全站仪测量船体分段表面精度方法研究

白 冰，刘玉亮，郑绍春

（武汉理工大学交通学院，武汉 430063）

0 引 言

在船厂中，精度控制受到高度重视，然而在分段建造过程中，只对船体分段进行长、宽、高以及对角测量以保证精度，对于分段外表面一般不进行精度测量。板材加工时用样箱保证了每块板的形状规格，但是船体分段外表面是由许多块板材、型材焊接而成，在拼板焊接过程中会造成板的收缩、伸展等变形，使得建造船体分段外表面与设计的船体分段外表面有一定的误差，将对船舶的性能产生不利影响。对分段外表面进行测量，得到实际船体相对于设计船体的误差，有利于提高船舶建造精度和质量[1]。基于此，提出一种采用全站仪的对边测量法测量船体外表面形状的简易方法，并结合软件生成三维模型与设计的三维模型比较，检验船体分段外表面建造的精度。

1 测量原理

对边测量作为一种间接测量，主要根据相对测量原理，获取两个无法直接通视的测量点间距离和高差[2]。逆对边测量法是根据相对测量原理，已知基准点坐标，获取与此点高度差为Δh目标水线上一点的方法。

水线1为基准水线，水线间距为Δh，以水线1上各点为基准点，在对边测量模式下，调解全站仪V =Δh（V－测量起点和测量终点的垂向高度差），得到与水线1上基准点高度差为Δh的各点，这些点即为水线2上各点。例：在通视分段的任意O点放置全站仪，A点为水线1上一基准点，在全站仪对边测量模式下，仅调解V =Δh，得到 A1点，A1点即为水线2上的点（由于船体外表面的曲面变化，A、 A1的水平距离一般不为0），见图1。全站仪采用球坐标系，L1、 L2为实测平距，α、β为实测竖角，γ为A和 A1实测水平角，并已知A点的坐标要素：平距 L1，水平角θ，竖角α。则 A1点坐标：

图1 测量原理

2 测量方法

全站仪测量船体分段外表面时依据对边测量模式，以基准水线上各点为基准点，依次进行垂直扫描，测量各水线上的点，并得到各点坐标。

2.1 全站仪位置

全站仪的位置要保证可以通视整个船体分段外表面。由于船首和船尾曲面变化较复杂，测量船首时，全站仪放置在船首偏前，测量船尾时，全站仪放置在船尾偏后。对于其他的船体分段外表面，全站仪放置只需保证通视外表面即可。整个测量过程中全站仪不发生位移。

2.2 测量步骤

1) 确定船体分段的基准水线，取分段上任意一条平行于设计水线的直线；

2) 用全站仪测得船体分段总长L，高度H。根据总长L在基准水线上选取X个基准点，则基准点间距为L/X，分别为点A, B, ……，根据高度H确定Y条水线，就可以得到水线间距H/Y；

3) 调整全站仪，测量基准水线上 A点的坐标值。在对边测量模式下，以A为基准点进行垂直扫描，调节全站仪使得V=H/Y，确定目标水线上位置点A1，记录A1的坐标值，继续调节V=H/Y，依次可得到A2, A3, ……所有水线上与A点的对应点作全过程测量，调节全站仪对准基准水线点 B，重复上述操作，扫描高度差仍为V=H/Y，得到 B1、B2、B3, ……的坐标值，按照同样的方法可以依次测出其他点的坐标（见图2）。

4) 在测量船体轮廓线时，采用全站仪距离模式，扫描船体轮廓线，得到船体轮廓线上各点的坐标。

图2 分段测量点

2.3 数据采集

将测量到的数据记录到表1。

表1 数据记录

表中：L——全站仪照准部中心至测量点的水平距离；ZA——望远镜（目镜）中心垂向角度；HAR——望远镜（目镜）中心水平方位角。

2.4 数据处理

全站仪采用球坐标系，需将其测量的L、ZA、HAR坐标转换为直角坐标系的X、Y、Z坐标。将ZA、HAR转换成弧度，再将数据转换成分段上的点相对于全站仪的空间坐标：

其中：ZA′=90°-ZA

HAR依据角度大小应用源数据或360°-HAR。

可用如表2的EXCEL编辑公式后进行处理，将得到的直角坐标导入3D-CAD中，生成船体分段的外表面[3]，与设计分段外表面相比较，确定船体分段外表面的建造精度。

2.5 测量方法分析

1) 测量点A1, A2, ……与A点所在的横剖面一般不重合，这是由于调解V=H/Y得到目标水线上的点与基准水线上的点平距不等于 0，根本原因是船体表面曲度造成的。但这并不影响最终生成的三维模型和型线，因为从 A到 A1，B到B1, ……的垂向高度差相同，则A1, B1, ……在同一水线上，同理，A2, B2, ……也在同一水线上，即得到船体分段的水线；

表2 数据处理

2) 在测量过程中，测量点处于以全站仪为坐标原点所构建坐标系中，为保证测量数据正确，全站仪需定点测量；

3) 在船体分段外表面和轮廓线变化很大的地方，增加测量点的密集度，以准确地反映分段外表面的曲度变化。

3 结 语

全站仪逆对边测量法测量船体分段外表面，以基准水线上的点为基准点，调解高度差，进行垂直扫描，得到其他各水线上的测量点坐标，数据处理导入CAD中生成船体分段表面并得出型值，与设计分段表面和型值对比后，确定误差，有助于船厂据此对分段进行精加工，提高分段建造精度，保证造船质量。用此方法测量时，全站仪定点测量无需移动，操作简单、快捷，在船厂运用的可行性良好。

[1] 甘水来. 精益管理在船舶产品开发中的应用研究[J]. 上海造船，2011, (3): 75-78.

[2] 韩伟信. 浅谈全站仪对边测量原理[J]- 测绘与空间地理信息，2010, (4).

[3] 管 官，申 梅，林 焰，纪卓尚. 船体分段测量点数据与CAD模型自动匹配方法研究[J]- 哈尔滨工程大学学报2011, (9).