三維精密測量在壓載水系統(tǒng)快速改造中應(yīng)用

謝 榮，梁 艷，謝 易

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211170)

0 引言

全球第一部應(yīng)對船舶壓載水?dāng)y帶外來物種入侵的《國際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》已于2019年1月22日起在我國正式生效，很多船東正有計劃地改造船舶壓載水管理系統(tǒng)，以滿足公約的規(guī)范要求。傳統(tǒng)船舶壓載水系統(tǒng)改造是根據(jù)改造草圖在現(xiàn)場由不確定的程序進行，工程涉及大量的材料加工、復(fù)雜的管道布置和繁瑣的機電設(shè)備安裝。由于改造現(xiàn)場和施工圖紙之間存在差異，很多實際狀態(tài)具有不可預(yù)見性，容易導(dǎo)致工程延期、現(xiàn)場返工、安裝質(zhì)量不符合要求等問題，難于在改造中反映出客戶的準確需求，且增加了施工周期和費用[1]。

為解決船舶壓載水系統(tǒng)高效快速改造還有許多問題，本文應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，采用三維激光掃描、工業(yè)近景攝影等精密測量技術(shù)，通過3D CAD船舶設(shè)計技術(shù)進行船舶改造仿真建模，并應(yīng)用于在役船舶壓載水系統(tǒng)快速改造工程[2]，對船舶快速改造具有一定的實際指導(dǎo)意義。

1 現(xiàn)場勘船和數(shù)據(jù)采集

船舶壓載水系統(tǒng)改造工程需結(jié)合船型、船舶航行區(qū)域和船東的要求進行項目總體規(guī)劃，并以此為基礎(chǔ)進行概念設(shè)計，包括設(shè)備選型、管道布置、施工方案等。本方案采用的硬件設(shè)備包括ScanStation P40三維激光掃描儀和近景工業(yè)攝影測量系統(tǒng)，作業(yè)流程包括現(xiàn)場勘船、數(shù)據(jù)采集、三維數(shù)據(jù)處理、完工3D CAD建模、管路圖改良和生產(chǎn)詳圖設(shè)計等?？焖俑脑旆桨缸鳂I(yè)流程見圖1。

圖1 快速改造方案作業(yè)流程

現(xiàn)場勘船是指施工前根據(jù)現(xiàn)場的實際情況設(shè)計數(shù)據(jù)采集的掃描路徑，優(yōu)化布置掃描位置。設(shè)置掃描站點時需要詳細勘察船舶現(xiàn)場環(huán)境并與相關(guān)技術(shù)人員進行技術(shù)溝通，包括靶位確立、控制網(wǎng)建立，以最少的站點獲取最詳細的數(shù)據(jù)，以便后續(xù)施工方案的正確實施。

根據(jù)船體部分、管道和輔助設(shè)備現(xiàn)場勘察情況設(shè)計出具體的數(shù)據(jù)采集方案，利用高精度三維激光掃描儀對船舶現(xiàn)場物體空間外形和結(jié)構(gòu)進行三維數(shù)據(jù)采集，測量并記錄相關(guān)位置點的信息數(shù)據(jù)，得到改造部位的三維輪廓，獲得相關(guān)物體表面點的三維空間坐標，從而計算出位于測量范圍內(nèi)測量目標的位置距離。激光點云數(shù)據(jù)獲取流程見圖2。

圖2 激光點云數(shù)據(jù)獲取流程圖

在船舶機艙掃描測量時，由于現(xiàn)場設(shè)備較多，有些擬測量點會被設(shè)備遮擋。當(dāng)一個站點的掃描結(jié)束時，需把三維激光掃描儀搬到另外一個地方，進行相同方法的測量，從而補齊被遮擋的空間結(jié)構(gòu)信息，在相同的坐標設(shè)置下，融合成一個位置的空間結(jié)構(gòu)信息。從而獲得大量的多點云信息，整合為復(fù)合互補的位置信息，這樣就可以把測量目標視為一個三維對象[3]。船舶機艙由于空間位置狹窄，通常要測量20個左右站點才能獲得約100 m2的3D CAD模型所需的點云信息，見圖3。為更直觀地體現(xiàn)工作場所的光學(xué)影像數(shù)據(jù)，還可通過設(shè)備外置或內(nèi)置單反相機獲取物體表面高清紋理信息。對于一些需要高精度定位的物標，則利用三維近景攝影設(shè)備進行高精度定位測量，再將測量的三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

圖3 獲取的機艙改造區(qū)域點云數(shù)據(jù)

2 三維數(shù)據(jù)處理

激光點云數(shù)據(jù)處理流程見圖4，按圖中步驟對各個點處測得的點云信息進行處理。

2.1 三維激光掃描站點拼接

將原始點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到自帶Cyclone點云處理軟件，Cyclone的Basic模塊可支持點云的查看、三維瀏覽。整合點云信息，將每一站的掃描數(shù)據(jù)自動拼接到一起。通過三維激光測量檢查能夠獲得船舶機艙中壓載水處理系統(tǒng)布置區(qū)域的點云信息。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程圖

2.2 噪點濾除與點云賦色

在役船壓載水系統(tǒng)改造所涉及到的管道系統(tǒng)分布在一個4層結(jié)構(gòu)的機艙內(nèi)。由于該區(qū)域的上甲板和下甲板之間及凈油機艙室內(nèi)外都敷設(shè)了無數(shù)的管道，因而需要對一個廣泛的區(qū)域進行三維激光測量，再將測量得到的點云信息整合為一個組合式的完工3D CAD模型。在數(shù)據(jù)掃描的過程中，因為大部分采用的是360°全方位掃描，所以不可避免地產(chǎn)生了很多的冗余數(shù)據(jù)。通過點云處理軟件過濾功能，編輯點云數(shù)據(jù)，刪除不需要的點云數(shù)據(jù)及離散點并對點云數(shù)據(jù)進行去噪、抽稀等預(yù)處理，自動去除噪聲點云，得到濾波點云數(shù)據(jù)。再將獲取的高清影像信息通過軟件自動賦予到點云上，快速真實地還原現(xiàn)場，見圖5(a)。圖5(b)是以點云信息為基礎(chǔ)，增加了改造部分的3D CAD模型圖。

圖5 以點云信息為基礎(chǔ)的3D CAD模型

2.3 基于點云數(shù)據(jù)進行測量目標建模

拼接優(yōu)化完成的濾波點云數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出為各種格式的點云文件，為多元化的開發(fā)提供原始數(shù)據(jù)。三維激光點云在專業(yè)的點云處理軟件中可以形成多種效果，其中包括平面線畫圖、點云漫游視頻、三維模型、三維動畫、交互展示、模型干涉監(jiān)測報告等。依據(jù)船舶改造定制方案或者專門技術(shù)，實現(xiàn)高精度完工3D CAD模型的建造[4]，見圖6。

2.4 改良的管路圖和生產(chǎn)詳圖

在通用3D CAD軟件或MATES上以一種通用3D CAD格式加載建造完成的完工模型。在三維模型的空間內(nèi)布置需要增設(shè)的管道和設(shè)備。MATES可以把生產(chǎn)信息聯(lián)系至每一個管道/設(shè)備，而且便于將信息傳遞至生產(chǎn)過程[5]，見圖7。

圖6 高精度3D CAD模型

圖7 完工模型

3 結(jié)論

本文將三維激光掃描儀測量技術(shù)用于船舶壓載水系統(tǒng)快速改造，以測繪技術(shù)為基礎(chǔ)，通過計算機信息技術(shù)實現(xiàn)機艙內(nèi)部的數(shù)據(jù)檢測、三維重構(gòu)及改造設(shè)計，實現(xiàn)了3D CAD模型的構(gòu)建。該方案能夠為船舶壓載水系統(tǒng)快速改造工程提供直觀可視化三維信息數(shù)據(jù)，既可根據(jù)完工3D CAD模型的空間位置布置并敷設(shè)管道和輔助設(shè)備，也可在詳細的設(shè)計中應(yīng)用這些三維信息，為后期驗收、零部件檢測、虛擬裝配等應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。方案在實施大規(guī)模船舶改造工程中，能夠準確地滿足客戶的需求，極大提高了從數(shù)據(jù)采集到完工檢測等工序效率，減少了船舶停航時間，節(jié)約了設(shè)計和維修成本，可積極推進目前在役船舶壓載水系統(tǒng)改造工程。