三维激光扫描技术在立式金属罐容量计量中的应用研究

袁少辉 刘应乾

摘 要：近年来，随着时代的不断发展和进步，三维激光扫描技术也迅速成熟，三维激光扫描技术已经渗透到智慧城市建设中例如：机械制造、逆向工程、虚拟现实和大容量测量等多个领域。使用三维激光扫描仪能够快速、便捷的获取被测物表面特征点的高精度三维坐标信息，即点云数据。所以，针对在立式金属罐容量计量中的应用研究具有着十分重要的意义。鉴于此，文章结合笔者多年工作经验，对三维激光扫描技术在立式金属罐容量计量中的应用研究提出了一些建议，仅供参考。

关键词：三维激光扫描技术;立式金属罐容量计量;应用研究

基于在立式金属罐容量计量中的应用研究，提出有效方法开发的三维激光扫描仪点云处理软件尽管没有达到很高的智能化水平，但由于我国工业行业数量非常多，需要使用该软件的情况较多，必须对软件使用人员进行一定的培训，就可以掌握三维激光扫描技术计量等操作，得到可靠的计算结果。

1 三维激光扫描技术简介

三维激光扫描技术（Three-Dimensional Laser Scan Technology），

又称“实景复制技术”。它是通过对物体空间外形和轮廓进行激光扫描的方法，快速、大范围的采集得到物体表面的点云数据（即空间三维坐标数据），并利用相关软件建立物体的实景三维模型的一种技术方法和手段。三维激光扫描技术是利用一台高速、精确的激光测距仪，并配备一套反射棱镜组，引导激光以均匀的角速度扫描。激光测距仪主动发射激光，同时接收由自然物表面反射的信号，计算出距离。针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距、水平角和垂直角，从而得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果输入测站点的工程三维空间坐标，就可以求得任一扫描點的工程三维空间坐标数据。三维激光扫描技术的特点和优势就在于能够快速扫描被测物体，不用反射棱镜配合即可直接获得高精度的扫描点云数据，这样一来可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。通过构建三维数据库，三维扫描可以达到测量、模拟和分析空间三维物体的目的。测绘技术由传统的单点测量，到面式、体式测量，由原来的影像与方位数据分离，到如今三维物体影像及方位数据的联合采集，三维扫描技术是测量领域的革命性技术，在测绘信息领域得到了广泛的应用。

2 存在的不足之处

自动化水平低，任务复杂，效率低;高空作业，操作风险高;测量点相对较少，无法完全反映坦克墙信息，测量准确度不高，因此，坦克某处发生变形时，测量误差可能会显着增加。

3 三维激光扫描技术在立式金属罐容量计量中的应用研究

3.1圈板直径测量

立式罐罐壁是油罐的主要受力部件，由环形板焊接成圆形，水箱壁用垂直焊接和环形焊接，垂直焊接通常是对接焊接，环形焊接根据使用要求用对接或搭接连接进行焊接。圆环板下面主要是套筒、对接、交互式和混合式。这导致垂直金属罐中每个圆环板的直径不完全相同，考虑到罐壁压力容量，通常需要单独测量每个圆环板的直径，因为底部圆环厚度相对较大。擦拭法通过测量基座线圈板高度的三分之四和其馀线圈板的四分之一、三分之四处的擦拭来计算圆环板直径，该方法在工具精度高、测量方法合适的情况下可以获得更好的测量结果，但该方法需要花费大量时间和高空作业，因此存在一定的风险，并且在坦克变形时测量误差会更大。光学垂直准直方法首先使用擦拭法测量底部的环形板，然后使用带有光学垂直准直器或导轨的光学径向偏差计测量罐直径方向连接的垂直线的半径偏差，依次获得每个环形板直径。光学三角剖分是一种使用经纬仪的光学准直轴沿水箱的切线方向瞄准测量目标点，同时使用长度和角度测量圆环直径的方法。这种方法可以避免高空作业，但对仪器测量精度的要求很高。全站仪方法是一种利用全站仪电子测距、角度测量和数据处理等功能测量每个环板直径和高度的方法。这种方法耗时少，自动化程度高，但测量数据点的数量并不能完全反映坦克的情况。

3.2 金属罐检测处理方法

该系统每秒钟可获取几百万个点云数据信息，采集到的点云数据不仅包含隧道内壁的形态信息，由于隧道管片表面安装了诸多配套设备如电灯、电线、螺栓等，因此点云成果中存在大量的噪点。为了保证环片金属罐度检测的真实性，必须对噪点进行剔除。金属罐度检测的数据处理过程主要有3个部分：噪点剔除、金属罐拟合、金属罐度计算。

3.3 金属罐度计算

将两次采集的数据进行逐环检测，并将两次检测的金属罐度进行叠加分析，对比两次检测金属罐度变化情况，在两次扫描检测期内环片金属罐度变化不大，该时间段内隧道结构较为稳定，同一区间内金属罐度值较大位置多为隧道的洞口，由此可知隧道洞口结构稳定性不如隧道内部。

3.4 噪点剔除

噪点剔除的方法有很多种，如高斯滤波、半径滤波、双边滤波等。通过一定的点云滤波方法，剔除明显不属于环片壁的点云数据，设定不同的阈值通过不断迭代提高点云的可靠性。然后利用得到的点云数据进行金属罐拟合。

3.5 成果分析

采用自主研发的自动化点云处理方法将外业获取的数据，利用本文金属罐度监测方法对隧道盾构环片进行逐环检测，并将该环片的拟合金属罐，长短半轴，水平直径，偏转角（长轴与水平方向夹角）、金属罐度等信息进行输出。以区间1里程K20+889.816处109环进行示意说明。引入新型移动三维激光扫描技术，分析了该技术在隧道金属罐度检测中的原理与方法，介绍了金属罐度检测的基本流程，通过工程案例进行实际应用。结果表明，该方法检测信息全面，作业效率快，提高了金属罐度检测的可靠性，更加符合未来隧道管片检测的需求。

3.6 点云数据配准

因为，外业数据采集有两种方式，所以点云数据的配准也有相对应的两种方式。首先，后视定向配准。在对点云数据进行配准的过程中采用后定向配准的方式。采用后定向配准方式可以要求工作人员先在仪器那输入测站坐标和靶坐标，然后再使用仪器中厚设定项配置的模块对点云数据进行配准，从而能够得出整个点云数据的整体坐标。其次，站站间配准。站站间配准又被称为进行性粗配，而粗配的方式又可以采用两种不同的方法，如下所示：①在粗配的过程中又可以采用同名特征点的方法进行配准。但是如果想要采用同名特征点的方法进行配准至少需要选择四个同名点，这四个同名点要有相同的明显特征，所以测量人员一般会选择房屋角或者是电线杆顶端等具有明显特征的物点;②在储备的过程中也可以选择人工交互式移动测站。人工交互式移动测站一旦到达已配准站的相应位置，其匹配的精度将会非常的高。在点云数据粗配完成之后，软件会自动的将点元数据进行精准匹配，并且软件将保证点云数据精准匹配的误差在0.01mm以内。

4 结束语

综上所述，得出以下结论：针对立式金属罐容量计量的过程中采用的是三维激光扫描技术。并且该项目的测量人员将获得的数据进行了初步的处理，然后将处理过后的数据连成线，与全站仪所得出的测量数据进行比较。经过测量数据的比较得出，在测量的过程中采用三维激光扫描技术所测得的数据误差小于3.4cm，能够很好的满足立式金属罐容量验收测量队误差的需求。因此，可以将三维激光扫描技术应用到立式金属罐容量完成验收测量工作中，从而能够有效地降低测量工作的难度。

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