基于三維點云數據的油罐罐頂變形檢測

王馳

摘? 要：石油安全關系著一個社會的穩定和人民生活安全，定期檢測石油油罐變形情況，是保證油罐安全的重要方法。傳統的油罐檢測方法存在著檢測結果精確度低問題。針對這一問題，提出一種基于三維點與數據的油罐罐頂變形檢測方法，并對其云數據的采集以及各參數的計算進行詳細的設計。通過實驗證明，與傳統檢測方法相比，新的檢測方法的精確度更高，更適用于實際的石油油罐的變形檢測。

關鍵詞：三維? 點云數據? 油罐? 變形

油罐是石油化工行業中最常用的存儲容器，油罐長時間使用后，會受到其自身材質變性以及外界環境等因素的綜合影響，導致油罐的罐頂出現不同程度的幾何變形，降低耐壓性，對于石化行業的安全生產造成嚴重的威脅[1]。傳統檢測方法有徑向偏差儀法、光學參比線法等[2]，操作流程復雜，且儀器精密脆弱，較為笨重，機動性較差，檢測出的結果精確度較低，因此傳統方法應用于對油罐的變形檢測尚存在缺陷。為此，設計一種激光三維掃描檢測方法，實現油罐罐頂變形量的檢測。

1? 油罐罐頂變形檢測方法設計

儲存石油的油罐分為空油罐和在役油罐兩種。對于空油罐的罐頂變形檢測可以充分利用油罐內部的巨大空間，在油罐中的浮頂板上放置相應的測量儀器，對其罐頂的變形進行檢測;而對于在役油罐，即油罐中裝有石油的油罐，對其罐頂進行變形檢測，處于安全考慮，建立了一種激光三維掃描基于三維點云數據的檢測方法[3]。這種檢測方法首先是將云數據進行采集再經過適當的處理得到檢測結果。

1.1 采集點云數據

在采集油罐罐頂上的點云數據前，詳細掌握油罐所在場地內的所有油罐分布及地理位置，并做好檢測計劃。選取適合檢測的測試點以及標靶的位置，讓每兩個測試點上有足夠的重合部分，并且每兩個測試點要有4個共同使用的標靶。將檢測儀器調節成水平并架設好，在儀器中事先設定好相應的分布率數據以及點云質量信息。

采集油罐罐頂的點云數據可以分為兩種方法：一是內測法;二是外測法。內測法是將三維激光掃描儀器放置在油罐的罐底中心位置，通過一次完整的掃描即可獲取到所需要的點云數據，這種方法只適用于油罐中沒有石油存儲，且內部清潔。外測法是將測試點設置在油罐外部，對于油罐中裝有石油的油罐同樣適用，以此可以完成對油罐罐頂的變形檢測。利用外測法測量時需要特別注意測量基點的選擇以及點位重復測量的精準匹配問題。

1.2 點云數據的預處理

在采集到的點云數據中包含了油罐罐頂等測量對象周圍的點云數據與噪點信息，以此應首先對點云數據進行預處理。預處理的步驟分為拼接、去噪、切片三步。

（1）拼接。運用相關的點云數據處理軟件對點云數據的標靶進行標定并拼接。從眾多測試點中選出兩個相鄰的測試點，并對其中共用的4個或4個以上的共用標靶進行標記并拼接在一起，這樣做的目的是為了讓兩個測試點上采集到的點云數據可以共處于一個坐標系中，方便后續的計算。通過這種方法將其他測試點依次進行拼接，最終將所有的測試點獲取到的點云坐標都可以轉換到一個共同的坐標系中。

（2）去噪。利用點云數據處理軟件中的刪除功能，對變形檢測結果沒有幫助的點云數據進行初步的刪除處理，再利用該軟件中的去噪指令對點云數據中的噪點信息進行消除。

（3）切片。預先設定好切片的剪切平面，對油罐罐頂進行切片處理，以此獲取到圈板水平截面以及罐頂的垂直截面的點云數據。需要注意的是在對圈板切片時，要選用較小的高度間隔，通常情況下選用不超過15mm的間隔，以此獲取到更多的截面點云數據。研究發現，這種短距離的間隔獲取到的數據信息在后續的計算中精確度更高，更能體現出油罐罐頂的三維特征。

1.3 點云數據擬合計算

1.3.1 基圓擬合

油罐罐頂的變形偏差計算需要制定標準的參考數據，通常情況下，油罐的底圈板會受到板焊縫產生的作用力影響，發生變形的程度是整個油罐中最小的，因此將油罐的底圈板作為標準參考。在對油罐罐頂內部進行檢測時，由于檢測會受到油罐空間上的制約，因此選用起始圈板作為標準。通過采集到的油罐基圓上的點云數據坐標，利用最小二乘法對基圓進行擬合，以此求得相應的擬合圓心以及擬合直徑，并將其作為標準參數。

1.3.2 徑向偏差值計算

徑向偏差值可以通過公式（1）計算得出：

公式（1）中，σ為各圈板的徑向偏差值;L為除標準圈板外的其他圈板點云數據到圓心之間的距離;S為標準圈板的點云數據到圓心之間的距離。通過計算得到的σ若為正值，則表示油罐罐頂板壁向外突出;若為負值，則表示油罐罐頂板壁向內凹陷。

1.3.3 橢圓度計算

橢圓度的計算是為了檢測油罐罐頂壁板的橫向偏差變形情況，實質上是對上文的徑向偏差值做進一步推算，其公式表示為：

公式（2）中，α為該油罐罐頂壁板的橫向橢圓度;L為該油罐圈板的平均直徑大小;Lmax為徑向偏差的最大值;Lmin為徑向偏差的最小值。

2? 實驗論證分析

為了驗證該文方法的有效性，將其與傳統檢測方法進行對比實驗。實驗對象設定為某一體積大小為500m3的油罐，通過測量得出，該油罐的高度約為6.8m，半徑約為10m，且油罐罐頂具有6層圈板。利用兩種方法對其變形程度進行檢測，圖1為兩種方法的檢測結果精確度對比。

從圖1可以清晰地看出，該文提出的檢測方法精確度明顯高于傳統檢測方法，且該文檢測方法的精確度基本維持在90%以上，因此可以說明，該方法更具有實際的應用價值。

3? 結語

該文基于三維點云數據，提出了一種新的檢測油罐罐頂變形的方法，通過三維激光掃描設備獲取到油罐罐頂的相關點云數據，并通過對其基圓、徑向偏差以及橢圓度依次進行計算，使得檢測的結果更加精確，更加直觀地得出油罐罐頂的變形情況，實現對油罐罐頂變形的定量分析及評估。通過實驗再次證明了該方法的準確性和可行性。

參考文獻

[1] 陳瀚，張思瑾，高見，等.基于多個線激光傳感器旋轉掃描的鑄鋼車輪在線三維測量技術[J].中國激光，2019，46（7）：199-205.

[2] 張銀，任國全，程子陽，等.三維激光雷達在無人車環境感知中的應用研究[J].激光與光電子學進展，2019，56（13）：9-19.

[3] 徐亞軍，謝海榮，袁小軍，等.三維激光掃描技術在異型建筑物施工軸線檢測中的應用[J].測繪通報，2019（8）：162-164.