán)境等進(jìn)行有效的檢驗(yàn)和管理，圖紙資料是必不可少的依據(jù)。由于歷史原因，部分漁船圖紙資料不全，為了對(duì)這部分漁船進(jìn)行技術(shù)評(píng)估和圖紙還原，尤其是船體型線的還原，對(duì)某地一批有代表性的漁船進(jìn)行了有針對(duì)性的研究，合理地提出采用三維激光掃描的技術(shù)獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并針對(duì)該批漁船的特點(diǎn)調(diào)整船體坐標(biāo)系，獲得可以利用現(xiàn)代船舶計(jì)算和設(shè)計(jì)軟件建模的合適點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方法，并加以應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無圖紙漁船；船體；三維激光掃描；型線獲取

由于歷史原因，我國部分現(xiàn)有漁船存在圖紙資料缺失情況，無法實(shí)施有效的檢驗(yàn)和管理[1]。為進(jìn)行科學(xué)有效的圖紙資料還原工作，型線圖的補(bǔ)充乃是最基礎(chǔ)的一環(huán)。眾所周知，型線圖決定了一艘漁船性能好壞的關(guān)鍵，因此通常漁船都是在設(shè)計(jì)圖紙尤其是型線圖設(shè)計(jì)完成之后再由船廠進(jìn)行建造的。而現(xiàn)有實(shí)船圖紙還原工作是否有意義，其中最重要的一步也就是看型線圖的還原與原船吻合度高不高。由于還原工作的目的主要是用于漁船檢驗(yàn)與管理，而非用于建造新船，故可在精度上進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕詽M足實(shí)際需求。例如鋼質(zhì)漁船的外板在設(shè)計(jì)圖紙中以型線圖的理論線為外板內(nèi)緣，從內(nèi)底板至舷頂列板內(nèi)緣一側(cè)對(duì)齊，而外緣一側(cè)有與板厚的差異并不對(duì)齊。實(shí)際使用的漁船外板外緣不僅有板厚的影響，還有涂裝甚至是腐蝕的影響。實(shí)船外板內(nèi)緣除機(jī)艙、舵機(jī)艙等個(gè)別艙段可在內(nèi)部測(cè)得裸露的外板，魚艙、油艙等艙段或有發(fā)泡材料等敷料影響或因人無法進(jìn)入等原因無法直接測(cè)量。而實(shí)船外板外緣可以在漁船上排之后使用各種技術(shù)手段進(jìn)行測(cè)量。因此考慮直接采用測(cè)量得到的外板外緣數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合還原無圖漁船的型線圖。實(shí)際上根據(jù)同類漁船圖紙?jiān)O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，沿海漁船主船體外板通常設(shè)計(jì)建造使用10 mm厚度以內(nèi)的船用鋼板，與漁船通常的船寬5 m相比，誤差范圍在0.2%以內(nèi)。實(shí)際漁船設(shè)計(jì)建造精度為毫米級(jí)，故可以忽略誤差，直接以測(cè)量的外板外緣作為還原型線圖的理論線進(jìn)行圖紙還原。

1船型特點(diǎn)

漁船船型根據(jù)不同用途、作業(yè)區(qū)域、作業(yè)形式、結(jié)構(gòu)形式、主船體材質(zhì)等分為不同類型，本文針對(duì)某地一批有代表性的需還原圖紙資料的無圖紙資料漁船的特點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)歸納了以下船型特點(diǎn)，匯總?cè)绫?所示。

通過統(tǒng)計(jì)，可發(fā)現(xiàn)本批次需要進(jìn)行圖紙還原工作的無圖紙資料漁船的最大特點(diǎn)——都是單機(jī)單槳船型，材質(zhì)以鋼質(zhì)為主，少部分木質(zhì)及玻璃鋼漁船。從型線還原的角度來看，漁船類型不同的漁船采用的還原方法相似，故可按船長與材質(zhì)對(duì)統(tǒng)計(jì)表進(jìn)一步整合，如表2所示。

67經(jīng)過進(jìn)一步的歸納，鋼質(zhì)漁船占92.8%，木質(zhì)漁船4.4%，玻璃鋼2.8%。以下以圖1某地36米級(jí)鋼質(zhì)拖網(wǎng)漁船側(cè)視圖為例分析鋼質(zhì)單機(jī)單槳單甲板漁船船型特點(diǎn)，研究還原型線的要點(diǎn)，并提出工作步驟。

通常漁船設(shè)計(jì)都是按照有初始縱傾來進(jìn)行設(shè)計(jì)建造的，這樣最直接的好處是可在合理范圍內(nèi)加大螺旋槳的直徑，從而提高螺旋槳的效率。而漁船由于船長與船寬都較小，一般是不設(shè)置平行舯體的。所以僅僅從船體型線上考慮，除了某些船型在船底有設(shè)置立龍骨，主船體上是沒有一個(gè)直接能測(cè)量并定位的平面的。即使有立龍骨也同樣存在縱傾狀態(tài)，而要還原一艘漁船的型線圖，首先需要確定船體坐標(biāo)系，在縱傾的角度未知的情況下是無法確定基線，更無法確定整個(gè)船體坐標(biāo)系的。進(jìn)一步分析該船船型特點(diǎn)，單機(jī)單槳漁船有一個(gè)顯著的特征是舵桿的位置可以確定。根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗(yàn)中國漁船設(shè)計(jì)一般將舵桿處設(shè)置為0號(hào)肋位，或最接近舵桿的肋位為0號(hào)肋位。而無論漁船設(shè)計(jì)的縱傾是什么角度的，舵桿多為垂直于基線方向布置的，只要能用技術(shù)手段找到舵桿的位置，就能以舵桿軸的方向?yàn)閆方向并定出整個(gè)船體坐標(biāo)系。經(jīng)實(shí)船查看及查閱技術(shù)資料，本批次需還原圖紙資料的漁船多采用單板舵的形式，舵桿清晰可見易于測(cè)量，即使老舊漁船有腐蝕等情況，舵桿軸的位置仍是可采集的。

基于采集到舵桿軸的情況下，可通過幾何學(xué)中三點(diǎn)確定一個(gè)平面的方法經(jīng)舵桿軸及船中位置的一點(diǎn)來確定中縱面、以過任意點(diǎn)并垂直舵桿軸來確定水線面、并通過中縱面與水線面找到通過舵桿軸的橫剖面，其中水線面高度的準(zhǔn)確定位還需結(jié)合漁船登記資料中設(shè)計(jì)吃水的高度來確定。三個(gè)基準(zhǔn)面確定之后船體坐標(biāo)系也就確定了，此時(shí)可將船體輪廓按肋位及半寬進(jìn)行切分，將形成的剖面導(dǎo)入NAPA等船舶設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行船體型線的還原。

以上通過找舵桿的方式來定船體坐標(biāo)系適用于船長20 m以上的鋼質(zhì)與木質(zhì)漁船，占本批次漁船總量的75.6%。其余20 m以下的木質(zhì)、鋼質(zhì)及玻璃鋼漁船，由于主尺度過小，大多不設(shè)置固定舵，而采用掛槳機(jī)等形式，因此無法采用找舵桿的方法來確定船體坐標(biāo)系。對(duì)于其中一些設(shè)置固定舵的船型仍可采用上述方法進(jìn)行還原工作。而采用掛槳機(jī)的小型漁船因甲板室所占全船范圍相對(duì)大船更大、更易測(cè)量，而甲板室圍壁又與基線垂直方向布置，因此可采用甲板室圍壁為基準(zhǔn)進(jìn)行船體坐標(biāo)系的確定，同樣采用NAPA等軟件進(jìn)行船體型線的還原。

2型線測(cè)量

2.1傳統(tǒng)方法

型線測(cè)量是否準(zhǔn)確是還原圖紙資料是否科學(xué)的關(guān)鍵。經(jīng)查找文獻(xiàn)資料，曾有劉建全等介紹了一種使用光學(xué)經(jīng)緯儀的測(cè)量方法[2]，胡學(xué)明等則采用了利用水平儀、鋼絲繩、玻璃軟管等測(cè)量型線的方法[3]，但都存在測(cè)量工作量大、精度低等缺陷。隨著電磁波技術(shù)的發(fā)展，船體型線測(cè)量逐漸有人采用全站儀進(jìn)行測(cè)量，雖能有效地提高型線測(cè)量精度，但是其單點(diǎn)采集方法并不能快速獲取船體表面幾何特征信息，且測(cè)量工作量仍然較大。這些方法都只是通過測(cè)量型線站位處的離散點(diǎn)來試圖擬合船體型線。采用人工測(cè)量的方法不僅效率低，而且無法得到完整的船體曲面型值，曲率變化大處的精度也難以保證。

2.2基于三維激光掃描的方法

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用愈加廣泛。吳吉賢等介紹了三維激光掃描技術(shù)在古墓測(cè)繪中的應(yīng)用[4]，劉炫等介紹了三維激光掃描技術(shù)在房產(chǎn)測(cè)量中的應(yīng)用研究[5]， 李衛(wèi)民等介紹了以汽車發(fā)電機(jī)端蓋為研究對(duì)象的三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取及逆向技術(shù)研究[6]。通過三維激光掃描儀的使用，可以將實(shí)物以三維點(diǎn)云的形式存儲(chǔ)與再現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了從單點(diǎn)測(cè)量到面狀測(cè)量、從平面測(cè)量到立體測(cè)量的轉(zhuǎn)變。三維激光掃描技術(shù)是通過拼接、去噪等預(yù)處理后形成空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立船體坐標(biāo)系后導(dǎo)出二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)用于船體型線還原的技術(shù)。以其高密度、高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)繪單點(diǎn)，不僅可提高測(cè)量的效率，更可采集到完整的船體外表面型值，再經(jīng)任意剖切后按需選用。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，一艘30米級(jí)漁船完整掃描船體型線，平均只需約20個(gè)測(cè)站點(diǎn)位置即可采集到足夠的數(shù)據(jù)，三維激光掃描的具體操作流程如圖2所示。

3數(shù)據(jù)處理

3.1三維激光掃描儀的理論依據(jù)

三維激光掃描儀的工作原理是通過接收設(shè)備本身發(fā)射的激光，經(jīng)測(cè)量激光從發(fā)射到返回的時(shí)間測(cè)出斜距，同時(shí)記錄下激光束的水平角與垂直角，從而測(cè)出被測(cè)漁船被測(cè)點(diǎn)相對(duì)于掃描儀中心點(diǎn)的一個(gè)個(gè)三維坐標(biāo)值。掃描儀的測(cè)站點(diǎn)位置簡稱站位，一個(gè)站位若選擇高精度掃描的方式，包含掃描點(diǎn)信息量約為100 mb，統(tǒng)稱一個(gè)掃描點(diǎn)云。如圖3所示，為其中一個(gè)掃描點(diǎn)的原理圖。其中坐標(biāo)原點(diǎn)位于掃描儀的中心，S為斜距，θ為垂直角，α為水平角，該掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)為：

x=Scosθcosα

y=Scosθsinα

z=Ssinθ

環(huán)繞上排的漁船一周合適的位置依次移動(dòng)布置掃描儀的位置，可測(cè)得多個(gè)站位各自的掃描點(diǎn)云，每個(gè)站位都只測(cè)得被測(cè)漁船的一部分外表面特征點(diǎn)云。借助標(biāo)靶球和相應(yīng)的軟件可以將所有的站位測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接起來合成完整的漁船外表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)三點(diǎn)定位原理，每次需要至少有三個(gè)標(biāo)靶球作為將兩站位的點(diǎn)云合并的基礎(chǔ)。

3.2數(shù)據(jù)處理的方法

通過相應(yīng)的軟件操作，可以將全船點(diǎn)云拼接成一個(gè)整體，獲得完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于掃描儀是360°掃描工作，拼接完的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中除了被測(cè)漁船還有現(xiàn)場(chǎng)的人員、地面、建筑、其他船舶等背景元素，稱為噪點(diǎn)。還需進(jìn)行除噪后得到有效點(diǎn)云，這樣即可加快數(shù)據(jù)處理速度又能防止噪點(diǎn)干擾后續(xù)點(diǎn)云處理工作。拼接除噪之后獲得的全船點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其坐標(biāo)系統(tǒng)為以第一站位的掃描儀作為原點(diǎn)的坐標(biāo)系?？赏ㄟ^擬合舵桿、甲板室圍壁等關(guān)鍵特征在全船點(diǎn)云中尋找到實(shí)際的船體坐標(biāo)系，在合適的肋位及半寬位置剖切點(diǎn)云，即可導(dǎo)出dxf文件供建模使用。基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

3.3實(shí)船應(yīng)用

考慮到項(xiàng)目所需測(cè)量的漁船總量大，而所涉及到的漁船多為作業(yè)漁船，每年僅有很短的休漁期等時(shí)間可以上岸檢修并測(cè)量。而這批漁船雖然目前圖紙資料有缺失，但在建造時(shí)通常是批量造船，同一批次船型的型寬與型深相同，船長可能會(huì)因船東的個(gè)性化要求在艏部有升高拉長的區(qū)別，因此該批次船型設(shè)計(jì)水線以下主船體的型線是相同的，性能計(jì)算也就相同，故可對(duì)船型合并以滿足減少漁船上排數(shù)量但仍保證每艘漁船都有合適的船型圖紙進(jìn)行匹配。對(duì)本次還原，圖紙資料項(xiàng)目以《鋼質(zhì)海洋漁船建造規(guī)范2015》為測(cè)量依據(jù)，對(duì)涉及的250個(gè)船型按船長、型寬、型深、作業(yè)方式等進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)。對(duì)于型寬與型深都相同且船長接近的漁船進(jìn)行歸并，共統(tǒng)計(jì)了海洋漁船57個(gè)船型、內(nèi)河漁船35個(gè)船型。每個(gè)船型若船舶數(shù)量小于6艘，則隨機(jī)抽其中1艘船作為被測(cè)量船；若船數(shù)大于6艘，則隨機(jī)抽其中2至3艘船作為被測(cè)量船，實(shí)際共測(cè)量100艘漁船的船型原始數(shù)據(jù)進(jìn)行還原工作。根據(jù)上文提出的數(shù)據(jù)處理方法，結(jié)合漁船上排計(jì)劃，對(duì)本批次無圖紙資料漁船進(jìn)行了掃描并型線還原工作。

如圖5所示，為以舵桿處為基準(zhǔn)調(diào)整的船體點(diǎn)云側(cè)視圖。圖6為擬合后導(dǎo)出的部分肋骨型線的點(diǎn)云圖。圖7為基于肋骨型線點(diǎn)云及漁船登記資料建模并光順之后的肋骨型線圖。

4總結(jié)

本項(xiàng)目利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)某地一批有代表性的漁船進(jìn)行了船體型線圖的還原工作。受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境制約，個(gè)別漁船上排后太接近水面或上排時(shí)遠(yuǎn)離水面但因潮水上漲，掃描時(shí)船艉部缺少合適的位置架設(shè)掃描儀，造成個(gè)別船型艉部型線不完整。將來若采用無人機(jī)搭載掃描儀的方式，可實(shí)現(xiàn)全船外表面的精確掃描，不僅提高整體掃描精度和效率，使原來無法架設(shè)掃描儀的地方都可以采集齊全，更將三維掃描應(yīng)用于船體型線+總布置的全船外表面掃描工作中。

由于歷史原因，我國仍有許多漁船圖紙資料不全，可參考本文總結(jié)的三維掃描并處理的方法應(yīng)用于其他地區(qū)的漁船還原圖紙工作中。隨著漁船檢驗(yàn)部門由原農(nóng)業(yè)部調(diào)整至交通運(yùn)輸部，漁船檢驗(yàn)工作將越來越向商船靠攏，必將有大量類似還原圖紙工作需要展開，基于三維激光掃描并還原的方法不僅能高效準(zhǔn)確地獲得實(shí)船型線，更能解放測(cè)量人員在工作現(xiàn)場(chǎng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，將大量的室外作業(yè)時(shí)間轉(zhuǎn)移至室內(nèi)的數(shù)據(jù)處理時(shí)間，可供相關(guān)工作人員參考采用。

參考文獻(xiàn)：

[1]

趙新穎，胡佩玉，張怡，等.無圖紙資料漁船技術(shù)狀況評(píng)估與圖紙還原研究[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2017，44（02）：67-71.

[2] 劉建全.一種船舶型值測(cè)量方案及精度研究[J].武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（6）：16-17.

[3] 胡學(xué)明.實(shí)船船體型線的測(cè)繪方法[J].船海工程，2008，37（4）：5-7.

[4] 吳吉賢，徐曉峰，杜海燕.三維激光掃描技術(shù)在古墓測(cè)繪中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2017（01）：161-162.

[5] 劉炫，顧波.三維激光掃描技術(shù)在房產(chǎn)測(cè)量中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪與空間地理信息，2017，40（07）：203-204+208.

[6] 李衛(wèi)民，馬平平.三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取及逆向技術(shù)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2015，37（20）：68-70+101.