我国为世界上最主要的石油进口国家之一[1], 国际间石油贸易交付量巨大，价值高，计量的准确程度直接影响贸易各国的利益[2]。立式金属罐是世界上石油、液体石油产品以及其他液体货物进行贸易结算、收发交接的重要计量器具。立式罐主要由罐底、罐壁、人孔、计量口、罐顶、进出管线及附件组成[3-5]。准确测量立式金属罐的容量，可以保证我国在石油贸易中的经济权益。然而，传统的测量方法普遍存在风险高、成本高、强度大、时间长和精度低等问题。
全站仪法是当前在立式金属罐容量测量领域应用最普遍的测量方法，被广大工作者所认可，但全站仪法测量点数有限，不能完全拟合出罐壁的实际情况，且有障碍物时影响测量精度和时间，随着科技的不断进步，立式金属罐的容量计量工作需要一种快速、高效、精度高的测量方法来满足当前的发展需求。近年来，国家计量院的刘子勇和王金涛等人[6-9]对三维激光扫描技术的应用做了一定研究，利用其数据获取速度快、数据量大、精度高等优势，讨论了一种扫描点云数据的处理方法，基于逆向工程理论拟合罐体曲面，可以计算出不同液位下罐容值。三维激光扫描技术在立式罐容量测量的应用中取得了较大突破，具有很高的实用性。
1 三维激光扫描仪自身测量系统的评价试验
只有仪器自身的数据稳定可靠，才能作为标准器适用于计量领域。三维激光扫描仪自身测量系统的测试试验，主要包括重复性试验和复现性试验。选取标称容量为20000m3，高度约为20m，内径约为37m，由10层圈板组成的立式金属罐为测量对象。
1.1重复性试验
重复性是指在相同测量条件下，重复测量同一个被测量，所得测量结果的一致性。重复性试验要求测量程序、测量条件、测量人员、测量地点和环境以及测量标准必须一致。具体的操作为，将扫描仪架设在罐内中心位置（图1中S1测量点），在相同测量条件下，连续对立式罐半径进行6次扫描，得出各圈板半径测量值的标准偏差，来判定重复性是否满足要求。由图2的数据可知，各圈板半径测量值的标准偏差均小于2mm，满足光电测距法对测量重复性的要求。
图1 站点位置布置草图
图2 半径测量标准偏差（重复性）
1.2复现性试验
测量结果的复现性又称“再现性”，是指在改变了测量条件的情况下，同一被测量的测量结果的一致性。复现性和重复性最大的区别为测量条件是否改变，复现性试验可以测量程序、测量条件、测量人员、测量地点和环境以及测量标准等因素的一种或几种。本文设计了两种不同的试验组合。
（1）不同的参数设置。在其他测量条件不变的情况下，评价各种分辨率和点云质量搭配下测量结果的标准偏差。参数设置如表1所示，半径测量值的标准偏差如图3所示。
表1 参数设置表
图3 半径测量值的标准偏差
由图3可见，各圈板半径测量值的标准偏差在2mm之内，符合光电测距法对复现性的要求。
（2）不同的扫描位置。其他测量条件不变，变换三维激光扫描仪的位置（图1中的S1～S6），半径测量值的标准偏差，如图4所示。
图4 半径测量值的标准偏差
由图4可见，各圈板半径测量值的标准偏差在2mm之内，符合光电测距法对复现性的要求。同时也可以看出，相对于试验一，仪器设备位置的变化，对半径测量结果有一定的影响。
2比对试验
上面的试验结果表明，不管是重复性还是复现性，半径测量值的标准偏差都满足光电测距法测量立式罐半径的测量要求，因此可以判定三维激光扫描仪自身测量系统测量立式罐半径的数据是稳定可靠的。但自身数据稳定不能代表数值正确，所以还需用三维激光扫描仪测量立式罐半径的数据，与常规方法的测量结果进行比对。以全站仪的测量数据作为依据，判定三维激光扫描法的适用性。
2.1测量条件的选取
比对试验首先应规定相同的测量条件，不同的测量方法和条件会对比对试验的结果造成影响，比如三维激光扫描仪的架设位置以及测量方法选取内测法还是外测法。通过与全站仪测量数据的比对，确定一些三维激光扫描仪自身参数之外的测量条件，评价各种条件下的适用性。
（1）入射角的选取
在复现性试验二中，位置变化对半径测量结果有一定的影响。推测是入射角不同产生的影响。入射角是指仪器设备向罐壁最高处发射光线，与其法线形成的夹角，如图5所示。通过在同一半径上设置不同扫描位置，如图1中的S1～S4，改变入射角的大小，分别用三维激光扫描仪和全站仪对圈板半径进行测量，比对测量结果，分析入射角对圈板半径测量值的影响。
图5 入射角定义示意图
从图5可以得出：
公式（1）中，表示仪器设备到罐壁最高点的高度差，表示仪器设备与罐壁之间的水平距离。
通过测量计算得出S1～S4位置的入射角依次为：42.68°、53.92°、63.62°和76.51°，两种测量方法在各位置的测量偏差如图6所示。
图6 入射角的比对结果
图6中，在S1和S2位置，两种方法的测量偏差基本一直保持在2mm以下，而S3和S4位置的偏差波动很大，随着角度的增加，测量偏差也不断增大。所以，为确保测量数据的准确和稳定，在架设三维激光扫描仪的时候，应尽量架设在罐底的中心位置，入射角越小越好，且不能超过60°。此结论与中国计量院刘子勇等的研究成果一致。
（2）测量方法的选取
立式罐的容量计量分为内测法和外测法。在实际扫描测量中，经常会遇到一些已经装满原油的立式金属罐，需要从外部进行测量。一般来说，都会设置4到5个扫描站点，设置对应的标靶位置，最后将各自独立的点云数据进行拼接，进而完成数据处理得出圈板半径。具体的站点和标靶位置如图7所示。
图7 立式罐外测示意图
企业为保证其经济效益，一般在建设罐区的时候，两罐之间的距离会接近于工程和安全要求的最短距离，提高土地的使用率。所以，在进行外测试验的过程中，罐周围空间有限，不仅导致仪器设备和罐体之间距离过近，入射角增大，还很难完全避开罐体及周围的障碍物，使噪点增多，影响测量数据的准确度。外测法和内测法的数据处理方法基本相同，需要注意测得的结果为圈板外径，如需计算内径，应减去相应圈板的壁厚。壁厚值一般使用超声波测厚仪测得，也可以直接使用竣工图纸的数据。三维激光扫描仪法和全站仪法的半径测量偏差如图8所示。
图8外测法的比对结果
图8中，两种方法半径测量值的偏差最高已经达到了60mm，而且整体的测量结果较差，两种方法的数据一致性较差。8号圈板到10号圈板的数据尤其明显，初步判定是由罐外扶梯及加强圈的遮挡造成。相比于全站仪法，三维激光扫描法测量的点云数据较多，很难避开罐体外部的障碍物，不具有全站仪法的灵活性，很难适应外测的环境。所以在实际应用当中，不推荐使用三维激光扫描仪罐外测量立式罐容积。
2.2 测量结果的比对
通过上文对三维激光扫描仪自身测量系统进行了评价：重复性和复现性试验结果满意；对三维激光扫描仪的测量条件进行了限定：入射角应小于60°，仪器应尽可能摆放在罐底中心、尽可能的使用内测法。在满足这些测量条件的基础上，在相同的环境条件下，比对三维激光扫描仪和全站仪测量同一被测罐的容量值，评价数据的一致性，进而验证三维激光扫描法是否适用于立式罐容量计量。
表2 容积测量结果比对表
由表2可以看出，两种方法测量结果的偏差不超过0.1%，数据一致性较好，满足光电测量法结果的要求。
综上所述，三维激光扫描技术在立式金属罐容量测量工作中，无论是自身测量系统的稳定性，还是和全站仪法的测量结果数据比较来看，都满足光电测量法的测量要求，此方法对立式金属罐的容量测量具有较高的适用性。
参考文献：
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