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        一種基于掃描點云數(shù)據(jù)儲氣罐支柱形變監(jiān)測新方法

        2014-08-01 01:05:00李章樹馬磊馬小雪謝瀟莊逐舟
        遙感信息 2014年1期
        關(guān)鍵詞:儲氣罐柱體縱坐標(biāo)

        李章樹,馬磊,馬小雪,謝瀟,莊逐舟

        (1.西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,成都 610031;2.南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院,南京 210046;3.中國建筑西南勘查設(shè)計院有限公司,成都 610031;4.寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,銀川 750021)

        1 引 言

        本次實驗的主要構(gòu)筑物為8個高壓球形罐,內(nèi)徑為了12.312m,基礎(chǔ)中心直徑為12.26m,每個球形罐容積為1000m3,每個球形罐由8根鋼支柱支撐,鋼支柱高度為7.8m,與罐體結(jié)合部位為50cm。實驗先利用全站儀對所有罐體的支柱實施了形變檢測,然后采用瑞士徠卡HDS三維激光掃描儀對儲氣罐支柱再次進(jìn)行檢測并將實驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

        三維激光掃描技術(shù)又稱作高清晰測量(High Definition Surveying,HDS),它是利用激光測距的原理,通過記錄被測物體表面大量的密集點的三維坐標(biāo)信息和反射率信息,將各種大實體和實景的海量點云數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中,其掃描速度可以達(dá)到50000點/秒,視場角可達(dá)270°,表面模型精度可達(dá)1mm。本文利用Leica TCA2003掃描儀掃描的海量點云數(shù)據(jù)在Cyclone軟件里進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,實現(xiàn)儲配站的點云數(shù)據(jù)的匹配、建模及粗差探測。然后在Matlab平臺下編程制計算煤氣罐支柱斷面和球體的中心坐標(biāo),自動繪制出成果數(shù)據(jù)的三維圖形,為儲氣罐的安全性提供直觀可靠的科學(xué)數(shù)據(jù)。

        圖1 Leica三維激光掃描儀掃描儲氣罐

        2 海量點云數(shù)據(jù)處理

        2.1 點云數(shù)據(jù)的拼接

        TCA2003精密電子掃描儀掃描的儲氣罐三維數(shù)據(jù)是以各測站的文件分別存放,需要對各測站點云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。由于受外界施工、光照等因素的影響,每一站的數(shù)據(jù)都會存在噪音點,所以首先通過隨機(jī)軟件Cyclone對點云數(shù)據(jù)去除噪音點。然后通過設(shè)置的站標(biāo)拼接點云數(shù)據(jù)。雖然任一站掃描所得數(shù)據(jù)的內(nèi)部點相對位置都是正確的,但不同站間的坐標(biāo)系并不匹配。為統(tǒng)一坐標(biāo)系,需進(jìn)行多站拼接。所有數(shù)據(jù)是以每天每站的形式存儲,每一測站的數(shù)據(jù)都是一個單獨的坐標(biāo)系。拼接的思路是先將每天中各測站的數(shù)據(jù)拼接成一個數(shù)據(jù),然后拼接整體數(shù)據(jù)。圖2為第二儲配站點云數(shù)據(jù)拼接結(jié)果圖。

        圖2 第二儲配站點云數(shù)據(jù)拼接結(jié)果

        2.2 點云數(shù)據(jù)的計算

        2.2.1 點云數(shù)據(jù)的提取

        使用Cyclone軟件提取出每一根支柱及罐體的點云數(shù)據(jù),分別保存成文本文件,首先要對每根支柱及罐體的數(shù)據(jù)進(jìn)行殘余噪聲剔除處理,以避免像掃描的拉桿或其他遮擋物的影響。由于柱體切割時通過手工完成難免具有噪聲數(shù)據(jù),首先根據(jù)柱體的切片數(shù)據(jù),在程序中計算出初始圓心,在數(shù)據(jù)中設(shè)置離初始圓心的距離閥值過濾掉噪聲數(shù)據(jù),使得參與計算的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。圖3為噪音比較明顯的切面數(shù)據(jù)。圖4為過濾后的切面數(shù)據(jù)。

        圖3 篩選前點云數(shù)據(jù)的平面投影

        圖4 篩選后點云數(shù)據(jù)的平面投影

        圖5 分割柱體離散點擬合圓示意圖

        2.2.2 支柱切片擬合圓計算

        根據(jù)柱體和球體離散點Z的坐標(biāo)每隔0.1m切出每個柱體在XY坐標(biāo)中的投影離散點,如圖5所示。通過分離出的離散點在程序中通過對柱體漸進(jìn)循環(huán)擬合算法得出圓柱切面圓和圓心坐標(biāo)和半徑。并以圓心槽坐標(biāo)x、圓心縱坐標(biāo)y、半徑z、高程的格式寫入文本文件。

        根據(jù)海量的點云數(shù)據(jù)投影到水平面的離散點數(shù)據(jù)集中擬合出最佳圓,首先需要構(gòu)造一個解析函數(shù)使得在原離散點上盡可能接近給定的值。程序的算法不僅要考慮擬合圓的精度也要考慮算法的運算速度。我們選擇Taubin method,該算法由G.Taubin于1991年提出。該程序?qū)儆趶?qiáng)健和精確圓擬合,即使數(shù)據(jù)點只是很小圓弧范圍內(nèi),也能擬合令人滿意的結(jié)果。這種算法的穩(wěn)定性和效率都有讓人滿意的結(jié)果。該方法的步驟為:

        圖6 分割柱體離散點擬合圓示意圖

        ①定義一個以圓心橫坐標(biāo)、圓心縱坐標(biāo)和半徑為變量的測度函數(shù);

        ②將已知樣點的橫坐標(biāo)的平均值、縱坐標(biāo)的平均值分別作為圓心橫坐標(biāo)、圓心縱坐標(biāo)的初始值,將半徑的初始值取為零;

        ③分別求取測度函數(shù)的梯度和hessian矩陣,然后利用測度函數(shù)的梯度和hessian矩陣求取更新步長;

        ④利用更新步長對圓心橫坐標(biāo)、圓心縱坐標(biāo)和半徑的取值進(jìn)行更新;

        ⑤設(shè)定一個閾值,當(dāng)更新步長大于該閾值時,返回步驟3;當(dāng)更新步長小于等于該閾值時,則結(jié)束圓擬合過程;最后更新得到的圓心橫坐標(biāo)、圓心縱坐標(biāo)和半徑的取值即為圓擬合過程的最終結(jié)果。

        2.3 罐體支柱計算結(jié)果的變形分析

        2.3.1 支柱變形數(shù)據(jù)繪圖直觀表示

        通過上述擬合計算的結(jié)果,利用Matlab的繪圖功能實現(xiàn)批量繪制支柱的三維視圖、支柱中心的俯視圖及三維視圖。通過對變形值的放大,可以直觀的看出每根支柱的變形量。以4號罐4號支柱為例,圖7、圖8、圖9為罐體支柱變形視圖。

        圖7 2儲4號罐4號支柱三維視圖

        圖8 2儲4號罐4號支柱中心俯視圖

        圖9 2儲4號罐4號支柱中心三維視圖

        通過分析可知,圖7可以直觀地看出支柱的變形狀況,其中2儲4號罐4號支柱整體變形較小、沒有明顯的彎曲;圖8可以看出支柱在橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)兩個方向上的變化均不超過4mm和7mm;圖9和圖7一致,是支柱中心坐標(biāo)的變化,可以看出支柱在頂部8m左右的變形量相對較大。

        2.3.2 支柱變形切向分量及徑向分量的計算

        點云數(shù)據(jù)及支柱切片圓數(shù)據(jù)均是基于空間直角坐標(biāo)系的,根據(jù)測量規(guī)范,需在切向及徑向兩個方向上表現(xiàn)支柱的變形狀況。需對不同高度上的每個切片圓數(shù)據(jù)進(jìn)行仿射變換。原理如下:

        (1)

        式中,(X,Y)為支柱變形切向分量及徑向分量,(x,y)為支柱變形量的直角坐標(biāo)。Δx、Δy、θ、m分別為平面上的平移、旋轉(zhuǎn)、尺度參數(shù)。對于本工程,Δx、Δy為支柱高度1m以下切片圓中心平均坐標(biāo),其余計算的所有周向分量及徑向分量均是以這個平均坐標(biāo)作為參考,其數(shù)據(jù)表明了各罐體支柱的變化量,即支柱的傾斜狀況和直線度。θ可以通過罐體中心與切片圓中心連線的方位角計算得到。尺度變換參數(shù)m為1。通過Matlab編程實現(xiàn)了支柱變形切向分量及徑向分量的計算(圖10)。

        圖10 支柱變形周向分量及徑向分量計算示意圖

        3 結(jié)束語

        本文將徠卡三維激光掃描儀應(yīng)用到儲氣罐支柱的變形監(jiān)測中,利用Matlab軟件實現(xiàn)了海量點云數(shù)據(jù)的自動提取與計算的方法。得出了儲氣罐的支柱垂直度、直線度、周向變形量、徑向變形量,計算結(jié)果與實際測量結(jié)果相符,計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。利用這種技術(shù)能夠有效的提高儲氣罐變形監(jiān)測的效率,降低成本,并且能夠得出豐富的可視化成果,為儲氣罐的安全性提供準(zhǔn)確有效的科學(xué)數(shù)據(jù)。

        參考文獻(xiàn):

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        [5] 劉春,陸春.三維激光掃描數(shù)據(jù)的壓縮與地形采樣[J].遙感信息.2005,2(2):6-10.

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