王雯，阮磊雷(马鞍山测绘技术院有限公司，安徽 马鞍山 243000)
焦炭作为钢铁工业的重要原料之一，在国民经济中发挥着重要作用。中国是传统的焦炭生产和出口大国，焦炭是中国目前为数不多的常年排名世界第一且有重要影响力的资源型产品。焦炭的生产离不开焦炉，安全、稳定的焦炉是生产优质焦炭的重要保障，焦炉的安全性与稳定性涉及各个生产环节与部件。炭化室对焦炭生产起着重要作用。文章主要阐述利用三维激光扫描技术对不停产的焦炉炭化室炉墙的平整度进行检测，探索在传统检测方法之外是否还存在着高效、快捷、全面且准确的焦炉炭化室炉墙平整度的检测方法。
对不停产的焦炉炭化室炉墙进行平整度检测的传统方法主要是利用高精度全站仪在距离炭化室门口10～20 m左右的地方架站。测量人员需穿戴耐温服、耐温手套，用防火棉板挡住炭化室门口，手持万向测量杆依次测量炭化室底部坐标数据，待焦炉一侧测量结束后，迅速搬动全站仪至焦炉另一侧按同样的方法测量该侧碳化室底部坐标数据。此种测量方法的测量范围仅限于炭化室室口底部，炭化室的内部中心数据无法获取且作业时间较长。用单台全站仪测量时往往需要花费30 min以上的时间进行来回迁站，同时测量人员离炭化室室口较近，高温及粉尘煤气大大降低了作业的安全性。此种测量方法对焦炉本身的伤害也较大，炭化室本身的作用是在隔绝空气的条件下将煤加热至1 000 ℃以上，再经过干燥、热解等一系列环节制成焦炭，这一过程被称为高温炼焦。
全站仪的作业时间往往超过30 min，这会造成炭化室长时间处于空炉状态，极易损害炭化室，甚至会导致炭化室炉墙开裂等危害焦炉安全运行的结果。实际作业中，生产方也不可能花费大量时间进行检测作业，所以此种方法具有一定的局限性。
三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，主要指由激光发射器按一定周期发射激光脉冲，然后由接收器接收从物体表面反射回来的信号，通过计算得到目标物的空间坐标数据，利用传动装置完成对目标物坐标数据的全面采集。三维激光扫描仪主要由测距系统和测角系统构成，通过测距系统获取扫描仪至待测点的距离，通过测角系统获取扫描仪至待测点的水平角和垂直角。利用三角函数理论计算得到待测点的三维坐标如图1所示。
图1 利用三角函数理论计算得到待测点的三维坐标
设待测点的斜距为S，水平角为b，垂直角为a，那么待测点P的三维坐标计算公式如式(1)所示：
点云是利用扫描仪本身的垂直和水平马达等驱动装置所获取的被测物体表面的三维坐标数据，包括色彩、强度等值[1]。炭化室炉墙具有一定的范围，因此通过全站仪棱镜测出的有限空间点难以全面准确地反映炭化室炉墙的变形情况。三维激光扫描仪具有在短时间内获取海量空间点云的特点，将三维激光扫描技术应用于炭化室炉墙平整度检测可更加全面地获取炭化室炉墙的空间形态，为后续进行精确的分析计算打下基础。
文章阐述的实例所涉及的焦炉属于年产80万吨焦炭的2×63孔的捣固型焦炉，该焦炉于2006年建成并投入生产运行，经过十几年的生产运行，焦炉移动机械的运行部位与炭化室结构发生了一定的变化，因此有必要对移动机械和焦炉炭化室结构做一次全面的检测工作。因移动机械位于室外且环境条件较好，其检测手段较为方便，故文章不再讨论。文章主要探究在炭化室不停产、室温高达1 200 ℃且炉门打开时间约为3～6 min的恶劣检测环境下，如何高效、准确地检测炭化室炉墙在日常生产过程中发生的变化。
3.1 测量前准备
3.1.1 控制测量
扫描仪本身在扫描过程中会自动建立仪器坐标系统，在无特殊要求时能够满足平整度检测需求。但考虑到此次测量采用统一的坐标系统会方便后期计算，故在测量现场布置满足要求的测量控制网，以现场焦炉中心线上的两点为起始点，围绕焦炉布设13个控制点，采用DJ1型全站仪进行四等导线测量，测回数设定为6测回，高程采用二等水准路线布设以获得各待测点的坐标值。
3.1.2 标靶设定
当三维激光扫描仪在一个扫描站上不能测量物体的全部而需要在不同位置进行测量或者需要将扫描数据转换到特定的工程坐标系中时，需要布设标靶来进行坐标系传递和转换工作，换言之就是需要布设公共点。此公共点一般被称为标靶。三维激光扫描仪的公共点往往有三种类型：一为球面标靶，二为平面标靶，三为公共特征点。本次测量为精密测量，球面标靶虽传递精度高但是布设麻烦，现场的大型机械移动频繁，容易碰动标靶而不易被发现。另外公共特征点不适用于精密测量。故本次作业采用平面标靶(棋盘纸)作为三维激光扫描传递的公共点。
3.1.3 测站设置
此次作业所使用的焦炉炭化室室内高4.5 m、长16.0 m、宽0.5 m，炭化室底部距地面5 m左右，常规架站式三维激光扫描仪的激光器最高达2.0 m，三维激光扫描仪无法在有效范围内发挥最大的作用，也无法扫测炭化室四周。因此科学地设置测站点显得十分重要。
测量炭化室前最基本的操作是将炭化室炉门打开并进行推焦，这需要用到推焦车，推焦车以电机驱动，震动性较小，稳定性高。推焦车驾驶舱的周圈有工作平台，其高度满足架设三维激光扫描仪的要求。在推焦车完成推焦后，移动推焦车使三维激光扫描仪正好处于炭化室中心位置，待整体平稳后即可开始作业。故此次仪器拟摆设在推焦车驾驶舱的周圈平台上。
3.2 点云数据预处理
野外采集的点云数据具有高冗余、误差分布非线性和不完整等特点。为了保证采集的点云数据能高效地运用于后期平整度的数据计算，点云数据的预处理环节就显得十分重要[2]。点云数据的预处理包括点云拼接、点云滤波、点云配准和特征提取这四个步骤，本次数据预处理采用了美国天宝公司的Trimble RealWorks软件，该软件具有点云影像可视化、点云编辑、点云拼接、影像数据点三维空间量测、空间三维建模、纹理分析和数据格式转换等功能。
(1)点云拼接：本次测量采用标靶拼接，其原理为在参与拼接的两站中寻找共同标靶进行拼接。进行标靶拼接之前需利用软件自动或手动地提取标靶位置，软件再根据两站间相同的标靶位置自动拼接点云。软件可自动计算两站间点云的三维误差，误差一般在亚毫米级别。
(2)点云滤波：点云滤波是对点云去噪的过程。在野外进行扫描操作时会不可避免地因被测物体表面(材质、纹理等)，周边环境(遮挡物、车辆和行人等)和仪器自身特性(CCD摄影机的分辨率、扫描设备的精度)的影响而产生一些噪点。这些噪点将影响特征点提取的精度。点云去噪的方法有两种，一种是依托点云处理软件自身的去噪功能进行去噪，另一种就是人工干预，直接将不需要的点云数据删除。
(3)点云配准：点云配准是将点云自带的坐标系配准至项目需要的绝对坐标系中。事先利用全站仪、RTK等采集棋盘纸中心位置坐标，在采集点云数据的同时对测站附近的棋盘纸进行扫测，根据测区大小均匀地采集任意测站附近的棋盘纸的坐标并保证坐标文件中的标靶点名称与从点云数据中提取的标靶点名称一致。利用点云处理软件可完成点云数据和采集的棋盘纸坐标的配准过程。
(4)特征提取：特征提取是指提取用于炉墙平整度计算的特征点。一个焦炉的扫测工作少则几十站，多达几百站，数据占用的电脑存储空间往往达到几十个GB。如此庞大的数据如果全部纳入计算，一则无法达到预期计算结果，二则占用很大的电脑运行空间，使计算速度大大降低。提取相应的特征点用于指定项目的运算大大提高了计算速度和结果精度。
3.3 平整度计算
3.3.1 平整度计算方法
基于预处理后获得的点云数据，任意选取不共线三点求出初始平面方程，进而根据间接平差原理获得炭化室炉墙的拟合平面方程。由于炭化室内部经历了长年的燃烧，焦炭残质势必残留于炭化室炉墙上，加之炭化室的温度长年高达1 200 ℃，扫测过程中存在一定的粗差，会影响炉墙拟合的精度。利用Huber选权迭代法可减小粗差的影响，获得较为精确的炉墙拟合平面，2014年李杰等已发表过相关论述，文章不再赘述。将拟合的平面作为炉墙平面，计算点云中各点到该炉墙平面的距离平均值即可得到炉墙平整度。炉墙拟合平面表达式如公式(2)所示：
基于点云数据(xi,yi,zi) (i=1,2,3,…，n)，通过最小二乘法获得拟合平面,如公式(3)所示：
各点到炉墙拟合平面的距离为：
炉墙的平整度为：
式中：d为炭化室炉墙上的点到炉墙拟合平面的距离；
m为炭化室炉墙上的点到炉墙拟合平面的点位中误差，m越小说明炉墙越平整，反之炭化室炉墙凹凸明显。
3.3.2 平整度计算
通过Trimble RealWorks软件可基于最小二乘法对点云数据进行最优平面拟合。具体是利用Trimble RealWorks软件的自由建模功能，在炭化室炉墙点云中选取三个点，该三点应尽量覆盖整个炉墙且最好不共线，进而创建并获得该炉墙的最优拟合平面。借助软件的办公室测量功能模块可计算炭化室炉墙的点云到拟合平面的距离，并根据计算得到的距离值制作等值图，如图2所示。
以不同颜色表示不同的距离值，其中蓝色区域的距离绝对值最大，为10 mm，品色区域的距离绝对值最小，为0 mm。如图2所示炭化室炉墙的变化情况及变化区域十分清晰，可为后期进行炭化室炉墙维修提供参考。此种方法与之前学者提出的墙面平整度检测方法得到平整情况分布和距离值基本相同，但此种方法从点云数据预处理到最终墙面平整度检测都在一个软件中完成，摆脱了墙面平整度检测过程中需将不同阶段的数据相互转换的困扰。传统的炭化室炉墙平整度检测方法仅是使用全站仪在炭化室两端采集坐标来反映炭化室变化情况，无法真实反映炭化室炉墙内部变形情况。三维激光扫描仪可完整采集炭化室炉墙各点的三维激光坐标数据，通过软件分析计算得到炉墙墙面平整情况分布图和各区域的数值，创造出了一种新的炭化室炉墙检测方法。
图2 点云到拟合平面的距离值等值图
三维激光扫描仪在需要采集大量数据进行计算的作业中具有明显的优势，学者之前提出的各种墙面平整度检测方法无疑给后来学者提供了大量可资借鉴的经验。炭化室炉墙平整度检测是墙面平整度检测的延伸，不同于普通的墙面平整度检测方法，基于三维激光扫描技术的炭化室炉墙平整度检测方法在点云数据的采集和成果质量的验证上更为困难，尤其是需要在焦炉不停产的状态下采集数据。虽然文章阐述的检测方法能在焦炉炭化室不停产状态下对炭化室炉墙进行平整度检测，成果质量也有一定的保证，但如果作业时能采用两台三维激光扫描仪在炭化室两侧同时开展测量工作以相互检测得到的炭化室炉墙平整度结果，不失为更佳。
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