陳俊發(fā)，黃 港，陳國仁

(1.廣州航海學(xué)院，廣東 廣州 510725；2.廣船國際有限公司，廣東 廣州 511458)

三維激光掃描測量作為一種新的現(xiàn)代測量技術(shù)，為空間三維信息的獲取提供了全新的方法和手段，其測量采集數(shù)據(jù)精度高、速度快、操作簡單方便，擁有巨大的效率和成本優(yōu)勢。三維激光掃描技術(shù)在土木工程、建筑、汽車、模具制造等行業(yè)應(yīng)用廣泛[1]，但在船舶行業(yè)的應(yīng)用還處于起步階段，研究及推廣三維激光掃描測量技術(shù)在船舶行業(yè)的應(yīng)用將有助于提高船舶建造的精度、質(zhì)量和效率，進(jìn)一步提高我國船舶工業(yè)的數(shù)字化、信息化、智能化設(shè)計與制造的綜合能力。

1 傳統(tǒng)測量方法

通常對船舶進(jìn)行改裝或者加裝設(shè)備，需要先利用原船圖紙進(jìn)行初步方案設(shè)計，然后上船進(jìn)行現(xiàn)場勘探測量，最終根據(jù)測量數(shù)據(jù)利用CAD等二維設(shè)計軟件設(shè)計出施工圖紙。傳統(tǒng)測量方法一般都是工人采用直尺、卷尺、水平儀、量角器、分度頭、經(jīng)緯儀等測量工具在現(xiàn)場測量出構(gòu)件設(shè)備的距離、大小、角度、管路直徑等。

由于現(xiàn)代船舶具有大型化、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備系統(tǒng)種類多等特點(diǎn)，并且一直處于運(yùn)營狀態(tài)。傳統(tǒng)測量方法不但需要搭設(shè)大量腳手架，也要測量人員花費(fèi)大量的時間進(jìn)行測量，甚至需要讓船停運(yùn)，耗費(fèi)大量人力物力，費(fèi)用和時間成本巨大，還存在安全風(fēng)險。并且，這樣的測量方法產(chǎn)生的誤差較大，會導(dǎo)致設(shè)計出來的施工圖紙不準(zhǔn)確，錯位、干涉等錯誤較多，需要反復(fù)測量、頻繁返工返修，致使工程質(zhì)量和進(jìn)度無法保證，成本高、效率低。

2 三維激光掃描測量技術(shù)在船舶的運(yùn)用

隨著激光定位和激光掃描技術(shù)日漸成熟，把三維激光掃描測量技術(shù)運(yùn)用到船舶測量中，可以很好修正傳統(tǒng)測量方法的缺點(diǎn)和不足。激光掃描方便、快捷、準(zhǔn)確，可以得到高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)和高清全景圖像。并且激光掃描可以在船舶正常航行時進(jìn)行，不用搭設(shè)腳手架，可以避免多次反復(fù)測量，降低安全風(fēng)險，節(jié)省大量人力物力及時間，大大降低成本。通過實(shí)船激光掃描，我們可以將船舶結(jié)構(gòu)、管系、設(shè)備等通過點(diǎn)云的方式呈現(xiàn)到計算機(jī)端，可以直接在計算機(jī)端測量所獲取的船體各構(gòu)件及設(shè)備的參數(shù)，如構(gòu)件大小、管徑、角度、距離等。在獲取船舶點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，通過逆向建模軟件，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為船舶實(shí)體3D模型。有了船舶實(shí)體模型后就可以直接在3D模型里進(jìn)行相關(guān)改裝設(shè)計、專業(yè)協(xié)調(diào)、干涉檢查，還可以進(jìn)行虛擬仿真建造。通過三維設(shè)計評審后就可以導(dǎo)出施工圖紙，進(jìn)行分段和構(gòu)件預(yù)制、管子加工、設(shè)備采購等準(zhǔn)備工作，這樣的生產(chǎn)組織方式大大縮短船舶的進(jìn)廠時間，提高了船舶改裝質(zhì)量和效率。

3 運(yùn)用三維激光掃描測量技術(shù)的要點(diǎn)

3.1 上船掃描

由于船舶的大型化、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備系統(tǒng)種類多，實(shí)船三維激光掃描精度要求高且工作量大。以一艘19 000 TEU集裝箱船的機(jī)艙部分掃描為例，大約需要設(shè)置300個站點(diǎn)進(jìn)行掃描。按照1臺掃描儀、2個熟練操作人員的配比，1組人員大約需要5天時間才能完成整個船尾分段(包含煙囪部分、上甲板、機(jī)艙甲板、底甲板、雙層底甲板等)的掃描和點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。實(shí)船機(jī)艙三維激光掃描可以安排在船舶正常航行的一個航次期間進(jìn)行，掃描人員攜帶設(shè)備上船掃描，船舶不用停航，不影響船舶正常營運(yùn)。

3.2 掃描站點(diǎn)設(shè)置

掃描站點(diǎn)的設(shè)置是根據(jù)掃描對象、范圍、規(guī)劃路徑、精度要求等，一般在每層甲板按順序布置。另外，設(shè)置掃描站點(diǎn)后要放置標(biāo)靶球，為提高掃描精度提供參考。在空間較大、設(shè)備多的復(fù)雜區(qū)域，利用標(biāo)靶球可以很大程度降低人為誤差[2]。站點(diǎn)設(shè)置和標(biāo)靶球是三維激光掃描測量的重要基礎(chǔ)工作，可提高掃描準(zhǔn)確性、精度，減少時間、空間的浪費(fèi)。同時，為了方便后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接配準(zhǔn)，站點(diǎn)設(shè)置好后要在圖紙上標(biāo)記對應(yīng)的站點(diǎn)信息。船舶某區(qū)域站點(diǎn)標(biāo)記示意圖如圖1所示。

圖1 站點(diǎn)標(biāo)記示意圖

3.3 掃描儀參數(shù)設(shè)置

掃描儀各種參數(shù)設(shè)置直接影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量，掃描前工作人員要根據(jù)掃描區(qū)域的具體情況如空間大小、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、設(shè)備系統(tǒng)的密集情況、光線、濕度、溫度、震動等因素，結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)積累，參考說明書中掃描儀參數(shù)設(shè)置表，對掃描儀的分辨率等各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，中途還需要做些調(diào)整。

3.4 關(guān)鍵位置注意事項(xiàng)

1)在震動較大區(qū)域，由于機(jī)艙主機(jī)、發(fā)電機(jī)等設(shè)備震動比較大，會影響測量精度，此類區(qū)域可以選擇船舶?？扛劭谘b卸貨停機(jī)時進(jìn)行掃描。一艘萬噸級船舶停靠碼頭裝卸貨至少需要2天的時間，該部位掃描大概需要設(shè)置30個站點(diǎn)，時間充足。

2)在風(fēng)、氣流較強(qiáng)區(qū)域，由于船舶在海上航行，在上甲板掃描時，一定要避免在大風(fēng)大浪的情況下進(jìn)行掃描。以免引起掃描儀抖動，導(dǎo)致掃描質(zhì)量不佳。

3)在強(qiáng)光區(qū)域，需要同時在室內(nèi)和室外掃描時，一定要注意窗口以及艙門的逆光情況，一般造成這樣的原因多為強(qiáng)太陽光或強(qiáng)燈光。這種情況下，可采取陰天、夜晚或?qū)艄饬炼日{(diào)低再測量的方法。

4)在大場景，設(shè)備又較多時，運(yùn)用靶向球、棋盤標(biāo)靶等標(biāo)記的方式，同時設(shè)置較大的分辨率，既能節(jié)約掃描時間，又可解決精度較低的問題。在點(diǎn)云處理時，SCENE軟件會自動識別標(biāo)靶，相對提高點(diǎn)云擬合精度，提高拼接配準(zhǔn)的效率[3]。

4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接及處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)是通過設(shè)置好的站點(diǎn)依次進(jìn)行掃描獲得的，當(dāng)完成所有站點(diǎn)掃描后，將采集到的各站點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，應(yīng)用SCENE等軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡、過濾除噪、配準(zhǔn)、拼接及合并，形成一個完整、直觀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[4]。

在實(shí)船掃描中，由于設(shè)備老化殘缺，掃描設(shè)置錯誤；或者被掃描物件的紋理較粗糙、存在皺紋；或者掃描環(huán)境的溫度、濕度、曝光度的控制不當(dāng)?shù)仍?，造成測量值與理想值存在一定誤差。這些由于被掃描體的屬性而導(dǎo)致的誤差稱之為隨機(jī)誤差。為降低隨機(jī)誤差的影響，使測量值最大限度接近理想值，數(shù)據(jù)處理人員通常會使用中值與均值濾波法進(jìn)行濾波處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理前后對比圖見圖2。

5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢查

配準(zhǔn)拼接好完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，可以直接在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上進(jìn)行任意兩點(diǎn)間的距離測量，可獲得管道大小、鋼材型號、空間距離、角度尺寸等數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)的誤差基本控制在2 mm以內(nèi)。利用掃描儀拍攝的高清全景圖像，對比檢查船舶實(shí)體模型和整合后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是否存在較大偏差、是否需要進(jìn)行修正。

(a)處理前 (b)處理后圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理前后對比圖

相比傳統(tǒng)測量方法，三維激光掃描測量技術(shù)在精度、速度及操作方便性上擁有很大優(yōu)勢，在船舶改裝工程中能大幅提高精度、質(zhì)量和效率，減低成本。研究及推廣三維激光掃描測量技術(shù)在船舶行業(yè)的應(yīng)用具有重要意義。