CN102980531A - 一种基于三维激光扫描的容积测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种基于三维激光扫描的容积测量方法及装置，所述基于三维激光扫描的容积测量方法因为采用三维激光扫描的方式采集并获取一空间体内壁的三维点云数据；利用所述空间体内壁的三维点云数据，进行空间三角网格建模，获取重建的所述空间体的多个切片形状；根据重建的所述空间体的多个切片形状，计算所述空间体的体积的技术手段，所以达到了如下的技术效果：提供了一种基于三维激光扫描的技术，对铁路罐车、罐式集装箱等空间体的容积可进行快速、准确测量，本发明操作简单，安全性高，劳动强度小，能适应铁路罐车、罐式集装箱等复杂几何形状，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。

Description

一种基于三维激光扫描的容积测量方法及装置

技术领域

本发明涉及空间体容积测量技术领域，尤其涉及一种基于三维激光扫描的容积测量方法及装置。

背景技术

目前国内外大量使用铁路罐车、罐式集装箱作为大宗散装液体货物的主要运输工具。其中,铁路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铁路运输主管部门制定安全装载量的依据，也是企业之间贸易结算的依据，我国目前运营的铁路罐车约有14余万辆，占铁路货车总数的15%。罐式集装箱作为公路、水路、铁路等多种方式联运的工具，数量日益增多。对铁路罐车、罐式集装箱开展容积检定工作，即按照相关计量技术法规的规定测量得到其容积表(罐体内装载液体的不同液位与相应容积的数据表格)并判断是否符合法定要求，是保障企业间贸易结算顺利进行和运输安全的重要手段。

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。筒体为锥体的铁路罐车已成为铁路罐车发展的主要方向,且数量越来越多；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。目前铁路罐车的容积测量方法有几何测量法和容量比较法，这两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。几何测量法测量不规则或变形较大的容器时测量误差大，始终是几何测量法的发展瓶颈；容量比较法虽然测量准确度高，但是检定时间太长，无法满足日常大批量的检定工作。

目前，在相关的容积计量领域，国内采用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。

现有技术一的技术方案：

铁路罐车和罐式集装箱容积测量目前在国内外都主要采用几何测量法。几何测量法是指采用钢卷尺、套管尺、超声波测厚仪等计量器具通过测量罐体的相关几何特征值，经一定的计算方法得出其容积表的方法，一般用于常规检定。

现有技术一需要测量的几何参数多，操作复杂，人员劳动强度大，而且测量过程中受人为因素影响较大；测量过程中罐内含氧量不足、有毒、有害、腐蚀介质对人身安全造成一定的危害；在测量不规则或变形大的罐体时误差较大；随着货运重载的需求，各种新型车体结构的变化，尤其筒体结构为锥体的罐车成为主流的情况下，对于复杂形状的罐体，几何测量法需要采集的参数增多，建立符合容器实际情况的数学模型难度增大，几何测量法从测量到计算都存在着一定问题。

现有技术二的技术方案：

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。

现有技术二容量比较法准确度较高，但测量时间长、成本高。采用容量比较法检定时需要把被测容器调运到指定的测量场所，现场测量一辆铁路罐车大约需要24个小时，测量一辆长度为20英尺的罐式集装箱约需要12小时，无法满足全国每年约2万辆铁路罐车和数千辆罐式集装箱的日常检定需求。

现有技术三的技术方案：

国内激光测量仪器目前用于容积计量领域的主要是全站仪，全站仪主要用于储存石油的立式金属罐的容积测量，通过测量立式金属罐有限点的坐标来计算其容积。目前没有用于铁路罐车、罐式集装箱容积计量方面。

国外以德国联邦物理技术研究院（Physikalisch-Technische Bundesanstalt，PTB)和法制计量技术机构(Eichdirektion Nord，EDN)为代表的部分技术机构采用三维激光扫描原理的仪器主要用于立式金属罐容积计量。PTB是德国行使国家计量院职能的机构，负责建立国家计量基、标准和量值溯源体系。PTB认证了一款基于三维激光扫描的仪器，而且仅仅将该仪器用于测量立式金属罐容积，其他方面均没有研究。

全站仪测量采用有限点坐标推算容器容积的方法，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。

对于国外采用三维激光扫描仪测量立式金属罐容积的情况而言,由于立式金属罐的容积远远大于铁路罐车、罐式集装箱的容积，在激光测量具有相同误差的情况下,铁路罐车、罐式集装箱容积测量的准确度将大大降低,不能满足测量准确度要求。

现有技术三对于立式金属罐内壁的材质、颜色、粗糙度、干湿程度等情况比较单一,对测量要求比较简单,而铁路罐车、罐式集装箱内壁的材质、颜色、粗糙度、干湿程度等情况比较复杂，导致反射率的复杂性，直接影响着三维激光扫描数据采集及数据处理，同时，立式金属罐受环境影响小，结构简单，型号单一，测量要求简单，而铁路罐车和罐式集装箱型号多样、结构复杂、测量环境差，所以，用于立式金属罐的三维激光扫描测量方法不能应用于铁路罐车、罐式集装箱的容积测量。

综上可见，目前亟待提供一种可准确、快捷地计算一空间体的容积的技术方案。

发明内容

本发明实施例提供一种基于三维激光扫描的容积测量方法及装置，以准确、快捷地计算一空间体的容积。

一方面，本发明实施例提供了一种基于三维激光扫描的容积测量方法，所述基于三维激光扫描的容积测量方法包括：

采用三维激光扫描的方式采集并获取一空间体内壁的三维点云数据；

利用所述空间体内壁的三维点云数据，进行空间三角网格建模，获取重建的所述空间体的多个切片形状；

根据重建的所述空间体的多个切片形状，计算所述空间体的体积。

可选的，在本发明一实施例中，所述采用三维激光扫描的方式采集并获取一空间体内壁的三维点云数据，包括：将三维激光扫描仪通过正置方式或倒置方式，采用框架型或长柄折叠型的仪器悬挂装置固定在所述空间体的人孔上，然后采集并获取所述空间体内壁的三维点云数据；其中，所述框架型的仪器悬挂装置为方形或三角形。

可选的，在本发明一实施例中，所述三维激光扫描仪加装有全封闭安全外壳装置。

可选的，在本发明一实施例中，所述三维激光扫描仪包括：激光发射部分、棱镜、与棱镜同步的接收器、主机和基座组成的三维激光扫描模块；所述基座中的电机带动所述主机在水平方向按照预定分度旋转，所述棱镜和所述接收器在垂直方向按照预定分度旋转，以采集并获取所述空间体内壁的三维点云数据。

可选的，在本发明一实施例中，所述利用所述空间体内壁的三维点云数据，进行空间三角网格建模，获取重建的所述空间体的多个切片形状，包括：利用所述空间体内壁的三维点云数据，首先进行去杂、组合配准、空间置平的预处理，然后进行空间三角网格建模，获取重建的所述空间体的多个切片形状。

可选的，在本发明一实施例中，所述根据重建的所述空间体的多个切片形状，利用如下公式计算所述空间体的体积：

$V=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i;$ $V_i=\frac{1}{3}(S_i+S_{i+1}+\sqrt{S_i\×S_{i+1}})\×\mathrm{\Δh}$

其中，V为所述空间体的体积；V_i为第i个切片的体积；S_i为第i个切片的上底面积；S_i+1为第i个切片的下底面积；Δh为每个切片的厚度；N为所述空间体的切片总数目，N为大于等于1的自然数。

可选的，在本发明一实施例中，所述空间体包括罐体，所述罐体包括：铁路罐车、罐式集装箱。

另一方面，本发明实施例提供了一种基于三维激光扫描的容积测量装置，所述基于三维激光扫描的容积测量装置包括：

三维激光扫描单元，用于采用三维激光扫描的方式采集并获取一空间体内壁的三维点云数据；

空间重建单元，用于利用所述空间体内壁的三维点云数据，进行空间三角网格建模，获取重建的所述空间体的多个切片形状；

体积计算单元，用于根据重建的所述空间体的多个切片形状，计算所述空间体的体积。

可选的，在本发明一实施例中，所述基于三维激光扫描的容积测量装置还包括：仪器悬挂装置，用于将三维激光扫描仪通过正置方式或倒置方式，采用框架型或长柄折叠型的仪器悬挂装置固定在所述空间体的人孔上，然后采集并获取所述空间体内壁的三维点云数据；其中，所述框架型的仪器悬挂装置为方形或三角形。

可选的，在本发明一实施例中，所述基于三维激光扫描的容积测量装置还包括全封闭安全外壳装置，所述三维激光扫描仪加装有所述全封闭安全外壳装置。

可选的，在本发明一实施例中，所述三维激光扫描仪包括：激光发射部分、棱镜、与棱镜同步的接收器、主机和基座组成的三维激光扫描模块；所述基座中的电机带动所述主机在水平方向按照预定分度旋转，所述棱镜和所述接收器在垂直方向按照预定分度旋转，以采集并获取所述空间体内壁的三维点云数据。

可选的，在本发明一实施例中，所述空间重建单元，具体用于利用所述空间体内壁的三维点云数据，首先进行去杂、组合配准、空间置平的预处理，然后进行空间三角网格建模，获取重建的所述空间体的多个切片形状。

可选的，在本发明一实施例中，所述体积计算单元，具体用于根据重建的所述空间体的多个切片形状，利用如下公式计算所述空间体的体积：

$V=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i;$ $V_i=\frac{1}{3}(S_i+S_{i+1}+\sqrt{S_i\×S_{i+1}})\×\mathrm{\Δh}$

其中，V为所述空间体的体积；V_i为第i个切片的体积；S_i为第i个切片的上底面积；S_i+1为第i个切片的下底面积；Δh为每个切片的厚度；N为所述空间体的切片总数目，N为大于等于1的自然数。

可选的，在本发明一实施例中，所述空间体包括罐体，所述罐体包括：铁路罐车、罐式集装箱。

上述技术方案具有如下有益效果：因为采用三维激光扫描的方式采集并获取一空间体内壁的三维点云数据；利用所述空间体内壁的三维点云数据，进行空间三角网格建模，获取重建的所述空间体的多个切片形状；根据重建的所述空间体的多个切片形状，计算所述空间体的体积的技术手段，所以达到了如下的技术效果：提供了一种基于三维激光扫描的技术，对铁路罐车、罐式集装箱等空间体的容积可进行快速、准确测量，本发明方案操作简单，安全性高，劳动强度小，能适应铁路罐车、罐式集装箱等复杂几何形状，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

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种基于三维激光扫描的容积测量方法流程图；

图2为本发明实施例一种基于三维激光扫描的容积测量装置结构示意图；

图3为本发明应用实例系统框架图；

图4为本发明应用实例采用框架型的三维激光扫描仪安装示意图；

图5为本发明应用实例采用长柄折叠型的三维激光扫描仪安装示意图；

图6为本发明应用实例全封闭安全外壳装置示意图；

图7为本发明应用实例方形仪器悬挂装置示意图；

图8为本发明应用实例三角形仪器悬挂装置示意图；

图9为本发明应用实例长柄折叠型仪器悬挂装置示意图；

图10为本发明应用实例三维激光扫描模块工作示意图；

图11为本发明应用实例三维激光扫描得到的罐体轮廓示意图；

图12为本发明应用实例曲线检查剔除异常点示意图；

图13为本发明应用实例一个薄棱形台底面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明实施例一种基于三维激光扫描的容积测量方法流程图，所述基于三维激光扫描的容积测量方法包括：

101、采用三维激光扫描的方式采集并获取一空间体内壁的三维点云数据；

102、利用所述空间体内壁的三维点云数据，进行空间三角网格建模，获取重建的所述空间体的多个切片形状；

103、根据重建的所述空间体的多个切片形状，计算所述空间体的体积。

可选的，在本发明一实施例中，所述采用三维激光扫描的方式采集并获取一空间体内壁的三维点云数据，包括：将三维激光扫描仪通过正置方式或倒置方式，采用框架型或长柄折叠型的仪器悬挂装置固定在所述空间体的人孔上，然后采集并获取所述空间体内壁的三维点云数据；其中，所述框架型的仪器悬挂装置为方形或三角形。

可选的，在本发明一实施例中，所述三维激光扫描仪加装有全封闭安全外壳装置。

可选的，在本发明一实施例中，所述三维激光扫描仪包括：激光发射部分、棱镜、与棱镜同步的接收器、主机和基座组成的三维激光扫描模块；所述基座中的电机带动所述主机在水平方向按照预定分度旋转，所述棱镜和所述接收器在垂直方向按照预定分度旋转，以采集并获取所述空间体内壁的三维点云数据。

可选的，在本发明一实施例中，所述利用所述空间体内壁的三维点云数据，进行空间三角网格建模，获取重建的所述空间体的多个切片形状，包括：利用所述空间体内壁的三维点云数据，首先进行去杂、组合配准、空间置平的预处理，然后进行空间三角网格建模，获取重建的所述空间体的多个切片形状。

可选的，在本发明一实施例中，所述根据重建的所述空间体的多个切片形状，利用如下公式计算所述空间体的体积：

$V=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i,$ $V_i=\frac{1}{3}(S_i+S_{i+1}+\sqrt{S_i\×S_{i+1}})\×\mathrm{\Δh}$

其中，V为所述空间体的体积；V_i为第i个切片的体积；S_i为第i个切片的上底面积；S_i+1为第i个切片的下底面积；Δh为每个切片的厚度；N为所述空间体的切片总数目，N为大于等于1的自然数。

可选的，在本发明一实施例中，所述空间体包括罐体，所述罐体包括：铁路罐车、罐式集装箱。

对应于上述方法实施例，如图2所示，为本发明实施例一种基于三维激光扫描的容积测量装置结构示意图，所述基于三维激光扫描的容积测量装置包括：

三维激光扫描单元21，用于采用三维激光扫描的方式采集并获取一空间体内壁的三维点云数据；

空间重建单元22，用于利用所述空间体内壁的三维点云数据，进行空间三角网格建模，获取重建的所述空间体的多个切片形状；

体积计算单元23，用于根据重建的所述空间体的多个切片形状，计算所述空间体的体积。

可选的，在本发明一实施例中，所述基于三维激光扫描的容积测量装置还包括：仪器悬挂装置，用于将三维激光扫描仪通过正置方式或倒置方式，采用框架型或长柄折叠型的仪器悬挂装置固定在所述空间体的人孔上，然后采集并获取所述空间体内壁的三维点云数据；其中，所述框架型的仪器悬挂装置为方形或三角形。

可选的，在本发明一实施例中，所述基于三维激光扫描的容积测量装置还包括全封闭安全外壳装置，所述三维激光扫描仪加装有所述全封闭安全外壳装置。

可选的，在本发明一实施例中，所述三维激光扫描仪包括：激光发射部分、棱镜、与棱镜同步的接收器、主机和基座组成的三维激光扫描模块；所述基座中的电机带动所述主机在水平方向按照预定分度旋转，所述棱镜和所述接收器在垂直方向按照预定分度旋转，以采集并获取所述空间体内壁的三维点云数据。

可选的，在本发明一实施例中，所述空间重建单元22，具体用于利用所述空间体内壁的三维点云数据，首先进行去杂、组合配准、空间置平的预处理，然后进行空间三角网格建模，获取重建的所述空间体的多个切片形状。

可选的，在本发明一实施例中，所述体积计算单元23，具体用于根据重建的所述空间体的多个切片形状，利用如下公式计算所述空间体的体积：

$V=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i,$ $V_i=\frac{1}{3}(S_i+S_{i+1}+\sqrt{S_i\×S_{i+1}})\×\mathrm{\Δh}$

其中，V为所述空间体的体积；V_i为第i个切片的体积；S_i为第i个切片的上底面积；S_i+1为第i个切片的下底面积；Δh为每个切片的厚度；N为所述空间体的切片总数目，N为大于等于1的自然数。

可选的，在本发明一实施例中，所述空间体包括罐体，所述罐体包括：铁路罐车、罐式集装箱。

本发明实施例上述技术方案具有如下有益效果：因为采用三维激光扫描的方式采集并获取一空间体内壁的三维点云数据；利用所述空间体内壁的三维点云数据，进行空间三角网格建模，获取重建的所述空间体的多个切片形状；根据重建的所述空间体的多个切片形状，计算所述空间体的体积的技术手段，所以达到了如下的技术效果：提供了一种基于三维激光扫描的技术，对铁路罐车、罐式集装箱等空间体的容积可进行快速、准确测量，本发明方案操作简单，安全性高，劳动强度小，能适应铁路罐车、罐式集装箱等复杂几何形状，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。

以下举应用实例进行说明：

本发明应用实例涉及激光测量领域和计量技术领域,主要研究了基于三维激光扫描的铁路罐车、罐式集装箱容积测量装置及方法。本发明应用实例也适用于卧式金属罐、汽车罐等类似大小、形状容器的容积测量。

本发明应用实例提供一种基于三维激光扫描的技术，对铁路罐车、罐式集装箱的容积进行快速、准确测量。本发明应用实例操作简单，安全性高，劳动强度小，能适应铁路罐车、罐式集装箱等复杂几何形状，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。

本发明应用实例为解决其技术问题所采用的技术方案是基于三维激光扫描的铁路罐车、罐式集装箱容积测量装置及方法，包括了机电控制模块、辅助、安装模块、三维激光扫描模块、软件模块以及基于三维激光扫描的测量方法，如图3所示，为本发明应用实例系统框架图，其中，

机电控制模块，采用测距、测角相结合的控制方法，对扫描的执行、数据的采集、分析和存储进行控制。三维激光扫描仪通过USB接口外接笔记本电脑，与主机控制系统连接，从而通过专用软件控制扫描进程及存储采集数据。

辅助、安装模块，其中辅助模块为全封闭安全外壳装置，实现仪器防尘、防水、防爆；安装模块为仪器悬挂装置，实现将仪器固定在罐体人孔上，在仪器的固定方式上有正置（正常安装方式，相对于倒置的形式）和倒置两种形式，本发明应用实例中的仪器不仅可以实现正置固定使用，关键可以实现倒置使用。该装置有框架型和长柄折叠型两种结构形式,其中框架型又分为方形和三角形两种,仪器安装示意图如图4和图5：如图4所示，为本发明应用实例采用框架型的三维激光扫描仪安装示意图，其显示了罐体、人孔、人孔倒置装置、三维激光扫描仪的关系；如图5所示，为本发明应用实例采用长柄折叠型的三维激光扫描仪安装示意图，其显示了罐体、人孔、仪器悬挂装置、三维激光扫描仪的关系。

①全封闭安全外壳装置，为防止在易燃、易爆气体的测量环境下工作时产生爆炸和火灾，同时，为防止罐内化学品挥发成分、水蒸气等对仪器的腐蚀，在激光发射器与高速旋转的镜头（滤光镜）等关键部位安装一全封闭安全外壳装置,全封闭安全外壳装置采用透明度极高的聚苯乙烯或钢化玻璃制作而成，加强对重点机构的防护。如图6所示，为本发明应用实例全封闭安全外壳装置示意图，其显示了全封闭安全外壳装置与三维激光扫描仪的关系。

②仪器悬挂装置，固定在人孔上，实现仪器倒置悬挂,仪器与罐体无接触。其中，框架型仪器悬挂装置的主体结构采用方管焊接而成，底面用钢板焊接在框架上，底面中心开孔用于安装描仪，框架型仪器悬挂装置有方形和三角形两种,其形状如图7、图8所示：如图7所示，为本发明应用实例方形仪器悬挂装置示意图；如图8所示，为本发明应用实例三角形仪器悬挂装置示意图。长柄折叠型仪器悬挂装置采用方管焊接而成，通过调紧螺母将仪器悬挂装置固定在人孔上，通过转轴实现连接装置的旋转折叠，其形状如图9所示，为本发明应用实例长柄折叠型仪器悬挂装置示意图，其显示了调紧螺母、转轴与连接装置的关系。

三维激光扫描模块，包括激光发射部分、高速旋转的棱镜、高速旋转的接收器（与棱镜同步）、主机和基座等。三维激光扫描模块采用激光测距技术和精密分度技术，用激光作为光源进行高速电子测距，基座中的电机带动主机在水平方向按照预定分度缓慢旋转，棱镜和接收器在垂直方向按照预定分度高速旋转，这样可以实现三维全方位激光扫描。该模块对铁路罐车、罐式集装箱内壁进行扫描，获得高密度、高准确度的罐内壁三维坐标点集（点云），如图10所示，为本发明应用实例三维激光扫描模块工作示意图，其中，a为一条激光的扫描反馈示意图，b为多条激光的发射示意图。图10中：1——基座；2——激光发射部分；3——高速旋转的棱镜；4——高速旋转的接收器（与棱镜同步）；5——主机；6——激光。

软件模块，包括数据采集模块、预处理模块、建模模块、计算模块、修正模块、生成模块、结果输出模块。本发明应用实例利用采集模块进行数据采集，然后将扫描数据（点云）进行去杂、组合配准、空间置平等预处理，然后进行空间三角网格建模，并按参照高度（罐体竖直径方向）进行切分，分别计算、修正出各个切分块的体积，最后汇总输出为容积表。

基于三维激光扫描的测量方法，本发明应用实例采用的基于三维激光扫描的测量方法包括：

①三维扫描测量方法

采用测距、测角相结合的方法，在准确控制垂直和水平分度的同时测距，对罐体进行三维激光扫描，获得代表罐壁上海量测量点空间位置的极坐标参数，利用极坐标参数构建出完整的罐体三维空间轮廓，如图11所示，为本发明应用实例三维激光扫描得到的罐体轮廓示意图。较之以往测量罐体特征值或有限点的方法，在准确度方面得到有效地改善。

②测量路径控制方法

根据铁路罐车、罐式集装箱的型号和参数建立数学模型，确定激光在罐内壁的扫描顺序和采样密度，规划并设定激光扫描路径，形成各种适用于不同型号罐体的标准化扫描路径。测量时依据罐体型号选择扫描路径，把扫描路径转化为电信号，驱动主机按照设定值在水平方向旋转，控制棱镜和接收器按照设定值在垂直方向旋转，保证了测量准确度，提高了扫描效率。

③点云去杂方法

受罐体内附件（梯子、加热管、筋板等）、罐壁表面很脏或很光滑、罐体内残留液体以及外界干扰等因素的影响，激光扫描时易出现误差较大的异常点(突跳点、噪声点)，就需要除去那些异常点。本发明应用实例采用下面步骤去除异常点：

第一步：图形检查，扫描结束后，利用逆向反求工程将获得的点云数据显示成图形，用肉眼直接观察，将明显的偏离较大的点手工剔除掉，可以有效地从点云中去除附件造成的较大异常点。

第二步：曲线检查，由于对罐体的扫描是以螺旋线方式完成的，而罐体的内表面是平滑连续的，所以点云中位于一条扫描螺旋线上的任何相邻的若干个数据点之间都应有较强的一致性。基于此，作这些相邻数据点P_η的3阶最小二乘中线，然后分别计算这些数据点P_η到最小二乘中线的距离d_η，如果d_η大于ε(ε为设定的允差)，则认为P_η是异常点，通过程序予以剔除，如图12所示，为本发明应用实例曲线检查剔除异常点示意图。

第三步：数据平滑，为消除点云数据中的随机误差对后续建模的影响，需要对点云进行平滑滤波处理。本发明应用实例在数据平滑中，采用高斯滤波方法，可以比以往采用的平均值滤波法更好地保持数据的原貌及结构特征。

④三维点数据匀化处理及罐体形状的重建方法

对铁路罐车、罐式集装箱扫描得到的三维点云数据，采用截面拟合及协方差矩阵分析，确定空间置平后的三维点云数据的铅垂中线，沿铅垂中线进行密布分层，然后对每个分层内的点集采用B-spline（B-样条曲线）或者NURBS（非统一有理B样条）曲线拟合，并且在每个曲线上均匀地提取多个点，组合成整个罐体表面的有序的匀化三维点数据，最终采用蒙皮操作重建罐体内壁曲面。

⑤重建模型的容积计算方法

⑴重建的罐体模型的总容积与部分容积

将罐体水平均匀切为厚Δh的N个切片，则每个切片都是一个薄棱形台。

设第i个棱形台的上底面积为S_i，下底面积为S_i+1，如果棱形台的厚度Δh足够薄，则其体积V_i为：

$V_i=\frac{1}{3}(S_i+S_{i+1}+\sqrt{S_i\×S_{i+1}})\×\mathrm{\Δh}$

罐体的总容积V为所有棱形台体积V_i之和：

$V=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i$

罐体的部分容积VH为液面高度Hn所对应的水平面下的各个棱形台体积V_i之和：

$\mathrm{VH}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i$

其中，n＝Hn/Δh

可见，要计算罐体的总容积和部分容积，关键是要利用点云数据计算出每个薄棱形台的上、下底的面积。

⑵薄棱形台底面的面积划分及计算

如图13所示，为本发明应用实例一个薄棱形台底面示意图，包括多个平面的三角面积。在图13中连接序列G_T中点C₁,C₂,C₃，得到三角形ΔT₁；连接点C₁,C₃,C₄，得到三角形ΔT₂；连接点C₁,C₄,C₅，得到三角形ΔT₃，以此类推；连接点C₁,C_j+1,C_j+2，得到三角形ΔT_j。

对三角形ΔT_j，可以按Hellen公式计算其面积：

设ΔT_j的三个边长分别为a，b，c，则其面积ΔS_j为：

$\mathrm{\Δ}{S}_j=\sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}$

其中p＝(a+b+c)/2

⑶薄棱形台的底面积

将每个三角形的面积相加，就得到了薄棱形台的底面积S_i：

$S_i=\underset{j=1}{\overset{m_F-2}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{S}_j$

最终确定出薄棱形台的上下底的面积。

⑥仪器倒置使用法

一般来说，仪器应采用正置方式使用，然而在测量的过程中发现该种方式要求操作人员必须进入罐内，罐内含氧量不足，有毒、有害、腐蚀介质会对人身安全造成危害，同时正置方式的仪器固定装置携带不便捷。为了解决以上问题，本发明应用实例采用了仪器倒置使用法。该使用方法可将仪器悬挂装置快速、稳定地固定在人孔上，仪器与罐体无接触测量，操作人员不需要进入罐内，测量仪器实现倒置入罐、倒置测量。采用该使用方法，仪器固定装置不仅在结构上简单，便于携带和操作，而且能方便地与铁路罐车、罐式集装箱人孔边沿实现有效安装，同时提高了操作人员和仪器的安全性，解决了仪器倒置悬挂的特殊工况问题。

具体应用实例实施方式：

第一，根据铁路罐车、罐式集装箱的型号规划激光扫描路径。

第二，三维激光扫描仪加装全封闭安全外壳，利用仪器悬挂装置将其从人孔倒置入罐。

第三,设置扫描参数，按照规划好的扫描路径进行扫描，得到点云数据。

第四，对点云数据预处理，包括去杂、组合配准、空间置平等。

第五，进行空间三角网格建模，计算体积。

第六，结果输出。

本发明应用实例的技术关键点是将三维激光扫描技术应用到铁路罐车和罐式集装箱容积测量，以及应用过程中采用的测量装置和测量方法，其中涉及的测量装置包括了全封闭安全外壳装置、仪器悬挂装置等，测量方法包括了三维扫描测量方法、测量路径控制方法、点云去杂方法、三维点数据匀化处理及罐体形状的重建方法、罐体模型容积计算方法及仪器倒置使用法等，以上装置和方法是本发明应用实例顺利实施的技术关键。

本发明应用实例技术方案带来的有益效果：基于三维激光扫描的铁路罐车、罐式集装箱容积测量装置和方法，可用于测量铁路罐车、罐式集装箱的容积。本发明应用实例测量准确度高，测量结果的扩展不确定度为3×10^-3（k＝2），优于几何测量法；测量时间短，从获取数据到容积表输出小于30分钟；适用范围广，适用于各种反射率的罐壁和各种结构的罐体；自动化程度高，减轻了测量人员的劳动强度；人员和设备安全，测量人员不需进罐，避免了有毒、有害介质对人身的伤害，设备具有防爆、防水、防尘的安全性能，能够很好地满足全国铁路罐车和罐式集装箱容积测量的需求。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块（illustrativelogical block），单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性（interchangeability），上述的各种说明性部件（illustrativecomponents），单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

本发明实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路（ASIC），现场可编程门阵列（FPGA）或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。

本发明实施例中所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。

在一个或多个示例性的设计中，本发明实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储与电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个网站站点、服务器或其它远程资源通过一个同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线（DSL）或以例如红外、无线和微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片（disk）和磁盘（disc）包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、DVD、软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种基于三维激光扫描的容积测量方法，其特征在于，所述基于三维激光扫描的容积测量方法包括：

采用三维激光扫描的方式采集并获取一空间体内壁的三维点云数据；

利用所述空间体内壁的三维点云数据，进行空间三角网格建模，获取重建的所述空间体的多个切片形状；

根据重建的所述空间体的多个切片形状，计算所述空间体的体积。

2.如权利要求1所述基于三维激光扫描的容积测量方法，其特征在于，所述采用三维激光扫描的方式采集并获取一空间体内壁的三维点云数据，包括：

将三维激光扫描仪通过正置方式或倒置方式，采用框架型或长柄折叠型的仪器悬挂装置固定在所述空间体的人孔上，然后采集并获取所述空间体内壁的三维点云数据；其中，所述框架型的仪器悬挂装置为方形或三角形。

3.如权利要求2所述基于三维激光扫描的容积测量方法，其特征在于，所述三维激光扫描仪加装有全封闭安全外壳装置。

4.如权利要求2所述基于三维激光扫描的容积测量方法，其特征在于，所述三维激光扫描仪包括：激光发射部分、棱镜、与棱镜同步的接收器、主机和基座组成的三维激光扫描模块；所述基座中的电机带动所述主机在水平方向按照预定分度旋转，所述棱镜和所述接收器在垂直方向按照预定分度旋转，以采集并获取所述空间体内壁的三维点云数据。

5.如权利要求1所述基于三维激光扫描的容积测量方法，其特征在于，所述利用所述空间体内壁的三维点云数据，进行空间三角网格建模，获取重建的所述空间体的多个切片形状，包括：

利用所述空间体内壁的三维点云数据，首先进行去杂、组合配准、空间置平的预处理，然后进行空间三角网格建模，获取重建的所述空间体的多个切片形状。

6.如权利要求1所述基于三维激光扫描的容积测量方法，其特征在于，所述根据重建的所述空间体的多个切片形状，利用如下公式计算所述空间体的体积：

$V=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i,$ $V_i=\frac{1}{3}(S_i+S_{i+1}+\sqrt{S_i\×S_{i+1}})\×\mathrm{\Δh};$

其中，V为所述空间体的体积；V_i为第i个切片的体积；S_i为第i个切片的上底面积；S_i+1为第i个切片的下底面积；Δh为每个切片的厚度；N为所述空间体的切片总数目，N为大于等于1的自然数。

7.如权利要求1所述基于三维激光扫描的容积测量方法，其特征在于，所述空间体包括罐体，所述罐体包括：铁路罐车、罐式集装箱。

8.一种基于三维激光扫描的容积测量装置，其特征在于，所述基于三维激光扫描的容积测量装置包括：

三维激光扫描单元，用于采用三维激光扫描的方式采集并获取一空间体内壁的三维点云数据；

空间重建单元，用于利用所述空间体内壁的三维点云数据，进行空间三角网格建模，获取重建的所述空间体的多个切片形状；

体积计算单元，用于根据重建的所述空间体的多个切片形状，计算所述空间体的体积。

9.如权利要求8所述基于三维激光扫描的容积测量装置，其特征在于，所述基于三维激光扫描的容积测量装置还包括：

仪器悬挂装置，用于将三维激光扫描仪通过正置方式或倒置方式，采用框架型或长柄折叠型的仪器悬挂装置固定在所述空间体的人孔上，然后采集并获取所述空间体内壁的三维点云数据；其中，所述框架型的仪器悬挂装置为方形或三角形。

10.如权利要求9所述基于三维激光扫描的容积测量装置，其特征在于，

所述基于三维激光扫描的容积测量装置还包括全封闭安全外壳装置，所述三维激光扫描仪加装有所述全封闭安全外壳装置。

11.如权利要求9所述基于三维激光扫描的容积测量装置，其特征在于，所述三维激光扫描仪包括：激光发射部分、棱镜、与棱镜同步的接收器、主机和基座组成的三维激光扫描模块；所述基座中的电机带动所述主机在水平方向按照预定分度旋转，所述棱镜和所述接收器在垂直方向按照预定分度旋转，以采集并获取所述空间体内壁的三维点云数据。

12.如权利要求8所述基于三维激光扫描的容积测量装置，其特征在于，

所述空间重建单元，具体用于利用所述空间体内壁的三维点云数据，首先进行去杂、组合配准、空间置平的预处理，然后进行空间三角网格建模，获取重建的所述空间体的多个切片形状。

13.如权利要求8所述基于三维激光扫描的容积测量装置，其特征在于，

所述体积计算单元，具体用于根据重建的所述空间体的多个切片形状，利用如下公式计算所述空间体的体积：

$V=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i;$ $V_i=\frac{1}{3}(S_i+S_{i+1}+\sqrt{S_i\×S_{i+1}})\×\mathrm{\Δh}$

其中，V为所述空间体的体积；V_i为第i个切片的体积；S_i为第i个切片的上底面积；S_i+1为第i个切片的下底面积；Δh为每个切片的厚度；N为所述空间体的切片总数目，N为大于等于1的自然数。

14.如权利要求8所述基于三维激光扫描的容积测量装置，其特征在于，所述空间体包括罐体，所述罐体包括：铁路罐车、罐式集装箱。

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