三维精密测量在压载水系统快速改造中应用

谢 荣，梁 艳，谢 易

(江苏海事职业技术学院，江苏 南京 211170)

0 引言

全球第一部应对船舶压载水携带外来物种入侵的《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》已于2019年1月22日起在我国正式生效，很多船东正有计划地改造船舶压载水管理系统，以满足公约的规范要求。传统船舶压载水系统改造是根据改造草图在现场由不确定的程序进行，工程涉及大量的材料加工、复杂的管道布置和繁琐的机电设备安装。由于改造现场和施工图纸之间存在差异，很多实际状态具有不可预见性，容易导致工程延期、现场返工、安装质量不符合要求等问题，难于在改造中反映出客户的准确需求，且增加了施工周期和费用[1]。

为解决船舶压载水系统高效快速改造还有许多问题，本文应用虚拟现实技术，采用三维激光扫描、工业近景摄影等精密测量技术，通过3D CAD船舶设计技术进行船舶改造仿真建模，并应用于在役船舶压载水系统快速改造工程[2]，对船舶快速改造具有一定的实际指导意义。

1 现场勘船和数据采集

船舶压载水系统改造工程需结合船型、船舶航行区域和船东的要求进行项目总体规划，并以此为基础进行概念设计，包括设备选型、管道布置、施工方案等。本方案采用的硬件设备包括ScanStation P40三维激光扫描仪和近景工业摄影测量系统，作业流程包括现场勘船、数据采集、三维数据处理、完工3D CAD建模、管路图改良和生产详图设计等。快速改造方案作业流程见图1。

图1 快速改造方案作业流程

现场勘船是指施工前根据现场的实际情况设计数据采集的扫描路径，优化布置扫描位置。设置扫描站点时需要详细勘察船舶现场环境并与相关技术人员进行技术沟通，包括靶位确立、控制网建立，以最少的站点获取最详细的数据，以便后续施工方案的正确实施。

根据船体部分、管道和辅助设备现场勘察情况设计出具体的数据采集方案，利用高精度三维激光扫描仪对船舶现场物体空间外形和结构进行三维数据采集，测量并记录相关位置点的信息数据，得到改造部位的三维轮廓，获得相关物体表面点的三维空间坐标，从而计算出位于测量范围内测量目标的位置距离。激光点云数据获取流程见图2。

图2 激光点云数据获取流程图

在船舶机舱扫描测量时，由于现场设备较多，有些拟测量点会被设备遮挡。当一个站点的扫描结束时，需把三维激光扫描仪搬到另外一个地方，进行相同方法的测量，从而补齐被遮挡的空间结构信息，在相同的坐标设置下，融合成一个位置的空间结构信息。从而获得大量的多点云信息，整合为复合互补的位置信息，这样就可以把测量目标视为一个三维对象[3]。船舶机舱由于空间位置狭窄，通常要测量20个左右站点才能获得约100 m2的3D CAD模型所需的点云信息，见图3。为更直观地体现工作场所的光学影像数据，还可通过设备外置或内置单反相机获取物体表面高清纹理信息。对于一些需要高精度定位的物标，则利用三维近景摄影设备进行高精度定位测量，再将测量的三维数据导入。

图3 获取的机舱改造区域点云数据

2 三维数据处理

激光点云数据处理流程见图4，按图中步骤对各个点处测得的点云信息进行处理。

2.1 三维激光扫描站点拼接

将原始点云数据导入到自带Cyclone点云处理软件，Cyclone的Basic模块可支持点云的查看、三维浏览。整合点云信息，将每一站的扫描数据自动拼接到一起。通过三维激光测量检查能够获得船舶机舱中压载水处理系统布置区域的点云信息。

图4 数据处理流程图

2.2 噪点滤除与点云赋色

在役船压载水系统改造所涉及到的管道系统分布在一个4层结构的机舱内。由于该区域的上甲板和下甲板之间及净油机舱室内外都敷设了无数的管道，因而需要对一个广泛的区域进行三维激光测量，再将测量得到的点云信息整合为一个组合式的完工3D CAD模型。在数据扫描的过程中，因为大部分采用的是360°全方位扫描，所以不可避免地产生了很多的冗余数据。通过点云处理软件过滤功能，编辑点云数据，删除不需要的点云数据及离散点并对点云数据进行去噪、抽稀等预处理，自动去除噪声点云，得到滤波点云数据。再将获取的高清影像信息通过软件自动赋予到点云上，快速真实地还原现场，见图5(a)。图5(b)是以点云信息为基础，增加了改造部分的3D CAD模型图。

图5 以点云信息为基础的3D CAD模型

2.3 基于点云数据进行测量目标建模

拼接优化完成的滤波点云数据可以导出为各种格式的点云文件，为多元化的开发提供原始数据。三维激光点云在专业的点云处理软件中可以形成多种效果，其中包括平面线画图、点云漫游视频、三维模型、三维动画、交互展示、模型干涉监测报告等。依据船舶改造定制方案或者专门技术，实现高精度完工3D CAD模型的建造[4]，见图6。

2.4 改良的管路图和生产详图

在通用3D CAD软件或MATES上以一种通用3D CAD格式加载建造完成的完工模型。在三维模型的空间内布置需要增设的管道和设备。MATES可以把生产信息联系至每一个管道/设备，而且便于将信息传递至生产过程[5]，见图7。

图6 高精度3D CAD模型

图7 完工模型

3 结论

本文将三维激光扫描仪测量技术用于船舶压载水系统快速改造，以测绘技术为基础，通过计算机信息技术实现机舱内部的数据检测、三维重构及改造设计，实现了3D CAD模型的构建。该方案能够为船舶压载水系统快速改造工程提供直观可视化三维信息数据，既可根据完工3D CAD模型的空间位置布置并敷设管道和辅助设备，也可在详细的设计中应用这些三维信息，为后期验收、零部件检测、虚拟装配等应用提供数据支撑。方案在实施大规模船舶改造工程中，能够准确地满足客户的需求，极大提高了从数据采集到完工检测等工序效率，减少了船舶停航时间，节约了设计和维修成本，可积极推进目前在役船舶压载水系统改造工程。