| 标题 | 基于三维激光扫描技术的无图纸渔船船体型线获取方法研究与应用 |
| 范文 | 张怡 张彬 焦尔 张舒 摘要：我国的渔船在所有船舶中数量占比最多，为实现对渔船的安全生产、渔业资源和环境等进行有效的检验和管理，图纸资料是必不可少的依据。由于历史原因，部分渔船图纸资料不全，为了对这部分渔船进行技术评估和图纸还原，尤其是船体型线的还原，对某地一批有代表性的渔船进行了有针对性的研究，合理地提出采用三维激光扫描的技术获得点云数据，并针对该批渔船的特点调整船体坐标系，获得可以利用现代船舶计算和设计软件建模的合适点云数据的方法，并加以应用。 关键词：无图纸渔船；船体；三维激光扫描；型线获取 由于历史原因，我国部分现有渔船存在图纸资料缺失情况，无法实施有效的检验和管理[1]。为进行科学有效的图纸资料还原工作，型线图的补充乃是最基础的一环。众所周知，型线图决定了一艘渔船性能好坏的关键，因此通常渔船都是在设计图纸尤其是型线图设计完成之后再由船厂进行建造的。而现有实船图纸还原工作是否有意义，其中最重要的一步也就是看型线图的还原与原船吻合度高不高。由于还原工作的目的主要是用于渔船检验与管理，而非用于建造新船，故可在精度上进行适当的简化，以满足实际需求。例如钢质渔船的外板在设计图纸中以型线图的理论线为外板内缘，从内底板至舷顶列板内缘一侧对齐，而外缘一侧有与板厚的差异并不对齐。实际使用的渔船外板外缘不仅有板厚的影响，还有涂装甚至是腐蚀的影响。实船外板内缘除机舱、舵机舱等个别舱段可在内部测得裸露的外板，鱼舱、油舱等舱段或有发泡材料等敷料影响或因人无法进入等原因无法直接测量。而实船外板外缘可以在渔船上排之后使用各种技术手段进行测量。因此考虑直接采用测量得到的外板外缘数据进行拟合还原无图渔船的型线图。实际上根据同类渔船图纸设计经验，沿海渔船主船体外板通常设计建造使用10 mm厚度以內的船用钢板，与渔船通常的船宽5 m相比，误差范围在0.2%以内。实际渔船设计建造精度为毫米级，故可以忽略误差，直接以测量的外板外缘作为还原型线图的理论线进行图纸还原。 1船型特点 渔船船型根据不同用途、作业区域、作业形式、结构形式、主船体材质等分为不同类型，本文针对某地一批有代表性的需还原图纸资料的无图纸资料渔船的特点，统计归纳了以下船型特点，汇总如表1所示。 通过统计，可发现本批次需要进行图纸还原工作的无图纸资料渔船的最大特点——都是单机单桨船型，材质以钢质为主，少部分木质及玻璃钢渔船。从型线还原的角度来看，渔船类型不同的渔船采用的还原方法相似，故可按船长与材质对统计表进一步整合，如表2所示。 67经过进一步的归纳，钢质渔船占92.8%，木质渔船4.4%，玻璃钢2.8%。以下以图1某地36米级钢质拖网渔船侧视图为例分析钢质单机单桨单甲板渔船船型特点，研究还原型线的要点，并提出工作步骤。 通常渔船设计都是按照有初始纵倾来进行设计建造的，这样最直接的好处是可在合理范围内加大螺旋桨的直径，从而提高螺旋桨的效率。而渔船由于船长与船宽都较小，一般是不设置平行舯体的。所以仅仅从船体型线上考虑，除了某些船型在船底有设置立龙骨，主船体上是没有一个直接能测量并定位的平面的。即使有立龙骨也同样存在纵倾状态，而要还原一艘渔船的型线图，首先需要确定船体坐标系，在纵倾的角度未知的情况下是无法确定基线，更无法确定整个船体坐标系的。进一步分析该船船型特点，单机单桨渔船有一个显著的特征是舵杆的位置可以确定。根据常规经验中国渔船设计一般将舵杆处设置为0号肋位，或最接近舵杆的肋位为0号肋位。而无论渔船设计的纵倾是什么角度的，舵杆多为垂直于基线方向布置的，只要能用技术手段找到舵杆的位置，就能以舵杆轴的方向为Z方向并定出整个船体坐标系。经实船查看及查阅技术资料，本批次需还原图纸资料的渔船多采用单板舵的形式，舵杆清晰可见易于测量，即使老旧渔船有腐蚀等情况，舵杆轴的位置仍是可采集的。 基于采集到舵杆轴的情况下，可通过几何学中三点确定一个平面的方法经舵杆轴及船中位置的一点来确定中纵面、以过任意点并垂直舵杆轴来确定水线面、并通过中纵面与水线面找到通过舵杆轴的横剖面，其中水线面高度的准确定位还需结合渔船登记资料中设计吃水的高度来确定。三个基准面确定之后船体坐标系也就确定了，此时可将船体轮廓按肋位及半宽进行切分，将形成的剖面导入NAPA等船舶设计软件中进行船体型线的还原。 以上通过找舵杆的方式来定船体坐标系适用于船长20 m以上的钢质与木质渔船，占本批次渔船总量的75.6%。其余20 m以下的木质、钢质及玻璃钢渔船，由于主尺度过小，大多不设置固定舵，而采用挂桨机等形式，因此无法采用找舵杆的方法来确定船体坐标系。对于其中一些设置固定舵的船型仍可采用上述方法进行还原工作。而采用挂桨机的小型渔船因甲板室所占全船范围相对大船更大、更易测量，而甲板室围壁又与基线垂直方向布置，因此可采用甲板室围壁为基准进行船体坐标系的确定，同样采用NAPA等软件进行船体型线的还原。 2型线测量 2.1传统方法 型线测量是否准确是还原图纸资料是否科学的关键。经查找文献资料，曾有刘建全等介绍了一种使用光学经纬仪的测量方法[2]，胡学明等则采用了利用水平仪、钢丝绳、玻璃软管等测量型线的方法[3]，但都存在测量工作量大、精度低等缺陷。随着电磁波技术的发展，船体型线测量逐渐有人采用全站仪进行测量，虽能有效地提高型线测量精度，但是其单点采集方法并不能快速获取船体表面几何特征信息，且测量工作量仍然较大。这些方法都只是通过测量型线站位处的离散点来试图拟合船体型线。采用人工测量的方法不仅效率低，而且无法得到完整的船体曲面型值，曲率变化大处的精度也难以保证。 2.2基于三维激光扫描的方法 随着激光技术的发展，三维激光扫描技术的应用愈加广泛。吴吉贤等介绍了三维激光扫描技术在古墓测绘中的应用[4]，刘炫等介绍了三维激光扫描技术在房产测量中的应用研究[5]， 李卫民等介绍了以汽车发电机端盖为研究对象的三维激光扫描点云数据的获取及逆向技术研究[6]。通过三维激光扫描仪的使用，可以将实物以三维点云的形式存储与再现，实现了从单点测量到面状测量、从平面测量到立体测量的转变。三维激光扫描技术是通过拼接、去噪等预处理后形成空间点云数据，建立船体坐标系后导出二维点云数据用于船体型线还原的技术。以其高密度、高精度的点云数据代替传统测绘单点，不仅可提高测量的效率，更可采集到完整的船体外表面型值，再经任意剖切后按需选用。经实际测量，一艘30米级渔船完整扫描船体型线，平均只需约20个测站点位置即可采集到足够的数据，三维激光扫描的具体操作流程如图2所示。 3数据处理 3.1三维激光扫描仪的理论依据 三维激光扫描仪的工作原理是通过接收设备本身发射的激光，经测量激光从发射到返回的时间测出斜距，同时记录下激光束的水平角与垂直角，从而测出被测渔船被测点相对于扫描仪中心点的一个个三维坐标值。扫描仪的测站点位置简称站位，一个站位若选择高精度扫描的方式，包含扫描点信息量约为100 mb，统称一个扫描点云。如图3所示，为其中一个扫描点的原理图。其中坐标原点位于扫描仪的中心，S为斜距，θ为垂直角，α为水平角，该扫描点的三维坐标为： x=Scosθcosα y=Scosθsinα z=Ssinθ 环绕上排的渔船一周合适的位置依次移动布置扫描仪的位置，可测得多个站位各自的扫描点云，每个站位都只测得被测渔船的一部分外表面特征点云。借助标靶球和相应的软件可以将所有的站位测得的点云数据拼接起来合成完整的渔船外表面点云数据。根据三点定位原理，每次需要至少有三个标靶球作为将两站位的点云合并的基础。 3.2数据处理的方法 通过相应的软件操作，可以将全船点云拼接成一个整体，获得完整的点云数据。由于扫描仪是360°扫描工作，拼接完的点云数据中除了被测渔船还有现场的人员、地面、建筑、其他船舶等背景元素，称为噪点。还需进行除噪后得到有效点云，这样即可加快数据处理速度又能防止噪点干扰后续点云处理工作。拼接除噪之后获得的全船点云数据，其坐标系统为以第一站位的扫描仪作为原点的坐标系。可通过拟合舵杆、甲板室围壁等关键特征在全船点云中寻找到实际的船体坐标系，在合适的肋位及半宽位置剖切点云，即可导出dxf文件供建模使用。基于点云数据的数据处理流程如图4所示。 3.3实船应用 考虑到项目所需测量的渔船总量大，而所涉及到的渔船多为作业渔船，每年仅有很短的休渔期等时间可以上岸检修并测量。而这批渔船虽然目前图纸资料有缺失，但在建造时通常是批量造船，同一批次船型的型宽与型深相同，船长可能会因船东的个性化要求在艏部有升高拉长的区别，因此该批次船型设计水线以下主船体的型线是相同的，性能计算也就相同，故可对船型合并以满足减少渔船上排数量但仍保证每艘渔船都有合适的船型图纸进行匹配。对本次还原，图纸资料项目以《钢质海洋渔船建造规范2015》为测量依据，对涉及的250个船型按船长、型宽、型深、作业方式等进行了分类统计。对于型宽与型深都相同且船长接近的渔船进行归并，共统计了海洋渔船57个船型、内河渔船35个船型。每个船型若船舶数量小于6艘，则随机抽其中1艘船作为被测量船；若船数大于6艘，则随机抽其中2至3艘船作为被测量船，实际共测量100艘渔船的船型原始数据进行还原工作。根据上文提出的数据处理方法，结合渔船上排计划，对本批次无图纸资料渔船进行了扫描并型线还原工作。 如图5所示，为以舵杆处为基准调整的船体点云侧视图。图6为拟合后导出的部分肋骨型线的点云图。图7为基于肋骨型线点云及渔船登记资料建模并光顺之后的肋骨型线图。 4总结 本项目利用三维激光扫描技术对某地一批有代表性的渔船进行了船体型线图的还原工作。受现场环境制约，个别渔船上排后太接近水面或上排时远离水面但因潮水上涨，扫描时船艉部缺少合适的位置架设扫描仪，造成个别船型艉部型线不完整。将来若采用无人机搭载扫描仪的方式，可实现全船外表面的精确扫描，不仅提高整体扫描精度和效率，使原来无法架设扫描仪的地方都可以采集齐全，更将三维扫描应用于船体型线+总布置的全船外表面扫描工作中。 由于历史原因，我国仍有许多渔船图纸资料不全，可参考本文总结的三维扫描并处理的方法应用于其他地区的渔船还原图纸工作中。随着渔船检验部门由原农业部调整至交通运输部，渔船检验工作将越来越向商船靠拢，必将有大量类似还原图纸工作需要展开，基于三维激光扫描并还原的方法不仅能高效准确地获得实船型线，更能解放测量人员在工作现场的劳动强度，将大量的室外作业时间转移至室内的数据处理时间，可供相关工作人员参考采用。 参考文献： [1] 赵新颖，胡佩玉，张怡，等.無图纸资料渔船技术状况评估与图纸还原研究[J].渔业现代化，2017，44（02）：67-71. [2] 刘建全.一种船舶型值测量方案及精度研究[J].武汉船舶职业技术学院学报，2014（6）：16-17. [3] 胡学明.实船船体型线的测绘方法[J].船海工程，2008，37（4）：5-7. [4] 吴吉贤，徐晓峰，杜海燕.三维激光扫描技术在古墓测绘中的应用[J].测绘通报，2017（01）：161-162. [5] 刘炫，顾波.三维激光扫描技术在房产测量中的应用研究[J].测绘与空间地理信息，2017，40（07）：203-204+208. [6] 李卫民，马平平.三维激光扫描点云数据的获取及逆向技术研究[J].制造业自动化，2015，37（20）：68-70+101. |
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