三維精密測量在壓載水系統快速改造中應用

謝 榮，梁 艷，謝 易

(江蘇海事職業技術學院，江蘇 南京 211170)

0 引言

全球第一部應對船舶壓載水攜帶外來物種入侵的《國際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》已于2019年1月22日起在我國正式生效，很多船東正有計劃地改造船舶壓載水管理系統，以滿足公約的規范要求。傳統船舶壓載水系統改造是根據改造草圖在現場由不確定的程序進行，工程涉及大量的材料加工、復雜的管道布置和繁瑣的機電設備安裝。由于改造現場和施工圖紙之間存在差異，很多實際狀態具有不可預見性，容易導致工程延期、現場返工、安裝質量不符合要求等問題，難于在改造中反映出客戶的準確需求，且增加了施工周期和費用[1]。

為解決船舶壓載水系統高效快速改造還有許多問題，本文應用虛擬現實技術，采用三維激光掃描、工業近景攝影等精密測量技術，通過3D CAD船舶設計技術進行船舶改造仿真建模，并應用于在役船舶壓載水系統快速改造工程[2]，對船舶快速改造具有一定的實際指導意義。

1 現場勘船和數據采集

船舶壓載水系統改造工程需結合船型、船舶航行區域和船東的要求進行項目總體規劃，并以此為基礎進行概念設計，包括設備選型、管道布置、施工方案等。本方案采用的硬件設備包括ScanStation P40三維激光掃描儀和近景工業攝影測量系統，作業流程包括現場勘船、數據采集、三維數據處理、完工3D CAD建模、管路圖改良和生產詳圖設計等。快速改造方案作業流程見圖1。

圖1 快速改造方案作業流程

現場勘船是指施工前根據現場的實際情況設計數據采集的掃描路徑，優化布置掃描位置。設置掃描站點時需要詳細勘察船舶現場環境并與相關技術人員進行技術溝通，包括靶位確立、控制網建立，以最少的站點獲取最詳細的數據，以便后續施工方案的正確實施。

根據船體部分、管道和輔助設備現場勘察情況設計出具體的數據采集方案，利用高精度三維激光掃描儀對船舶現場物體空間外形和結構進行三維數據采集，測量并記錄相關位置點的信息數據，得到改造部位的三維輪廓，獲得相關物體表面點的三維空間坐標，從而計算出位于測量范圍內測量目標的位置距離。激光點云數據獲取流程見圖2。

圖2 激光點云數據獲取流程圖

在船舶機艙掃描測量時，由于現場設備較多，有些擬測量點會被設備遮擋。當一個站點的掃描結束時，需把三維激光掃描儀搬到另外一個地方，進行相同方法的測量，從而補齊被遮擋的空間結構信息，在相同的坐標設置下，融合成一個位置的空間結構信息。從而獲得大量的多點云信息，整合為復合互補的位置信息，這樣就可以把測量目標視為一個三維對象[3]。船舶機艙由于空間位置狹窄，通常要測量20個左右站點才能獲得約100 m2的3D CAD模型所需的點云信息，見圖3。為更直觀地體現工作場所的光學影像數據，還可通過設備外置或內置單反相機獲取物體表面高清紋理信息。對于一些需要高精度定位的物標，則利用三維近景攝影設備進行高精度定位測量，再將測量的三維數據導入。

圖3 獲取的機艙改造區域點云數據

2 三維數據處理

激光點云數據處理流程見圖4，按圖中步驟對各個點處測得的點云信息進行處理。

2.1 三維激光掃描站點拼接

將原始點云數據導入到自帶Cyclone點云處理軟件，Cyclone的Basic模塊可支持點云的查看、三維瀏覽。整合點云信息，將每一站的掃描數據自動拼接到一起。通過三維激光測量檢查能夠獲得船舶機艙中壓載水處理系統布置區域的點云信息。

圖4 數據處理流程圖

2.2 噪點濾除與點云賦色

在役船壓載水系統改造所涉及到的管道系統分布在一個4層結構的機艙內。由于該區域的上甲板和下甲板之間及凈油機艙室內外都敷設了無數的管道，因而需要對一個廣泛的區域進行三維激光測量，再將測量得到的點云信息整合為一個組合式的完工3D CAD模型。在數據掃描的過程中，因為大部分采用的是360°全方位掃描，所以不可避免地產生了很多的冗余數據。通過點云處理軟件過濾功能，編輯點云數據，刪除不需要的點云數據及離散點并對點云數據進行去噪、抽稀等預處理，自動去除噪聲點云，得到濾波點云數據。再將獲取的高清影像信息通過軟件自動賦予到點云上，快速真實地還原現場，見圖5(a)。圖5(b)是以點云信息為基礎，增加了改造部分的3D CAD模型圖。

圖5 以點云信息為基礎的3D CAD模型

2.3 基于點云數據進行測量目標建模

拼接優化完成的濾波點云數據可以導出為各種格式的點云文件，為多元化的開發提供原始數據。三維激光點云在專業的點云處理軟件中可以形成多種效果，其中包括平面線畫圖、點云漫游視頻、三維模型、三維動畫、交互展示、模型干涉監測報告等。依據船舶改造定制方案或者專門技術，實現高精度完工3D CAD模型的建造[4]，見圖6。

2.4 改良的管路圖和生產詳圖

在通用3D CAD軟件或MATES上以一種通用3D CAD格式加載建造完成的完工模型。在三維模型的空間內布置需要增設的管道和設備。MATES可以把生產信息聯系至每一個管道/設備，而且便于將信息傳遞至生產過程[5]，見圖7。

圖6 高精度3D CAD模型

圖7 完工模型

3 結論

本文將三維激光掃描儀測量技術用于船舶壓載水系統快速改造，以測繪技術為基礎，通過計算機信息技術實現機艙內部的數據檢測、三維重構及改造設計，實現了3D CAD模型的構建。該方案能夠為船舶壓載水系統快速改造工程提供直觀可視化三維信息數據，既可根據完工3D CAD模型的空間位置布置并敷設管道和輔助設備，也可在詳細的設計中應用這些三維信息，為后期驗收、零部件檢測、虛擬裝配等應用提供數據支撐。方案在實施大規模船舶改造工程中，能夠準確地滿足客戶的需求，極大提高了從數據采集到完工檢測等工序效率，減少了船舶停航時間，節約了設計和維修成本，可積極推進目前在役船舶壓載水系統改造工程。