趙增賀 焦光偉 劉魯興 陶金 王思佳

摘 ?????要： 覆土油罐建設是未來軍隊成品油庫建設的重點方向，覆土罐區(qū)設計是覆土油罐建設前期設計工作的重要組成部分。根據(jù)三維激光掃描技術的數(shù)據(jù)采集效率快、測量精度高等技術優(yōu)勢，結合實際設計工作的工作需要，針對設計人員與管理人員不同的需求進行了系統(tǒng)需求分析，利用SQL server 2014軟件進行了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建設，設計開發(fā)了基于CS+BS混合框架結構的覆土罐區(qū)設計輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)將在覆土罐設計中的罐址選擇、土石方計算、控制預算等方面有著廣泛的應用。

關 ?鍵 ?詞：三維激光掃描技術;覆土罐區(qū)設計輔助系統(tǒng);CS+BS混合框架

中圖分類號：TE972??????文獻標識碼：?A ?????文章編號： 1671-0460（2020）03-0638-05

Development of Design Assistant System for Soil-covered

Tank FarmBased on 3D Laser Scanning Technology

ZHAOZeng-he，JIAOGuang-wei，LIULu-xing，TAOJin，WANGShi-jia

（Department of Petroleum Supply Engineering， Army?Logistics University， Chongqing?401311， China）

Abstract： ?The construction of soil-covered oil tank is the key direction of the construction of military product oil depot in the future， and the design of soil-covered tank area is an important part of the preliminary design of soil-covered tank construction. According to the advantages of 3D laser scanning technology， such as high efficiency of data acquisition and high precision of measurement， combined with the actual work needs of the design， the system needs of different designers and managers?were analyzed， and SQL Server 2014 software was used?to build the system database， and the design assistant?system of the soil-covered oil tank farm was designed?and developed?based on CS + BS mixed frame structure. The system can be widely used in the design of soil-covered tank?farm，such as the selection of tank site， the calculation of earth volume， budget control and so on

Key words： 3D laser scanning technology;?design assistant system for soil covered tank farm; CS + BS?mixed framework

覆土油罐是我軍聯(lián)勤油料保障的重要儲存形式，有關資料顯示我軍約 1/3后方油庫都采用覆土油罐進行儲油。隨著經(jīng)濟及國防事業(yè)的發(fā)展，軍隊成品油庫擔負了大量的國家戰(zhàn)略儲備任務，預計在較長一段時間都將繼續(xù)進行大規(guī)模的軍隊成品油油庫改擴建工程，這其中包括大量的覆土罐建設工程。本文將基于三維激光掃描儀的技術特征，研究覆土罐區(qū)設計輔助系統(tǒng)的開發(fā)應用。

1 ?三維激光掃描技術簡介

三維激光掃描技術是較為精準的測量技術^[1-5]，它首先通過激光掃描技術來獲取被測物體表面點云數(shù)據(jù)，然后對大量點云數(shù)據(jù)進行拼接、濾波等預處理，最后建立被測物體精準的三維模型，這項技術目前已運用于大量的工程實踐中。

1.1 ?三維激光掃描技術的技術優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)測繪技術，三維激光掃描技術在數(shù)據(jù)采集方面主要有著以下幾點技術優(yōu)勢^[6-11]：（1）數(shù)據(jù)采集效率高。目前通過三維激光掃描儀對被測目標進行激光掃描每秒可獲取幾十萬個點云數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術對被測目標及測量環(huán)境要求不高，有效測量距離較長，不需要直接接觸測量目標即可實現(xiàn)測量。同時三維激光掃描儀自動化程度較高，前期準備工作較少，測量過程不需要人工操作，能夠極大提高測量效率。（2）測量精度高。目前三維激光掃描儀按照激光測距原理的不同，主要分為脈沖式、相位式和三角式。其中脈沖式三維激光掃描儀測量距離遠，但測量速度慢、精度低;相位式測量速度快、精度高，但測量距離近;三角式測量精度高但速度慢。隨著技術的發(fā)展目前三維激光掃描儀的有效掃描距離可達5 km以上，精度也越來越高，實際測量所得點位數(shù)據(jù)誤差可控制在毫米級。（3）測量結果的數(shù)字化與可視化。隨著現(xiàn)代計算機技術的發(fā)展，可以將三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)以百萬計的點云數(shù)據(jù)進行快速的數(shù)據(jù)儲存，然后進行點云拼接、點云濾波等數(shù)據(jù)處理，從而建立測量目標的三維模型。

1.2 ?三維激光掃描技術的儲罐應用研究

目前三維激光掃描技術在油罐應用方面的研究主要在油罐形變檢測、油罐容積測定、油罐尺寸測量、油罐垂直度測量等方面。

他光平、張文新^[12-13]利用三維激光掃描技術對大型儲油罐進行幾何尺寸測量。實驗結果表明，采用三維激光掃描技術對儲油罐進行幾何尺寸測量，其精度高、效率快。陳偉^[14]利用三維激光掃描技術對立式金屬罐的容量進行測量，并針對油罐底部變形及油罐傾向變形時容積測量的問題，采集點云數(shù)據(jù)，建立三維模型，提出了新的解決方法。宋振^[15]利用三維激光掃描儀對容器表面進行測量，并建立三維模型，達到了計算容器總容積，建立相應的容積表的目的。張志鵬^[16]根據(jù)鐵路罐車和罐式集裝箱測量時掃描角度、罐壁液體等因素對三維激光掃描儀的不同影響，針對不同因素對激光掃描效果的不同影響，提出了合理優(yōu)化掃描步長、優(yōu)化發(fā)射角度、點云數(shù)據(jù)預處理等改進措施。焦光偉、張柱柱^[17-18]等針對發(fā)生壁板變形的立式儲罐容積檢定問題，使用三維激光掃描儀采集儲罐點云數(shù)據(jù)，利用Matlab對點云數(shù)據(jù)進行建模，計算得到油罐容積，結果證明新方法滿足油罐容積檢定的精度要求。祁志江^[19]等根據(jù)油罐形變檢測相關規(guī)范要求，針對油罐形變檢測問題，運用三維激光掃描技術，提出一種更加快速、精確的新檢測方法。王金濤^[20]等運用三維激光掃描技術獲得點云數(shù)據(jù)并利用迭代算法建模，同時檢測立式儲罐的整體變形與局部變形，檢測效果顯著。

目前基于三維激光掃描技術對油罐的研究主要集中于體積測量、形變檢測等方面，對于三維激光掃描技術在覆土罐區(qū)設計優(yōu)化方面研究的較少。

2 ?覆土罐區(qū)點云數(shù)據(jù)處理

利用三維激光掃描儀對覆土罐區(qū)通過合理設置步長及站點等方式進行掃描可以獲得覆土罐區(qū)大量點云數(shù)據(jù)，對這些點云數(shù)據(jù)進行處理之后才能得到覆土罐區(qū)精準的地形數(shù)據(jù)^[21-26]。點云數(shù)據(jù)的處理主要包括點云數(shù)據(jù)拼接、點云數(shù)據(jù)濾波、點云數(shù)據(jù)精簡、三維模型構建。

2.1 ?點云數(shù)據(jù)拼接

由于覆土罐區(qū)地形復雜、面積大以及部分遮擋物體遮擋的原因，需要結合實際地形合理設置多個測量站點以獲得勘測區(qū)域完整的點云數(shù)據(jù)。所以原始點云數(shù)據(jù)是在不同測量站點獲取來的，需對不同坐標系下獲取的三維點云數(shù)據(jù)運用算法進行坐標變換，轉換到同一坐標系中。目前運用較為廣泛的點云數(shù)據(jù)拼接方法主要有兩種：第一種方法是基于標靶的拼接方法，即在掃描過程中設置公共標靶，根據(jù)三點確定一個面的原理，將不同站點之間的點云數(shù)據(jù)拼接。第二種方法基于特征點的拼接方法，即首先在相鄰站點的云點數(shù)據(jù)的重疊區(qū)域內找到恰當?shù)奶卣鼽c，然后根據(jù)特征點之間的空間關系進行相鄰站點點云數(shù)據(jù)拼接。本系統(tǒng)將使用德國產(chǎn)PENTAX S-3180V三維激光掃描儀，采用基于靶標的拼接方式。

2.2 ?點云數(shù)據(jù)濾波

測量過程中由于儀器設備、站點位置、地表復雜程度、地表植被、天氣環(huán)境的等因素的影響，會產(chǎn)生大量的噪點。 覆土罐區(qū)掃描主要考慮的是植被、樹木、建筑物對地表的遮擋產(chǎn)生的噪點，只有把這些噪點去除，才能得到精準的數(shù)據(jù)。目前對于一些明顯的噪點如樹木、建筑物的點云數(shù)據(jù)可以采用手動去除的方式在計算機中剔除相關數(shù)據(jù)。除此之外對于不明顯的噪點， 通常同采用濾波方法進行去噪。目前比較常用的點云濾波方法有：曲率濾波、高斯濾波、平均濾波和中值濾波等，其中本系統(tǒng)采取高斯濾波的方式對點云數(shù)據(jù)進行濾波處理。高斯濾波把掃描區(qū)域中點云數(shù)據(jù)的權重當作高斯分布，從而這種方法的平均效果小，使其能夠在剔除較大差錯點云數(shù)據(jù)的同時還可以較好的保持原始數(shù)據(jù)的形態(tài)。

2.3 ?點云數(shù)據(jù)精簡

在覆土罐區(qū)使用三維激光掃描儀獲取的點云數(shù)據(jù)十分龐大，需要在保持地形特征的條件下對點云數(shù)據(jù)進行精簡處理，才能減少軟件系統(tǒng)的存儲、運算負擔。點云精簡的主要作用就通過最少的點云數(shù)據(jù)來最大化地表達目標特征。目前常用的方法有：（1）包圍盒法，該方法對表面特征簡單且曲率變化不大的模型效果較好;（2）曲率精簡法，該方法通過計算曲率，然后依據(jù)曲率來進行點云精簡，比較適用于地形數(shù)據(jù)的精簡過程;（3）隨機精簡法，即通過隨機函數(shù)的不斷運算把對應點從原始點云數(shù)據(jù)中刪除，方法簡單，但當數(shù)據(jù)較大時，會影響三維建模的精度。針對覆土罐設計實際，本系統(tǒng)采用曲率精簡法對點云數(shù)據(jù)進行精簡。

2.4 ?三維模型構建

利用處理之后的點云數(shù)據(jù)構建目標區(qū)域三維模型是三維激光掃描的最終目標。目前三維模型構建方法有很多，但運用較多的主要有：基于移動最小二乘重建方法、微切平面法、三維Delaunay剖分法。其中基于移動最小二乘重建方法具有擬合精度高、通用性強等特點，本系統(tǒng)采用基于移動最小二乘重建方法對覆土罐區(qū)地形進行三維模型構建。

3 ?軟件系統(tǒng)需求分析

覆土罐區(qū)設計輔助系統(tǒng)開發(fā)的首要工作是對用戶需求、數(shù)據(jù)管理、功能架構進行總體的需求分析，只有充分地考慮用戶操作能力，了解用戶的實際功能需求，才能更好地進行軟件開發(fā)，明確開發(fā)路線，確定系統(tǒng)功能結構。通過實際調研，本文將從系統(tǒng)的性能需求、用戶需求、數(shù)據(jù)需求三個方面進行分析。

3.1 ?系統(tǒng)性能需求分析

根據(jù)覆土罐區(qū)設計工作需求，系統(tǒng)應具備以下具體性能：（1）友好的人機界面。系統(tǒng)界面必須簡潔、友好，這樣才能使系統(tǒng)有較好的可操作性，從而更好地進行人機交互，用戶經(jīng)過簡單學習后即可使用系統(tǒng)相關功能模塊。（2）可擴展性。系統(tǒng)設計是在實際應用中逐步完善的，所以為了應對以后的應用需求，系統(tǒng)設計開發(fā)時即按照相關行業(yè)規(guī)范預留接口，系統(tǒng)開發(fā)人員可根據(jù)實際需求隨時添加必要的設備、模塊和系統(tǒng)，擴展相關功能，以便用戶使用。（3）可維護性。系統(tǒng)設計應當遵循簡潔、高效、合理、實用的設計原則，系統(tǒng)文檔保存完備，采集存儲數(shù)據(jù)一致，設計規(guī)范符合相關標準，方便故障檢測及系統(tǒng)維護。（4）快速反應能力。覆土罐區(qū)點云數(shù)據(jù)量巨大，所以要最大限度地提高系統(tǒng)的響應速度，達到快速調取、查閱、修改、計算相關數(shù)據(jù)的目的。（5）安全性。由于覆土罐區(qū)的設計大部分為軍隊成品油庫建設，具有高度的安全性要求，因此必須建立一整套完備的符合軍隊保密管理規(guī)定的系統(tǒng)安全保密措施。（6）穩(wěn)定性。系統(tǒng)設計運行應具有良好的穩(wěn)定性，并能及時更新補丁數(shù)據(jù)，修復自身故障，使用戶具有一個良好的使用體驗。（7）數(shù)據(jù)的一致性。在系統(tǒng)操作中一個信息在不同模塊間或同一模塊的不同子模塊間會重復引用或操作，因此，在系統(tǒng)設計和實現(xiàn)中必須全面考慮數(shù)據(jù)的一致性問題。

3.2 ?系統(tǒng)用戶需求分析

系統(tǒng)是主要針對覆土罐區(qū)前期設計工作而開發(fā)的，所以系統(tǒng)用戶主要包括研究所設計院的設計人員、倉庫業(yè)務主管及助理員、相關決策機關及評審專家。從設計工作實際出發(fā)，對主要用戶需求進行歸納：（1）應用三維激光掃描技術獲取覆土罐區(qū)點云數(shù)據(jù)，并通過點云去噪、點云濾波、點云拼接技術，去除地表植被的影響，從而精準建立覆土罐區(qū)的三維可視模型。（2）處理覆土罐區(qū)三維地形數(shù)據(jù)，分析地形的變化情況，計算距離、高程、高差、坡度、面積、體積等關鍵數(shù)據(jù)，為設計人員提供設計依據(jù)，提高設計精度及工作效率。（3）針對不同容積的覆土罐建立不同的三維模型，根據(jù)油罐建設的相關行業(yè)標準，結合罐區(qū)地形三維掃描點云數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，建立油罐選址優(yōu)化模型。（4）可將采集的數(shù)據(jù)按照不同的來源以不同的方式錄入設計輔助系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)庫技術對數(shù)據(jù)實現(xiàn)不間斷地更新、維護，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的共享，使不同用戶最大化地利用庫存數(shù)據(jù)。（5）為保證數(shù)據(jù)的高度安全，系統(tǒng)開發(fā)時就要根據(jù)不同用戶的用戶需求、職級設置不同權限，在登錄系統(tǒng)時根據(jù)不同的用戶群體，提供不同的功能操作權限。

3.3 ?系統(tǒng)數(shù)據(jù)需求分析

在系統(tǒng)的建設過程中，系統(tǒng)數(shù)據(jù)需求分析從覆土罐區(qū)設計工作實際需求出發(fā)，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行分析：（1）數(shù)據(jù)的獲取及輸出。本文以三維激光掃描技術為基礎，應按相關照行業(yè)標準，滿足點云數(shù)據(jù)不同格式之間二點導入、導出。同時為了方便設計工作，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)應與LaserControl、Polyworks、Auto CAD、SolidWorks等點云數(shù)據(jù)處理軟件及圖紙設計軟件之間能夠實現(xiàn)相互轉化，以提高數(shù)據(jù)通用性。（2）數(shù)據(jù)的分類。將采集、處理、分析、計算得到的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)類型不同依次分類并導入到數(shù)據(jù)庫表中，在系統(tǒng)中呈現(xiàn)給用戶的空間數(shù)據(jù)基本為矢量數(shù)據(jù)，大致分為點、面兩種類型。它們以可視化的方式描述空間對象，例如覆土罐區(qū)儲存區(qū)、管線、泵房、消防道路等空間位置的分布及它們在可視化界面顯示的形狀信息。（3）數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)采用GIS軟件對相關空間數(shù)據(jù)進行轉換處理，將覆土罐區(qū)地形三維模型與覆土罐模型結合起來，形成罐區(qū)可視化操作。同時系統(tǒng)還對相應的屬性數(shù)據(jù)如高程、高差、坡度、體積、面積等數(shù)據(jù)進行處理，滿足覆土罐區(qū)實際設計需求。

4 ?軟件系統(tǒng)框架設計

目前軟件開發(fā)使用的框架結構主要有多層結構C/S結構、B/S結構、C/S + B/S混合結構^[27-31]。針對系統(tǒng)不同用戶的不同需求，本系統(tǒng)采用C/S + B/S混合結構來進行軟件開發(fā)，從而使軟件開發(fā)更加高效安全。

針對設計院、院校、科研單位等承擔設計責任的用戶客戶端采用C/S結構，以滿足設計工作中對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的專業(yè)性需求，方便設計工作的進行。C/S結構部分主要包括：基礎數(shù)據(jù)層、系統(tǒng)決策層和應用層。（1）基礎數(shù)據(jù)層。為覆土罐區(qū)設計輔助系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)來源，負責覆土罐區(qū)地形的地形數(shù)據(jù)庫和覆土罐模型數(shù)據(jù)庫。（2）系統(tǒng)管理層。該層是系統(tǒng)的核心部分，由兩個部分構成?；A數(shù)據(jù)庫，完成對基礎數(shù)據(jù)中的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的綜合處理任務，同時為綜合數(shù)據(jù)庫提供及時、可靠、準確地分析基礎數(shù)據(jù);綜合數(shù)據(jù)庫，處理和存儲系統(tǒng)所需要的各種數(shù)據(jù)，包括高程、高差、坡度、覆土罐模型等。（3）應用層。主要包括覆土罐區(qū)設計輔助系統(tǒng)做支撐的各類應用模塊，包括數(shù)據(jù)采集、地形查看、地形測量、土石方計算、設計方案優(yōu)化等功能模塊。

針對倉庫管理者、評審專家、審批部門等承擔管理職責的用戶客戶端采用B/S結構，用戶通過瀏覽器即可實現(xiàn)對系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)文件的訪問、瀏覽、下載、上傳、意見反饋等需求。

5 ?軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計

本系統(tǒng)選用性能較高的SQL server2014軟件與NET開發(fā)環(huán)境對軟件數(shù)據(jù)庫建設，按照數(shù)據(jù)的存儲性質，將設計輔助系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫劃分為空間數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫，并鏈接兩個數(shù)據(jù)庫，從而建立了完整的覆土罐區(qū)設計輔助系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

（1）空間數(shù)據(jù)庫建立?？臻g數(shù)據(jù)庫主要由覆土罐區(qū)數(shù)據(jù)庫和覆土罐模型數(shù)據(jù)庫組成?？臻g數(shù)據(jù)按系統(tǒng)設定標準及數(shù)據(jù)需求特性進行分類分層存儲。對空間數(shù)據(jù)進行分類分層儲存管理是為了利用計算機實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)定義、存儲、操作，并基于三維位置進行高效查詢。具體操作過程就是對點、面圖層實現(xiàn)編輯、維護、管理，主要包括了空間特征點數(shù)據(jù)的新增、移動、刪除、插入等具體操作。

（2）屬性數(shù)據(jù)庫建立。在系統(tǒng)完成空間數(shù)據(jù)庫后，應錄入相應的屬性數(shù)據(jù)，它主要用來存儲覆土罐區(qū)及覆土罐的屬性信息，建立以圖形為索引的屬性數(shù)據(jù)庫。屬性數(shù)據(jù)庫主要包括不同儲存區(qū)、不同儲罐的屬性信息。將屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)有效的鏈接，并與空間數(shù)據(jù)通過唯一的標示符關聯(lián)調用，在數(shù)據(jù)庫表中添加記錄，并檢查核對屬性數(shù)據(jù)的正確性，為覆土罐區(qū)設計輔助系統(tǒng)各項功能的實現(xiàn)提供保證。

（3）空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)鏈接?？臻g數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的鏈接通過建立公共標識碼（ID）來實現(xiàn)。每個鏈接ID都是唯一的，系統(tǒng)根據(jù)ID編碼進行數(shù)據(jù)錄入。系統(tǒng)根據(jù)不同的屬性數(shù)據(jù)內容建立不同的屬性表，每一個屬性數(shù)據(jù)表都要設定一個關鍵的公共標識碼，方便數(shù)據(jù)庫中的各屬性數(shù)據(jù)表以及空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)之間的鏈接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)統(tǒng)一和互相調用，方便用戶對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的檢索、調用。

6 ?結束語

基于三維激光掃描技術的覆土罐區(qū)設計輔助系統(tǒng)設計開發(fā)將突破設計工作對傳統(tǒng)平面地形圖的依賴，基于三維掃描技術提供一種更為高效、便捷、準確的設計方式，提高設計人員的工作效率。同時該體系將在計算工程土石方量，優(yōu)化覆土罐選址位置，節(jié)約工程建設經(jīng)費等方面對實際工程建設有著指導性作用。

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