大型儲罐安全檢測中三維激光掃描技術(shù)的應用

張昱涵，趙永濤，關(guān)國偉，張雪

（中國石油集團安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，北京 102206）

大型儲罐具有內(nèi)部管線繁雜、占地面積大等特點，所以，在大型儲罐安全檢測中，需運用無接觸的三維激光掃描技術(shù)，精確獲取罐體內(nèi)點云數(shù)據(jù)、檢測指標計算數(shù)據(jù)，從而在保證大型儲罐安全檢測效率的基礎(chǔ)上，解決傳統(tǒng)人工檢測存在的安全隱患。因此，本文大型儲罐安全檢測工作中，三維激光掃描儀器的具體應用展開討論，旨在突出三維少教技術(shù)實踐優(yōu)勢，為儲罐安全檢測提供準確的評估參數(shù)。

1 大型儲罐安全檢測相關(guān)概述

大型儲罐是我國化工原料、油氣資源存儲的基礎(chǔ)裝備，其安裝檢測效果直接影響著相關(guān)材料的運輸與使用。具體來說，在大型儲罐服役期間，受材料、外部環(huán)境等因素的影響，儲罐壁板、罐頂會產(chǎn)生變形或沉降問題，使得儲罐無法安全運行。三維激光掃描技術(shù)屬于現(xiàn)代高新技術(shù)，可快速測取大型儲罐的三維坐標值，評估儲罐有無變形、沉降問題。比如，在儲罐沉降檢測中，三維激光掃描技術(shù)在應用中能夠幫助檢測人員采集罐底剖面、失圓度、垂直剖面中的相關(guān)數(shù)據(jù)，生成儲罐沉降檢測報告。除此之外，三維激光掃描技術(shù)實踐中，大型儲罐安全檢測可以從人工檢測轉(zhuǎn)變?yōu)檫h程檢測，有助于減少人為誤差，提高安全檢測工作效率。

2 三維激光掃描技術(shù)的檢測原理分析

三維激光掃描技術(shù)，同樣被稱為“實景復制技術(shù)”，興起于測繪領(lǐng)域，其在物品掃描中，可以快速獲取目標物三維空間數(shù)據(jù)。

激光測距是三維激光掃描技術(shù)的基本原理，該技術(shù)實踐時可全面記錄大型儲罐三維模型中的立體、平面圖像中的數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀是大型儲罐安全檢測中三維激光掃描技術(shù)的主要載體，該儀器多由反射棱鏡、激光測距儀組成，具有掃描均勻、測量精度高、檢測靈活等特點。檢測人員在三維激光掃描儀使用中，測量大型儲罐垂直、水平方向角，以獲取掃描區(qū)域各測點的空間坐標，從而根據(jù)坐標值評估儲罐安全性能。

除此之外，相較于傳統(tǒng)安全檢測技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)在大型儲罐安全檢測中有著明顯技術(shù)優(yōu)勢：

其一，無接觸、數(shù)據(jù)采集自動化。三維掃描技術(shù)作為高速測量技術(shù)，可無接觸測出大型儲罐坐標數(shù)據(jù)，有助于避免罐體在安全檢測中產(chǎn)生接觸性損傷。再者，大型儲罐安全檢測過程中，三維掃描儀能夠自動收集數(shù)據(jù)，并生成數(shù)字化信號，為儲罐沉降、變形分析與處理奠定基礎(chǔ)。

其二，高速率。基于三維激光掃描技術(shù)，檢測人員可憑借該技術(shù)網(wǎng)格式、點陣式數(shù)據(jù)采集原理，使激光束根據(jù)大型儲罐距離，自動聚焦，快速采集點云數(shù)據(jù)。

其三，實時性。三維激光掃描獲取大型儲罐空間坐標數(shù)據(jù)時，無需外部光源，該儀器可自主完成信號發(fā)射工作，從而使大型儲罐安全檢測工作不受地域、時間限制。

3 大型儲罐安全檢測中三維激光掃描技術(shù)的應用

大型儲罐安全檢測中，應用三維激光掃描技術(shù)的基本方式主要體現(xiàn)在兩方面：一方面，基于三維激光掃描技術(shù)原理，以及大型儲罐安全檢測流程、要求，建立大型儲罐安全檢測系統(tǒng)。另一方面，運用三維激光掃描儀，輔助該類儲罐安全檢測工作，以提高大型儲罐安全檢測效率，保障檢測數(shù)據(jù)精確性。

3.1 建立大型儲罐安全檢測系統(tǒng)

在三維激光掃描技術(shù)支持下所建立的大型儲罐安全檢測系統(tǒng)，可由儲罐形變、可視化界面、安全檢測結(jié)果分析等版塊組成。該系統(tǒng)的建立可在儲罐區(qū)可視化平臺數(shù)據(jù)、三維場景、罐體各時期數(shù)據(jù)的同時與快速更新中，生成大型儲罐安全檢測數(shù)據(jù)。

首先，三維場景的可視化實現(xiàn)是利用場景管理器，在最短時間內(nèi)測定儲罐位置，并根據(jù)儲罐運行實況增減檢測儲罐、快速更新儲罐區(qū)域內(nèi)三維場景。

其次，儲罐形變檢測版塊在具體設(shè)計中，分為形變分析、曲線擬合、切片提取等功能板塊。

其一，切片提取多用于儲罐任意面點數(shù)據(jù)的提取。在曲線擬合過程中，系統(tǒng)會預先對測點云切片展開排序，隨后，借助三次均勻的Bezier曲線擬合大型儲罐各截面曲線，具體原理如下：

其中Pi+k是為云切片控制頂點，n為曲線參數(shù)，且公式中的t取值時應大于0、小于1。

其二，曲線擬合能夠生成罐體空間截面，為儲罐安全檢測結(jié)果分析提供參考依據(jù)。其三，形變分析子版塊是大型儲罐形變檢測模塊中的重要組成部分，可支撐儲罐壁垂直度、圈板傾斜度、罐頂沉降的有效分析。

最后，該系統(tǒng)在儲罐形變、可視化平臺等版塊中獲取大型儲罐檢測數(shù)據(jù)后，相關(guān)數(shù)據(jù)會自動傳輸至安全檢測結(jié)果分析版塊，并通過聯(lián)合相關(guān)變形、沉降數(shù)據(jù)，生成大型儲罐安全檢測結(jié)果。

3.2 靈活運用三維激光掃描儀

三維激光掃描儀是三維激光掃描技術(shù)的有機載體，其在大型儲罐安全檢測中的運用，主要體現(xiàn)在采集外業(yè)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、安全檢測數(shù)據(jù)分析等流程中。

其一，采集外業(yè)數(shù)據(jù)。檢測人員需結(jié)合大型儲罐安全檢測方案，將三維激光掃描以布置在對應區(qū)域，同時，在掃描儀擺放位置確定后利用標靶將其固定，并開啟掃描儀，使其處于調(diào)試狀態(tài)。三維掃描儀整平、校正作業(yè)完成后，可設(shè)置儀器測量參數(shù)，掃描需檢測的大型儲罐。在此期間，為確保儀器掃描數(shù)據(jù)可靠性，檢測人員可在儀器操作界面單獨框選標靶，隨后，在掃描結(jié)束后檢查點云數(shù)據(jù)完整性，若存在數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象，需及時補點掃描。

其二，數(shù)據(jù)處理。經(jīng)外業(yè)作業(yè)采集大型儲罐安全檢測數(shù)據(jù)后，使用點云處理軟件，對數(shù)據(jù)展開預處理。一方面，檢測人員需及時排除點云數(shù)據(jù)中的噪聲點。在測取大型儲罐原始數(shù)據(jù)時，罐體空間內(nèi)坐標體系較多，安全檢測人員只有將噪聲點去除，才能保證檢測數(shù)據(jù)的可用性。另一方面，完成點云數(shù)據(jù)配準工作。其中，數(shù)據(jù)配準是將儲罐中的各坐標匯總，以生成統(tǒng)一坐標系，確保罐體空間信息的系統(tǒng)性。具體來說，檢測人員需基于處理軟件的識別作用，對各測點重疊區(qū)域、相同控制點進行數(shù)據(jù)配準，在獲得中心坐標后，應以基準點為渠道將相關(guān)點云數(shù)據(jù)位置改變，使其統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到同一坐標系內(nèi)。

除此之外，三維激光掃描儀在安全檢測中，會將罐體附件中無關(guān)點記錄，并且在重復掃描、激光入射角差異等因素影響下，數(shù)據(jù)量增加、數(shù)據(jù)預處理難度較大，檢測人員需在安全檢測結(jié)果分析中，提前去除點云數(shù)據(jù)中的冗余數(shù)據(jù)、“飛點”。

其三，安全檢測數(shù)據(jù)分析。以大型儲罐安全檢測中的變形數(shù)據(jù)為例。儲罐變形后，三維掃描儀獲取的切片圓心會產(chǎn)生較大變換，各數(shù)據(jù)在切片擬合后，安全檢測人員可以根據(jù)圓心垂直線、直線夾角、圓心坐標，計算罐體傾斜度，計算公式為：

其中，θi主要指某一切片的傾斜數(shù)值，xi、x0、yi、y0為切片圓心坐標，△H為罐體圈板、切片的間距，計算出罐體傾斜度后，檢測人員可根據(jù)相關(guān)規(guī)定中傾斜度不得大于1度的標準，評估該指標是否符合大型儲罐安全運行要求。三維激光掃描儀在檢出罐頂沉降變形后，檢測人員可利用點云圖，明確異常位置，分析其變形總量，全面反饋大型儲罐安全檢測中的局部變形現(xiàn)象。

檢測大型儲罐基圓時，三維激光掃描儀能夠提取各圈板截面圓心坐標，并利用相關(guān)軟件的平面切割功能，合理設(shè)置各層圈板內(nèi)切片厚度，保證擬合圓形坐標數(shù)據(jù)獲取的準確性，同時可增加切割平面點數(shù)，為安全檢測結(jié)果計算提供依據(jù)。各參數(shù)布設(shè)完成后，檢測人員應及時創(chuàng)建切割平面，提取基圓直徑中的坐標點，計算大型儲罐壁板凹凸度、罐體內(nèi)圈板半橢圓度等檢測數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)在大型儲罐安全檢測中的應用，是利用該技術(shù)原理建立儲罐安全檢測系統(tǒng)，或利用三維激光掃描儀采集大型儲罐內(nèi)的點云數(shù)據(jù)。同時，在點云數(shù)據(jù)匯總中，分析罐體傾斜度、變形、罐壁沉降等安全檢測的核心指標及數(shù)據(jù)，而三維激光掃描技術(shù)在大型儲罐安全檢測中的實踐優(yōu)勢，主要在于該技術(shù)可減少儲罐安全檢測周期，提高檢測效率，保證儲罐安全檢測數(shù)據(jù)的精確性。