CN104180771A - 基于三维激光扫描的快速高精度罐体容积测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维激光扫描的快速高精度罐体容积测量方法及装置。本发明的方法具体为：制定实验方案，控制数据采集质量；采用三维激光扫描平台采集并获取罐体外表面的三维点云数据；利用获取的罐体外表面的三维点云数据，进行空间三维建模，构建罐体的三维模型；分析罐体的三维模型，采用断面法计算罐体的容积。本发明对罐车、储罐、罐式集装箱等罐体的容积可进行快速、准确的测量，操作简单，安全性高，劳动强度小，大大缩减了数据处理时间，降低罐体材质等的影响，数据计算方便，可以满足不同的工作环境，特别适用于质检部门快速标定复测罐体的容积。

Description

基于三维激光扫描的快速高精度罐体容积测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于三维激光扫描的快速高精度罐体容积测量方法及装置，属于罐体容积测量技术领域。

背景技术

罐体是石油化工行业液体、液化气体等产品的主要运输和存储器具，也是贸易结算的计量器具。根据JJF1009-2006《容量计量术语及定义》中规定，容量计量器具有液化石油气汽车槽车、汽车油罐车、罐和桶、立式金属罐、卧式金属罐、球形金属罐等。其中，汽车槽车、油罐车是国家强制检定的计量器具，其容积检定结果既是国家运输主管部门制定安全装载量的依据，也可用于油品交接、贸易结算。采用水容积法测量罐体容积虽具有准确度高的优点，但存在一系列弊端，因此，罐体容积的复测标定工作未能够广泛、切实地落实。为保证安全运输、减少事故发生，进一步规范市场，需要研究一种快速精确测定罐体容积的技术。

近几年，随着国家物流市场的发展和基础交通的建设，货运提速、重载并举，铁路罐车、罐式集装箱制造技术有了较大发展。罐式集装箱除圆筒形状外还有弧板式等几何形状比较复杂的箱体。目前，罐体容积检定主要有称量法、容积比较法和几何测量法，这三种方法存在着人工劳动强度大、准确度低、检定时间长等不同程度的问题。

目前，在相关的容积计量领域，国内采用光学仪器——全站仪测量立式金属罐的容积，德国、美国等发达国家正在尝试使用三维激光扫描仪测量立式金属罐的容积。由于铁路罐车和罐式集装箱相对立式金属罐来说容积较小，型号多样，结构复杂，测量环境差，全站仪、适用于立式金属罐的三维激光扫描仪不能用于铁路罐车和罐式集装箱的容积测量。为了提高测量准确度，降低操作人员的安全风险和劳动强度，实现操作简单、适应性强、准确度高，新的测量方法一直在不断研究探索中。

现有技术一“称量法”：

通过计算被测容器所容纳的液体的质量及其密度，然后推算出罐体容积的方法。一般选用水为工作物质，因为水在不同温度下的密度是已知的，只要计量出水的质量即可求得容积，故又称水容积法。水容积法一般用于测量罐车的容积，检测时先将空车开往地磅处称重，再驶回单位注水，注满水后驶往地磅处称总重，再驶回单位排水，然后根据两次记录的数据计算出该罐体的容积。其计量精度较高，但检验周期长，消耗大，会造成水环境污染。

现有技术二“容量比较法”：

容量比较法是指采用高等级的标准金属量器，将标准金属量器内的液体注入被测容器，测量容器液面高度，经过温度修正等获得被测容器容积表的方法。容量比较法一般用于仲裁检定、检定方法研究和新产品容积认证。容量比较法准确度较高，但测量时间长、成本高，检定时需要把被测容器调运到指定的测量场所，现场测量一辆长度为6米左右的油罐车约需要12小时，无法满足检验检测部门日常检定需求。

现有技术三“几何测量法”：

《JJG140-2008铁路罐车容积检定规程》中规定了铁路罐车几何测量法的检定方法，几何测量法主要利用罐套尺、钢卷尺及超声波测厚仪等工具获取罐体的相关几何特征值，经数据处理后套用容积表，得到罐体容积，又可分为罐内测量法和罐外测量法。内测法，需要在油罐清空后人工进入罐内使用钢卷尺等设备进行操作，存在清罐作业费用大、污染环境、测量方法自动化程度低、劳动强度大、罐内残留有害气体对检定人员存在安全隐患等不足，这将对检定人员的人身安全和检定结果产生很大影响。罐外测量法要求罐体具有规则几何形状、无变形，且应尽量安装成水平状态。而目前复杂形状的罐体增多，且罐体的变形是不规则的，如当做规则几何体就不能体现实际物理三维几何特征，造成大量描述罐体物理几何模型信息的丢失，在这种不完备信息基础上建立起来的简化罐体模型与真实物理模型间有很大误差。

现有技术四全站仪测量法：

国内激光测量仪器目前用于容积测量领域的主要是全站仪，通过测量罐体上有限点的坐标推算容器的容积。《GB/T19780-2005球形金属罐的容积标定全站仪外测法》制定了利用全站仪测定球形金属罐容积的方法：在距球罐适当距离的周围地面上，建立至少3个均匀分布的水平测站。在每个测站上，用全站仪测量球心方向的水平角和垂直角以及沿球心方向到罐壁的距离，再瞄准正对球罐圆周上均匀分布的球罐切点，测量相应的水平角和垂直角，计算出各切点半径，将切点半径的算术平均值作为测站半径。根据各测站半径计算出球罐的平均半径，进而编制球罐容积表，但由于测量点有限，当几何模型不规则或变形较大时其测量结果准确度较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于三维激光扫描的快速高精度罐体容积装置及测量方法，该测量方法操作简单、数据计算方便、测量时间短、准确度高，降低了罐体材质等的影响，实现对罐车、储罐、罐式集装箱等罐体的容积的快速、准确测量。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明采用三维激光扫描装置进行测量，三维激光扫描仪主要利用了激光测距的原理来快速获取目标空间点云数据，快速建立结构复杂、不规则的物体的三维可视化模型。三维激光扫描***可以深进到任何复杂的现场环境及空间中，通过三维激光扫描直接将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整的采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维实体模型，同时，所采集的三维激光点云数据还可将目标的完整数据用于各种后处理工作。整个数据处理过程包括数据采集、数据预处理、几何模型重建和模型可视化。数据采集是模型重建的前提，数据预处理为模型重建提供可靠精选的点云数据，降低模型重建的复杂度，提高模型重构的精确度和速度。数据预处理阶段涉及的内容有点云数据的滤波、点云数据的平滑、点云数据的缩减、点云数据的分割、不同站点扫描数据的配准及融合等；模型重建阶段涉及的内容有三维模型的重建、模型重建后的平滑、残缺数据的处理、模型简化和纹理映射等。实际应用中，应根据三维激光扫描数据的特点及建模需求，选用相应的数据处理策略和方法。

一种基于三维激光扫描的罐体容积测量装置，其特征在于该测量装置由三维激光扫描平台构成；其中三维激光扫描平台由三维激光扫描仪1、三脚架2、计算机3和拼接标靶4构成，所述三维激光扫描仪1架设在三脚架2上，通过导线和计算机3连接。

所述的一种基于三维激光扫描的罐体容积测量装置，其特征在于所述的三维激光扫描仪1由激光发射器、棱镜、与棱镜同步的接收器、主机和基座组成。

所述的一种基于三维激光扫描的罐体容积测量装置，其特征在于所述的拼接标靶4布设在罐体5的周围，3-6个拼接标靶4构成闭合环，不同测站拼接标靶4之间的距离大致相等。

所述的一种基于三维激光扫描的罐体容积测量装置，其特征在于所述的测站由三维激光扫描仪1、三脚架2和计算机3构成。

所述的一种基于三维激光扫描的快速高精度罐体容积测量装置，其特征在于所述的罐体5包括罐车、储罐、罐式集装箱。

基于三维激光扫描的快速高精度罐体容积测量装置进行测量的方法，其特征在于测量步骤如下：

a.根据罐体的形状特点、空间位置和扫描需要的精度等制定相应的实验方案，其中实验方案包括确定扫描仪的型号、确定测站点的位置、扫描距离、扫描角度、扫描间距，控制数据采集质量；

b.利用三维激光扫描平台采集并获取罐体外表面的三维点云数据；

c.利用步骤b所获取的罐体外表面的三维点云数据使用空间重建单元进行空间三维建模，构建罐体的三维模型；

d.使用体积计算单元，分析罐体的三维模型，设为闭合空间Ω，根据三维激光扫描测量坐标系，构建一系列平行于xoy平面的平面，采用断面法计算罐体的容积，具体公式如下：

$V_n=\underset{D}{\∫\∫}[f(x,y)-L_n]\mathrm{dxdy}$

式中，V_n为罐体容积；f(x，y)为闭合空间Ω在平面L_n以下的曲面方程；D为闭合空间Ω在xoy平面上的投影区域；L_n为平行于xoy平面的平面方程；N为所构建的一系列平行于xoy平面的平面个数；n＝1，2，...，N。

所述的一种使用三维激光扫描的快速高精度罐体容积测量装置进行测量的方法，其特征在于步骤c所述的空间重建单元包括：对采集的三维点云数据进行粗差剔除、点云配准、点云滤波、点云空洞修补、点云分割、曲面重建数据处理后对点云进行空间三维建模，获取罐体的精确三维模型。

本发明与现有技术相比具有以下特点：本发明提供了一种基于三维激光扫描的快速高精度测量罐体容积的技术，对罐车、储罐、罐式集装箱等罐体的容积可进行快速、准确的测量。本发明操作简单，安全性高，劳动强度小，能适应罐车、储罐、罐式集装箱等各种复杂几何形状，可以满足不同的工作环境，降低罐体材质等的影响，数据计算方便，测量时间短，准确度高。

附图说明

图1是基于三维激光扫描的快速高精度罐体容积测量方法的流程图；

图2是基于三维激光扫描的快速高精度罐体容积测量三维扫描平台示意图；

图3是罐车扫描测站位置示意图；

图4是储罐扫描测站位置示意图；

图5是罐车点云示意图；

附图标记：1-三维激光扫描仪、2-三脚架、3-计算机、4-拼接标靶、5-罐体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

实施例1：一种基于三维激光扫描的罐体容积测量装置

一种基于三维激光扫描的罐体容积测量装置，其特征在于该测量装置由三维激光扫描平台构成；其中三维激光扫描平台由三维激光扫描仪1、三脚架2、计算机3和拼接标靶4构成，所述三维激光扫描仪1架设在三脚架2上，通过导线和计算机3连接。

所述的一种基于三维激光扫描的罐体容积测量装置，其特征在于所述的三维激光扫描仪1由激光发射器、棱镜、与棱镜同步的接收器、主机和基座组成。

所述的一种基于三维激光扫描的罐体容积测量装置，其特征在于所述的拼接标靶4布设在罐体5的周围，3-6个拼接标靶4构成闭合环，不同测站拼接标靶4之间的距离大致相等。

所述的一种基于三维激光扫描的罐体容积测量装置，其特征在于所述的测站由三维激光扫描仪1、三脚架2和计算机3构成。

所述的一种基于三维激光扫描的快速高精度罐体容积测量装置，其特征在于所述的罐体5包括罐车、储罐、罐式集装箱。

其中本发明采用LeicaScanStationC10三维激光扫描仪，其扫描范围为300m90％，134m18％反射率；三脚架采用与三维激光扫描仪配套的三脚架；计算机需达到内存2G以上的配置；拼接标靶可采用标准型号的球形标靶或平面标靶。

实施例2：基于三维激光扫描的快速高精度罐体容积测量装置进行测量的方法

基于三维激光扫描的快速高精度罐体容积测量装置进行测量的方法，其特征在于测量步骤如下：

a.根据罐体的形状特点、空间位置和扫描需要的精度等制定相应的实验方案，其中实验方案包括确定扫描仪的型号、确定测站点的位置、扫描距离、扫描角度、扫描间距，控制数据采集质量，以便在最短的时间内获得高效的点云数据，其中罐体包括罐车、储罐、罐式集装箱；

影响三维激光扫描的精度的原因很多,其中扫描距离的大小是影响扫描精度的关键因素,因此要提高扫描精度必须严格控制扫描距离，扫描距离的增加,可以增大扫描范围,减少设站次数,但同时精度也在降低，在实际应用时,应根据扫描的目的,在满足精度的前提下优化设站,不能盲目地为了提高工作效率而拉大扫描距离，当激光扫描方向与被扫描物体存在夹角时,可能会加大误差,因此在布设扫描站点时,应当尽量避免扫描被测物体时倾角过大，在扫描的角度上,角度范围一般以不大于50°最佳；

一般情况下，扫描设为2-4个测站；拼接标靶的布设首先应该保证通视条件，最好布设在扫描面的连接处，在两个不同测站上，应该至少有三个公共拼接标靶点,且不应位于同一条直线上；如果是四个拼接标靶,则它们不应位于同一平面上，在设置拼接标靶时注意拼接标靶的位置应保证扫描站点间的通视或点不要太集中，根据实际情况画扫描计划草图，罐车的容积测量一般按图3进行测站和拼接标靶的布设，储罐和罐式集装箱的容积测量一般按图4进行测站和拼接标靶的布设；

三维激光扫描仪的选择是根据扫描目标的实际情况和仪器自身性能综合考虑来确定，影响点云数据质量的指标是点位精度、模型精度、光斑大小和角度分辨率，影响点云数据采集效率的指标是测程、速度和视角，因此要针对罐体容积计算的具体任务，选择三维激光扫描仪，对于大型罐体扫描任务，选择远测程、宽视场、高速度的三维激光扫描仪可以有效保证数据获取的效率，而较高的模型精度指标可以保证罐体点云数据的质量和容积标定精度，本发明的具体实例采用LeicaScanStationC10三维激光扫描仪，其扫描范围为300m90％，134m18％反射率，最近扫描范围0.1m，在100米处的扫描密度可以达到0.3毫米，扫描距离控制在100米以内，扫描间距依据具体要求控制在0.3mm-30mm之间；

b.采用三维激光扫描平台采集并获取罐体外表面的三维点云数据；

依据扫描计划草图，在指定位置架设仪器并确保仪器架设稳固，同时将拼接标靶放在预先设定的位置上，安置好扫描仪与拼接标靶后，确定扫描区域，设置正确的分辨率，扫描工作即开始，扫描过程完全自动化，获取罐车表面的三维点云数据；启动仪器，调整仪器状态，确定扫描区域，设置合理的分辨率和扫描点云质量，扫描工作即开始，在进行数据采集的同时扫描拼接标靶，为确保拼接标靶扫描精度，可对拼接标靶进行单独框选，并进行高分辨率的扫描，一站扫描结束后，要用扫描软件检查有无拼接标靶漏扫，关闭仪器，移至下一站，重复此步骤，直至完成所有测站的扫描；

对罐车进行扫描，扫描测站一般设为2站，分别位于罐车后方两侧，如图3所示；对于有遮挡的情况，对罐车扫描设为3站，分别位于罐车车头两侧和罐车后方；对储罐和罐式集装箱进行扫描，扫描测站一般设为3站，测站平均分布在储罐和罐式集装箱的四周，如图4所示；具体以罐体周边的通视情况设定；

对本发明的具体实施例共对14个不同形状、不同大小的罐体进行了扫描，本实施例以其中一辆油田专用罐车进行具体说明，该罐车外形尺寸为9860mm×2495mm×3700mm，设计容积为30m³；

三维激光扫描平台架设两站，分布位于罐车后方两侧，设置扫描间距为10mm×10mm，得到的一测站的原始点云数据如图5所示，共462896个点，扫描用时15s；

c.利用步骤b所获取的罐体外表面的三维点云数据使用空间重建单元在电脑上进行空间三维建模，构建罐体的三维模型，具体为：对采集的三维点云数据进行粗差剔除、点云配准、点云滤波、点云空洞修补、点云分割等数据处理后对点云进行空间三维建模，获取罐体的精确三维模型；

所述空间重建单元包括：

1)点云数据粗差的剔除：在对罐体表面坐标数据采集过程中，由于受测量设备的精度、测量速度、操作者经验和被测表面质量等诸多因素影响，不可避免地会产生误差数据点，为了保证计算精度，需对测量数据进行处噪声点的剔除；

本实施例中，扫描到罐车外部的支撑架等附属设备，可在仪器自带的数据处理***中直接删除；

2)点云配准：由于每一个测站获得的点云数据的坐标系是相对独立的，将多个测站上的不同坐标系下点云数据统一到相同的坐标系中，这个过程即为点云配准，从而形成完整的罐体模型，本实施例中，共有三个共同的拼接标靶，首先根据这三个标靶确定同名点对，确定配准目标函数以及快速准确地解算变换函数，解算旋转矩阵和平移矩阵，该算法通过编程实现；

3)点云滤波：经过点云配准后的罐体点云尽管完整，但包含一些对容积计算的无效点云，罐体点云空间数据噪声的构成有单个噪声点、团状噪声点和孤立点，对于单个噪声点，在点云K-邻域内计算考察点的曲面插值，若插人值与观察值之差大于阈值，认为是噪声点，对于团状噪声点，计算最近K点的拟合曲面，再考虑点到拟合面的距离，可判断该点是否为噪声；对于孤立点，在规则格网划分的基础上，通过计算格网内所包含的点个数是否小于判定阂值来判断是否为孤立点，该算法通过编程实现；

4)点云空洞修补：大尺度的罐体目标给三维激光扫描带来扫描角度、扫描设站、目标局部相互遮挡等诸多困难，不可避免地造成罐体点云的空洞，在细节较少或平坦几何体表面上的空洞，常利用自动和手动点云内插功能，该方法是依靠定义与空洞周围网格的曲率相关的曲面，结合周边顶点的新三角化顶点进行空洞修补，对于某些扫描仪无法覆盖的死角区域，利用数码相机代替三维扫描测量设备对点云进行补测，其原理是利用摄影测量的方法对数码照片进行处理，得到基于照片生成的点云，将这个点云同激光扫描得到的点云配准到一起，起到修补点云空洞的作用，该算法通过编程实现；

5)点云分割：罐体结构比较复杂，可分为曲线型和折线型，整个罐体装配件是由规则形体部件和不规则形体部件构成，规则形体部件如槽型罐壁、墩子、集油井、管子等；不规则形体部件如垂直析、肘板、扶强材等，这些目标点云堆积在一起，自动分割难度较大，但从舱容测量曲面建模的目的考虑，罐体点云的分割可以采取先整体后局部、由外到内的策略，主要采取凸壳分割、模糊聚类分割和交互式分割，凸壳分割，是按照三维凸壳算法求取点云的最小凸集，由外到内地达到区分外轮廓点云与廓内点云的目的，模糊聚类分割是利用点云特征频数的统计峰值来区分不同特征的点云区域，由于点云数据往往比较复杂，单独的采用凸壳分割或者是法向量分割这种自动分割方法往往会存在着分割误差，因此交互式手工分割也是必要的；

6)罐体曲面重建：罐体的实体模型往往不是由一张简单曲面构成，而是由大量初等解析曲面(如平面、球面、圆柱面、圆锥面等)及部分自由曲面组成，故三维实体重构的首要任务是将测量数据按实物原型的几何特征进行分割成不同的数据块，使得位于同一数据块内的数据点可以一张特定的曲面来表示，然后针对不同数据块采用不同的曲面建构方案(如初等解析曲面、B-spline曲面、Bezier曲面、NURBS曲面等)进行曲面重建，最后将这些曲面块拼接成实体，该算法通过编程实现；

d.使用体积计算单元，分析罐体的三维模型，并根据罐体的罐壁厚度进行抽壳处理，获取重建的罐体的多个截面拟合参数，计算其容积，具体为对于离散的测点数据，采用三次样条曲线插值，将插值曲线作为积分函数，在理论上推导其原函数来计算积分，并设计面积、体积的计算流程；根据三维激光扫描测量坐标系，构建一系列平行于xoy平面的平面，采用断面法计算罐体的容积，具体公式如下：

$V_n=\underset{D}{\∫\∫}[f(x,y)-L_n]\mathrm{dxdy}$

式中，V_n为罐体容积；f(x，y)为闭合空间Ω在平面L_n以下的曲面方程；D为闭合空间Ω在xoy平面上的投影区域；L_n为平行于xoy平面的平面方程；N为所构建的一系列平行于xoy平面的平面个数；n＝1，2，...，N。

在本实施例中，设置1cm的平面间距，N为148，计算148个的断面长方体的体积，并相加，最后得到总的容积表，本实施例的罐车体积V_n为29.2906m³，此罐车设计体积为30m³，容积误差为2.3648％。本发明的具体实施例共对14个不同形状、不同大小的罐体进行了扫描，容积误差为0.0381％-3.258％，符合国家对罐体容积测量误差5％的标准。

本发明应用实例涉及一种基于三维激光扫描的快速高精度罐体容积测量方法及装置，属于罐体容积测量技术领域，主要研究了基于三维激光扫描的罐体容积测量装置及方法，本发明应用实例也适用于罐车、储罐、罐式集装箱等类似材质、大小、形状罐体的容积测量。以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于三维激光扫描的罐体容积测量装置，其特征在于该测量装置由三维激光扫描平台构成；其中三维激光扫描平台由三维激光扫描仪(1)、三脚架(2)、计算机(3)和拼接标靶(4)构成，所述三维激光扫描仪(1)架设在三脚架(2)上，通过导线和计算机(3)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的罐体容积测量装置，其特征在于所述的三维激光扫描仪(1)由激光发射器、棱镜、与棱镜同步的接收器、主机和基座组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的罐体容积测量装置，其特征在于所述的拼接标靶(4)布设在罐体(5)的周围，3-6个拼接标靶(4)构成闭合环，不同测站拼接标靶(4)之间的距离大致相等。

4.根据权利要求3所述的一种基于三维激光扫描的罐体容积测量装置，其特征在于所述的测站由三维激光扫描仪(1)、三脚架(2)和计算机(3)构成。

5.根据权利要求3所述的一种基于三维激光扫描的快速高精度罐体容积测量装置，其特征在于所述的罐体(5)包括罐车、储罐、罐式集装箱。

6.一种基于三维激光扫描的快速高精度罐体容积测量装置进行测量的方法，其特征在于测量步骤如下：

a.根据罐体的形状特点、空间位置和扫描需要的精度等制定相应的实验方案，其中实验方案包括确定扫描仪的型号、确定测站点的位置、扫描距离、扫描角度、扫描间距，控制数据采集质量；

b.利用三维激光扫描平台采集并获取罐体外表面的三维点云数据；

c.利用步骤b所获取的罐体外表面的三维点云数据使用空间重建单元进行空间三维建模，构建罐体的三维模型；

d.使用体积计算单元，分析罐体的三维模型，设为闭合空间Ω，根据三维激光扫描测量坐标系，构建一系列平行于xoy平面的平面，采用断面法计算罐体的容积，具体公式如下：

$V_n=\underset{D}{\∫\∫}[f(x,y)-L_n]\mathrm{dxdy}$

式中，V_n为罐体容积；f(x，y)为闭合空间Ω在平面L_n以下的曲面方程；D为闭合空间Ω在xoy平面上的投影区域；L_n为平行于xoy平面的平面方程；N为所构建的一系列平行于xoy平面的平面个数；n＝1，2，...，N。

7.根据权利要求6所述的一种基于三维激光扫描的快速高精度罐体容积测量装置进行测量的方法，其特征在于步骤c所述的空间重建单元包括：对采集的三维点云数据进行粗差剔除、点云配准、点云滤波、点云空洞修补、点云分割、曲面重建数据处理后对点云进行空间三维建模，获取罐体的精确三维模型。