CN103322916B - 基于三维激光扫描法的大型立式罐容积测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维激光扫描法的大型立式罐容积测量系统，包括三维激光扫描仪平台、三个拼接平面标靶、三脚架、计算机、两张纸质定位平面标靶，所述三维激光扫描仪平台（1）设置在三脚架（3）上，并和所述计算机（4）连接，所述拼接平面标靶（2）设置在立式罐的内部或外部；本发明还公开了一种基于三维激光扫描法的大型立式罐容积测量方法，本发明的测量系统和测量方法是高精度、高效率的大型储油罐容积计量系统和方法，配合相应的数据分析系统，能够对压力、温度、密度、罐体变形等因素引起的容积测量误差进行修正；本发明可以缩短检定时间，减少检定人员在立式罐内的工作时间，提高检定效率，降低人工劳动强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种容积测量系统，更具体的说是一种基于三维激光扫描法的大型立式罐容积测量（检定）系统。
背景技术
立式圆筒形金属油罐（以下简称立式罐）是国际间大宗液态能源贸易的主要计量器具，同时也是液态能源储备的主要储存器具，属于国家强制检定计量设备，如何快速、准确地计量其容积是大型能源储运工程中的重要环节。
目前，国内外主要采用几何测量法进行立式罐的容积测量，比如围尺法、光学参比线法、光学三角法、全站仪法等。围尺法是目前国际公认的仲裁标准，也是计量精度相对较高的一种方法，但是这种方法在测量时需要搭脚手架，存在高空作业、劳动强度大等缺点。全站仪法（ETSM）是目前国内质检行业最常用的方法，该方法使用全站仪测得立式罐壁面若干点的三维坐标，通过迭代搜索算法计算每层圈板半径，进而求容积。全站仪在每一个圆周上能够测量的点数比较有限，如出现噪声点、粗差点，对计量结果影响较大；而且耗时长、未完全实现自动化测量。
传统的容积测量方法都是将立式罐看作一个理想的几何圆柱体，而实际上立式罐在建造之初就存在一定的椭圆度，尤其是使用时间较长的立式罐，变形严重，即使是全站仪，由于测量点数有限，也不能完全描述出立式罐壁面的几何信息，从而产生较大的测量误差。
传统测量中，底量的测量一般采用几何测量法，将底部分成若干个面积相等的圆环，相邻圆环构成一个圆台体，用水准仪配合标高尺测量每个圆环上若干点的标高，利用相邻圆环标高的平均值之差作为圆台的高度，进而计算圆台体积。这种方法不仅测量点数有限（最多256个点），也不能完全描述立式罐底部信息，费时费力，当立式罐容积大、内部光线较暗时，给水准仪的读数带来很大的困难，容易造成读数不准确。
综上所述，传统的立式罐容积检定方法存在劳动强度大、安全系数低、计量精度低等不足，为了满足油品贸易交接和立式罐使用单位精细化管理的要求，需要研究一种快速、高精度的大容积测量装置和方法。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种基于三维激光扫描法的大型立式罐容积测量系统，包括三维激光扫描仪平台、三个拼接平面标靶、三脚架、计算机、两张纸质定位平面标靶，所述三维激光扫描仪平台设置在三脚架上，并和所述计算机连接，所述拼接平面标靶设置在立式罐的内部或外部。
本发明还提供了一种基于三维激光扫描法的大型立式罐容积测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）首先利用三维激光扫描仪获取立式罐壁面完整的、高质量的点云数据；
（2）基于点云数据计算立式罐的容积表，将立式罐从下至上依次划分为n个小圆柱体，容积表通过每个小圆柱的体积叠加而成；在小圆柱体的中间位置，取其上下各z0/2高度的点云数据进用于柱体底面半径的拟合，z0为环高，同时考虑由液体静压力引起的罐壁弹性变形、罐内附件体积、罐底容量以及罐体倾斜，对容积检定的影响引入修正：
（1）
式中： ——总容积；
——第i个小圆柱体底面直径；
——小圆柱体的高度；
——为液体静压力容积修正值；
——为罐内附件的体积；
——为罐底不平度修正值；
——为罐倾斜的修正值。
进一步的，对立式罐半径计算：首先取出每个小圆柱体环高内的点云数据，对此点云数据进行粗差剔除、排序、滤波、精简，通过最小二乘法、加速迭代法拟合小圆柱体的半径，或者通过等效面积法直接计算底面面积。
进一步的，按照公式（2）对小圆柱体底面半径进行温度修正，利用柱体体积公式计算小圆柱体的体积，再对柱体体积进行体积温度修正（公式3）。
（2）
R——测量温度下的半径(mm)；
α——油罐圈板的线性膨胀系数(℃-1),α=0.000012；
t——测量时罐壁的平均温度(℃)；
R20——立式罐在标准温度(20℃)下的直径(mm)；
（3）
V——测量温度下的体积(m3)；
t——测量时罐壁的平均温度(℃)
V20——立式罐在标准温度(20℃)下的体积(mm)。
进一步的，所述罐底容量修正采用采用圆台体积叠加法，将罐底不平度修正部分分割成若干个圆台体和一个圆锥体，然后进行叠加计算，步骤如下：（1）在立式罐点云图中单独取出底部点云数据，按照等距离法或等面积法将底部点云分成任意多个圆环；（2）取出每个圆周上的所有点，计算其z坐标值的平均值作为该圆所在平面的标高；（3）相邻两圆环可构成一圆台体，计算累加每个圆台体的体积和顶部圆锥体的体积；（4）将圆台体积、圆锥体积叠加即可得到底部总的不平度修正值，计算公式如下：
（6）
——第i个圆台的高度，圆台表面所在平面上圆周点云的z坐标的平均值；
——第i个圆台下表面的半径；
——第i个圆台上表面的半径；
——圆锥体高度；
——圆锥体底面直径。
进一步的，按线性回归的方法计算圆心坐标的回归曲线，该曲线与垂直轴之间的夹角即为罐体的总体倾斜度；从下至上依次计算相邻两个圆柱体的水平截面圆心坐标的坐标差：
（7）
两圆心之间的高度差dH i为小圆柱体的高度，每个小圆柱体的倾斜度为：
（8）
计算出每个小圆柱体的倾斜度之后对每个小圆柱体体积进行倾斜修正公式如下：
（9）
——第i个圆柱体的直径(m)；
——第i个圆柱体高度(m)；
——第i个圆柱体的倾斜度(°)。
进一步的，采用内部测量时：扫描站点布设在立式罐内部，将三个拼接平面标靶放置在立式罐的中间位置，同时保证三个标靶不在同一条直线上，一般将三个标靶摆成锐角三角形；将第一张纸质定位平面标靶贴于计量板上表面；将第二张纸质定位平面标靶贴于第一层圈板3/4高度处，保证纸质定位平面标靶（5）的中心点位于第一层圈板3/4高度处，采用三维激光扫描仪平台对立式罐进行扫描获取点云数据。
进一步的，采用外部测量时：扫描站点布设在立式罐外部，将三个拼接平面标靶放置在立式罐的外部适当位置，同时保证三个标靶不在同一条直线上，一般将三个标靶摆成锐角三角形；在第一层圈板3/4高度处粘贴纸质定位平面标靶，保证纸质定位平面标靶中心点位于第一层圈板3/4高度处，采用三维激光扫描仪平台对立式罐进行扫描获取点云数据。
本发明的测量系统和测量方法是高精度、高效率的大型储油罐容积计量系统和方法，配合相应的数据分析系统，能够对压力、温度、密度、罐体变形等因素引起的容积测量误差进行修正；本发明可以缩短检定时间，减少检定人员在立式罐内的工作时间，提高检定效率，降低人工劳动强度。
附图说明
图1是本发明的基于三维激光扫描法的大型立式罐容积测量系统示意图；
图2是立式罐容积计量模型图；
图3是等效面积叠加示意图；
图4 是立式罐点云数据采集流程框图；
图5 是内测法测站位置示意图；
图6 是外测法测站位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细描述。
如图1所示，本发明的基于三维激光扫描法的大型立式罐容积测量系统包括三维激光扫描仪平台1、三个拼接平面标靶2、三脚架3、计算机4、两张纸质定位平面标靶5，三维激光扫描仪平台1设置在三脚架3，并和计算机4连接，所述拼接平面标靶2设置在立式罐的内部或外部。
本发明的测量方法包括内部测量法和外部测量法，首先利用三维激光扫描仪获取立式罐壁面完整的、高质量的点云数据，即点云密集、噪声点少、点云在圆周上分布均匀。基于点云数据计算立式罐的容积表，将立式罐从下至上依次划分为n个小圆柱体，容积表通过每个小圆柱的体积叠加而成；其中小圆柱体的高度可以根据实际扫描的点云质量、点云分辨率和容积表计量精度的需要自定义，一般取10cm。在小圆柱体的中间位置，取其上下各z0/2高度的点云数据进用于柱体底面半径的拟合，z0称为环高，一般取3~5mm。同时考虑由液体静压力引起的罐壁弹性变形、罐内附件体积、罐底容量以及罐体倾斜，对容积检定的影响引入修正。
（1）
式中： ——第i个小圆柱体底面直径；
——小圆柱体的高度；
——为液体静压力容积修正值；
——为罐内附件的体积；
——为罐底不平度修正值；
——为罐倾斜的修正值。
立式罐半径计算及其温度修正：首先取出每个小圆柱体环高内的点云数据，对此点云数据进行粗差剔除、排序、滤波、精简，通过最小二乘法、加速迭代法拟合小圆柱体的半径，或者通过等效面积法直接计算底面面积。
然后按照公式（2）对小圆柱体底面半径进行温度修正，利用柱体体积公式计算小圆柱体的体积，再对柱体体积进行体积温度修正（公式3）。
（2）
R——测量温度下的半径(mm)；
α——油罐圈板的线性膨胀系数(℃-1),α=0.000012；
t——测量时罐壁的平均温度(℃)；
R20——立式罐在标准温度(20℃)下的直径(mm)。
（3）
V——测量温度下的体积(m3)；
t——测量时罐壁的平均温度(℃)
V20——立式罐在标准温度(20℃)下的体积(mm)。
点云粗差剔除方法：
①观察法：在仪器自带的数据处理系统中直接删除比较明显的粗差点比如立式罐内部的加热管、支撑架、搅拌器等附件；
②算法中采用莱以特准则（3σ准则）进行近点粗差的剔除。
点云排序：首先需要计算出水平截面点云的重心坐标，然后计算各个点到重心的（正切）角度，根据角度值对点云编号排序。
点云滤波算法主要涉及中值滤波、均值滤波、高斯滤波。
点云精简包括：最小距离法、均匀采样法、尖角剔除法。
半径计算中的三角形面积叠加法：先计算立式罐横截面的面积，进而由面积公式计算半径。利用积分思想，将以数据点为边界的平面S分割成n个小三角形。如图3所示，首先计算出边界点的重心，相邻两点和重心构成一个三角形，则封闭曲面S的面积可以用依次连续的三角形的面积叠加而成，由公式（5）计算横截面的半径。
（4）
（5）
底部不平度的修正（底量）采用圆台体积叠加法，该方法是将罐底不平度修正部分分割成若干个圆台体和一个圆锥体，然后进行叠加计算，具体步骤如下：（1）在立式罐点云图中单独取出底部点云数据，按照等距离法或等面积法将底部点云分成任意多个圆环（一般取8或16个同心圆，同心圆的数目由罐的标称容量和底部凹凸不平的程度确定）；（2）取出每个圆周上的所有点，计算其z坐标值的平均值作为该圆所在平面的标高；（3）相邻两圆环可构成一圆台体，计算累加每个圆台体的体积和顶部圆锥体的体积；（4）将圆台体积、圆锥体积叠加即可得到底部总的不平度修正值，运用线性插值的方法可以得到底部每毫米高度上的底部不平度修正值。该方法在数据采集上方便省事，算法编程上简单易操作，计算公式如下：
（6）
——第i个圆台的高度，圆台表面所在平面上圆周点云的z坐标的平均值；
——第i个圆台下表面的半径；
——第i个圆台上表面的半径。
在拟合圆的过程中得到每个圆的圆心坐标，按线性回归的方法计算圆心坐标的回归曲线，该曲线与垂直轴之间的夹角即为罐体的总体倾斜度；从下至上依次计算相邻两个圆柱体的水平截面圆心坐标的坐标差：
（7）
两圆心之间的高度差dH i为小圆柱体的高度，每个小圆柱体的倾斜度为：
（8）
计算出每个小圆柱体的倾斜度之后对每个小圆柱体体积进行倾斜修正公式如下：
（9）
——第i个圆柱体的直径(m)；
——第i个圆柱体高度(m)；
——第i个圆柱体的倾斜度(°)。
内部测量法的步骤：
步骤1：立式罐内部勘察。了解整个立式罐内部概况，标记人孔、加热管、进油口、排污口、计量板等附件的位置。初步划分扫描作业面，保证附件遮挡的部分，能够通过不同视角的点云拼接来解决。
步骤2：扫描站点布设。扫描站点必须选择在平坦、稳定的底板上，严禁在晃动比较严重的底板上安置仪器；在保证精度的情况下，每个扫描站点应能最大范围地扫描到目标场景，尽量确保每个扫描站点上无被遮挡区域。扫描站数的确定，可以根据立式罐容积的大小确定。
步骤3：标靶布设。内部测量时，一般按图5所示，放置在立式罐的中间位置，同时保证三个标靶不在同一条直线上，一般将三个标靶摆成锐角三角形。将第一张纸质标靶贴于计量板上表面；将第二张纸质标靶贴于第一层圈板3/4高度处，保证纸质标靶的中心点位于第一层圈板3/4高度处。
步骤4：绘制立式罐内部结构草图、记录罐体信息。绘制立式罐内部结构草图，标明扫描站点和标靶布设位置等，以便后续数据处理时参考。同时记录立式罐类型、标称容积、罐壁温度等罐体基本信息。
步骤5：扫描（立式罐点云数据采集）。将脚架放置在事先规划的扫描站点上，仪器脚架安置一定要稳固（必要时可以使用磁性表座）。对中、整平后，将扫描仪架设在脚架上。启动仪器，根据立式罐容积（或者基圆半径）设置分辨率：对于容积较小、罐壁污渍少的立式罐，可设置中等分辨率扫描；当容积较大，罐壁表面复杂、油渍多或者罐壁潮湿时则应采用高等分辨率扫描。扫描过程中应尽可能避免人员走动，以减少噪声点、异常点的出现。每站扫描结束后，应现场检查数据，判断是否有遗漏，如有遗漏需单独扫描进行补点。
步骤6：点云数据预处理。将扫描得到的数据导入仪器自带的后处理系统中，对三站扫描数据进行坐标变换（也称“配准”），使其位于同一坐标系内，同时变换坐标原点，将其置于计量板上纸质标靶的中心处；将点云数据进行分割，分为罐壁点云和罐底点云两部分，以第一层圈板3/4高度处纸质标靶的中心为基准，取其位置上下各3cm高度的点云为基圆的点云数据，分别导出“罐壁点云数据”、“罐底点云数据”、“基圆点云数据”，手工测量（或采用建造图纸数据）获取圈板高度和厚度数据。
步骤7：容积表的计算。利用罐壁点云数据计算每个小圆柱体的体积，并对其进行温度修正和倾斜度修正；利用罐底点云数据，采用圆台体积叠加法计算底量值，引入静压力修正和附件修正，最后生成总的容积表。
外部测量法的步骤：
步骤1：测量前的准备工作。观察所测立式罐的外部环境，选择合适的扫描站点，确保最大范围进行立式罐罐体扫描；确定标靶的布设位置及其与仪器间的距离，使其满足点云数据拼接的精度要求；绘制罐区扫描作业草图，并记录罐体基本信息。一般按图6所示进行测量站点和标靶的布设。
步骤2：扫描（立式罐外侧罐壁点云数据采集）将三维激光扫描仪依次置于各个测站位置，在第一层圈板3/4高度处粘贴纸质标靶，保证标靶中心点位于第一层圈板3/4高度处，扫描并获取点云数据。
步骤3：容积表的计算。将扫描获取到的数据导入仪器自带的后处理系统中，对多站扫描数据进行坐标变换（也称“配准”），使其位于同一坐标系内，将坐标原点移至罐壁与立式罐基台交接处的某一点；删除罐壁附件数据点，对点云数据进行滤波处理；以第一层圈板3/4高度处的纸质标靶圆心为基准，取其位置上下各3cm高度的点云为基圆的点云数据。利用罐壁点云数据计算每个小圆柱体的体积，并对其进行温度和倾斜度修正；立式罐底量数据可采用上一检定周期的数据，引入静压力修正和附件修正，最后生成总的容积表。
Claims (7)
1.一种基于三维激光扫描法的大型立式罐容积测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）首先利用三维激光扫描仪获取立式罐壁面完整的、高质量的点云数据；
（2）基于点云数据计算立式罐的容积表，将立式罐从下至上依次划分为n个小圆柱体，容积表通过每个小圆柱的体积叠加而成；在小圆柱体的中间位置，取其上下各z0/2高度的点云数据进用于柱体底面半径的拟合，z0为环高，同时考虑由液体静压力引起的罐壁弹性变形、罐内附件体积、罐底容量以及罐体倾斜，对容积检定的影响引入修正：
（1）
式中： ——总容积；
——第i个小圆柱体底面直径；
——小圆柱体的高度；
——为液体静压力容积修正值；
——为罐内附件的体积；
——为罐底不平度修正值；
——为罐倾斜的修正值。
2.如权利要求1的基于三维激光扫描法的大型立式罐容积测量方法，其特征在于：对立式罐半径计算：首先取出每个小圆柱体环高内的点云数据，对此点云数据进行粗差剔除、排序、滤波、精简，通过最小二乘法、加速迭代法拟合小圆柱体的半径，或者通过等效面积法直接计算底面面积。
3. 如权利要求2述的基于三维激光扫描法的大型立式罐容积测量方法，其特征在于：按照公式（2）对小圆柱体底面半径进行温度修正，利用柱体体积公式计算小圆柱体的体积，再对柱体体积进行体积温度修正（公式3）；
（2）
R——测量温度下的半径(mm)；
α——油罐圈板的线性膨胀系数(℃-1),α=0.000012；
t——测量时罐壁的平均温度(℃)；
R20——立式罐在标准温度(20℃)下的直径(mm)；
（3）
V——测量温度下的体积(m3)；
t——测量时罐壁的平均温度(℃)
V20——立式罐在标准温度(20℃)下的体积(mm)。
4. 如权利要求1述的基于三维激光扫描法的大型立式罐容积测量方法，其特征在于：所述罐底容量修正采用采用圆台体积叠加法，将罐底不平度修正部分分割成若干个圆台体和一个圆锥体，然后进行叠加计算，步骤如下：（1）在立式罐点云图中单独取出底部点云数据，按照等距离法或等面积法将底部点云分成任意多个圆环；（2）取出每个圆周上的所有点，计算其z坐标值的平均值作为该圆所在平面的标高；（3）相邻两圆环可构成一圆台体，计算累加每个圆台体的体积和顶部圆锥体的体积；（4）将圆台体积、圆锥体积叠加即可得到底部总的不平度修正值，计算公式如下：
（6）
——第i个圆台的高度，圆台表面所在平面上圆周点云的z坐标的平均值；
——第i个圆台下表面的半径；
——第i个圆台上表面的半径；
——圆锥体高度；
——圆锥体底面直径。
5. 如权利要求1述的基于三维激光扫描法的大型立式罐容积测量方法，其特征在于：按线性回归的方法计算圆心坐标的回归曲线，该曲线与垂直轴之间的夹角即为罐体的总体倾斜度；从下至上依次计算相邻两个圆柱体的水平截面圆心坐标的坐标差：
（7）
两圆心之间的高度差dH i为小圆柱体的高度，每个小圆柱体的倾斜度为：
（8）
计算出每个小圆柱体的倾斜度之后对每个小圆柱体体积进行倾斜修正公式如下：
（9）
——第i个圆柱体的直径(m)；
——第i个圆柱体高度(m)；
——第i个圆柱体的倾斜度(°)。
6. 如权利要求1述的基于三维激光扫描法的大型立式罐容积测量方法，其特征在于：采用内部测量时：扫描站点布设在立式罐内部，将三个拼接平面标靶（2）放置在立式罐的中间位置，同时保证三个标靶不在同一条直线上，一般将三个标靶摆成锐角三角形；将第一张纸质定位平面标靶（5）贴于计量板上表面；将第二张纸质定位平面标靶（5）贴于第一层圈板3/4高度处，保证纸质定位平面标靶（5）的中心点位于第一层圈板3/4高度处，采用三维激光扫描仪平台（1）对立式罐进行扫描获取点云数据。
7. 如权利要求1述的基于三维激光扫描法的大型立式罐容积测量方法，其特征在于：采用外部测量时：扫描站点布设在立式罐外部，将三个拼接平面标靶（2）放置在立式罐的外部适当位置，同时保证三个标靶不在同一条直线上，一般将三个标靶摆成锐角三角形；在第一层圈板3/4高度处粘贴纸质定位平面标靶（5），保证纸质定位平面标靶（5）中心点位于第一层圈板3/4高度处，采用三维激光扫描仪平台（1）对立式罐进行扫描获取点云数据。
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