基于三維激光掃描儀法的大型立式罐容量的計(jì)量

李焯健

廣州能源檢測(cè)研究院 廣東廣州 511447

立式圓筒型油罐是大宗液態(tài)能源計(jì)量的主要器具也是液態(tài)能源的主要儲(chǔ)存器具，屬國(guó)家強(qiáng)制檢定計(jì)量設(shè)備。我國(guó)是世界液態(tài)能源進(jìn)口第一的國(guó)家，每年進(jìn)口總量居世界第一，如何能夠快速準(zhǔn)確的對(duì)此類容積進(jìn)行檢定，并盡可能減少其計(jì)算錯(cuò)誤是關(guān)系到巨額經(jīng)濟(jì)得失的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此類罐體進(jìn)行計(jì)量的方式主要為幾何測(cè)量法，具體包括圍尺法，導(dǎo)軌光學(xué)測(cè)量法和全站儀法。尺法是目前公認(rèn)的國(guó)際仲裁標(biāo)準(zhǔn)，由于其計(jì)量精度較高，得以廣泛應(yīng)用，但該方法在具體測(cè)量時(shí)需額外搭建腳手架，存在高空作業(yè)的現(xiàn)象，并且需要人員直接進(jìn)行測(cè)量，面對(duì)大量待測(cè)罐體，會(huì)給測(cè)量人員造成極大的勞動(dòng)強(qiáng)度壓力。而目前全站依法是國(guó)內(nèi)質(zhì)檢行業(yè)最常使用的方式，其原理是使用全站儀測(cè)得立式管類，若干三維坐標(biāo)，通過(guò)迭代搜索算法計(jì)算每層圈板的實(shí)際半徑，通過(guò)累加得出其容積。需要注意的是，這類測(cè)量方式屬被動(dòng)測(cè)量，每一個(gè)圓周上能夠測(cè)量的點(diǎn)數(shù)有限，出現(xiàn)的噪聲點(diǎn)出叉點(diǎn)就會(huì)對(duì)最終的計(jì)量結(jié)果造成影響，而且使用全站儀對(duì)罐體進(jìn)行測(cè)量需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，而且目前的技術(shù)條件下無(wú)法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)量方式，所以也與前一種方法同樣面臨著勞動(dòng)強(qiáng)度大，等待周期長(zhǎng)的問(wèn)題。在結(jié)合了多種測(cè)量方式的優(yōu)缺點(diǎn)之后，研究人員發(fā)現(xiàn)想要精準(zhǔn)測(cè)量具體的罐體容量并不是一件很困難的事情，其困難的關(guān)鍵在于面對(duì)大量同類，但內(nèi)部容量具有細(xì)微差異的罐體，如何能夠成批次對(duì)其進(jìn)行容量計(jì)量。上述所有的測(cè)量方式都無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量的手段，而唯有自動(dòng)化測(cè)量手段才是解決此類測(cè)量計(jì)量工作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，等待時(shí)間長(zhǎng)的關(guān)鍵。為了能夠更加準(zhǔn)確快速的實(shí)現(xiàn)對(duì)罐體容量計(jì)量，各個(gè)國(guó)家企業(yè)之間一直在投入大量的研究資源，希望得到一種更先進(jìn)更迅速更準(zhǔn)確的測(cè)量方式。三維激光掃描儀法就是符合上述三種條件，并在現(xiàn)實(shí)條件下已經(jīng)投入應(yīng)用的新型計(jì)量方式。

1 三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描技術(shù)是一種自動(dòng)化高精度立體掃描技術(shù)，又有人員將其稱之為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，可用于將物體表面非接觸空間的信息進(jìn)行獲取，在軟件中整合數(shù)據(jù)重新形成空間信息，三維激光掃描儀種類眾多，按照其工作原理區(qū)分，可分為脈沖式三維激光掃描儀和相位式三維激光掃描儀。前者是通過(guò)測(cè)量激光脈沖從設(shè)備發(fā)出到基因待測(cè)物體反射所用的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，得到目標(biāo)物體與觀測(cè)點(diǎn)之間的距離，而后者是主動(dòng)發(fā)射一束不間斷的整數(shù)波長(zhǎng)激光，通過(guò)計(jì)算發(fā)射波，長(zhǎng)和被測(cè)物體表面返回的激光波長(zhǎng)相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩者相距距離的判斷。兩種激光掃描儀在實(shí)際應(yīng)用中由于其工作原理存在區(qū)別，所以脈沖式三維激光掃描儀的可測(cè)量距離更大，而相位是三維激光掃描儀的單點(diǎn)測(cè)量精度更高。

2 測(cè)量方法

將立式罐沿高度分割成眾多小圓柱累加圓柱體吉吉得到了整個(gè)罐體的中融基，每個(gè)小圓柱的體積大小等于底面積與高度的乘積。對(duì)于三維激光掃描儀法圓柱底面積按照三角形面積加法累計(jì)獲得，該方法最大的特點(diǎn)在于特別適合非理想條件下的圓形截面面積計(jì)算，對(duì)于不規(guī)則圓形截面的計(jì)算精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于手動(dòng)計(jì)算。

三維激光掃描儀通過(guò)對(duì)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行掃描的過(guò)程完成數(shù)據(jù)的收集。在整個(gè)掃描過(guò)程中點(diǎn)與密集噪聲點(diǎn)少點(diǎn)云在圓周上分布均勻，使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，可利用價(jià)值高。對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的歷史觀，當(dāng)儀器置于罐內(nèi)時(shí)，理論上經(jīng)過(guò)一次掃描即可獲取慣類所有的三維坐標(biāo)信息，但由于罐內(nèi)存在相應(yīng)附件，所以建議采用中等分辨率分三站進(jìn)行掃描，當(dāng)儀器置于罐體外部時(shí)，一般采用較高分辨率分五站進(jìn)行掃描。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)，預(yù)處理，精簡(jiǎn)和圈板半徑計(jì)算。不同站點(diǎn)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在于不同的坐標(biāo)系內(nèi)，根據(jù)空間相似變化公式將其轉(zhuǎn)化為同一個(gè)坐標(biāo)系。方便后去進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程包括粗差點(diǎn)剔除和噪聲點(diǎn)濾波。由于儀器精度操作人員的具體操作手法以及罐體表面磨損質(zhì)量等諸多因素的影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)不可避免會(huì)存在一些造成點(diǎn)設(shè)計(jì)合理算法，對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，是減少這些造成伊對(duì)最終計(jì)算結(jié)果的干擾。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方式主要有觀察法中值濾波法和萊伊特準(zhǔn)則。觀察法是通過(guò)儀器自帶的數(shù)據(jù)處理軟件直接刪除明顯的粗差點(diǎn)。中值濾波法是以每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為中心設(shè)計(jì)一個(gè)包含奇數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的滑動(dòng)窗口，對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)中按坐標(biāo)值大小排序用位于坐標(biāo)紙序列中間的坐標(biāo)值代替窗口中心點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行理想化替代。

點(diǎn)云精簡(jiǎn)：對(duì)于由中等分辨率掃描而成的數(shù)據(jù)庫(kù)而言，其中包含了1000多萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)量龐雜的數(shù)據(jù)點(diǎn)，不會(huì)對(duì)油罐計(jì)算容量的精度進(jìn)行明顯提升，反而會(huì)由于處理對(duì)象數(shù)量過(guò)多而降低整體運(yùn)算速度，所以在正式計(jì)算之前需要對(duì)這些點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，由于橫截面大多為規(guī)則圓形，顧客采用等間距簡(jiǎn)化法對(duì)此類數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，也可采用尖角剃除法進(jìn)行點(diǎn)云精簡(jiǎn)，同一橫截面上的連續(xù)點(diǎn)，每相鄰2點(diǎn)之間構(gòu)成一個(gè)有向矢量，相鄰矢量間的角度偏差反映了截面上點(diǎn)的曲率變化。如果這個(gè)矢量夾角滿足小于閾值，閾值而又小于90度的關(guān)系，則該夾角一定為尖角點(diǎn)，需將其剔除。

3 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)對(duì)于立式罐容量的測(cè)量能夠達(dá)到很高的準(zhǔn)確度，并且由于其操作邏輯與過(guò)去的測(cè)量方法完全不同，從底層操作邏輯上就已經(jīng)顛覆了過(guò)去對(duì)于工作效率限制的瓶頸。由于其容積計(jì)算結(jié)果偏差，未超過(guò)1‰且計(jì)量速度極快，因此在未來(lái)一定會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。