全站式掃描儀在大面積甲板平整度變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

張 威， 劉序辰， 史艷龍

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

對(duì)于船體大面積、大跨度的通體結(jié)構(gòu)水平甲板而言，其反頂結(jié)構(gòu)支撐因艙內(nèi)空間需求往往設(shè)計(jì)較少，易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形。因此，在其結(jié)構(gòu)貫通后，需對(duì)該甲板進(jìn)行平整度變形監(jiān)測(cè)，以便矯正形變，使其滿足設(shè)計(jì)和功能要求。同時(shí)甲板結(jié)構(gòu)面在建造過(guò)程中還存在多項(xiàng)交叉作業(yè)會(huì)影響平整度的狀態(tài)，因此需對(duì)甲板在建造過(guò)程中與矯正過(guò)程中進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握變形情況，提高精度品質(zhì)與生產(chǎn)效率。

大范圍的結(jié)構(gòu)平整度變形監(jiān)測(cè)無(wú)論是對(duì)建造還是對(duì)管理而言，都具有較大的挑戰(zhàn)。總裝成形后的甲板平整度變形管理主要存在下列幾個(gè)困難點(diǎn)。一是平整度變形監(jiān)測(cè)的效率問(wèn)題：測(cè)量的范圍廣、數(shù)據(jù)量大。二是平整度變形監(jiān)測(cè)的手段需滿足大跨度甲板精度要求：顯然傳統(tǒng)的拉線法已無(wú)法適應(yīng)，需借助光學(xué)測(cè)量設(shè)備實(shí)現(xiàn)，且對(duì)設(shè)備的測(cè)量范圍及測(cè)量精度均有較高要求。三是所選平整度變形監(jiān)測(cè)的設(shè)備需適應(yīng)工況環(huán)境：現(xiàn)場(chǎng)為戶外施工環(huán)境，且該環(huán)境下存在甲板振動(dòng)，因此所選設(shè)備需具備水平自動(dòng)補(bǔ)償功能，否則無(wú)法滿足測(cè)量所需。解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于如何快速、精確、全面地對(duì)整個(gè)甲板實(shí)現(xiàn)多頻次平整度測(cè)量，從而保障生產(chǎn)有序推進(jìn)，強(qiáng)化甲板水平管理能力，促進(jìn)建造品質(zhì)提升。

1 全站式掃描儀

全站式掃描儀是近幾年發(fā)展起來(lái)的新型測(cè)量設(shè)備，該設(shè)備突破傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量模式，使測(cè)量工作更加高效與便捷，為空間三維數(shù)據(jù)的獲取提供了一個(gè)全新的測(cè)量手段。該設(shè)備采用非接觸式激光測(cè)量技術(shù)，以點(diǎn)云的形式采集并保存被測(cè)物體表面的三維坐標(biāo)信息和紋理數(shù)據(jù)[1]。

全站式掃描儀主要包括測(cè)距系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)，同時(shí)也集成數(shù)字?jǐn)z像和儀器內(nèi)部校正等系統(tǒng)。其中，測(cè)距原理與全站儀一致，其掃描工作原理是：以望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)中的距離測(cè)量模塊和角度測(cè)量模塊作為獲取數(shù)據(jù)的硬件基礎(chǔ)，配合電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)掃描。全站式掃描儀獲取點(diǎn)云的方式屬于線掃描模式，即選定掃描區(qū)域后，儀器在起始位置首先驅(qū)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡上下快速轉(zhuǎn)動(dòng)，按照設(shè)定的采樣間隔取得垂直方向上的目標(biāo)點(diǎn)云坐標(biāo)，然后水平轉(zhuǎn)動(dòng)一定間隔，再?gòu)纳现料虏杉c(diǎn)云數(shù)據(jù)，并儲(chǔ)存記錄。設(shè)備掃描獲取點(diǎn)云采用的是空間球坐標(biāo)測(cè)量原理，設(shè)全站式掃描儀對(duì)空間點(diǎn)的水平角、天頂距和斜距測(cè)量值分別為Hz、V、S，空間掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)(x、y、z)[2]為

(1)

在甲板平整度變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用過(guò)程中，全站式掃描儀作業(yè)涉及多步驟操作，按數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析進(jìn)行主體劃分。采集階段為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，主要硬件包括全站式掃描儀、設(shè)站棱鏡組和PC端?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)束后通過(guò)PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析環(huán)節(jié)共分為導(dǎo)入點(diǎn)云、處理噪點(diǎn)、建立平面、標(biāo)注誤差、輸出報(bào)告等5個(gè)步驟，如圖 1所示。

圖1 全站式掃描儀平整度變形監(jiān)測(cè)步驟

2 數(shù)據(jù)采集

全站式掃描儀分別選取3處船體大面積甲板的局部區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)平整度變形數(shù)據(jù)采集。其中：甲板1數(shù)據(jù)采集用時(shí)約15 min，采集點(diǎn)云數(shù)約17 000個(gè)；甲板2數(shù)據(jù)采集用時(shí)約20 min，采集點(diǎn)云數(shù)約23 000個(gè)；甲板3數(shù)據(jù)采集用時(shí)約30 min，采集點(diǎn)云數(shù)約34 000個(gè)。3次采集過(guò)程中均要求盡可能選擇振動(dòng)較小的位置架設(shè)設(shè)備，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行整平并打開水平補(bǔ)償，水平補(bǔ)償范圍±0.25°，該范圍內(nèi)的水平偏離會(huì)自動(dòng)校正。創(chuàng)建測(cè)量作業(yè)后，對(duì)所需采集的區(qū)域平整度進(jìn)行范圍界定，明確掃描范圍；界定完成后設(shè)置所需被測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)云間隔密度，密度的設(shè)定將決定被測(cè)點(diǎn)的數(shù)量及測(cè)量時(shí)間；完成上述步驟后設(shè)備開始自動(dòng)掃描進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其間無(wú)需人為干預(yù)?？紤]到測(cè)量工況的復(fù)雜性，作業(yè)中會(huì)遇到所需掃描位置有遮擋，因此需結(jié)合設(shè)備自身的設(shè)站功能并輔以設(shè)站棱鏡組的架設(shè)進(jìn)行統(tǒng)一坐標(biāo)系建立，有利于提升采集數(shù)據(jù)的整體性。

需要特別說(shuō)明的是，范圍界定和數(shù)據(jù)采集需結(jié)合設(shè)備系統(tǒng)誤差進(jìn)行綜合考慮，使之達(dá)到最佳測(cè)量精度狀態(tài)。系統(tǒng)誤差的大小是由掃描儀自身?xiàng)l件決定的，如激光的發(fā)散度決定掃描儀的有效測(cè)程，隨著距離增加，激光發(fā)散度不斷增加，采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度也隨之降低[3]。應(yīng)用于大面積甲板平整度變形監(jiān)測(cè)，一般要求100 m范圍內(nèi)達(dá)到1 mm精度。以MS60為例，其掃描300 m范圍內(nèi)測(cè)量精度可達(dá)1 mm，滿足應(yīng)用要求。數(shù)據(jù)采集中減小誤差的方法：一是增加掃描儀的測(cè)站點(diǎn)、減小掃描距離，從而降低激光的發(fā)散度；二是可減小激光光束方向與物體表面切平面法線的角度。

3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析全過(guò)程在PC端進(jìn)行，將全站式掃描儀采集的數(shù)據(jù)通過(guò)Polyworks等主流軟件完成整個(gè)后期處理步驟。

3.1 分析環(huán)節(jié)

(1) 導(dǎo)入點(diǎn)云。將全站式掃描儀所采集的甲板平整度點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析軟件，初步觀察所采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性。

(2) 處理噪點(diǎn)。掃描區(qū)域?qū)⒋嬖诖罅吭朦c(diǎn)及多余被測(cè)點(diǎn)，如甲板上擺放的設(shè)備及工具等，需要逐個(gè)進(jìn)行剔除，僅保留待分析的甲板點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(3) 建立平面。平整度變形監(jiān)測(cè)主要是測(cè)量實(shí)測(cè)面與理論面的法向或垂直偏差，因此，對(duì)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需進(jìn)行理論平面建立，并擬合出最佳平面的平整度數(shù)據(jù)。

(4) 標(biāo)注誤差。為了使平整度變形趨勢(shì)觀察更直觀，所有數(shù)據(jù)以色溫圖方式呈現(xiàn)，同時(shí)對(duì)需要量化誤差的點(diǎn)可以進(jìn)行單獨(dú)標(biāo)識(shí)。

(5) 輸出報(bào)告?？缮呻娮踊蚣堎|(zhì)變形監(jiān)測(cè)分析結(jié)果報(bào)告提供給現(xiàn)場(chǎng)，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行平整度變形校正。

3.2 實(shí)測(cè)結(jié)果

依照第3.1節(jié)的步驟可獲取最終3組甲板平整度數(shù)據(jù)，并以點(diǎn)云圖形式呈現(xiàn)，所監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的平整度變形位置與變形量一目了然。

甲板1區(qū)域內(nèi)大部分點(diǎn)處于-15～10 mm之間，局部存在超標(biāo)現(xiàn)象，最高點(diǎn)出現(xiàn)在艏部靠近舯部(33 mm)，最低點(diǎn)出現(xiàn)在甲板中心靠右舷區(qū)域(約-32 mm)，如圖2所示。

圖2 甲板1的實(shí)測(cè)點(diǎn)云平整度色溫圖

圖3 甲板2的實(shí)測(cè)點(diǎn)云平整度色溫圖

甲板2區(qū)域平整度變形大部分處于0～15 mm范圍內(nèi)，局部存在變形較大現(xiàn)象，其中最高點(diǎn)出現(xiàn)在被測(cè)區(qū)域向艉部邊緣位置(29 mm)，最低點(diǎn)出現(xiàn)在被測(cè)區(qū)域中線位置(-14 mm)，如圖3所示。 甲板3區(qū)域平整度變形偏差結(jié)果，最高點(diǎn)16 mm出現(xiàn)在甲板面靠近左舷開口處，最低點(diǎn)-23 mm 出現(xiàn)在右側(cè)開口處，如圖4所示。

圖4 甲板3的實(shí)測(cè)點(diǎn)云平整度色溫圖

4 與傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)比

傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)手段主要通過(guò)全站儀或水準(zhǔn)儀等光學(xué)測(cè)量設(shè)備采集各個(gè)被測(cè)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，取高度坐標(biāo)值判斷每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)之間的高差，得出被測(cè)物平整度精度狀態(tài)，從而判斷是否滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等要求。這種方法的測(cè)量點(diǎn)是逐個(gè)采取的，工作量大，且后期數(shù)據(jù)處理繁瑣，效率低。因此，為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)目標(biāo)，需應(yīng)用更高效精準(zhǔn)的全站式掃描儀對(duì)大面積甲板平整度變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為驗(yàn)證所述合理性，選擇3種設(shè)備進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，具體對(duì)比情況如表 1 所示。

表1 3種監(jiān)測(cè)設(shè)備指標(biāo)對(duì)比

對(duì)比后可發(fā)現(xiàn)，3臺(tái)具有水平補(bǔ)償功能的監(jiān)測(cè)設(shè)備在測(cè)量精度與測(cè)量范圍方面均可滿足大面積甲板的平整度變形監(jiān)測(cè)。在實(shí)測(cè)效率統(tǒng)計(jì)的環(huán)節(jié)中，現(xiàn)場(chǎng)工況非一覽無(wú)余，需避開障礙物進(jìn)行多次設(shè)站，在效率影響性方面3臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備基本是相同的。因?yàn)槿臼綊呙鑳x是自動(dòng)掃描并形成點(diǎn)云的數(shù)據(jù)形式，所以被測(cè)點(diǎn)的采集效率及可測(cè)量性遠(yuǎn)大于需人工采點(diǎn)的水準(zhǔn)儀和全站儀。人工投入方面，水準(zhǔn)儀和全站儀在測(cè)量過(guò)程中需2人協(xié)同完成，而全站式掃描儀為自動(dòng)測(cè)量，無(wú)需人為干預(yù)。傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)方法在操作難易程度、測(cè)量范圍、工作量、自動(dòng)化程度、數(shù)據(jù)形式的客觀性方面各有欠缺。相比之下，全站式掃描儀的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)方法在平整度管理上的所有測(cè)量難題。

5 結(jié) 論

根據(jù)應(yīng)用情況，拋開監(jiān)測(cè)設(shè)備市場(chǎng)價(jià)值，在大面積甲板的平整度變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用上，全站式掃描儀完全適應(yīng)甲板建造工況：有效測(cè)量作業(yè)半徑大，有效測(cè)量距離可達(dá)300 m；測(cè)量精度高，測(cè)量范圍內(nèi)精度可達(dá)1 mm，滿足應(yīng)用要求；測(cè)量效率高，短時(shí)間內(nèi)可掃描上萬(wàn)個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)；勞動(dòng)成本低，1人即可完成測(cè)量作業(yè)。

同時(shí)，在測(cè)量期間被測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)云密度可按需自由設(shè)定，且數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式直觀，最大程度滿足大面積甲板對(duì)平整度變形監(jiān)測(cè)管理上的所有需求。