海洋论坛▏水下三维激光扫描系统在水下结构物检测中的应用

Original 廖荣发等溪流之海洋人生 2023-05-07

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一、引言

近年来，为响应国家海洋强国发展战略，海洋工程的建设也得到了更多的重视。而一些服役时间较长的海洋工程结构，由于自然和人为因素造成了不同程度的缺陷或损伤，为确保海洋工程结构的安全可靠，需对其进行相应的检测、评估和维护。目前水下结构检测应用手段主要包括水下目视检测、水下磁粉检测、水下超声波检测和水下射线检测等。这些检测方法有各自的侧重点，也都存在一定的不足, 譬如检测能力有限、检测精度低、检测时间长、费用高或者对人体有害等^[1]。

人们通过研究光波在海洋中的传播特性，发现海水中存在一个理想的透明窗口效应，即海水对蓝绿激光造成的衰减比对其它波段的激光要小得多。这一透明窗口效应的发现，促进了水下激光探测技术的研究和发展，并走向了应用^[2]。

成立于2007年的加拿大2G Robotics公司根据水下蓝绿激光成像技术研制生产的ULS-100/200/500等型号的水下三维激光扫描系统，自问世以来已在国外各大型石油运营商和科学机构获得应用，目前国内对水下三维激光技术的应用还处于起步阶段。

二、水下三维激光扫描系统简述

⒈水下三维激光扫描系统工作原理

ULS500型水下三维激光扫描系统为例，其主要组成部分为高精度激光源（绿光或蓝光）、高精度光学传感器（摄像头）、构成激光源与光学传感器之间静态基线的保护罩或机械臂。三维激光扫描系统是以三角测量技术计算距离的，通过测量激光反射回光学传感器的角度来计算到目标表面的距离，见图1。

其公式可表示为：

d＝L×tanθ

式中，L为光学传感器与激光源之间的基线长，θ为激光反射回光学传感器与基线间夹角，d为目标物到激光源的距离。

激光源每发射一次会产生480个点，垂直角度覆盖宽度为50°，激光器可整体旋转360°，最小步进角度0.018°。

图1 水下三维激光扫描系统工作原理示意图

⒉水下三维激光扫描的优势

相较于常规的水下结构检测应用手段如水下目视检测、水下磁粉检测、水下超声波检测和水下射线检测，水下三维激光技术有如下优势：

⑴结构检测的分辨率高，能够获得更多的细节，精度高，在条件良好条件下测量精度可达亚毫米级；

⑵操作便捷安全，扫描速度快，无需繁琐的校准步骤，在系统量程范围内可快速进行360°扫描；

⑶能够对扫描数据进行高精度的定量测量，目前其它的检测手段大多只能进行定性或粗略地定量测量；

⑷数据易于处理，获取三维点云数据并兼容多种三维处理软件，可进行点云的处理，也可进行逆向工程处理等；

⑸可扩展集成性高，可与水下载体（ROV、AUV等）进行集成以适应更复杂的检测环境。

⒊水下三维激光扫描系统数据质量的影响因素

水下三维激光扫描系统采用光学传感器接收蓝绿激光，而实际水下环境复杂，对其数据质量的影响因素主要有如下几点：

⑴水体透明度越好则获得的数据质量越高，由于采用的是光学传感器接收激光，因此如果水质较浑浊则得到的数据将有较多的干扰噪声；

⑵环境光线越少则数据受噪声影响越小，由于采用的蓝绿激光源为可见光，因此环境中有较多光源会影响其数据结果，最理想数据采集情况是在无光条件下进行；

⑶目标表面材料对光线的反射情况，具有漫反射表面的物体其扫描数据质量高，光滑表面具有镜面反射的物体其扫描数据质量低；

⑷目标物体的距离越近数据分辨率越高，由于激光线上的点数是固定的，因此距离越远点间距越大，分辨率越低，根据具体情况可进行多次扫描提高数据质量。

三、水下三维激光扫描数据处理

水下结构检测的主要目的是对缺陷或损伤进行定性和定量测量，并根据测量数据进行结构安全性和完整性的评估。水下三维激光扫描系统的优势在于定量测量，因此需要对点云数据进行一系列的处理才能得到水下结构破损的高精度尺寸数据。

⑴滤除噪点。水下三维激光扫描系统获得的数据为三维离散点云，而在获得目标三维点云的同时，由于水体中的泥沙、藻类、悬浮物、环境光线等会对水下三维激光扫描系统的激光信号造成干扰，产生噪声点。通过人工识别出目标区域点云并将其提取出来，删除边缘轮廓造成的噪点和水体中的噪点，使用滤波方法清除掉与目标物较为离散的噪点，最后得到目标点云数据。

⑵匹配校准。水下三维激光扫描系统单次扫描能的覆盖范围通常不能满足，目标物整体检测的要求，需要多次扫描并对重叠部分进行点云数据间的匹配校准，才能获得详细的水下结构点云数据。进行精确的缺陷或破损检测还应将点云与实体进行匹配校准，以测量更多的破损尺寸参数。点云与点云，点云和实体间的匹配校准都需要选择多个公共点进行，选择的公共点分布越分散，点数越多，匹配校准的结果就越精确。

⑶提取缺陷或破损区轮廓。点云数据的直观性较实体、网格数据而言较弱，在选择目标边缘轮廓或顶点时较难分辨，为了确保尺寸测量的精确性，需将水下结构检测破损区的轮廓提取出来，避免点云错位造成的误差。计算点云到实体或平面的距离，根据距离值来分离提取出缺陷或破损区轮廓及其细节，见图2。

图2 破损区轮廓提取示意图

⑷拟合缺陷或破损区轮廓几何形状并进行尺寸测量。根据分离提取出来的缺陷或破损区轮廓点云拟合出一个平面，以该平面作为投影面，使用合适的拟合工具拟合出缺陷或破损区轮廓的几何形状，再通过几何方法进行尺寸测量，见图3。

图3 破损区轮廓几何形状拟合和尺寸测量示意图

四、结束语

水下三维激光扫描技术目前在国内已经有不少成功应用的案例，应用领域包括油气平台、水库大坝、工业检测等，应用环境由于收到搭载平台的限制，一般为浅水或静水环境。随着国内水下潜器等作业载体日趋稳定，以及水下导航定位技术的发展，高精度的水下三维激光扫描检测技术会有更广阔的应用前景。

参考文献

[1]许亮斌,陈国明.近海水下结构无损检测新技术[J].无损检测,2003,25(7):360-364.

[2]李哲,邓甲昊,周卫平.水下激光探测技术及其进展[J].舰船电子工程, 2008,28(12):13-16+53.

[3]2G Robotics Inc.ULS-100_200-Manual

【作者简介】本文作者/廖荣发沙何峰芮应辉，来自无锡红海勘测科技有限公司。第一作者廖荣发，男，1990年出生，助理工程师，主要从事海洋测绘及ROV相关的工作；本文为首届“新时期海洋测绘发展论坛”征文作品，版权归作者所有，编发已经得到了作者的授权。