本發(fā)明涉及粉狀堆料體積測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于三維激光掃描技術(shù)的粉狀堆料體積測(cè)量裝置及方法。
背景技術(shù)：
在檢測(cè)工作中，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)大量粉狀堆料的體積進(jìn)行測(cè)量。通常情況下，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)粉狀堆料的形狀不規(guī)則，體積較大，檢測(cè)工作要求時(shí)間短，精度高。
常用的直接測(cè)量法和間接測(cè)量法難以滿足要求。直接測(cè)量法，就是檢測(cè)人員使用皮尺或手持激光測(cè)距儀進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算粉狀堆料體積。這種方法需要人工或機(jī)械將粉狀堆料堆成規(guī)則體積，因粉狀堆料的特點(diǎn)檢測(cè)人員不能直接在堆料上進(jìn)行檢測(cè)工作，需搭設(shè)腳手架，耗費(fèi)大量的人力、物力，耗時(shí)長(zhǎng)，粉狀堆料揚(yáng)塵污染嚴(yán)重，測(cè)量精度低，滿足不了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的需要。間接測(cè)量法，就是首先測(cè)量出粉狀堆料的密度，然后根據(jù)稱量出的現(xiàn)場(chǎng)粉狀堆料的總質(zhì)量，計(jì)算出粉狀堆料的體積。這種方法需要運(yùn)輸機(jī)械、大型磅秤，也需耗費(fèi)大量的人力、物力，裝、運(yùn)過(guò)程中物料揚(yáng)塵污染更嚴(yán)重，同時(shí)產(chǎn)生散料的損耗，測(cè)量精度也低，也滿足不了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的需要。
對(duì)于固定場(chǎng)所如礦場(chǎng)的堆料，一般采用多個(gè)激光測(cè)量頭進(jìn)行掃描測(cè)量，同時(shí)需要搭設(shè)固定激光攝像頭的測(cè)量裝置，若用在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，費(fèi)用高，耗時(shí)長(zhǎng)，不適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。
由于現(xiàn)在測(cè)量粉狀堆料體積存在費(fèi)用高、耗時(shí)長(zhǎng)、測(cè)量精度低等問(wèn)題，需要發(fā)明一種簡(jiǎn)單快捷、成本低、精度高的檢測(cè)測(cè)量方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種基于三維激光掃描技術(shù)的粉狀堆料體積測(cè)量裝置及方法，要解決測(cè)量粉狀堆料體積存在費(fèi)用高、耗時(shí)長(zhǎng)和測(cè)量精度低的技術(shù)問(wèn)題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
基于三維激光掃描技術(shù)的粉狀堆料體積測(cè)量裝置，包括三維激光掃描儀，其特征在于：還包括三腳架、計(jì)算機(jī)、標(biāo)靶球和標(biāo)靶支架，所述標(biāo)靶球架設(shè)在標(biāo)靶支架上形成標(biāo)靶裝置，所述三維激光掃描儀架設(shè)在三腳架上，通過(guò)wifi和計(jì)算機(jī)進(jìn)行無(wú)線連接，所述三維激光掃描儀由激光發(fā)射器、棱鏡、與棱鏡同步的接收器、主機(jī)和基座組成。
進(jìn)一步優(yōu)選地，每三個(gè)所述標(biāo)靶裝置組成一個(gè)標(biāo)靶組，標(biāo)靶組中三個(gè)標(biāo)靶球位于不同標(biāo)高位置，各個(gè)標(biāo)靶球互成銳角分布在每?jī)蓚€(gè)掃描站中間位置。
進(jìn)一步地，所述三維激光掃描儀、三腳架和計(jì)算機(jī)組成掃描站。
此外，兩個(gè)所述標(biāo)靶組配備一個(gè)掃描站形成掃描平臺(tái)。
更加優(yōu)選地，所述標(biāo)靶支架上設(shè)有磁力底座，所述標(biāo)靶球設(shè)于磁力底座上，磁力開(kāi)時(shí)標(biāo)靶球固定在磁力底座上，磁力關(guān)時(shí)移動(dòng)標(biāo)靶球。
基于三維激光掃描技術(shù)的粉狀堆料體積測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟：
步驟一、制定三維激光掃描技術(shù)方案：對(duì)堆料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘繪制現(xiàn)場(chǎng)掃描計(jì)劃草圖，根據(jù)堆料的形狀、高度、分布范圍及周邊情況，在掃描計(jì)劃草圖中標(biāo)注應(yīng)布置掃描平臺(tái)的掃描站點(diǎn)，并確定掃描平臺(tái)的掃描站和標(biāo)靶球的掃描位置、掃描距離、掃描角度和掃描間距以控制數(shù)據(jù)采集質(zhì)量；
步驟二、采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)：利用掃描平臺(tái)采集并獲取堆料三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
步驟三、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理：通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、降噪與抽稀及特征信息提??；
步驟四、構(gòu)建堆料的三維空間模型：根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中堆料表面的三維空間坐標(biāo)信息，建立堆料的三維空間模型；
步驟五、測(cè)算堆料體積：根據(jù)步驟四中三維空間模型，采用積分思想將堆料點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)沿高度方向分割為若干個(gè)小方柱體，計(jì)算各個(gè)小方柱體的體積并求和后測(cè)算出堆料的總體積，計(jì)算模型如公式；
式中：v為粉狀堆料的總體積，δvi堆料三維模型中的小方柱體的體積。
進(jìn)一步優(yōu)選地，所述步驟二包括以下步驟：
a.布設(shè)掃描平臺(tái)：根據(jù)步驟一中掃描計(jì)劃草圖中的標(biāo)注，布設(shè)掃描平臺(tái)；
b.掃描：調(diào)整儀器狀態(tài)，并通過(guò)wifi由計(jì)算機(jī)(3)遙控三維激光掃描儀(1)，確定掃描范圍，根據(jù)堆料(6)周邊的實(shí)際情況及測(cè)量精度，設(shè)置掃描分辨率和掃描點(diǎn)云質(zhì)量，進(jìn)行掃描；
c.補(bǔ)點(diǎn)掃描：對(duì)標(biāo)靶球進(jìn)行單獨(dú)框選精掃，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢查掃描數(shù)據(jù)，進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)掃描；
d.移動(dòng)儀器進(jìn)行下次掃描：關(guān)閉儀器，布設(shè)下個(gè)掃描平臺(tái)，布設(shè)完畢后重復(fù)上述b-c步驟，完成本掃描平臺(tái)的掃描，然后將掃描平臺(tái)的標(biāo)靶球移至掃描平臺(tái)的兩掃描站點(diǎn)之間的公共區(qū)域內(nèi)，再次掃描，完成掃描平臺(tái)間的公共區(qū)域的掃描；
e.順次掃描：重復(fù)上述步驟b-d依次完成各站數(shù)據(jù)的掃描，并進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總得到堆料(6)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
更加優(yōu)選地，所述步驟三中的所述點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合計(jì)算出掃描站點(diǎn)之間的公共區(qū)域內(nèi)標(biāo)靶球掃描數(shù)據(jù)的中心坐標(biāo)，通過(guò)這些坐標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)將各掃描平臺(tái)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接整合于同一坐標(biāo)系內(nèi)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下特點(diǎn)：
本發(fā)明提供了基于三維激光掃描技術(shù)的粉狀堆料體積測(cè)量裝置及方法，本方法可在保證項(xiàng)目精度要求的前提下，實(shí)現(xiàn)粉狀堆料點(diǎn)云數(shù)據(jù)的快速獲取，利用數(shù)據(jù)軟件建立三維空間模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)粉狀堆料體積高精度測(cè)量。本發(fā)明球形標(biāo)靶采用磁力支座，標(biāo)靶球換站移動(dòng)操作方便，采用wifi遙控掃描范圍和掃描精度。本發(fā)明的應(yīng)用，可有效降低檢測(cè)成本，減少人力物力消耗，縮短測(cè)量時(shí)間，提高測(cè)量精度，具有一定的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明涉及的掃描平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明涉及的掃描平臺(tái)的工作狀態(tài)圖；
圖3是本發(fā)明基于三維激光掃描技術(shù)的粉狀堆料體積測(cè)量方法的流程圖；
圖4是采用本發(fā)明方法測(cè)得的堆料一的點(diǎn)云示意圖；
圖5是采用本發(fā)明方法測(cè)得的堆料二的點(diǎn)云示意圖；
圖6是采用本發(fā)明方法測(cè)得的堆料三的點(diǎn)云示意圖。
附圖標(biāo)記：1-三維激光掃描儀；2-三腳架；3-計(jì)算機(jī)；4-標(biāo)靶球；5-標(biāo)靶支架；5.1-磁力底座；6-堆料；6.1-堆料一；6.2-堆料二；6.3-堆料三。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)新特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
在此記載的實(shí)施例為本發(fā)明的特定的具體實(shí)施方式，用于說(shuō)明本發(fā)明的構(gòu)思，均是解釋性和示例性的，不應(yīng)解釋為對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式及本發(fā)明范圍的限制。除在此記載的實(shí)施例外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還能夠基于本申請(qǐng)權(quán)利要求書(shū)和說(shuō)明書(shū)所公開(kāi)的內(nèi)容采用顯而易見(jiàn)的其他技術(shù)方案，這些技術(shù)方案包括采用對(duì)在此記載的實(shí)施例的做出任何顯而易見(jiàn)的替換和修改的技術(shù)方案。
基于三維激光掃描技術(shù)的粉狀堆料體積測(cè)量裝置，如圖1所示，包括三維激光掃描儀1，還包括三腳架2、計(jì)算機(jī)3、標(biāo)靶球4和標(biāo)靶支架5，標(biāo)靶球4架設(shè)在標(biāo)靶支架5上依靠磁力底座5.1架形成標(biāo)靶裝置，標(biāo)靶球4設(shè)于標(biāo)靶支架上的磁力底座5.1上，二者結(jié)合形成標(biāo)靶裝置。磁力開(kāi)時(shí)標(biāo)靶球4固定在磁力底座5.1上，磁力關(guān)時(shí)移動(dòng)標(biāo)靶球4。三維激光掃描1儀架設(shè)在三腳架2上，通過(guò)wifi和計(jì)算機(jī)3無(wú)線連接，三維激光掃描儀1由激光發(fā)射器、棱鏡、與棱鏡同步的接收器、主機(jī)和基座組成。如圖2所示，每三個(gè)標(biāo)靶組成一個(gè)標(biāo)靶組，標(biāo)靶組中三個(gè)標(biāo)靶球4位于不同標(biāo)高位置，各個(gè)標(biāo)靶球4互成銳角分布在兩個(gè)相鄰掃描站中間附近，兩個(gè)所述標(biāo)靶組配備一個(gè)掃描站形成掃描平臺(tái)，掃描站由三維激光掃描儀1、三腳架2和計(jì)算機(jī)3組成。
因野外作業(yè)，沒(méi)有合適的地方布設(shè)標(biāo)靶紙，采用標(biāo)靶球架設(shè)在標(biāo)靶支架上形成標(biāo)靶，作為兩個(gè)相鄰掃描站之間點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的公共控制點(diǎn)。通過(guò)公共控制點(diǎn)求出兩個(gè)相鄰掃描站之間點(diǎn)云數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)參數(shù)
基于三維激光掃描技術(shù)的粉狀堆料體積測(cè)量裝置的測(cè)量方法，如圖3所示，具體的包括以下步驟：
步驟一、制定三維激光掃描技術(shù)方案：對(duì)堆料6進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘繪制現(xiàn)場(chǎng)掃描計(jì)劃草圖，根據(jù)堆料6的形狀、高度、分布范圍及周邊情況，根據(jù)測(cè)量的精度要求，確定掃描站點(diǎn)布設(shè)方式，選擇合適位置設(shè)置合適的掃描站點(diǎn)，根據(jù)通視情況確定掃描站點(diǎn)的數(shù)量，保證不同掃描站點(diǎn)的數(shù)據(jù)拼接，使得堆料6三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠獲取完整。標(biāo)靶球4作為兩個(gè)掃描站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的基準(zhǔn)，其放置方式和位置非常重要，對(duì)堆料點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接精度影響較大。在掃描計(jì)劃草圖中標(biāo)注應(yīng)布置掃描平臺(tái)的掃描站點(diǎn)，并確定掃描平臺(tái)的掃描站點(diǎn)和標(biāo)靶球4的掃描位置、掃描距離、掃描角度和掃描間距以控制數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，其中一個(gè)標(biāo)靶組即為一個(gè)掃描站點(diǎn)，兩個(gè)掃描站點(diǎn)為一個(gè)掃描站；
步驟二、采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)：利用掃描平臺(tái)采集并獲取堆料三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具體地包括以下步驟：
a.布設(shè)掃描平臺(tái)：根據(jù)步驟一中掃描計(jì)劃草圖中掃描站點(diǎn)的標(biāo)注，選取其中一個(gè)掃描站點(diǎn)布設(shè)掃描平臺(tái)，如圖2所示；
b.掃描：調(diào)整儀器狀態(tài)，確定掃描范圍，通過(guò)wifi由計(jì)算機(jī)遙控三維激光掃描儀1，根據(jù)堆料6周邊的實(shí)際情況及測(cè)量精度，設(shè)置掃描分辨率和掃描點(diǎn)云質(zhì)量，進(jìn)行掃描；
c.補(bǔ)點(diǎn)掃描：對(duì)標(biāo)靶球進(jìn)行單獨(dú)框選精掃，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢查掃描數(shù)據(jù)，進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)掃描；
d.掃描下個(gè)掃描站點(diǎn)：關(guān)閉儀器，將掃描平臺(tái)移至下個(gè)掃描站點(diǎn)，移動(dòng)方法如圖2所示，將上個(gè)掃描平臺(tái)的第一個(gè)掃描站點(diǎn)的標(biāo)靶組移動(dòng)至已經(jīng)預(yù)先確定好位置的下個(gè)掃描站點(diǎn)第二個(gè)掃描站點(diǎn)的位置，原有的第二個(gè)掃描站點(diǎn)的標(biāo)靶組不動(dòng)，即形成下個(gè)掃描站點(diǎn)的第一個(gè)掃描站點(diǎn)，移動(dòng)后的上個(gè)掃描平臺(tái)的第一個(gè)掃描站點(diǎn)和未移動(dòng)的上個(gè)掃描平臺(tái)的第二個(gè)掃描站點(diǎn)組成第二個(gè)掃描平臺(tái)，布設(shè)完畢后重復(fù)上述b-c步驟，完成本次掃描平臺(tái)的掃描，然后將掃描平臺(tái)的標(biāo)靶移至掃描平臺(tái)的兩掃描站點(diǎn)之間的公共區(qū)域內(nèi)，再次掃描，完成掃描站點(diǎn)間公共區(qū)域的掃描；
e.順次掃描：重復(fù)上述步驟b-d依次完成各站數(shù)據(jù)的掃描，并進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總得到堆料6三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
步驟三、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理：通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、降噪與抽稀及特征信息提取，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合計(jì)算出掃描站點(diǎn)之間的公共區(qū)域內(nèi)標(biāo)靶球4掃描數(shù)據(jù)的中心坐標(biāo)，通過(guò)這些坐標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)將各掃描站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接整合于同一坐標(biāo)系內(nèi)，刪除多余的噪聲點(diǎn)云，并進(jìn)行點(diǎn)云抽稀，合理減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)數(shù)量；
步驟四、構(gòu)建堆料的三維空間模型：根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中粉狀堆料表面的三維空間坐標(biāo)信息，建立堆料的三維空間模型；
步驟五、測(cè)算堆料體積：根據(jù)步驟四中三維空間模型，采用積分思想將堆料6點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)沿高度方向分割為若干個(gè)小方柱體，計(jì)算各個(gè)小方柱體的體積并求和后測(cè)算出堆料6的總體積，計(jì)算模型如公式(1)；
式中：v為粉狀堆料的總體積，δvi堆料三維模型中的小方柱體的體積。
本發(fā)明以三個(gè)粉狀堆料為具體實(shí)施例，根據(jù)上述方法測(cè)出其點(diǎn)云示意圖如圖4～6所示，計(jì)算出3個(gè)堆料的體積分別為55.14立方米、272.08立方米、431.37立方米，一共為780.88立方米，采用直接測(cè)算的方法測(cè)得的體積為794.03立方米，誤差為1.66％，符合測(cè)量誤差不大于5％的要求。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。