CN108168429B - 一种基于三维激光扫描仪的大型洞库容量测量方法 - Google Patents

一种基于三维激光扫描仪的大型洞库容量测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三维激光扫描仪的大型地下洞库容量测量方法。该方法中首先利用三维激光扫描仪获取地下洞库壁面完整的坐标点云数据，然后对点云数据进行处理和计算获得洞库容积表。点云处理过程中首先根据实际情况将洞库分成多个区域，分别计算各区域洞库容积，获得各区域的容积表，将不同区域的容积表叠加可获得统一的容积表。在洞库分区过程中采取了人工粗分与计算机辅助精确划分相结合的方法，人工选择到目标区域计算机程序就可以给出该区域中心点坐标；单个洞库区域容积计算中采用水平棱台体积叠加法；水平棱台的底面积计算采用矩形微元法，能够适应复杂图形面积计算。本发明能够适应各类异型复杂洞库的容积测量，并具有较高的准确性。

Description

一种基于三维激光扫描仪的大型洞库容量测量方法
技术领域
本发明涉及大容量测量，具体为基于三维激光扫描仪的大型洞库容量测量方法。
背景技术
相对于地面立式罐，地下洞库储备石油有很多优点，国内外国家战略石油储备很多都采用大型地下储油洞库。
人工水封岩洞和地下盐穴是地下储油最常用的储备方式。对于盐穴容量计量，可根据溶腔所用水的体积和饱和卤水浓度反算溶解盐量，由开采的盐量推算溶腔体积的溶解体积，而声呐测定技术是目前对盐穴腔体形态监测的有效方法。对水封岩洞而言，声呐法则无法使用。上个世纪70年代，研究人员提出摄影测量法，这种方法操作繁琐，所需设备多，计算复杂，未得到进一步的发展。近些年研究表明，全站仪法和三维激光扫描仪法进行洞库容量测量是可行的，而三维激光扫描仪法优势更加明显。三维激光扫描仪扫描获得激光脉冲所接触的被测物体表面的三维坐标信息，配合点云处理软件，可重构出物体的三维模型，具有扫描速度快、获取信息量大等优点，在复杂形状储存库体的容积测量方面逐渐获得重视。三维激光扫描仪法测量地面立式金属罐容量方法是首先将立式罐由下而上划分为若干个小圆柱体，累加所有小圆柱体的体积可得到立式罐总容量。每个小圆柱体的体积等于底面积与高度之积，计算底面积时一般采用三角形法，首先寻找边界点云的重心坐标，计算重心点与边界相邻点云组成三角形的面积，将所有三角形面积叠加计算获得底面积。
三维激光扫描仪用于地下洞库的容量测量，扫描得到的点云处理和容积计算是会遇到一些特殊问题：(1)洞库结构复杂，如，地下水封岩洞一般包括主洞室、连接巷道和施工巷道等，整个洞库自然就分成多个区域；(2)洞库狭长，如果将洞库横截面尺度用当量直径来计，长径比可能会超过40倍，采用三角形法计算水平截面面积时，所构造的三角形会非常狭长-畸形；(3)洞库表面坑洼不平，有些区域壁面会有“深坑”，洞室拱形顶部区域水平截面图形会出现分离图形现象，即表现为几个相互不连接的分离区域。此时采用三角形法计算面积时会出现误差显著增大问题。基于这些问题，有必要对三维激光扫描仪法洞库容积测量中的容积计算方法进行研究，提出一种计算准确可靠、适用性强的方法。
发明内容
本发明提供了一种基于三维激光扫描仪的大型洞库容量测量方法。
1、方法实施步骤
(1)利用三维激光扫描仪获取地下洞库壁面完整的、高质量的点云数据；
(2)根据实际情况，采取人工粗分与计算机辅助精确划分相结合的方法将洞库分成多个区域，如主洞、连接巷道和施工巷道等；
(3)对各个区域的容量分别进行计算，将区域从下至上划分为n个水平方向扁平棱台，采用矩形微元法计算棱台的底面积从，棱台底面积乘以棱台高度得到棱台体积，某一水平高度以下区域的体积计算则采用棱台体积叠加获得：在微元体的中间位置，取其上下各h0/2高度(h0为棱台层高)的点云数据用于棱台水平截面积的计算，区域i高度Z以下的洞库容积为
Figure BDA0001516613240000021
式中，Sj为第j个棱台体的底面积；
nz为高度Z以下棱台数量。
(4)计算地下洞库的容积表，将各个区域的容量计算结果按相同Z方向坐标进行整合叠加，获得地下洞库容量与高度的关系表格，即容积表。
2、洞库区域划分方法
对于地下洞库区域划分，采用人工与计算机划分相结合的方法。选择需要划分的部分，手工在该部分两区域相交区域Z方向接近最高和最低处的棱台对应层高内分别选择一个点p1(a1,b1,c1)和p2(a2,b2,c2)，给定X、Y、Z方向的鉴别区域，δx,δy,h0，x和y方向以p1,p2为中点计算机程序将该鉴别区域内所有点云坐标值进行平均，得到给出ymax,ymin,zmax,zmin，分别记为最高和最低处棱台的Z坐标值。在YOZ平面内Pup(ymax,zmax)和Plower(ymin,zmin)确定一条直线：
Figure BDA0001516613240000022
则后续在计算各个棱台水平截面积时，相交部分y坐标值由这个直线方程确定，即将两个区域进行分割完成。
3、棱台面积和洞库容量计算
对于各区域棱台水平截面积Sj计算，首先取出每个棱台层高内的点云数据，对此点云数据进行粗差剔除、滤波、稀化，通过矩形微元法计算棱台水平截面积。
矩形微元法计算棱台水平截面积：对于洞库X方向比较长的情况下，首先确定点云数据X方向最大和最小值，在X方向以Δx为步长将整个区域划分成m个矩形微元，其中矩形微元的上下对边实际是代表壁面。在矩形微元内进行点云Y坐标查询，确定Y坐标的最大值ymax和最小值ymin，然后分别在[ymax-ΔΔy,ymax]和[ymin，ymin+ΔΔy]范围内搜寻存在的点云，其中ΔΔy的大小根据实际情况进行设定。假如分别存在k1和k2个点，这些点的y坐标分别为
Figure BDA0001516613240000031
和
Figure BDA0001516613240000032
则微元矩形上下边的y坐标值取这些点云坐标的算数平均值,即
Figure BDA0001516613240000033
上述确定壁面处矩形边界的方法同样适用于X轴方向最左和最右侧微元矩形左边或右边x值的确定。
得到微元矩形上下两边的y坐标值后，微元矩形y方向边长
Figure BDA0001516613240000034
矩形微元的面积
ΔSk＝ByΔx (5)
计算区域的总面积
Figure BDA0001516613240000035
对于计算区域Y轴为长轴的区域，处理办法跟上述一样，只是在Y方向以Δy为步长划分微元矩形。
在采用矩形微元法计算棱台底面积时，为了能够处理棱台水平截面图形不连续的情况，还是以洞库X方向较长的情况为例，首先设定一个长度标尺d0，并记d为无点云区域长度，以Δx为步长划分区域，当d＞d0，从寻找到的下一个点处以Δx为步长继续划分区域；当d＜d0，则沿用上一组数据进行计算。Y方向同样处理。
计算出区域的总面积之后，根据公式(1)可以得到洞库容积。若洞库有相互联通的多个洞室(或巷道)，将同一高度(Z坐标)计算区域面积进行累加就得到这一高度处的总面积，总面积乘以棱台高度就可得到对应的体积，也可根据公式(1)计算Z高度以下的总容积。
本发明的计算方法可用于计算复杂截面形状的截面图形面积，适用性广，方法简单直观，计算结果可靠。
附图说明
图1是地下储油洞库容量计算示意图；
图2是区域分割示意图；
图3是矩形微元法计算规则部分示意图；
图4是矩形微元法计算不规则部分示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细描述。
如图1所示，本发明基于三维激光扫描仪的大型洞库容量测量方法，首先利用三维激光扫描仪获取地下储油洞库壁面完整的、高质量的点云数据。容量计算时，先将储油洞库分区，然后对每一个区域进行计算处理，从下至上划分为n个棱台，棱台底面积乘以棱台高度得到棱台体积，某一水平高度以下洞库的体积计算则采用棱台体积叠加获得，其中棱台的高度h0可以根据实际扫描的点云质量、点云分辨率和容积表计量精度的需要进行自定义，一般取0.05m；在棱台的中间位置，取其上下各h0/2高度的点云数据用于棱台底面积的计算。区域i高度Z以下的洞库容积按公式(1)进行计算。
对于地下洞库区域划分参见图2。当主洞轴向沿X或Y轴上时(不会出现其他情况)，以相交线在X方向为例，选择需要划分的部分，手工在该部分两区域相交Z方向接近最高和最低处的层高内分别选择一个空间点，给定X，Y和Z方向的鉴别区域，δx,δy,h0，一般取0.2m,0.1m,0.05m。计算机程序将该鉴别区域内所有点云的坐标值进行平均给出名义最高和最低点的坐标值，Y和Z方向的坐标值分别记为为ymax,ymin,zmax,zmin。在YOZ平面内Pu(ymax,zmax)和Pl(ymin,zmin)确定一条直线，
Figure BDA0001516613240000051
则后续在计算各个棱台水平截面积时，相交部分y坐标值由这个直线方程确定。这样就实现了两个区域的分割。相交线在Y方向的情况可同样处理，只是X和Y坐标互换一下。
下面参见图3和图4来说明对于各区域棱台水平截面积Sj计算。
采用矩形微元法计算棱台水平截面积，即底面积。参见图3，对于洞库X方向比较长的情况下，首先确定点云数据X方向最大和最小值，在X方向以Δx为步长将整个区域划分成m个矩形微元(Δx一般可取0.3m)，其中矩形微元的上下对边实际是代表壁面。在矩形微元内进行点云Y坐标查询，确定Y坐标的最大值ymax和最小值ymin，然后分别在[ymax-ΔΔy,ymax]和[ymin，ymin+ΔΔy]范围内搜寻存在的点云，其中ΔΔy的大小根据实际情况进行设定，一般可取0.02m。假如分别存在k1和k2个点，这些点的y坐标分别为
Figure BDA0001516613240000052
和
Figure BDA0001516613240000053
则微元矩形上下边的y坐标值取这些点云坐标的算数平均值
Figure BDA0001516613240000054
和
Figure BDA0001516613240000055
上述确定壁面处矩形边界的方法同样适用于X轴方向最左和最右侧微元矩形左边或右边x值的确定。
得到微元矩形上下两边的y坐标值后，微元矩形y方向边长
Figure BDA0001516613240000056
矩形微元的面积ΔSk＝ByΔx。该区域的总面积为所有矩形微元面积之和。
对于计算区域Y轴为长轴的区域，处理办法跟上述一样，只是在Y方向以Δy为步长划分微元矩形。
在采用矩形微元法计算棱台底面积时，为了能够处理棱台水平截面图形不连续的情况，还是以洞库X方向较长的情况为例(参见图4)，首先设定一个长度标尺d0，d0，一般取洞库Y方向尺度小一个量级的数值(以X方向为洞库主轴为例)，并记d为无点云区域长度，以Δx为步长划分区域，当d＞d0，从寻找到的下一个点处以Δx为步长继续划分区域；当d＜d0，则沿用上一组数据进行计算。Y方向同样处理。
计算出区域的总面积之后，根据公式(1)可以得到洞库容积。若洞库有相互联通的多个洞室(或巷道)，将同一高度(Z坐标)计算区域面积进行累加就得到这一高度处的总面积，总面积乘以棱台高度就可得到对应的体积，然后计算Z高度以下的总容积。
以上所述仅为本发明的典型实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的思路和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于三维激光扫描仪的大型洞库容量测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)利用三维激光扫描仪获取地下洞库壁面完整的、高质量的点云数据；
(2)根据实际情况，采取人工粗分与计算机辅助精确划分相结合的方法将洞库分成多个区域；
(3)对各个区域的容量分别进行计算，将区域从下至上划分为多个水平棱台，采用矩形微元法计算棱台的底面积，底面积乘以棱台高度得到棱台体积，某一水平高度以下区域的容量计算采用棱台体积叠加获得；
(4)基于点云数据计算地下洞库的容积表，将各个区域的容量计算结果按Z方向坐标数值整合叠加，获得地下洞库容量与高度的关系表格即容积表；
步骤(2)中对于地下洞库区域划分，首先选择需要划分的部分，手工在该部分两区域相交Z方向接近最高和最低处的层高内分别选择一个空间点p1(a1,b1,c1)和p2(a2,b2,c2)，给定X、Y、Z方向的鉴别区域，分别为δx,δy,h0；X和Y方向以p1,p2为中点计算机程序将该鉴别区域内所有点云三个方向的坐标值分别进行平均值计算，这些平均值认定为鉴别区域中心点坐标，其Y和Z方向的中心点坐标值记为ymax,ymin,zmax,zmin；在YOZ平面内上下两个点Pup(ymax,zmax)和Plower(ymin,zmin)确定一条直线：
Figure FDA0002440990080000011
后续计算各个棱台水平截面积时，相交部分无点云区域边界线Y坐标值由这个直线方程确定；
步骤(3)中采用矩形微元法计算水平棱台底面积时，以洞库X方向比较长的情况为例，首先确定点云数据X方向最大和最小值，在X方向以Δx为步长将整个区域划分成m个矩形微元，在各矩形微元内进行点云Y坐标查询，确定Y坐标的最大值ymax和最小值ymin，然后分别在[ymax-Δy,ymax]和[ymin，ymin+Δy]范围内搜寻存在的点云，其中Δy的大小根据实际情况进行设定；假如分别存在k1和k2个点云，这些点云的Y坐标分别为
Figure FDA0002440990080000012
和
Figure FDA0002440990080000013
则矩形微元上下边的Y坐标值取这些点云坐标的算数平均值，可得到矩形微元上下两边的Y坐标值，即可获得矩形微元的面积；洞库Y方向比较长的情况也同样处理，只是将X坐标换成Y坐标，Y坐标换成X坐标；
步骤(3)中在采用矩形微元法计算棱台底面积时，为了能够处理棱台水平截面图形不连续的情况，还是以洞库X方向较长的情况为例，首先设定一个长度标尺d0，并记d为无点云区域长度，以Δx为步长划分区域，当d＞d0，从寻找到的下一个点处以Δx为步长继续划分区域；当d＜d0，则沿用上一组数据进行计算；Y方向同样处理。
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