全站式掃描儀在大面積甲板平整度變形監測中的應用

張 威， 劉序辰， 史艷龍

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

對于船體大面積、大跨度的通體結構水平甲板而言，其反頂結構支撐因艙內空間需求往往設計較少，易產生結構變形。因此，在其結構貫通后，需對該甲板進行平整度變形監測，以便矯正形變，使其滿足設計和功能要求。同時甲板結構面在建造過程中還存在多項交叉作業會影響平整度的狀態，因此需對甲板在建造過程中與矯正過程中進行變形監測，及時掌握變形情況，提高精度品質與生產效率。

大范圍的結構平整度變形監測無論是對建造還是對管理而言，都具有較大的挑戰。總裝成形后的甲板平整度變形管理主要存在下列幾個困難點。一是平整度變形監測的效率問題：測量的范圍廣、數據量大。二是平整度變形監測的手段需滿足大跨度甲板精度要求：顯然傳統的拉線法已無法適應，需借助光學測量設備實現，且對設備的測量范圍及測量精度均有較高要求。三是所選平整度變形監測的設備需適應工況環境：現場為戶外施工環境，且該環境下存在甲板振動，因此所選設備需具備水平自動補償功能，否則無法滿足測量所需。解決問題的關鍵在于如何快速、精確、全面地對整個甲板實現多頻次平整度測量，從而保障生產有序推進，強化甲板水平管理能力，促進建造品質提升。

1 全站式掃描儀

全站式掃描儀是近幾年發展起來的新型測量設備，該設備突破傳統的單點測量模式，使測量工作更加高效與便捷，為空間三維數據的獲取提供了一個全新的測量手段。該設備采用非接觸式激光測量技術，以點云的形式采集并保存被測物體表面的三維坐標信息和紋理數據[1]。

全站式掃描儀主要包括測距系統和掃描系統，同時也集成數字攝像和儀器內部校正等系統。其中，測距原理與全站儀一致，其掃描工作原理是：以望遠鏡結構中的距離測量模塊和角度測量模塊作為獲取數據的硬件基礎，配合電機驅動實現掃描。全站式掃描儀獲取點云的方式屬于線掃描模式，即選定掃描區域后，儀器在起始位置首先驅動望遠鏡上下快速轉動，按照設定的采樣間隔取得垂直方向上的目標點云坐標，然后水平轉動一定間隔，再從上至下采集點云數據，并儲存記錄。設備掃描獲取點云采用的是空間球坐標測量原理，設全站式掃描儀對空間點的水平角、天頂距和斜距測量值分別為Hz、V、S，空間掃描點的三維坐標(x、y、z)[2]為

(1)

在甲板平整度變形監測應用過程中，全站式掃描儀作業涉及多步驟操作，按數據采集與數據分析進行主體劃分。采集階段為現場作業環境，主要硬件包括全站式掃描儀、設站棱鏡組和PC端。現場測量結束后通過PC端進行數據分析，分析環節共分為導入點云、處理噪點、建立平面、標注誤差、輸出報告等5個步驟，如圖 1所示。

圖1 全站式掃描儀平整度變形監測步驟

2 數據采集

全站式掃描儀分別選取3處船體大面積甲板的局部區域進行現場平整度變形數據采集。其中：甲板1數據采集用時約15 min，采集點云數約17 000個；甲板2數據采集用時約20 min，采集點云數約23 000個；甲板3數據采集用時約30 min，采集點云數約34 000個。3次采集過程中均要求盡可能選擇振動較小的位置架設設備，并對設備進行整平并打開水平補償，水平補償范圍±0.25°，該范圍內的水平偏離會自動校正。創建測量作業后，對所需采集的區域平整度進行范圍界定，明確掃描范圍；界定完成后設置所需被測點的點云間隔密度，密度的設定將決定被測點的數量及測量時間；完成上述步驟后設備開始自動掃描進行數據采集，其間無需人為干預。考慮到測量工況的復雜性，作業中會遇到所需掃描位置有遮擋，因此需結合設備自身的設站功能并輔以設站棱鏡組的架設進行統一坐標系建立，有利于提升采集數據的整體性。

需要特別說明的是，范圍界定和數據采集需結合設備系統誤差進行綜合考慮，使之達到最佳測量精度狀態。系統誤差的大小是由掃描儀自身條件決定的，如激光的發散度決定掃描儀的有效測程，隨著距離增加，激光發散度不斷增加，采集的點云數據精度也隨之降低[3]。應用于大面積甲板平整度變形監測，一般要求100 m范圍內達到1 mm精度。以MS60為例，其掃描300 m范圍內測量精度可達1 mm，滿足應用要求。數據采集中減小誤差的方法：一是增加掃描儀的測站點、減小掃描距離，從而降低激光的發散度；二是可減小激光光束方向與物體表面切平面法線的角度。

3 數據分析

數據分析全過程在PC端進行，將全站式掃描儀采集的數據通過Polyworks等主流軟件完成整個后期處理步驟。

3.1 分析環節

(1) 導入點云。將全站式掃描儀所采集的甲板平整度點云數據導入分析軟件，初步觀察所采集點云數據的完整性。

(2) 處理噪點。掃描區域將存在大量噪點及多余被測點，如甲板上擺放的設備及工具等，需要逐個進行剔除，僅保留待分析的甲板點云數據。

(3) 建立平面。平整度變形監測主要是測量實測面與理論面的法向或垂直偏差，因此，對處理后的點云數據需進行理論平面建立，并擬合出最佳平面的平整度數據。

(4) 標注誤差。為了使平整度變形趨勢觀察更直觀，所有數據以色溫圖方式呈現，同時對需要量化誤差的點可以進行單獨標識。

(5) 輸出報告。可生成電子或紙質變形監測分析結果報告提供給現場，用于指導現場進行平整度變形校正。

3.2 實測結果

依照第3.1節的步驟可獲取最終3組甲板平整度數據，并以點云圖形式呈現，所監測范圍內的平整度變形位置與變形量一目了然。

甲板1區域內大部分點處于-15～10 mm之間，局部存在超標現象，最高點出現在艏部靠近舯部(33 mm)，最低點出現在甲板中心靠右舷區域(約-32 mm)，如圖2所示。

圖2 甲板1的實測點云平整度色溫圖

圖3 甲板2的實測點云平整度色溫圖

甲板2區域平整度變形大部分處于0～15 mm范圍內，局部存在變形較大現象，其中最高點出現在被測區域向艉部邊緣位置(29 mm)，最低點出現在被測區域中線位置(-14 mm)，如圖3所示。 甲板3區域平整度變形偏差結果，最高點16 mm出現在甲板面靠近左舷開口處，最低點-23 mm 出現在右側開口處，如圖4所示。

圖4 甲板3的實測點云平整度色溫圖

4 與傳統變形監測設備對比

傳統的變形監測手段主要通過全站儀或水準儀等光學測量設備采集各個被測點的空間三維坐標，取高度坐標值判斷每個目標點之間的高差，得出被測物平整度精度狀態，從而判斷是否滿足設計標準等要求。這種方法的測量點是逐個采取的，工作量大，且后期數據處理繁瑣，效率低。因此，為了實現監測目標，需應用更高效精準的全站式掃描儀對大面積甲板平整度變形進行監測。為驗證所述合理性，選擇3種設備進行橫向對比，具體對比情況如表 1 所示。

表1 3種監測設備指標對比

對比后可發現，3臺具有水平補償功能的監測設備在測量精度與測量范圍方面均可滿足大面積甲板的平整度變形監測。在實測效率統計的環節中，現場工況非一覽無余，需避開障礙物進行多次設站，在效率影響性方面3臺監測設備基本是相同的。因為全站式掃描儀是自動掃描并形成點云的數據形式，所以被測點的采集效率及可測量性遠大于需人工采點的水準儀和全站儀。人工投入方面，水準儀和全站儀在測量過程中需2人協同完成，而全站式掃描儀為自動測量，無需人為干預。傳統變形監測方法在操作難易程度、測量范圍、工作量、自動化程度、數據形式的客觀性方面各有欠缺。相比之下，全站式掃描儀的應用解決了傳統變形監測方法在平整度管理上的所有測量難題。

5 結 論

根據應用情況，拋開監測設備市場價值，在大面積甲板的平整度變形監測應用上，全站式掃描儀完全適應甲板建造工況：有效測量作業半徑大，有效測量距離可達300 m；測量精度高，測量范圍內精度可達1 mm，滿足應用要求；測量效率高，短時間內可掃描上萬個點云數據；勞動成本低，1人即可完成測量作業。

同時，在測量期間被測點的點云密度可按需自由設定，且數據呈現形式直觀，最大程度滿足大面積甲板對平整度變形監測管理上的所有需求。