专利名称：一种料堆体积建模计算方法
技术领域：
本发明涉及料堆的测量领域，特别涉及一种料堆的三维成像及其体积计算方法。
背景技术：
目前，在具有存煤、矿砂等料堆的厂矿企业，对料堆的体积重量等重要生产数据一 直采用传统的人工打点的方式进行估算，受恶劣天气影响及人工测量引入的误差的影响， 估算的结果往往不够理想。

发明内容
本发明的目的在于，提供一种料堆体积建模计算方法，本方法通过对扫描料堆得 到的料堆表面的采样数据进行切割、滤波、边缘补偿等处理，得到完整的料堆三维模型，并 据此计算出料堆的体积与质量。为实现上述目的，本发明提供了一种料堆体积建模计算方法，该方法通过对料堆 原始轮廓采样数据进行纵横二维切割形成若干方柱，滤波处理得到每个方柱的柱面高度数 据，计算每个方柱的体积，累加各方柱的体积进而得到整个料堆的总体积。该方法首先读取具有方位信息的料堆堆高度数据，然后，对料堆高度数据依次进 行数据归柱、柱内数据处理、料堆边缘补偿、柱间均值滤波的处理，最终得到完整的料堆三 维成像；具体步骤包括1)数据输入读取具有方位信息的料堆堆高度数据；所述的具有方位信息的料堆堆高度数据，在扫描装置行进方向上，即X轴方向数 据平均间隔在0. 002 0. 003米，在Y轴方向平均间隔在0. 046 0. 150米；，Y轴与X轴 成90°分布；2)数据归柱处理将料堆由一个整体分割成很多方柱，上述的表面数据相应落入 各个方柱中；所述的数据归柱是在X-Y平面上将料堆分割成若干方格，具有方位信息的料堆堆 高度数据垂直投影在X-Y平面上，落入相应的方格中成为相应立柱的柱内顶面的高度数 据；3)柱内数据处理根据落入柱内的高度数据经处理得到最合理的方柱高度；当柱内数据个数大于2时，采用中值滤波算法得到柱面高度数据；当柱内数据个 数大于O小于等于2时，采用均值滤波算法得到柱面高度数据；当柱内数据个数等于0时， 柱面高度数据记为0 ；4)料堆边缘补偿处理将没有落入有效高度数据的方格，或者因扫描仪器没有扫 到的数据盲区，按照自然料堆的斜率特点，补偿相应的数据，使整个料堆的表面数据完整， 每个方格都有数据在内，减小测量误差；所述的料堆边缘补偿是根据一般细料料堆最大坡度取拟合坡度，在X、Y轴方向上 分别计算被补偿方格的高度数据；再将同一方格在两个方向上的高度数据相比较，取两者中较大的值作为被补偿方柱的有效高度值；5)柱间均值滤波处理用于平滑料堆原有表面数据以及补偿数据的轮廓；所述的柱间均值滤波，对于料堆边缘的方柱的有效高度值保持原始数据；对于其它方柱，计算当前方柱的顶面高度数据为上、下、左、右相邻四个方柱顶面 高度数据的和的四分之一；或计算当前方柱的顶面高度数据为相邻的八个方柱顶面高度数 据的和的八分之一；6)由此计算得到每个方柱的体积，并求和累加得到料堆的总体积。所述的方格为aXa，a的取值范围是5 15cm。作为一种优选，所述的a取值为 0. 1 米。一般细料料堆理论最大坡度为45°，所述的拟合坡度的取值为38° 45°。作为 一种优选，所述的拟合坡度的取值为41°。本发明的优点在于，本发明提供了一种三维成像建模体积质量计算方法，该方法 可有效应用在料堆体积测量领域，利用测量系统对料堆立体扫描得到的料堆轮廓采样数 据，处理后得到料堆的连续表面三维模型，同时计算出堆料的体积。该方法处理的过程为料 堆切割方柱化，数据归柱，柱内数据处理，料堆数据补偿，柱间数据处理等。本发明的三维成像建模体积质量计算方法，操作实施方便，测量精度较高，体积数 据的相对测量误差一般可控制在0. 5%以内。料堆三维模型的显示具有原始数据显示、建模后彩色模式显示、等高线分色显示 灯几种模式。应用在电厂，煤厂等企事业单位，实现了对料堆体积的精确测量计算及可视化
显示与管理。


图1是本发明料堆体积建模计算方法的原理流程图；图2是本发明一实施例硬件实现的结构示意图；图3是本发明料堆原始轮廓数据(白色部分为扫描盲区)的示意图；图4是本发明的方法处理后的料堆三维轮廓的示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
，对本发明的结构进行进一步详细的说明。如图1所示，三维成像建模体积质量计算方法主要包括料堆切割方柱化，数据归 柱，柱内数据处理，料堆数据补偿，柱间数据处理等。本发明处理的背景对象数据是具有方位信息的料堆堆高度数据，依次经过数据归 柱，柱内数据处理，料堆边缘补偿，柱间均值滤波等处理方法，最终得到完整的料堆三维模 型，并计算出料堆的体积和质量。1)背景料堆的尺寸最大范围为长(X轴)220米，宽(Y轴)50米，高(Z轴)小 于13米，料堆形状不规则，地面平行与于水平面，自然堆放状态，通过特定仪器在料堆上 方扫描，得到料堆的表面高度数据。料堆表面数据的特征是，在X轴方向数据平均间隔在 0. 002-0. 003米，Y轴方向平均间隔在0. 046-0. 150米2)数据归柱的目的是将料堆由一个 整体分割成很多方柱，表面数据相应落入各个方柱中。其处理过程是从俯视平面上，即
4X-Y平面上，将料堆分割成aXa的众多方格，a的大小可设定，默认情况下为0. 1米。料堆 表面数据垂直投影在X-Y平面上，落入相应的方格中。成为相应立柱的柱内顶面的高度数 据。3)柱内数据处理是根据落入柱内的高度数据得到最合理的方柱高度。其处理过 程是当柱内数据个数大于2时，采用中值滤波算法得到柱面高度数据；当柱内数据个数大 于0小于等于2时，采用均值滤波算法得到柱面高度数据；当柱内数据个数等于0时，柱面 高度数据记为0。4)料堆补偿的目的是将没有落入有效高度数据的方格，或者因扫描仪器没有扫到 的数据盲区按照自然料堆的斜率特点，补偿相应的数据，使整个料堆的表面数据完整，每个 方格都有数据在内，减小测量误差。其处理过程是根据一般细料料堆最大坡度，取41°为 拟合坡度，在X，Y轴方向分别计算部分边缘扫描盲区被补偿方格的数据。再将同一方格在 两个方向上被补偿的数据相比较，取两者中较大的值作为被补偿方柱的有效高度值。5)柱间均值滤波的目的是平滑料堆原有表面数据以及补偿数据的轮廓。其处 理过程是滤波模板可选择为模板1或者模板2，当选择模板1时，滤波后当前方柱的 顶面高度数据为周围相邻四个方柱顶面高度数据的和的四分之一，即G(0，0) = (G(-l， 0)+G(0, -l)+G(l，0)+G(0，l))/(4-n)；当选择模板2时，滤波后当前方柱的顶面高度数据 为周围八个方柱顶面高度数据的和的八分之一，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 为周围方柱顶面高度有 0 值的个数。料堆边缘不做此柱间均值滤波处理，保持原始数据。6)得到料堆的体积数据后，和料堆的密度数据相乘，计算得到料堆的质量。料堆的 密度数据通过对料堆的实际取样测量得到。在测量时，通过局域网将测量仪器和服务器连接起来，如图2所示。此算法形成数 据处理软件安装在服务器上。通过局域网，数据处理软件与测量仪器通信，读取测量仪器测 量到的料堆轮廓数据。数据处理软件通过本发明所述的计算方法处理料堆轮廓数据，如图3 所示，最终到料堆的三维模型和体积质量数据，形成三维可视图形和体积质量报表，如图4 所示。测量设备测量得到的料堆轮廓数据也可以以文件的格式存储在服务器上，数据处理 软件读取此文件，按照上述方法处理。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。
权利要求
一种料堆体积建模计算方法，该方法通过对料堆原始轮廓采样数据进行纵横二维切割形成若干方柱，滤波处理得到每个方柱的柱面高度数据，计算每个方柱的体积，累加各方柱的体积，从而得到整个料堆的总体积。
2.根据权利要求1所述的料堆体积建模计算方法，其特征在于，该方法首先读取具有 方位信息的料堆堆高度数据，然后，对料堆堆高度数据依次进行数据归柱、柱内数据处理、 料堆边缘补偿、柱间均值滤波的处理，最终得到完整的料堆三维成像；具体步骤包括1)数据输入读取具有方位信息的料堆堆高度数据；所述的具有方位信息的料堆堆高度数据，在传感器行进方向，即X轴方向数据平均间 隔在0. 002 0. 003米，在Y轴方向平均间隔在0. 046 0. 150米;2)数据归柱处理将料堆由一个整体分割成很多方柱，上述的表面数据相应落入各个 方柱中；所述的数据归柱是在X-Y平面上将料堆分割成若干方格，具有方位信息的料堆堆高度 数据垂直投影在X-Y平面上，落入相应的方格中成为相应立柱的柱内顶面的高度数据；3)柱内数据处理根据落入柱内的高度数据得到最合理的方柱高度；当柱内数据个数大于2时，采用中值滤波算法得到柱面高度数据；当柱内数据个数大 于0小于等于2时，采用均值滤波算法得到柱面高度数据；当柱内数据个数等于0时，柱面 高度数据记为0 ；4)料堆边缘补偿处理将没有落入有效高度数据的方格，或者因扫描仪器没有扫到的 数据盲区，按照自然料堆的斜率特点，补偿相应的数据；所述的料堆边缘补偿是根据一般细料料堆最大坡度取拟合坡度，在X、Y轴方向上分别 计算被补偿方格的高度数据；再将同一方格在两个方向上的高度数据相比较，取两者中较 大的值作为被补偿方柱的有效高度值；5)柱间均值滤波处理用于平滑料堆原有表面数据以及补偿数据的轮廓； 所述的柱间均值滤波，对于料堆边缘的方柱的有效高度值保持原始数据；对于其它方柱，计算当前方柱的顶面高度数据为上、下、左、右相邻四个方柱顶面高度 数据的和的四分之一；或计算当前方柱的顶面高度数据为相邻的八个方柱顶面高度数据的 和的八分之一；6)确定柱面高度数据后，由此计算得到每个方柱的体积，并求和累加得到料堆的总体积。
3.根据权利要求1所述的料堆体积建模计算方法，其特征在于，所述的方格为aXa，a 的取值范围是5 15cm。
4.根据权利要求3所述的料堆体积建模计算方法，其特征在于，所述的a取值为0.1米。
5.根据权利要求1所述的料堆体积建模计算方法，其特征在于，所述的一般细料料堆 理论最大坡度为45°，所述的拟合坡度的取值为38° 45°。
6.根据权利要求5所述的料堆体积建模计算方法，其特征在于，所述的拟合坡度的取 值为41°。
全文摘要
本发明提供了一种料堆体积建模计算方法，该方法通过对料堆原始轮廓采样数据进行纵横二维切割形成若干方柱，经滤波处理得到每个方柱的柱面高度数据，计算每个方柱的体积，累加各方柱的体积，得到整个料堆的总体积。该方法可有效应用在料堆体积测量领域，利用测量系统对料堆立体扫描得到的料堆轮廓采样数据，处理后得到料堆的连续表面三维模型，同时计算出堆料的体积。该方法处理的过程为料堆切割方柱化，数据归柱，柱内数据处理，料堆数据补偿，柱间数据处理等。料堆三维模型的显示具有原始数据显示、建模后彩色模式显示、等高线分色显示灯几种模式。应用在电厂、煤厂等企事业单位，实现对料堆体积的精确测量计算及可视化显示与管理。
文档编号G01B11/00GK101916329SQ20101024240
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月30日 优先权日2010年7月30日
发明者卞春江, 张磊, 李大林, 盛大鹏, 胡钛 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心