專利名稱：一種料堆體積建模計算方法
技術領域：
本發明涉及料堆的測量領域，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：
目前，在具有存煤、礦砂等料堆的廠礦企業，對料堆的體積重量等重要生產數據一 直采用傳統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， 估算的結果往往不夠理想。
發明內容
本發明的目的在于，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據進行切割、濾波、邊緣補償等處理，得到完整的料堆三維模型，并 據此計算出料堆的體積與質量。為實現上述目的，本發明提供了一種料堆體積建模計算方法，該方法通過對料堆 原始輪廓采樣數據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 據，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據，然后，對料堆高度數據依次進 行數據歸柱、柱內數據處理、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)數據輸入讀取具有方位信息的料堆堆高度數據；所述的具有方位信息的料堆堆高度數據，在掃描裝置行進方向上，即X軸方向數 據平均間隔在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)數據歸柱處理將料堆由一個整體分割成很多方柱，上述的表面數據相應落入 各個方柱中；所述的數據歸柱是在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 高度數據垂直投影在X-Y平面上，落入相應的方格中成為相應立柱的柱內頂面的高度數 據；3)柱內數據處理根據落入柱內的高度數據經處理得到最合理的方柱高度；當柱內數據個數大于2時，采用中值濾波算法得到柱面高度數據；當柱內數據個 數大于O小于等于2時，采用均值濾波算法得到柱面高度數據；當柱內數據個數等于0時， 柱面高度數據記為0 ；4)料堆邊緣補償處理將沒有落入有效高度數據的方格，或者因掃描儀器沒有掃 到的數據盲區，按照自然料堆的斜率特點，補償相應的數據，使整個料堆的表面數據完整， 每個方格都有數據在內，減小測量誤差；所述的料堆邊緣補償是根據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據；再將同一方格在兩個方向上的高度數據相比較，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據以及補償數據的輪廓；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據；對于其它方柱，計算當前方柱的頂面高度數據為上、下、左、右相鄰四個方柱頂面 高度數據的和的四分之一；或計算當前方柱的頂面高度數據為相鄰的八個方柱頂面高度數 據的和的八分之一；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 一種優選，所述的擬合坡度的取值為41°。本發明的優點在于，本發明提供了一種三維成像建模體積質量計算方法，該方法 可有效應用在料堆體積測量領域，利用測量系統對料堆立體掃描得到的料堆輪廓采樣數 據，處理后得到料堆的連續表面三維模型，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，數據歸柱，柱內數據處理，料堆數據補償，柱間數據處理等。本發明的三維成像建模體積質量計算方法，操作實施方便，測量精度較高，體積數 據的相對測量誤差一般可控制在0. 5%以內。料堆三維模型的顯示具有原始數據顯示、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，煤廠等企事業單位，實現了對料堆體積的精確測量計算及可視化
顯示與管理。
圖1是本發明料堆體積建模計算方法的原理流程圖；圖2是本發明一實施例硬件實現的結構示意圖；圖3是本發明料堆原始輪廓數據(白色部分為掃描盲區)的示意圖；圖4是本發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合附圖和具體實施方式
，對本發明的結構進行進一步詳細的說明。如圖1所示，三維成像建模體積質量計算方法主要包括料堆切割方柱化，數據歸 柱，柱內數據處理，料堆數據補償，柱間數據處理等。本發明處理的背景對象數據是具有方位信息的料堆堆高度數據，依次經過數據歸 柱，柱內數據處理，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，料堆形狀不規則，地面平行與于水平面，自然堆放狀態，通過特定儀器在料堆上 方掃描，得到料堆的表面高度數據。料堆表面數據的特征是，在X軸方向數據平均間隔在 0. 002-0. 003米，Y軸方向平均間隔在0. 046-0. 150米2)數據歸柱的目的是將料堆由一個 整體分割成很多方柱，表面數據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 表面數據垂直投影在X-Y平面上，落入相應的方格中。成為相應立柱的柱內頂面的高度數 據。3)柱內數據處理是根據落入柱內的高度數據得到最合理的方柱高度。其處理過 程是當柱內數據個數大于2時，采用中值濾波算法得到柱面高度數據；當柱內數據個數大 于0小于等于2時，采用均值濾波算法得到柱面高度數據；當柱內數據個數等于0時，柱面 高度數據記為0。4)料堆補償的目的是將沒有落入有效高度數據的方格，或者因掃描儀器沒有掃到 的數據盲區按照自然料堆的斜率特點，補償相應的數據，使整個料堆的表面數據完整，每個 方格都有數據在內，減小測量誤差。其處理過程是根據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被補償方格的數據。再將同一方格在 兩個方向上被補償的數據相比較，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據以及補償數據的輪廓。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 頂面高度數據為周圍相鄰四個方柱頂面高度數據的和的四分之一，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據 為周圍八個方柱頂面高度數據的和的八分之一，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。料堆邊緣不做此柱間均值濾波處理，保持原始數據。6)得到料堆的體積數據后，和料堆的密度數據相乘，計算得到料堆的質量。料堆的 密度數據通過對料堆的實際取樣測量得到。在測量時，通過局域網將測量儀器和服務器連接起來，如圖2所示。此算法形成數 據處理軟件安裝在服務器上。通過局域網，數據處理軟件與測量儀器通信，讀取測量儀器測 量到的料堆輪廓數據。數據處理軟件通過本發明所述的計算方法處理料堆輪廓數據，如圖3 所示，最終到料堆的三維模型和體積質量數據，形成三維可視圖形和體積質量報表，如圖4 所示。測量設備測量得到的料堆輪廓數據也可以以文件的格式存儲在服務器上，數據處理 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明的技術方案而非限制。盡管參 照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方 案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明 的權利要求范圍當中。
權利要求
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據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據，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.根據權利要求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據，然后，對料堆堆高度數據依次進行數據歸柱、柱內數據處理、 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)數據輸入讀取具有方位信息的料堆堆高度數據；所述的具有方位信息的料堆堆高度數據，在傳感器行進方向，即X軸方向數據平均間 隔在0. 002 0. 003米，在Y軸方向平均間隔在0. 046 0. 150米;2)數據歸柱處理將料堆由一個整體分割成很多方柱，上述的表面數據相應落入各個 方柱中；所述的數據歸柱是在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 數據垂直投影在X-Y平面上，落入相應的方格中成為相應立柱的柱內頂面的高度數據；3)柱內數據處理根據落入柱內的高度數據得到最合理的方柱高度；當柱內數據個數大于2時，采用中值濾波算法得到柱面高度數據；當柱內數據個數大 于0小于等于2時，采用均值濾波算法得到柱面高度數據；當柱內數據個數等于0時，柱面 高度數據記為0 ；4)料堆邊緣補償處理將沒有落入有效高度數據的方格，或者因掃描儀器沒有掃到的 數據盲區，按照自然料堆的斜率特點，補償相應的數據；所述的料堆邊緣補償是根據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據；再將同一方格在兩個方向上的高度數據相比較，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據以及補償數據的輪廓； 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據；對于其它方柱，計算當前方柱的頂面高度數據為上、下、左、右相鄰四個方柱頂面高度 數據的和的四分之一；或計算當前方柱的頂面高度數據為相鄰的八個方柱頂面高度數據的 和的八分之一；6)確定柱面高度數據后，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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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據進行縱橫二維切割形成若干方柱，經濾波處理得到每個方柱的柱面高度數據，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域，利用測量系統對料堆立體掃描得到的料堆輪廓采樣數據，處理后得到料堆的連續表面三維模型，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，數據歸柱，柱內數據處理，料堆數據補償，柱間數據處理等。料堆三維模型的顯示具有原始數據顯示、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、煤廠等企事業單位，實現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 優先權日2010年7月30日
發明者卞春江, 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