基于海量点云的船舶型线快速确定方法研究

杨荣淇 胡敏捷

（1.同济大学，上海200092；2.上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

船舶型线一直是船舶工程领域最为重要的技术指标，该指标决定着船舶实际装载重量的极限值和船体在水面航行时的受力情况。长期以来，船舶型线都是由前期设计人员根据船舶预期设计要求和经验数值绘制，再制作等比例的船舶模型，在试验水池进行实测试验，然后再优化型线，最终得到符合技术要求的船舶型线，交由详细设计人员进行后期设计。

随着我国经济实力不断增强，国际形势越发复杂多变，现阶段我国正在大力发展提高海洋装备的自主研制能力，船舶型线的优化设计就成为了一道重要的技术门槛。在面对型线优化或逆向设计的工程需求时，设计人员尝试通过测量的方法获取一些优秀船型的型线数据，建立数值模型或三维数字模型，在模型的基础上再进行优化设计。但是由于船舶型线尺度大，曲率变化复杂，测量现场环境条件有限，使用传统的单点测量方法获取的数据很难完整描述整艘船舶的型线形状和尺度，因此这方面的技术应用一直停留在有限离散点拟合的水平，多年来没有出现成熟有效的技术研究成果。

近年来，三维激光扫描测量技术的应用研究发展较为迅速。它具有高精度、全自动、非接触性、扫描速度快、获取信息量大等优点，为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段。三维激光扫描测量技术自出现起就在工程测量领域引起了极大的关注，主要原因是这种技术突破了以往的被动和单点测量方式，直接通过发射线束激光，结合自带电动机驱动测量系统在水平度盘上快速旋转，在较短的时间内即可完成360°视角范围内空间物体的位置信息采集。因此在大尺寸测量领域，这种技术得到了快速的发展和应用。三维激光扫描测量技术能够快速获取物体三维模型，并将传统的单点测量方式转变为面阵连续数据的自动获取方式，可完成复杂环境的扫描测量工作。由于其采用非接触式测量方法，能够快速获取复杂物体表面的阵列式几何图形数据即点云，通过实时获得激光脉冲接触被测物体表面后返回接收的特征点三维坐标信息，再配合软件系统进行数据处理，快速重构出物体的三维数字模型。

本文基于三维激光扫描测量技术，旨在通过该技术在船舶建造领域的应用研究，解决船舶型线的准确测量和快速确定问题。在测量技术领域，三维激光扫描技术可以利用激光快速对物体空间外形和结构进行逐点扫描，从而获取物体表面上亿万个点的空间坐标和颜色信息，再通过计算机进行高精度的三维逆向建模，最终从复杂实体或实景中重建目标的全景三维数据及模型。该技术可以较好地应用于船舶型线测量工作，根据实测数据生成的三维数据模型还可以直接转化为设计图，实现测量与设计的无缝对接。

1 系统原理及构成

船舶型线测量系统是以地面三维激光扫描设备为基础，对船舶外形进行激光扫描获取三维点云，并进行测量数据的处理，通过软件开发实现的集成应用系统。该测量系统的基本原理如下：

通过相位式地面三维激光扫描仪获取船舶外形的三维点云数据；针对原始三维点云数据进行配准、去噪、压缩等处理，获得完整的船舶外型的三维数据；再对船舶外形三维数据进行拟合计算，最终得到船舶型线数据。

船舶型线测量系统分为船舶三维数据获取设备和船舶三维数据处理软件两部分。具体构成如下：

1）船舶三维数据获取设备为三维激光扫描仪。该设备拥有较小的尺寸以及合适的扫描测量范围，可以满足户外应用，经测试，即使在空间狭小的工作环境下，也能顺利获取扫描数据，比较适用于船舶外型测量的复杂环境。同时，该仪器还配备了补偿工具，进一步保证了数据质量的最优化。集成于仪器顶部的卫星定位接收器能够进行自定位，广角成像功能可以获取高清分辨率的实景照片，为细节逼真的扫描结果和较高的数据质量提供了支撑。经测试，该设备的距离测量精度为：±2 mm，测距范围为：0.6～130 m，可以满足船舶外型三维数据的测量技术要求。

2）数据处理软件主要由点云数据预处理模块和型线计算模块构成。点云数据预处理模块包括基本的点云数据的配准，点云数据的去噪，点云数据的压缩，点云数据的插补等内容。其作用是完成原始点云数据的预处理过程，为后续模型建立提供数据基础。型线计算模块是在完整的船舶三维点云数据基础上，进行型线截面参数的设定和区域划分，通过对三维点云数据的分析计算，得到相对应的船舶型线。

2 全局控制网建立和点云数据配准

为了把各个测站的点云数据连接起来，形成一个有机的整体，需要先对船体进行控制测量，将全部测量数据都纳入到同一个船舶坐标系内。这样既能提高测量精度，也能方便后期进行数据处理。在获取船舶的点云数据时，由于受到扫描视场角、物体形状大小及物体间相互遮挡等情况的影响，通常情况下，每一测站扫描只能获取部分点云，并且每站的点云数据都处于当前测量状态时仪器坐标系下。为了获取完整的船舶点云数据，需要从不同视点对物体进行扫描，这就存在如何将多个扫描仪坐标系下的点云数据转换至统一坐标系的问题，即点云数据的配准。另一方面，使用三维激光扫描仪进行多站扫描，往往因为误差的累积，会造成较大的误差。因此，需要通过联合其他外业测量手段，以达到提高三维激光扫描整体精度的目的。

为了将多测站的数据在扫描完成后统一在同一个船舶坐标系内，还需要对船体进行控制测量。扫描工作之前完成控制网的布设工作，主要根据以下两条原则在舰船周围布设控制网：

1）控制点的布设要保证每一控制点和至少两个控制点通视；

2）控制点通视区域应尽可能包括所有扫描区域。

导线控制网的布设如图1所示。

图1 导线控制网布设示意

为了布设高精度的控制网，获取高精度的控制点坐标，将控制测量分为平面控制测量和高程控制测量，分别进行测量与平差计算。平面控制测量采用全站仪，从首个测量点开始逆时针测量。测出每条边的长度及每个控制点上的转折角，通过控制网平差得到各控制点坐标。高程控制测量采用高精度电子水准仪进行。

点云配准是将两个或两个以上坐标系中的大容量三维点云数据转换到统一坐标系统中的数学计算过程。利用同名点对在全局坐标系和扫描仪坐标系下的坐标，解算旋转参数和平移参数，实现扫描仪坐标系下的点云数据到地面测量坐标系的转换，将所有扫描的点云数据拼接到统一的坐标系下。常用的方法有六参数法、四元数法、ICP法等。本文采用自主研发的扫描仪定位基座实现点云数据的配准。

3 海量点云的数据处理

完整的数据管理体系包含数据获取和数据管理两个组成部分，因此获取数据之后，还必须实施有效的数据管理。从激光扫描仪获取的研究对象为海量的高密度点云信息，通常是散乱无序的，这对于后续点云数据的处理与管理都是非常不利的。因此，只有找到海量点云之间的几何拓扑与邻域关系，建立高效的数据存储检索排序流程，使点云数据拓扑化、有序化，构建点云几何信息与属性信息一体化的空间管理数据库，才能有效地对点云数据进行管理，开展后续的研究工作。研究基于地面三维激光扫描技术海量空间数据的有效存储、管理和检索等是三维测量技术领域的热点和难点，如何将这些数据集成在一个平台内，实现对数据的有效清晰的管理以方便后续的应用研究及归档等，对三维激光扫描技术的发展及其在各专业领域的广泛应用具有十分重要的意义。船舶外表面点云处理的流程如图2所示。

图2 点云数据处理流程

根据获取的船体点云数据，进行型线及性质的计算。其数据处理过程主要包括数据预处理、船体三维模型重建和型线确定3个过程。

3.1 数据预处理

数据预处理是对原始船体三维点云进行处理，得到实际计算可用的点云三维数字模型，主要包括点云配准、点云去噪、空洞修补以及点云压缩等过程，见图 3～5。

图3 点云数据配准

图4 去噪点云初始模型

图5 点云空洞修补

3.2 船体三维模型重建

基于扫描点云的三维结构信息智能提取首先联合激光点云的多维属性特征，将扫描的点云数据分割为各个船体面以及不同构件的聚类数据。然后，对于各分割区域通过提取边界轮廓、形状信息、面积、拓扑等特征描述信息，通过先验约束实现提取、描述一体化的智能化目标分类识别。

利用三角网格对点云进行面片构造。三角网格模型作为一种空间点集拓扑连接关系的直接表述方式，其性能比四边形网格更为稳定，更能灵活反映实际曲面复杂的形状，对复杂边界也能很好地表达，适

用于任意分布的散乱数据点集，是进一步数据后处

理如曲面修复和曲面重构的基础。

3.3 型线确定

传统的船舶型线的测量方法由于采集点位密度不高，使得型值测量的准确性和可靠性不高。激光扫描系统数据获取效率高，数据量大，点位密集，精度较高，是实现舰船排水量和型线测量的最佳方法。本文采用船舶点云切片分层的方法确定网格型线，并通过对船舶的总体点云切片分层，基于形态学对每层点云边界进行细化，然后使用均匀三次b样条曲线来拟合边界线，自动计算船体曲面的型值，生成船舶型线，见图6。

图6 船体型线生成

4 试验结果与分析

实例中，船体点云切片厚度选定为5 cm，通过计算横截面的面积，再利用累积积分法计算型值。为了评价其计算精度，利用静水力曲线获取对应高度的排水量，并以此作为参考值，对算法的结果进行精度评价，型值计算见图7。

图7 船舶型值计算

通过软件对测量数据进行计算，对采用激光雷达建立的数据模型进行选择量取，得到两组船舶型线数据，进行对比。因为线条比较不好量化，特将型线转化为点集，选取关键位置点进行比较，比较结果见表1。

利用本文自主开发的软件计算排水量计算结果与压载试验静水力曲线结果比较见表2。

通过试验结果验证，实例中采用的扫描仪的点位精度为2.17 mm，点云配准精度为2.5 mm，从而计算出横截面面积的相对精度为1.4×10-4，最终排水量的相对精度为3.5×10-4，相对扩展不确定度为0.7×10-3（k=2）。

表1 型线测量比较结果

表2 排水量计算结果比较

5 结语

本文介绍的研究成果具有作业自动化、智能化、高效率、非接触、适应面广等特点和综合优势，可以快速准确地采集船体的海量三维坐标，并据此进行高密度的拟合计算，从而得到船舶的型线和排水量数据，并在真实环境下进行了系统验证。