大型储罐安全检测中三维激光扫描技术的应用

张昱涵，赵永涛，关国伟，张雪

（中国石油集团安全环保技术研究院有限公司，北京 102206）

大型储罐具有内部管线繁杂、占地面积大等特点，所以，在大型储罐安全检测中，需运用无接触的三维激光扫描技术，精确获取罐体内点云数据、检测指标计算数据，从而在保证大型储罐安全检测效率的基础上，解决传统人工检测存在的安全隐患。因此，本文大型储罐安全检测工作中，三维激光扫描仪器的具体应用展开讨论，旨在突出三维少教技术实践优势，为储罐安全检测提供准确的评估参数。

1 大型储罐安全检测相关概述

大型储罐是我国化工原料、油气资源存储的基础装备，其安装检测效果直接影响着相关材料的运输与使用。具体来说，在大型储罐服役期间，受材料、外部环境等因素的影响，储罐壁板、罐顶会产生变形或沉降问题，使得储罐无法安全运行。三维激光扫描技术属于现代高新技术，可快速测取大型储罐的三维坐标值，评估储罐有无变形、沉降问题。比如，在储罐沉降检测中，三维激光扫描技术在应用中能够帮助检测人员采集罐底剖面、失圆度、垂直剖面中的相关数据，生成储罐沉降检测报告。除此之外，三维激光扫描技术实践中，大型储罐安全检测可以从人工检测转变为远程检测，有助于减少人为误差，提高安全检测工作效率。

2 三维激光扫描技术的检测原理分析

三维激光扫描技术，同样被称为“实景复制技术”，兴起于测绘领域，其在物品扫描中，可以快速获取目标物三维空间数据。

激光测距是三维激光扫描技术的基本原理，该技术实践时可全面记录大型储罐三维模型中的立体、平面图像中的数据。三维激光扫描仪是大型储罐安全检测中三维激光扫描技术的主要载体，该仪器多由反射棱镜、激光测距仪组成，具有扫描均匀、测量精度高、检测灵活等特点。检测人员在三维激光扫描仪使用中，测量大型储罐垂直、水平方向角，以获取扫描区域各测点的空间坐标，从而根据坐标值评估储罐安全性能。

除此之外，相较于传统安全检测技术，三维激光扫描技术在大型储罐安全检测中有着明显技术优势：

其一，无接触、数据采集自动化。三维扫描技术作为高速测量技术，可无接触测出大型储罐坐标数据，有助于避免罐体在安全检测中产生接触性损伤。再者，大型储罐安全检测过程中，三维扫描仪能够自动收集数据，并生成数字化信号，为储罐沉降、变形分析与处理奠定基础。

其二，高速率。基于三维激光扫描技术，检测人员可凭借该技术网格式、点阵式数据采集原理，使激光束根据大型储罐距离，自动聚焦，快速采集点云数据。

其三，实时性。三维激光扫描获取大型储罐空间坐标数据时，无需外部光源，该仪器可自主完成信号发射工作，从而使大型储罐安全检测工作不受地域、时间限制。

3 大型储罐安全检测中三维激光扫描技术的应用

大型储罐安全检测中，应用三维激光扫描技术的基本方式主要体现在两方面：一方面，基于三维激光扫描技术原理，以及大型储罐安全检测流程、要求，建立大型储罐安全检测系统。另一方面，运用三维激光扫描仪，辅助该类储罐安全检测工作，以提高大型储罐安全检测效率，保障检测数据精确性。

3.1 建立大型储罐安全检测系统

在三维激光扫描技术支持下所建立的大型储罐安全检测系统，可由储罐形变、可视化界面、安全检测结果分析等版块组成。该系统的建立可在储罐区可视化平台数据、三维场景、罐体各时期数据的同时与快速更新中，生成大型储罐安全检测数据。

首先，三维场景的可视化实现是利用场景管理器，在最短时间内测定储罐位置，并根据储罐运行实况增减检测储罐、快速更新储罐区域内三维场景。

其次，储罐形变检测版块在具体设计中，分为形变分析、曲线拟合、切片提取等功能板块。

其一，切片提取多用于储罐任意面点数据的提取。在曲线拟合过程中，系统会预先对测点云切片展开排序，随后，借助三次均匀的Bezier曲线拟合大型储罐各截面曲线，具体原理如下：

其中Pi+k是为云切片控制顶点，n为曲线参数，且公式中的t取值时应大于0、小于1。

其二，曲线拟合能够生成罐体空间截面，为储罐安全检测结果分析提供参考依据。其三，形变分析子版块是大型储罐形变检测模块中的重要组成部分，可支撑储罐壁垂直度、圈板倾斜度、罐顶沉降的有效分析。

最后，该系统在储罐形变、可视化平台等版块中获取大型储罐检测数据后，相关数据会自动传输至安全检测结果分析版块，并通过联合相关变形、沉降数据，生成大型储罐安全检测结果。

3.2 灵活运用三维激光扫描仪

三维激光扫描仪是三维激光扫描技术的有机载体，其在大型储罐安全检测中的运用，主要体现在采集外业数据、数据处理、安全检测数据分析等流程中。

其一，采集外业数据。检测人员需结合大型储罐安全检测方案，将三维激光扫描以布置在对应区域，同时，在扫描仪摆放位置确定后利用标靶将其固定，并开启扫描仪，使其处于调试状态。三维扫描仪整平、校正作业完成后，可设置仪器测量参数，扫描需检测的大型储罐。在此期间，为确保仪器扫描数据可靠性，检测人员可在仪器操作界面单独框选标靶，随后，在扫描结束后检查点云数据完整性，若存在数据缺失现象，需及时补点扫描。

其二，数据处理。经外业作业采集大型储罐安全检测数据后，使用点云处理软件，对数据展开预处理。一方面，检测人员需及时排除点云数据中的噪声点。在测取大型储罐原始数据时，罐体空间内坐标体系较多，安全检测人员只有将噪声点去除，才能保证检测数据的可用性。另一方面，完成点云数据配准工作。其中，数据配准是将储罐中的各坐标汇总，以生成统一坐标系，确保罐体空间信息的系统性。具体来说，检测人员需基于处理软件的识别作用，对各测点重叠区域、相同控制点进行数据配准，在获得中心坐标后，应以基准点为渠道将相关点云数据位置改变，使其统一转换到同一坐标系内。

除此之外，三维激光扫描仪在安全检测中，会将罐体附件中无关点记录，并且在重复扫描、激光入射角差异等因素影响下，数据量增加、数据预处理难度较大，检测人员需在安全检测结果分析中，提前去除点云数据中的冗余数据、“飞点”。

其三，安全检测数据分析。以大型储罐安全检测中的变形数据为例。储罐变形后，三维扫描仪获取的切片圆心会产生较大变换，各数据在切片拟合后，安全检测人员可以根据圆心垂直线、直线夹角、圆心坐标，计算罐体倾斜度，计算公式为：

其中，θi主要指某一切片的倾斜数值，xi、x0、yi、y0为切片圆心坐标，△H为罐体圈板、切片的间距，计算出罐体倾斜度后，检测人员可根据相关规定中倾斜度不得大于1度的标准，评估该指标是否符合大型储罐安全运行要求。三维激光扫描仪在检出罐顶沉降变形后，检测人员可利用点云图，明确异常位置，分析其变形总量，全面反馈大型储罐安全检测中的局部变形现象。

检测大型储罐基圆时，三维激光扫描仪能够提取各圈板截面圆心坐标，并利用相关软件的平面切割功能，合理设置各层圈板内切片厚度，保证拟合圆形坐标数据获取的准确性，同时可增加切割平面点数，为安全检测结果计算提供依据。各参数布设完成后，检测人员应及时创建切割平面，提取基圆直径中的坐标点，计算大型储罐壁板凹凸度、罐体内圈板半椭圆度等检测数据。

4 结语

综上所述，三维激光扫描技术在大型储罐安全检测中的应用，是利用该技术原理建立储罐安全检测系统，或利用三维激光扫描仪采集大型储罐内的点云数据。同时，在点云数据汇总中，分析罐体倾斜度、变形、罐壁沉降等安全检测的核心指标及数据，而三维激光扫描技术在大型储罐安全检测中的实践优势，主要在于该技术可减少储罐安全检测周期，提高检测效率，保证储罐安全检测数据的精确性。