基于三維激光掃描技術的覆土罐區設計輔助系統開發

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，覆土罐區設計是覆土油罐建設前期設計工作的重要組成部分。根據三維激光掃描技術的數據采集效率快、測量精度高等技術優勢，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需求分析，利用SQL server 2014軟件進行了系統數據庫建設，設計開發了基于CS+BS混合框架結構的覆土罐區設計輔助系統。該系統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;覆土罐區設計輔助系統;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。隨著經濟及國防事業的發展，軍隊成品油庫擔負了大量的國家戰略儲備任務，預計在較長一段時間都將繼續進行大規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，研究覆土罐區設計輔助系統的開發應用。

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據，然后對大量點云數據進行拼接、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勢

相比傳統測繪技術，三維激光掃描技術在數據采集方面主要有著以下幾點技術優勢^[6-11]：（1）數據采集效率高。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據。三維激光掃描技術對被測目標及測量環境要求不高，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據誤差可控制在毫米級。（3）測量結果的數字化與可視化。隨著現代計算機技術的發展，可以將三維激光掃描儀獲取的數據以百萬計的點云數據進行快速的數據儲存，然后進行點云拼接、點云濾波等數據處理，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，采集點云數據，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，提出了合理優化掃描步長、優化發射角度、點云數據預處理等改進措施。焦光偉、張柱柱^[17-18]等針對發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據，利用Matlab對點云數據進行建模，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]等根據油罐形變檢測相關規范要求，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據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設計優化方面研究的較少。

2 ?覆土罐區點云數據處理

利用三維激光掃描儀對覆土罐區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大量點云數據，對這些點云數據進行處理之后才能得到覆土罐區精準的地形數據^[21-26]。點云數據的處理主要包括點云數據拼接、點云數據濾波、點云數據精簡、三維模型構建。

2.1 ?點云數據拼接

由于覆土罐區地形復雜、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域完整的點云數據。所以原始點云數據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據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據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，根據三點確定一個面的原理，將不同站點之間的點云數據拼接。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據的重疊區域內找到恰當的特征點，然后根據特征點之間的空間關系進行相鄰站點點云數據拼接。本系統將使用德國產PENTAX S-3180V三維激光掃描儀，采用基于靶標的拼接方式。

2.2 ?點云數據濾波

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、天氣環境的等因素的影響，會產生大量的噪點。 覆土罐區掃描主要考慮的是植被、樹木、建筑物對地表的遮擋產生的噪點，只有把這些噪點去除，才能得到精準的數據。目前對于一些明顯的噪點如樹木、建筑物的點云數據可以采用手動去除的方式在計算機中剔除相關數據。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，其中本系統采取高斯濾波的方式對點云數據進行濾波處理。高斯濾波把掃描區域中點云數據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據的同時還可以較好的保持原始數據的形態。

2.3 ?點云數據精簡

在覆土罐區使用三維激光掃描儀獲取的點云數據十分龐大，需要在保持地形特征的條件下對點云數據進行精簡處理，才能減少軟件系統的存儲、運算負擔。點云精簡的主要作用就通過最少的點云數據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，然后依據曲率來進行點云精簡，比較適用于地形數據的精簡過程;（3）隨機精簡法，即通過隨機函數的不斷運算把對應點從原始點云數據中刪除，方法簡單，但當數據較大時，會影響三維建模的精度。針對覆土罐設計實際，本系統采用曲率精簡法對點云數據進行精簡。

2.4 ?三維模型構建

利用處理之后的點云數據構建目標區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，本系統采用基于移動最小二乘重建方法對覆土罐區地形進行三維模型構建。

3 ?軟件系統需求分析

覆土罐區設計輔助系統開發的首要工作是對用戶需求、數據管理、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，明確開發路線，確定系統功能結構。通過實際調研，本文將從系統的性能需求、用戶需求、數據需求三個方面進行分析。

3.1 ?系統性能需求分析

根據覆土罐區設計工作需求，系統應具備以下具體性能：（1）友好的人機界面。系統界面必須簡潔、友好，這樣才能使系統有較好的可操作性，從而更好地進行人機交互，用戶經過簡單學習后即可使用系統相關功能模塊。（2）可擴展性。系統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，系統設計開發時即按照相關行業規范預留接口，系統開發人員可根據實際需求隨時添加必要的設備、模塊和系統，擴展相關功能，以便用戶使用。（3）可維護性。系統設計應當遵循簡潔、高效、合理、實用的設計原則，系統文檔保存完備，采集存儲數據一致，設計規范符合相關標準，方便故障檢測及系統維護。（4）快速反應能力。覆土罐區點云數據量巨大，所以要最大限度地提高系統的響應速度，達到快速調取、查閱、修改、計算相關數據的目的。（5）安全性。由于覆土罐區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定的系統安全保密措施。（6）穩定性。系統設計運行應具有良好的穩定性，并能及時更新補丁數據，修復自身故障，使用戶具有一個良好的使用體驗。（7）數據的一致性。在系統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，在系統設計和實現中必須全面考慮數據的一致性問題。

3.2 ?系統用戶需求分析

系統是主要針對覆土罐區前期設計工作而開發的，所以系統用戶主要包括研究所設計院的設計人員、倉庫業務主管及助理員、相關決策機關及評審專家。從設計工作實際出發，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點云數據，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的三維可視模型。（2）處理覆土罐區三維地形數據，分析地形的變化情況，計算距離、高程、高差、坡度、面積、體積等關鍵數據，為設計人員提供設計依據，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，根據油罐建設的相關行業標準，結合罐區地形三維掃描點云數據，分析數據，建立油罐選址優化模型。（4）可將采集的數據按照不同的來源以不同的方式錄入設計輔助系統，利用數據庫技術對數據實現不間斷地更新、維護，實現數據資源的共享，使不同用戶最大化地利用庫存數據。（5）為保證數據的高度安全，系統開發時就要根據不同用戶的用戶需求、職級設置不同權限，在登錄系統時根據不同的用戶群體，提供不同的功能操作權限。

3.3 ?系統數據需求分析

在系統的建設過程中，系統數據需求分析從覆土罐區設計工作實際需求出發，對系統數據進行分析：（1）數據的獲取及輸出。本文以三維激光掃描技術為基礎，應按相關照行業標準，滿足點云數據不同格式之間二點導入、導出。同時為了方便設計工作，本系統數據應與LaserControl、Polyworks、Auto CAD、SolidWorks等點云數據處理軟件及圖紙設計軟件之間能夠實現相互轉化，以提高數據通用性。（2）數據的分類。將采集、處理、分析、計算得到的數據按照數據類型不同依次分類并導入到數據庫表中，在系統中呈現給用戶的空間數據基本為矢量數據，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，例如覆土罐區儲存區、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）數據處理。本系統采用GIS軟件對相關空間數據進行轉換處理，將覆土罐區地形三維模型與覆土罐模型結合起來，形成罐區可視化操作。同時系統還對相應的屬性數據如高程、高差、坡度、體積、面積等數據進行處理，滿足覆土罐區實際設計需求。

4 ?軟件系統框架設計

目前軟件開發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]。針對系統不同用戶的不同需求，本系統采用C/S + B/S混合結構來進行軟件開發，從而使軟件開發更加高效安全。

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數據的專業性需求，方便設計工作的進行。C/S結構部分主要包括：基礎數據層、系統決策層和應用層。（1）基礎數據層。為覆土罐區設計輔助系統提供數據來源，負責覆土罐區地形的地形數據庫和覆土罐模型數據庫。（2）系統管理層。該層是系統的核心部分，由兩個部分構成。基礎數據庫，完成對基礎數據中的空間數據和屬性數據的綜合處理任務，同時為綜合數據庫提供及時、可靠、準確地分析基礎數據;綜合數據庫，處理和存儲系統所需要的各種數據，包括高程、高差、坡度、覆土罐模型等。（3）應用層。主要包括覆土罐區設計輔助系統做支撐的各類應用模塊，包括數據采集、地形查看、地形測量、土石方計算、設計方案優化等功能模塊。

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對系統相關數據文件的訪問、瀏覽、下載、上傳、意見反饋等需求。

5 ?軟件系統數據庫設計

本系統選用性能較高的SQL server2014軟件與NET開發環境對軟件數據庫建設，按照數據的存儲性質，將設計輔助系統的數據庫劃分為空間數據庫與屬性數據庫，并鏈接兩個數據庫，從而建立了完整的覆土罐區設計輔助系統數據庫。

（1）空間數據庫建立。空間數據庫主要由覆土罐區數據庫和覆土罐模型數據庫組成。空間數據按系統設定標準及數據需求特性進行分類分層存儲。對空間數據進行分類分層儲存管理是為了利用計算機實現對空間數據定義、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、面圖層實現編輯、維護、管理，主要包括了空間特征點數據的新增、移動、刪除、插入等具體操作。

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

（3）空間數據與屬性數據鏈接。空間數據和屬性數據的鏈接通過建立公共標識碼（ID）來實現。每個鏈接ID都是唯一的，系統根據ID編碼進行數據錄入。系統根據不同的屬性數據內容建立不同的屬性表，每一個屬性數據表都要設定一個關鍵的公共標識碼，方便數據庫中的各屬性數據表以及空間數據和屬性數據之間的鏈接，實現數據庫之間的數據統一和互相調用，方便用戶對空間數據和屬性數據的檢索、調用。

6 ?結束語

基于三維激光掃描技術的覆土罐區設計輔助系統設計開發將突破設計工作對傳統平面地形圖的依賴，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，優化覆土罐選址位置，節約工程建設經費等方面對實際工程建設有著指導性作用。

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