專利名稱：一種料堆體積建模計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及料堆的測量領(lǐng)域，特別涉及一種料堆的三維成像及其體積計算方法。
背景技術(shù)：
目前，在具有存煤、礦砂等料堆的廠礦企業(yè)，對料堆的體積重量等重要生產(chǎn)數(shù)據(jù)一 直采用傳統(tǒng)的人工打點的方式進行估算，受惡劣天氣影響及人工測量引入的誤差的影響， 估算的結(jié)果往往不夠理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種料堆體積建模計算方法，本方法通過對掃描料堆得 到的料堆表面的采樣數(shù)據(jù)進行切割、濾波、邊緣補償?shù)忍幚恚玫酵暾牧隙讶S模型，并 據(jù)此計算出料堆的體積與質(zhì)量。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種料堆體積建模計算方法，該方法通過對料堆 原始輪廓采樣數(shù)據(jù)進行縱橫二維切割形成若干方柱，濾波處理得到每個方柱的柱面高度數(shù) 據(jù)，計算每個方柱的體積，累加各方柱的體積進而得到整個料堆的總體積。該方法首先讀取具有方位信息的料堆堆高度數(shù)據(jù)，然后，對料堆高度數(shù)據(jù)依次進 行數(shù)據(jù)歸柱、柱內(nèi)數(shù)據(jù)處理、料堆邊緣補償、柱間均值濾波的處理，最終得到完整的料堆三 維成像；具體步驟包括1)數(shù)據(jù)輸入讀取具有方位信息的料堆堆高度數(shù)據(jù)；所述的具有方位信息的料堆堆高度數(shù)據(jù)，在掃描裝置行進方向上，即X軸方向數(shù) 據(jù)平均間隔在0. 002 0. 003米，在Y軸方向平均間隔在0. 046 0. 150米；，Y軸與X軸 成90°分布；2)數(shù)據(jù)歸柱處理將料堆由一個整體分割成很多方柱，上述的表面數(shù)據(jù)相應落入 各個方柱中；所述的數(shù)據(jù)歸柱是在X-Y平面上將料堆分割成若干方格，具有方位信息的料堆堆 高度數(shù)據(jù)垂直投影在X-Y平面上，落入相應的方格中成為相應立柱的柱內(nèi)頂面的高度數(shù) 據(jù)；3)柱內(nèi)數(shù)據(jù)處理根據(jù)落入柱內(nèi)的高度數(shù)據(jù)經(jīng)處理得到最合理的方柱高度；當柱內(nèi)數(shù)據(jù)個數(shù)大于2時，采用中值濾波算法得到柱面高度數(shù)據(jù)；當柱內(nèi)數(shù)據(jù)個 數(shù)大于O小于等于2時，采用均值濾波算法得到柱面高度數(shù)據(jù)；當柱內(nèi)數(shù)據(jù)個數(shù)等于0時， 柱面高度數(shù)據(jù)記為0 ；4)料堆邊緣補償處理將沒有落入有效高度數(shù)據(jù)的方格，或者因掃描儀器沒有掃 到的數(shù)據(jù)盲區(qū)，按照自然料堆的斜率特點，補償相應的數(shù)據(jù)，使整個料堆的表面數(shù)據(jù)完整， 每個方格都有數(shù)據(jù)在內(nèi)，減小測量誤差；所述的料堆邊緣補償是根據(jù)一般細料料堆最大坡度取擬合坡度，在X、Y軸方向上 分別計算被補償方格的高度數(shù)據(jù)；再將同一方格在兩個方向上的高度數(shù)據(jù)相比較，取兩者中較大的值作為被補償方柱的有效高度值；5)柱間均值濾波處理用于平滑料堆原有表面數(shù)據(jù)以及補償數(shù)據(jù)的輪廓；所述的柱間均值濾波，對于料堆邊緣的方柱的有效高度值保持原始數(shù)據(jù)；對于其它方柱，計算當前方柱的頂面高度數(shù)據(jù)為上、下、左、右相鄰四個方柱頂面 高度數(shù)據(jù)的和的四分之一；或計算當前方柱的頂面高度數(shù)據(jù)為相鄰的八個方柱頂面高度數(shù) 據(jù)的和的八分之一；6)由此計算得到每個方柱的體積，并求和累加得到料堆的總體積。所述的方格為aXa，a的取值范圍是5 15cm。作為一種優(yōu)選，所述的a取值為 0. 1 米。一般細料料堆理論最大坡度為45°，所述的擬合坡度的取值為38° 45°。作為 一種優(yōu)選，所述的擬合坡度的取值為41°。本發(fā)明的優(yōu)點在于，本發(fā)明提供了一種三維成像建模體積質(zhì)量計算方法，該方法 可有效應用在料堆體積測量領(lǐng)域，利用測量系統(tǒng)對料堆立體掃描得到的料堆輪廓采樣數(shù) 據(jù)，處理后得到料堆的連續(xù)表面三維模型，同時計算出堆料的體積。該方法處理的過程為料 堆切割方柱化，數(shù)據(jù)歸柱，柱內(nèi)數(shù)據(jù)處理，料堆數(shù)據(jù)補償，柱間數(shù)據(jù)處理等。本發(fā)明的三維成像建模體積質(zhì)量計算方法，操作實施方便，測量精度較高，體積數(shù) 據(jù)的相對測量誤差一般可控制在0. 5%以內(nèi)。料堆三維模型的顯示具有原始數(shù)據(jù)顯示、建模后彩色模式顯示、等高線分色顯示 燈幾種模式。應用在電廠，煤廠等企事業(yè)單位，實現(xiàn)了對料堆體積的精確測量計算及可視化
顯示與管理。


圖1是本發(fā)明料堆體積建模計算方法的原理流程圖；圖2是本發(fā)明一實施例硬件實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明料堆原始輪廓數(shù)據(jù)(白色部分為掃描盲區(qū))的示意圖；圖4是本發(fā)明的方法處理后的料堆三維輪廓的示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
，對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)進行進一步詳細的說明。如圖1所示，三維成像建模體積質(zhì)量計算方法主要包括料堆切割方柱化，數(shù)據(jù)歸 柱，柱內(nèi)數(shù)據(jù)處理，料堆數(shù)據(jù)補償，柱間數(shù)據(jù)處理等。本發(fā)明處理的背景對象數(shù)據(jù)是具有方位信息的料堆堆高度數(shù)據(jù)，依次經(jīng)過數(shù)據(jù)歸 柱，柱內(nèi)數(shù)據(jù)處理，料堆邊緣補償，柱間均值濾波等處理方法，最終得到完整的料堆三維模 型，并計算出料堆的體積和質(zhì)量。1)背景料堆的尺寸最大范圍為長(X軸)220米，寬(Y軸)50米，高(Z軸)小 于13米，料堆形狀不規(guī)則，地面平行與于水平面，自然堆放狀態(tài)，通過特定儀器在料堆上 方掃描，得到料堆的表面高度數(shù)據(jù)。料堆表面數(shù)據(jù)的特征是，在X軸方向數(shù)據(jù)平均間隔在 0. 002-0. 003米，Y軸方向平均間隔在0. 046-0. 150米2)數(shù)據(jù)歸柱的目的是將料堆由一個 整體分割成很多方柱，表面數(shù)據(jù)相應落入各個方柱中。其處理過程是從俯視平面上，即
4X-Y平面上，將料堆分割成aXa的眾多方格，a的大小可設定，默認情況下為0. 1米。料堆 表面數(shù)據(jù)垂直投影在X-Y平面上，落入相應的方格中。成為相應立柱的柱內(nèi)頂面的高度數(shù) 據(jù)。3)柱內(nèi)數(shù)據(jù)處理是根據(jù)落入柱內(nèi)的高度數(shù)據(jù)得到最合理的方柱高度。其處理過 程是當柱內(nèi)數(shù)據(jù)個數(shù)大于2時，采用中值濾波算法得到柱面高度數(shù)據(jù)；當柱內(nèi)數(shù)據(jù)個數(shù)大 于0小于等于2時，采用均值濾波算法得到柱面高度數(shù)據(jù)；當柱內(nèi)數(shù)據(jù)個數(shù)等于0時，柱面 高度數(shù)據(jù)記為0。4)料堆補償?shù)哪康氖菍]有落入有效高度數(shù)據(jù)的方格，或者因掃描儀器沒有掃到 的數(shù)據(jù)盲區(qū)按照自然料堆的斜率特點，補償相應的數(shù)據(jù)，使整個料堆的表面數(shù)據(jù)完整，每個 方格都有數(shù)據(jù)在內(nèi)，減小測量誤差。其處理過程是根據(jù)一般細料料堆最大坡度，取41°為 擬合坡度，在X，Y軸方向分別計算部分邊緣掃描盲區(qū)被補償方格的數(shù)據(jù)。再將同一方格在 兩個方向上被補償?shù)臄?shù)據(jù)相比較，取兩者中較大的值作為被補償方柱的有效高度值。5)柱間均值濾波的目的是平滑料堆原有表面數(shù)據(jù)以及補償數(shù)據(jù)的輪廓。其處 理過程是濾波模板可選擇為模板1或者模板2，當選擇模板1時，濾波后當前方柱的 頂面高度數(shù)據(jù)為周圍相鄰四個方柱頂面高度數(shù)據(jù)的和的四分之一，即G(0，0) = (G(-l， 0)+G(0, -l)+G(l，0)+G(0，l))/(4-n)；當選擇模板2時，濾波后當前方柱的頂面高度數(shù)據(jù) 為周圍八個方柱頂面高度數(shù)據(jù)的和的八分之一，即G(0，0) = (G(-1，0)+G(0，-1)+G(1， 0)+G(0，l)+G(-l，-l)+G(l，-l)+G(l，-l)+G(l，l))/(8-n)；其中，η 為周圍方柱頂面高度有 0 值的個數(shù)。料堆邊緣不做此柱間均值濾波處理，保持原始數(shù)據(jù)。6)得到料堆的體積數(shù)據(jù)后，和料堆的密度數(shù)據(jù)相乘，計算得到料堆的質(zhì)量。料堆的 密度數(shù)據(jù)通過對料堆的實際取樣測量得到。在測量時，通過局域網(wǎng)將測量儀器和服務器連接起來，如圖2所示。此算法形成數(shù) 據(jù)處理軟件安裝在服務器上。通過局域網(wǎng)，數(shù)據(jù)處理軟件與測量儀器通信，讀取測量儀器測 量到的料堆輪廓數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理軟件通過本發(fā)明所述的計算方法處理料堆輪廓數(shù)據(jù)，如圖3 所示，最終到料堆的三維模型和體積質(zhì)量數(shù)據(jù)，形成三維可視圖形和體積質(zhì)量報表，如圖4 所示。測量設備測量得到的料堆輪廓數(shù)據(jù)也可以以文件的格式存儲在服務器上，數(shù)據(jù)處理 軟件讀取此文件，按照上述方法處理。最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參 照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當理解，對本發(fā)明的技術(shù)方 案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明 的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
一種料堆體積建模計算方法，該方法通過對料堆原始輪廓采樣數(shù)據(jù)進行縱橫二維切割形成若干方柱，濾波處理得到每個方柱的柱面高度數(shù)據(jù)，計算每個方柱的體積，累加各方柱的體積，從而得到整個料堆的總體積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的料堆體積建模計算方法，其特征在于，該方法首先讀取具有 方位信息的料堆堆高度數(shù)據(jù)，然后，對料堆堆高度數(shù)據(jù)依次進行數(shù)據(jù)歸柱、柱內(nèi)數(shù)據(jù)處理、 料堆邊緣補償、柱間均值濾波的處理，最終得到完整的料堆三維成像；具體步驟包括1)數(shù)據(jù)輸入讀取具有方位信息的料堆堆高度數(shù)據(jù)；所述的具有方位信息的料堆堆高度數(shù)據(jù)，在傳感器行進方向，即X軸方向數(shù)據(jù)平均間 隔在0. 002 0. 003米，在Y軸方向平均間隔在0. 046 0. 150米;2)數(shù)據(jù)歸柱處理將料堆由一個整體分割成很多方柱，上述的表面數(shù)據(jù)相應落入各個 方柱中；所述的數(shù)據(jù)歸柱是在X-Y平面上將料堆分割成若干方格，具有方位信息的料堆堆高度 數(shù)據(jù)垂直投影在X-Y平面上，落入相應的方格中成為相應立柱的柱內(nèi)頂面的高度數(shù)據(jù)；3)柱內(nèi)數(shù)據(jù)處理根據(jù)落入柱內(nèi)的高度數(shù)據(jù)得到最合理的方柱高度；當柱內(nèi)數(shù)據(jù)個數(shù)大于2時，采用中值濾波算法得到柱面高度數(shù)據(jù)；當柱內(nèi)數(shù)據(jù)個數(shù)大 于0小于等于2時，采用均值濾波算法得到柱面高度數(shù)據(jù)；當柱內(nèi)數(shù)據(jù)個數(shù)等于0時，柱面 高度數(shù)據(jù)記為0 ；4)料堆邊緣補償處理將沒有落入有效高度數(shù)據(jù)的方格，或者因掃描儀器沒有掃到的 數(shù)據(jù)盲區(qū)，按照自然料堆的斜率特點，補償相應的數(shù)據(jù)；所述的料堆邊緣補償是根據(jù)一般細料料堆最大坡度取擬合坡度，在X、Y軸方向上分別 計算被補償方格的高度數(shù)據(jù)；再將同一方格在兩個方向上的高度數(shù)據(jù)相比較，取兩者中較 大的值作為被補償方柱的有效高度值；5)柱間均值濾波處理用于平滑料堆原有表面數(shù)據(jù)以及補償數(shù)據(jù)的輪廓； 所述的柱間均值濾波，對于料堆邊緣的方柱的有效高度值保持原始數(shù)據(jù)；對于其它方柱，計算當前方柱的頂面高度數(shù)據(jù)為上、下、左、右相鄰四個方柱頂面高度 數(shù)據(jù)的和的四分之一；或計算當前方柱的頂面高度數(shù)據(jù)為相鄰的八個方柱頂面高度數(shù)據(jù)的 和的八分之一；6)確定柱面高度數(shù)據(jù)后，由此計算得到每個方柱的體積，并求和累加得到料堆的總體積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的料堆體積建模計算方法，其特征在于，所述的方格為aXa，a 的取值范圍是5 15cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的料堆體積建模計算方法，其特征在于，所述的a取值為0.1米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的料堆體積建模計算方法，其特征在于，所述的一般細料料堆 理論最大坡度為45°，所述的擬合坡度的取值為38° 45°。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的料堆體積建模計算方法，其特征在于，所述的擬合坡度的取 值為41°。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種料堆體積建模計算方法，該方法通過對料堆原始輪廓采樣數(shù)據(jù)進行縱橫二維切割形成若干方柱，經(jīng)濾波處理得到每個方柱的柱面高度數(shù)據(jù)，計算每個方柱的體積，累加各方柱的體積，得到整個料堆的總體積。該方法可有效應用在料堆體積測量領(lǐng)域，利用測量系統(tǒng)對料堆立體掃描得到的料堆輪廓采樣數(shù)據(jù)，處理后得到料堆的連續(xù)表面三維模型，同時計算出堆料的體積。該方法處理的過程為料堆切割方柱化，數(shù)據(jù)歸柱，柱內(nèi)數(shù)據(jù)處理，料堆數(shù)據(jù)補償，柱間數(shù)據(jù)處理等。料堆三維模型的顯示具有原始數(shù)據(jù)顯示、建模后彩色模式顯示、等高線分色顯示燈幾種模式。應用在電廠、煤廠等企事業(yè)單位，實現(xiàn)對料堆體積的精確測量計算及可視化顯示與管理。
文檔編號G01B11/00GK101916329SQ20101024240
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者卞春江, 張磊, 李大林, 盛大鵬, 胡鈦 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心