基于三维激光扫描技术的外浮顶立式金属罐容积测量方法

摘要

本发明公开了一种外浮顶立式金属罐容积测量方法，本发明首先通过在浮盘上下设置多站扫描并拼接的方式获取完整的三维点云数据；然后利用积分思想，将罐壁点云数据进行分割，分成若干个小圆柱体，计算各小圆柱体的体积并叠加以获取总体积。通过拟合各小圆柱体所在高度处的点云坐标数据，获取圈板半径，进而计算圆柱体底面面积；根据所取高度，计算圆柱体体积；同时引入温度、倾斜度修正。底量的计算采取等面积划分圆的方式，计算各圆台体和中部圆锥体的体积，叠加获取总排量。本发明操作简单，安全性高，劳动强度小，可实现大型外浮顶立式金属罐的快速测量，数据处理方便，准确度高，同时大大降低计量检定成本，带来一定的经济效益。

说明书

技术领域

本发明涉及大型石油储运容量计量领域，主要针对大型外浮顶立式金属罐的容积测量。

背景技术

石油作为重要的战略物资，与国家的国计民生联系密切，不仅关系着国家的政局安全和经济命脉，也渗透到了日常生活中的方方面面。随着世界对石油需求的增加，建立战略石油储备变得越来越重要。我国国家石油储备中心于2007年成立，规划了三期石油储备基地建设，一期石油储备工程全部采用立式金属罐，目前已全面投入使用。

外浮顶立式金属罐作为立式金属罐的一种，因其储油量大，且对油品的挥发损耗有一定的抑制作用，故在大型石油储运工程中占有重要地位。目前对于外浮顶立式金属罐的检定仍采用规程方法——几何测量法，包括围尺法、光学垂准线法和全站仪法。围尺法是最早使用也是最基本的油罐计量方法，由于其计量精度较高，因而成为国际石油贸易交接中唯一被认可的仲裁计量方法。但这种方法在测量过程中，存在野外高空作业，安全性差，劳动强度高，时间长，故在目前的容量计量中，仅在基圆的测量检定中使用。全站仪法是目前实际检定中最常用的方法，它采用电子测角、测距的方式，对各层圈板进行有限点数的测量，并自动记录测量数据，后续通过软件进行数据拟合完成圈板半径的测量。全站仪最大的优点在于仪器操作的智能化、自动化，缩短了测量时间，提高了效率和准确度，同时不存在高空作业，安全性较高。但由于测量点数有限，不能完全反应罐壁几何信息，如出现噪声点、粗差点，则对测量结果影响较大。而对罐底的测量，一般采用几何测量法，将罐底等面积划分为若干个圆，利用水准仪和标高尺，测量各个圆上若干点的高度，求取平均值作为该圆所在平面的高度；相邻两圆构成一个圆台，通过计算圆台体积并叠加以计算总的排量，该种测量方法存在的弊端是测量点数有限，不能完全描述罐底信息，且存在劳动强度大、费时费力等缺点。

综上所述，对于大型外浮顶立式金属罐的计量检定，需要发明新的容积计量方法，以提高检定效率和测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三维激光扫描技术的外浮顶立式金属罐容积测量方法，以降低检定成本，减少人力物力消耗，在提高检定效率的基础上，提高计量精度。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：

基于三维激光扫描技术的大型外浮顶立式金属罐容积测量方法包括前期调研、技术条件准备、现场环境测量、数据采集、相关参数测量和数据处理过程。本发明基于三维激光扫描技术的外浮顶立式金属罐容积测量方法的实现采用三维激光扫描测量系统，包括三维激光扫描仪及其配套的扫描控制及点云数据处理软件、拼接标靶、三角支架、计算机和定位标靶。测量过程中，将三维激光扫描仪架设在三角支架上；可直接对仪器进行操作，完成扫描，或通过计算机对扫描过程进行控制，实现目标对象三维坐标数据获取和在线传输及显示。

本发明利用上述设备实现容量测量的方法：

（1）数据采集

外浮顶立式金属罐由罐底、罐壁和浮盘组成，浮盘将罐体分为上下两部分。根据罐体大小和实际所需测量精度，选取最佳扫描分辨率、站点设置和标靶放置位置，通过不同站点数据的拼接，获取完整的点云数据。

为获取罐体完整的三维点云坐标数据，首先在罐底不同位置设站，完成对罐底和浮盘下部罐壁的扫描；然后将标靶放置于人孔处，分别在人孔上下设站扫描，实现浮盘上下两部分罐体点云数据的拼接；最后在浮盘上设置多站进行扫描，完成罐体上部罐壁的数据获取。

（2）数据处理

数据处理包括点云数据预处理和坐标数据拟合计算。

点云数据预处理在仪器自带的点云数据处理软件中完成，包括标靶中心坐标信息提取、点云拼接、点云去噪、点云抽稀、坐标变换及特征信息提取等，最后将处理好的罐体点云数据以txt格式导出。

坐标数据拟合计算即容积计算。采用积分思想，将罐体点云坐标数据沿高度方向分割为若干个小圆柱体，计算各个小圆柱体的体积并叠加以获取总体积。引入温度、罐体倾斜度、液体静压力等修正；计算罐内附件和罐底容积，最后合成总的容积表。计算模型如公式(1)，其中：                                               为拟合小圆柱体底面面积；为所取小圆柱体高度；为液体静压力修正值L；为罐内附件体积修正值；为罐底不平度修正值；为罐体倾斜修正值。

                  (1)

其中，计算所取小圆柱体高度由软件进行设置；小圆柱体底面面积采用最小二乘法、迭代法或三角形面积法进行拟合，具体过程如下：在小圆柱体高度中心位置处，截取一定环高的点云数据，该环高根据实际扫描点云数据的质量、疏密程度及所需测量精度进行设定；将其投影至同一水平面，进行排序、滤波及精简等初步处理，进而拟合计算出底面面积。

罐体倾斜度的修正根据公式(2)进行，其中：为第个小圆柱体的倾斜量修正值；为第个小圆柱体的倾斜角度（在拟合计算圈板半径时，可得到各小圆柱体底面的圆曲线方程，获取其圆心坐标，进而计算该小圆柱体的倾斜角度）。

               (2)

罐底量修正也即罐底不平度的修正，其计算按公式(3)进行：采取等面积划分圆的方式，利用底部点云坐标数据，计算各圆台体和中部圆锥体的体积，叠加以获取总排量。同时，利用点云数据，可直接获取罐底最高点和最低点，通过在计量板处粘贴定位标靶，可准确获取计量起点，进而计算罐底量和死量。

具体计算过程如下：

(1)将罐底点云数据按等面积法划分的方式分为若干个同心圆（圆的数量根据罐的标称容量和罐底凹凸不平的程度确定，一般取8或16）；

(2)取各圆圆周上的所有点云数据，计算其纵坐标的平均值作为该圆所在平面的高度；

(3)相邻两圆可构成一个圆台，计算各圆台体和中部圆锥体的体积，进而叠加以获取总的排量。由于计算采取等面积划分方式，各圆所在高度与容积表中底量表给出的高度有一定偏差，因此两圆之间高度处的容积采取插值的方式获取，可采用的插值方法有拉格朗日插值、线性插值、三样条插值等。

          (3)

其中：为第个圆台体的体积；为中部圆锥体的体积；为第个圆台体的下底面半径；为第个圆台体的上底面半径；为第个圆台体的高度；为中部圆锥体的底面半径；为中部圆锥体的高度。

本发明提供了一种基于三维激光扫描技术的大型外浮顶立式金属罐容积测量方法，该方法可实现罐体点云数据的快速获取，结合后续处理软件，完成对容积的计算并引入相关影响因素修正，获取完整的容量表。该方法的应用，在保证计量精度的前提下，可有效降低检定成本，减少人力物力消耗，提高检定效率，具有一定的经济效益。

附图说明

图1是三维激光扫描测量系统组成示意图。

图2是三维激光扫描仪数据采集流程图。

图3是外浮顶立式金属罐组成结构及扫描测站分布示意图。

图4是罐壁计算模型。

图5是底量计算模型。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

基于三维激光扫描技术的外浮顶立式金属罐容积测量方法，它包括前期调研、技术条件准备、现场环境测量、数据采集、相关参数测量和数据处理等步骤。本发明基于三维激光扫描技术的外浮顶立式金属罐容积测量方法的实现采用三维激光扫描测量系统，测量系统组成如图1所示，包括三维激光扫描仪3及其配套的扫描控制及点云数据处理软件、拼接标靶1、三角支架4、计算机5和定位标靶2。本发明采用三维激光扫描仪作为大型外浮顶立式金属罐测量的主要手段，通过三维激光扫描仪的快速实时、高密度、高精度的测量方式，获取罐体三维点云坐标数据。利用三维激光扫描仪完成测量的工作流程图如图2所示，具体实现方法如下：

(1)前期调研

实地考察，了解测量对象的概况，确定人孔、计量板以及罐内各附件的位置；整体规划，选取合适的站点和标靶设置点，绘制扫描计划草图，确保附件遮挡部分可由不同站点间的点云数据拼接而获取。站点和标靶的布设位置如图3所示（量油管顶平台6、盘梯7、罐壁8、量油管9、浮盘10、计量板11、转动扶梯12、人孔13、集水坑14、罐底15）。

1)扫描站点布设。根据罐体标称容积、内部实际情况及所需测量精度，选择合适位置（平稳、可实现对目标对象的最大场景扫描）进行站点的设置，确保通过不同站点的数据拼接，实现罐体数据的完整获取。

2)标靶布设。标靶作为两站数据拼接的基准，其放置位置尤为重要，不仅影响站点布设的数量，同时也影响拼接精度。一般情况下，标靶放置在两站之间的公共扫描区域内，摆放成锐角三角形，标靶与扫描仪之间的距离则根据扫描分辨率和拼接精度的要求进行设定。在浮船下部进行扫描时，将标靶放置于罐底中部位置；为实现罐体上下两部分的数据拼接，人孔位置也应布置标靶；在浮船上部进行扫描时，则根据实际情况选择合适位置放置标靶。

3)绘制扫描计划草图，记录罐体相关信息。根据前期考察结果，绘制罐体结构草图，注明扫描站点和标靶布设的位置，标记人孔、计量板及罐内各附件的大致位置，记录罐体基本信息。

(2)数据采集

即完成各站点云数据的扫描。

1)依据扫描计划草图，在指定位置架设仪器并确保仪器架设稳固，同时将标靶放置在预先设定的位置上，并在计量板上粘贴定位标靶。

2)启动仪器，调整仪器状态，完成激光对中和整平；确定扫描范围，根据罐体内部实际情况及所需测量精度，设置扫描分辨率和扫描点云质量，进行扫描。

3)为确保标靶扫描精度，应对标靶进行单独框选；同时现场检查扫描数据，适时进行补点扫描。

4)关闭仪器，移至第二站，重复上述2)、3)步骤，完成扫描；将标靶移至第2-3站之间的公共区域内，重新扫描标靶，完成第二站数据的扫描。

5)重复上述2)至4)过程，完成各站数据的扫描。

注：

1)扫描过程中，应控制人员走动，以免造成罐底板震动，减少噪声点和异常点的出现；同时，应避免对仪器正前方的遮挡，以免影响扫描效果。

2)在扫描过程中，完成对现场温度进行测量。

(3)点云数据预处理

对多站扫描数据进行预处理，建立罐体三维模型。点云数据的预处理在仪器自带的点云数据处理软件中完成，包括标靶中心坐标信息提取、点云拼接、点云去噪、点云抽稀、坐标变换及特征信息提取等。在软件中拟合计算出各站间公共标靶的中心坐标，通过这些基准点将各站的点云数据进行拼接，将其整合于同一坐标系内；删除多余的噪声点，并进行点云抽稀；变换其坐标原点，使其位于计量板上定位标靶的中心处；在点云中确定各附件的起止点高度并记录；提取罐壁基圆所在位置的点云数据；将点云数据分割成罐底和罐壁两部分；最后将处理好的各部分点云数据以txt格式导出。

(4)容积计算

根据本发明给出的计算模型，利用点云数据进行计算。采用积分思想，将罐体点云坐标数据沿高度方向分割为若干个小圆柱体，计算各个小圆柱体的体积并叠加以获取总体积。引入温度、罐体倾斜度、液体静压力等修正；计算罐内附件和罐底容积，最后合成总的容积表。计算模型如公式(1)，其中：为拟合小圆柱体底面面积；为所取小圆柱体高度；为液体静压力修正值L；为罐内附件体积修正值；为罐底不平度修正值；为罐体倾斜修正值。

                  (1)

其中，计算所取小圆柱体高度由软件进行设置；小圆柱体底面面积采用最小二乘法、迭代法或三角形面积法进行拟合，具体过程如下：在小圆柱体高度中心位置处，截取一定环高的点云数据，该环高根据实际扫描点云数据的质量、疏密程度及所需测量精度进行设定；将其投影至同一水平面，进行排序、滤波及精简等初步处理，进而拟合计算出底面面积。罐壁计算模型如图4所示。

温度的修正按公式(4)进行，其中：为圈板修正至标准温度（20℃）后的半径值；为常温测量下，拟合计算的半径值（注：采用三角形面积法计算时，可根据拟合的面积反推半径，进而进行计算）；为罐体线膨胀系数；为罐壁实测温度，利用红外线测温仪进行多点测量并求取平均值。

                            (4)

罐体倾斜度的修正根据公式(2)进行，其中：为第个小圆柱体的倾斜量修正值；为第个小圆柱体的倾斜角度（在拟合计算圈板半径时，可得到各小圆柱体底面的圆曲线方程，获取其圆心坐标，进而计算该小圆柱体的倾斜角度）。

               (2)

液体静压力容量修正根据公式(5)进行，相关符号参考JJG168-2005。

                         (5)

罐内附件体积的修正根据实际测量数据进行计算：测量罐内附件的几何尺寸及其起止点高度，其几何尺寸可利用钢卷尺进行测量，而起止点高度则可根据点云数据直接获取；根据附件的形状和参数计算各附件的总体积；根据附件对罐体容量的影响性质，取其正负，并将其体积平均分配于所在高度内。对于复检罐，罐内的附件数据可参考上一周期检定时的原始数据。附件体积的修正也可参考罐施工验收图纸的相关资料。

罐底量修正也即罐底不平度的修正，其计算按公式(3)进行：采取等面积划分圆的方式，利用底部点云坐标数据，计算各圆台体和中部圆锥体的体积，叠加以获取总排量。同时，利用点云数据，可直接获取罐底最高点和最低点，通过在计量板处粘贴定位标靶，可准确获取计量起点，进而计算罐底量和死量。罐底计算模型如图5所示。

具体计算过程如下：

1)将罐底点云数据按等面积法划分的方式分为若干个同心圆（圆的数量根据罐的标称容量和罐底凹凸不平的程度确定，一般取8或16）；

2)取各圆圆周上的所有点云数据，计算其纵坐标的平均值作为该圆所在平面的高度；

3)相邻两圆可构成一个圆台，计算各圆台体和中部圆锥体的体积，进而叠加以获取总的排量。由于计算采取等面积划分方式，各圆所在高度与容积表中底量表给出的高度有一定偏差，因此两圆之间高度处的容积采取插值的方式获取，可采用的插值方法有拉格朗日插值、线性插值、三样条插值等。

          (3)

其中：为第个圆台体的体积；为中部圆锥体的体积；为第个圆台体的下底面半径；为第个圆台体的上底面半径；为第个圆台体的高度；为中部圆锥体的底面半径；为中部圆锥体的高度。

最后，根据公式(1)计算获取完整的容量表。

说明：

1)浮盘所在圈板的计算：由于浮盘影响，该处的点云数据无法进行扫描，故计算中可采用其上下圈板半径的平均值进行计算，亦可采用围尺数据，测量该处圈板的外周长及板厚，进而进行计算。

2)圈板高度和厚度的获取可手工测量，亦可采用竣工图纸数据。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。