引言
三维激光扫描技术是一种利用激光测距原理的新型空间数据采集手段，能够自动快速获取被测对象表面密集的三维坐标、反射值和纹理信息，形成三维点云数据，因此，能够准确描述被测对象的三维空间位置、形态和尺寸信息并快速重构建其三维模型。相对于传统测量模式，三维激光扫描技术具有高采样率、高精度、高密度、工作周期短等优势，通过海量的点云数据准确表达被测对象的空间几何特征，可以有效解决传统船体型线测量中的难题。
1三维激光扫描仪的测量原理
测量工作采用了奥地利 Rieg l 公司生产的 LMS-Z420i型地面三维激光扫描系统, 其核心部分激光扫描仪是无合作目标激光测距仪与角度测量系统组合的自动化快速测量系统, 最远测量距离1 000m ,1 级激光, 近红外波段, 扫描频率可达12000 点/s, 纵向扫描角θ达80°, 横向可绕仪器竖轴进行360°全圆扫描, 扫描数据可通过 TCP/IP 协议自动传输到计算机 , 外置数码相机拍摄的场景图像可通过USB 数据线同时传输到电脑中。
2测量的要求
在船体改造项目中，型线测量要求主要有以下3 点: ① 高精度，精度在型线测量过程中占有首要位置，较大的测量误差对后期船舶施工产生严重影响。实践证明，型线测量误差极易造成材料浪费、施工周期延误等问题。② 数字化测量，减少人工干预，自动化实现数据采集、记录、处理、存储和成果输出。一方面可以降低人为操作引起的误差，另一方面有利于与现代造船设计软件及相关数据处理软件融合，便于数据后期的管理和使用。③ 高效率，低工作强度。型线测量一般需要耗费大量的人员和测量设备，从外业测量到内业成图周期较长。此外，船坞资源有限，作业周期过长容易引起经济成本提高和影响其他项目的推进。
3船体外形扫描的方案
试验被测量船只约长21m、宽7m、高3m , 置于船场内,露天放置, 整船由数十个木桩支撑托离地面, 船体周围搭有脚手架, 正在进行油漆涂刷处理。 试验内容为:在完全未知船只任何数据的情况下, 测量其长、宽、高尺寸, 并绘制船体型线图及确定部分型值特征点。
船体外形的测量如采用常规工程测量方法, 使用无合作目标的全站仪测量, 虽然也可进行船体离散目标点的三维坐标测量, 但效率极其低下;如采用近景摄影测量的方法, 最大问题是船体表面色调单一、缺乏纹理, 不利于影像同名点的匹配 , 同时由于支撑木桩的影响, 会导致大量的摄影死角, 另外船体底部离地面高度较低, 增加了摄站布置的难度。 而使用地面三维激光扫描系统, 进行船体外形测量, 只要具有激光反射信号, 便可得到目标物的点云数据, 测量效率高。因此试验决定采用地面三维激光扫描系统进行船体外形的测量。工作的前提条件是船体被认为是对称目标, 且只要求进行甲板以下的船体外形测量。 因船体的头部和尾部为平面型, 故围绕船体设置3个扫描站点, 分别对船舷左侧、船尾和船头进行扫描, 点云数据为各个扫描站点仪器坐标系中的坐标。 为确定船体坐标系, 由船舶技术人员指导, 在船首中轴线、船尾中轴线及其两侧分别粘贴大小为4cm×4 cm 反射膜片;为不同扫描站点点云数据的拼接, 在船舷左侧粘贴约30 个反射膜片, 另外在脚手架上放置了6个RIEGL Cy linder反射体, 以这些点作为连接点和检查点。 因试验内容只要求船体尺寸及型线的测量, 而不要求建模粘贴纹理, 因此未使用数码相机采集船体数字影像。 测量数据通过电缆直接传入到便携式计算机。
4数据处理和结果
4.1数据处理
数据处理采用 RiscanPro 和 Geomagic 软件。RiscanPro 软件主要用于扫描时配置设备参数、数据显示和数据存档等工作；Geomag ic 软件用于点云数据处理、建模及获取船体型线等工作。
以第1扫描站点(船舷左侧)的仪器坐标系作为工程坐标系, 将第2、3扫描站点的点云数据拼接到第1扫描站点的工程坐标系中。两站数据的拼接中, 至少需要3个以上同名反射膜片点。三个扫描站的点云拼接后, 人工去掉周围环境的噪声点。因外形测量只需要甲板于建立船体的三维模型。由于此时三维模型的坐标系是第1扫描站点的仪器坐标系, 不能直接用于后续船体型线的提取, 所以需要建立船体坐标系, 将点云及模型转换到船体坐标系中。 船体坐标系的确定原则为:以船尾平面贴附的反射片拟合的平面作为YZ平面, 船尾平面中轴线上两反射片中心的连线在YZ面的投影作为Z轴, 正方向向上, 并令船体最低点Z=0；X 轴通过设置在船头的反射片中心并垂直于船尾的最佳拟合面,即YZ 平面, 其正方向指向船尾, 船头的反射片中心点设为X=0；沿着 X 轴正方向，Y轴向右建立左手坐标系。 然后的数据处理工作在船体坐标系中进行。
4.2试验结果
需要说明的是, 在三个扫描站点上, 实际扫描的只是船体的一半。在船体坐标系建立之后, 先以Y=0的平面截取船体模型, 再以Y=0平面对此半只船体进行镜像操作, 这样就获得了整船的三维模型。经过测量得到船体的尺寸, 船体长度为21.015m,半船宽度为3.469m, 高度为2.880m 。
5三维激光扫描技术应用前景分析
5.1设备价格、操作便利性和场地要求对比
三维激光扫描技术具有采样频率高、分辨率高和精度高等优点，能在短时间内获取大量数据，具有全站仪无法实现的很多功能，设置好扫描参数之后，无须人工干预即可进行扫描，可节省大量的人力成本。
5.2三维激光扫描测量系统与全站仪测量系统的测量效率分析
为对2种测量系统的测量效率进行对比，利用三维激光扫描仪和全站仪对分段的建造精度进行测量，该分段的建造精度测量点共有65 个。在采用三维激光扫描仪测量时，需1人操作；该分段分2个测站测量，每个测站扫描所需时间为15min，共需30min；后期处理测量数据所需时间为10min。在采用全站仪测量时，需2人操作；每个点测量所需时间为1min，共需65min；后期处理测量数据所需时间为10min。
结语
本文采用三维激光扫描技术对船体建造精度进行了控制，在测量精度上达到了船体建造的要求，在测量时间上每个测站用时15min左右，耗时远少于全站仪测量系统。对于三维激光扫描测量系统来说，测量点越多，在测量效率上的优势越明显。随着船舶大型化和高精度船体建造趋势的推进，船体建造过程中需测量的测量点会越来越多，三维激光扫描技术在船体建造精度控制方面具有重要的推广意义和应用价值。
参考文献
[1] 林伟恩，谢刚生，谢辉荣. 三维激光扫描技术在船体型线测量中的应用[J]. 测绘通报，2014, 29 (3): 71-74.
[2] 于成浩，柯明，赵振堂. 提高激光跟踪仪测量精度的措施[J]. 测绘科学，2007, 32 (2): 54-56.
