基于三维激光扫描技术的覆土罐区设计辅助系统开发

赵增贺 焦光伟 刘鲁兴 陶金 王思佳

摘      要： 覆土油罐建设是未来军队成品油库建设的重点方向，覆土罐区设计是覆土油罐建设前期设计工作的重要组成部分。根据三维激光扫描技术的数据采集效率快、测量精度高等技术优势，结合实际设计工作的工作需要，针对设计人员与管理人员不同的需求进行了系统需求分析，利用SQL server 2014软件进行了系统数据库建设，设计开发了基于CS+BS混合框架结构的覆土罐区设计辅助系统。该系统将在覆土罐设计中的罐址选择、土石方计算、控制预算等方面有着广泛的应用。

关  键  词：三维激光扫描技术;覆土罐区设计辅助系统;CS+BS混合框架

中图分类号：TE972      文献标识码： A      文章编号： 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

覆土油罐是我軍联勤油料保障的重要储存形式，有关资料显示我军约 1/3后方油库都采用覆土油罐进行储油。随着经济及国防事业的发展，军队成品油库担负了大量的国家战略储备任务，预计在较长一段时间都将继续进行大规模的军队成品油油库改扩建工程，这其中包括大量的覆土罐建设工程。本文将基于三维激光扫描仪的技术特征，研究覆土罐区设计辅助系统的开发应用。

1  三维激光扫描技术简介

三维激光扫描技术是较为精准的测量技术^[1-5]，它首先通过激光扫描技术来获取被测物体表面点云数据，然后对大量点云数据进行拼接、滤波等预处理，最后建立被测物体精准的三维模型，这项技术目前已运用于大量的工程实践中。

1.1  三维激光扫描技术的技术优势

相比传统测绘技术，三维激光扫描技术在数据采集方面主要有着以下几点技术优势^[6-11]：（1）数据采集效率高。目前通过三维激光扫描仪对被测目标进行激光扫描每秒可获取几十万个点云数据。三维激光扫描技术对被测目标及测量环境要求不高，有效测量距离较长，不需要直接接触测量目标即可实现测量。同时三维激光扫描仪自动化程度较高，前期准备工作较少，测量过程不需要人工操作，能够极大提高测量效率。（2）测量精度高。目前三维激光扫描仪按照激光测距原理的不同，主要分为脉冲式、相位式和三角式。其中脉冲式三维激光扫描仪测量距离远，但测量速度慢、精度低;相位式测量速度快、精度高，但测量距离近;三角式测量精度高但速度慢。随着技术的发展目前三维激光扫描仪的有效扫描距离可达5 km以上，精度也越来越高，实际测量所得点位数据误差可控制在毫米级。（3）测量结果的数字化与可视化。随着现代计算机技术的发展，可以将三维激光扫描仪获取的数据以百万计的点云数据进行快速的数据储存，然后进行点云拼接、点云滤波等数据处理，从而建立测量目标的三维模型。

1.2  三维激光扫描技术的储罐应用研究

目前三维激光扫描技术在油罐应用方面的研究主要在油罐形变检测、油罐容积测定、油罐尺寸测量、油罐垂直度测量等方面。

他光平、张文新^[12-13]利用三维激光扫描技术对大型储油罐进行几何尺寸测量。实验结果表明，采用三维激光扫描技术对储油罐进行几何尺寸测量，其精度高、效率快。陈伟^[14]利用三维激光扫描技术对立式金属罐的容量进行测量，并针对油罐底部变形及油罐倾向变形时容积测量的问题，采集点云数据，建立三维模型，提出了新的解决方法。宋振^[15]利用三维激光扫描仪对容器表面进行测量，并建立三维模型，达到了计算容器总容积，建立相应的容积表的目的。张志鹏^[16]根据铁路罐车和罐式集装箱测量时扫描角度、罐壁液体等因素对三维激光扫描仪的不同影响，针对不同因素对激光扫描效果的不同影响，提出了合理优化扫描步长、优化发射角度、点云数据预处理等改进措施。焦光伟、张柱柱^[17-18]等针对发生壁板变形的立式储罐容积检定问题，使用三维激光扫描仪采集储罐点云数据，利用Matlab对点云数据进行建模，计算得到油罐容积，结果证明新方法满足油罐容积检定的精度要求。祁志江^[19]等根据油罐形变检测相关规范要求，针对油罐形变检测问题，运用三维激光扫描技术，提出一种更加快速、精确的新检测方法。王金涛^[20]等运用三维激光扫描技术获得点云数据并利用迭代算法建模，同时检测立式储罐的整体变形与局部变形，检测效果显著。

目前基于三维激光扫描技术对油罐的研究主要集中于体积测量、形变检测等方面，对于三维激光扫描技术在覆土罐区设计优化方面研究的较少。

2  覆土罐区点云数据处理

利用三维激光扫描仪对覆土罐区通过合理设置步长及站点等方式进行扫描可以获得覆土罐区大量点云数据，对这些点云数据进行处理之后才能得到覆土罐区精准的地形数据^[21-26]。点云数据的处理主要包括点云数据拼接、点云数据滤波、点云数据精简、三维模型构建。

2.1  点云数据拼接

由于覆土罐区地形复杂、面积大以及部分遮挡物体遮挡的原因，需要结合实际地形合理设置多个测量站点以获得勘测区域完整的点云数据。所以原始点云数据是在不同测量站点获取来的，需对不同坐标系下获取的三维点云数据运用算法进行坐标变换，转换到同一坐标系中。目前运用较为广泛的点云数据拼接方法主要有两种：第一种方法是基于标靶的拼接方法，即在扫描过程中设置公共标靶，根据三点确定一个面的原理，将不同站点之间的点云数据拼接。第二种方法基于特征点的拼接方法，即首先在相邻站点的云点数据的重叠区域内找到恰当的特征点，然后根据特征点之间的空间关系进行相邻站点点云数据拼接。本系统将使用德国产PENTAX S-3180V三维激光扫描仪，采用基于靶标的拼接方式。

2.2  点云数据滤波

测量过程中由于仪器设备、站点位置、地表复杂程度、地表植被、天气环境的等因素的影响，会产生大量的噪点。 覆土罐区扫描主要考虑的是植被、树木、建筑物对地表的遮挡产生的噪点，只有把这些噪点去除，才能得到精准的数据。目前对于一些明显的噪点如树木、建筑物的点云数据可以采用手动去除的方式在计算机中剔除相关数据。除此之外对于不明显的噪点， 通常同采用滤波方法进行去噪。目前比较常用的点云滤波方法有：曲率滤波、高斯滤波、平均滤波和中值滤波等，其中本系统采取高斯滤波的方式对点云数据进行滤波处理。高斯滤波把扫描区域中点云数据的权重当作高斯分布，从而这种方法的平均效果小，使其能够在剔除较大差错点云数据的同时还可以较好的保持原始数据的形态。

2.3  点云数据精简

在覆土罐区使用三维激光扫描仪获取的点云数据十分庞大，需要在保持地形特征的条件下对点云数据进行精简处理，才能减少软件系统的存储、运算负担。点云精简的主要作用就通过最少的点云数据来最大化地表达目标特征。目前常用的方法有：（1）包围盒法，该方法对表面特征简单且曲率变化不大的模型效果较好;（2）曲率精简法，该方法通过计算曲率，然后依据曲率来进行点云精简，比较适用于地形数据的精简过程;（3）随机精简法，即通过随机函数的不断运算把对应点从原始点云数据中删除，方法简单，但当数据较大时，会影响三维建模的精度。针对覆土罐设计实际，本系统采用曲率精简法对点云数据进行精简。

2.4  三维模型构建

利用处理之后的点云数据构建目标区域三维模型是三维激光扫描的最终目标。目前三维模型构建方法有很多，但运用较多的主要有：基于移动最小二乘重建方法、微切平面法、三维Delaunay剖分法。其中基于移动最小二乘重建方法具有拟合精度高、通用性强等特点，本系统采用基于移动最小二乘重建方法对覆土罐区地形进行三维模型构建。

3  软件系统需求分析

覆土罐区设计辅助系统开发的首要工作是對用户需求、数据管理、功能架构进行总体的需求分析，只有充分地考虑用户操作能力，了解用户的实际功能需求，才能更好地进行软件开发，明确开发路线，确定系统功能结构。通过实际调研，本文将从系统的性能需求、用户需求、数据需求三个方面进行分析。

3.1  系统性能需求分析

根据覆土罐区设计工作需求，系统应具备以下具体性能：（1）友好的人机界面。系统界面必须简洁、友好，这样才能使系统有较好的可操作性，从而更好地进行人机交互，用户经过简单学习后即可使用系统相关功能模块。（2）可扩展性。系统设计是在实际应用中逐步完善的，所以为了应对以后的应用需求，系统设计开发时即按照相关行业规范预留接口，系统开发人员可根据实际需求随时添加必要的设备、模块和系统，扩展相关功能，以便用户使用。（3）可维护性。系统设计应当遵循简洁、高效、合理、实用的设计原则，系统文档保存完备，采集存储数据一致，设计规范符合相关标准，方便故障检测及系統维护。（4）快速反应能力。覆土罐区点云数据量巨大，所以要最大限度地提高系统的响应速度，达到快速调取、查阅、修改、计算相关数据的目的。（5）安全性。由于覆土罐区的设计大部分为军队成品油库建设，具有高度的安全性要求，因此必须建立一整套完备的符合军队保密管理规定的系统安全保密措施。（6）稳定性。系统设计运行应具有良好的稳定性，并能及时更新补丁数据，修复自身故障，使用户具有一个良好的使用体验。（7）数据的一致性。在系统操作中一个信息在不同模块间或同一模块的不同子模块间会重复引用或操作，因此，在系统设计和实现中必须全面考虑数据的一致性问题。

3.2  系统用户需求分析

系统是主要针对覆土罐区前期设计工作而开发的，所以系统用户主要包括研究所设计院的设计人员、仓库业务主管及助理员、相关决策机关及评审专家。从设计工作实际出发，对主要用户需求进行归纳：（1）应用三维激光扫描技术获取覆土罐区点云数据，并通过点云去噪、点云滤波、点云拼接技术，去除地表植被的影响，从而精准建立覆土罐区的三维可视模型。（2）处理覆土罐区三维地形数据，分析地形的变化情况，计算距离、高程、高差、坡度、面积、体积等关键数据，为设计人员提供设计依据，提高设计精度及工作效率。（3）针对不同容积的覆土罐建立不同的三维模型，根据油罐建设的相关行业标准，结合罐区地形三维扫描点云数据，分析数据，建立油罐选址优化模型。（4）可将采集的数据按照不同的来源以不同的方式录入设计辅助系统，利用数据库技术对数据实现不间断地更新、维护，实现数据资源的共享，使不同用户最大化地利用库存数据。（5）为保证数据的高度安全，系统开发时就要根据不同用户的用户需求、职级设置不同权限，在登录系统时根据不同的用户群体，提供不同的功能操作权限。

3.3  系统数据需求分析

在系统的建设过程中，系统数据需求分析从覆土罐区设计工作实际需求出发，对系统数据进行分析：（1）数据的获取及输出。本文以三维激光扫描技术为基础，应按相关照行业标准，满足点云数据不同格式之间二点导入、导出。同时为了方便设计工作，本系统数据应与LaserControl、Polyworks、Auto CAD、SolidWorks等点云数据处理软件及图纸设计软件之间能够实现相互转化，以提高数据通用性。（2）数据的分类。将采集、处理、分析、计算得到的数据按照数据类型不同依次分类并导入到数据库表中，在系统中呈现给用户的空间数据基本为矢量数据，大致分为点、面两种类型。它们以可视化的方式描述空间对象，例如覆土罐区储存区、管线、泵房、消防道路等空间位置的分布及它们在可视化界面显示的形状信息。（3）数据处理。本系统采用GIS软件对相关空间数据进行转换处理，将覆土罐区地形三维模型与覆土罐模型结合起来，形成罐区可视化操作。同时系统还对相应的属性数据如高程、高差、坡度、体积、面积等数据进行处理，满足覆土罐区实际设计需求。

4  软件系统框架设计

目前软件开发使用的框架结构主要有多层结构C/S结构、B/S结构、C/S + B/S混合结构^[27-31]。针对系统不同用户的不同需求，本系统采用C/S + B/S混合结构来进行软件开发，从而使软件开发更加高效安全。

针对设计院、院校、科研单位等承担设计责任的用户客户端采用C/S结构，以满足设计工作中对系统数据的专业性需求，方便设计工作的进行。C/S结构部分主要包括：基础数据层、系统决策层和应用层。（1）基础数据层。为覆土罐区设计辅助系统提供数据来源，负责覆土罐区地形的地形数据库和覆土罐模型数据库。（2）系统管理层。该层是系统的核心部分，由两个部分构成。基础数据库，完成对基础数据中的空间数据和属性数据的综合处理任务，同时为综合数据库提供及时、可靠、准确地分析基础数据;综合数据库，处理和存储系统所需要的各种数据，包括高程、高差、坡度、覆土罐模型等。（3）应用层。主要包括覆土罐区设计辅助系统做支撑的各类应用模块，包括数据采集、地形查看、地形测量、土石方计算、设计方案优化等功能模块。

针对仓库管理者、评审专家、审批部门等承担管理职责的用户客户端采用B/S结构，用户通过浏览器即可实现对系统相关数据文件的访问、浏览、下载、上传、意见反馈等需求。

5  软件系统数据库设计

本系统选用性能较高的SQL server2014软件与NET开发环境对软件数据库建设，按照数据的存储性质，将设计辅助系统的数据库划分为空间数据库与属性数据库，并链接两个数据库，从而建立了完整的覆土罐区设计辅助系统数据库。

（1）空间数据库建立。空间数据库主要由覆土罐区数据库和覆土罐模型数据库组成。空间数据按系统设定标准及数据需求特性进行分类分层存储。对空间数据进行分类分层储存管理是为了利用计算机实现对空间数据定义、存储、操作，并基于三维位置进行高效查询。具体操作过程就是对点、面图层实现编辑、维护、管理，主要包括了空间特征点数据的新增、移动、删除、插入等具体操作。

（2）属性数据库建立。在系统完成空间数据库后，应录入相应的属性数据，它主要用来存储覆土罐区及覆土罐的属性信息，建立以图形为索引的属性数据库。属性数据库主要包括不同储存区、不同储罐的属性信息。将属性数据与空间数据有效的链接，并与空间数据通过唯一的标示符关联调用，在数据库表中添加记录，并检查核对属性数据的正确性，为覆土罐区设计辅助系统各项功能的实现提供保证。

（3）空间数据与属性数据链接。空间数据和属性数据的链接通过建立公共标识码（ID）来实现。每个链接ID都是唯一的，系统根据ID编码进行数据录入。系统根据不同的属性数据内容建立不同的属性表，每一个属性数据表都要设定一个关键的公共标识码，方便数据库中的各属性数据表以及空间数据和属性数据之间的链接，实现数据库之间的数据统一和互相调用，方便用户对空间数据和属性数据的检索、调用。

6  结束语

基于三维激光扫描技术的覆土罐区设计辅助系统设计开发将突破设计工作对传统平面地形图的依赖，基于三维扫描技术提供一种更为高效、便捷、准确的设计方式，提高设计人员的工作效率。同时该体系将在计算工程土石方量，优化覆土罐选址位置，节约工程建设经费等方面对实际工程建设有着指导性作用。

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