大型物料堆场三维形貌的摄像测量技术

成果简介：

矿山港口仓库中，煤炭、矿石粉、粮食等物资的准确快速测定是实现散装物料输送设备智能化作业、物流现代化管理调度的重要环节，我省在该行业具有国内领先地位。大宗散装物料所形成堆场具有形貌复杂、成像纹理单一等特点，常规摄像测量、或激光扫描等方式进行三维形貌测量均存在效率低、成本高等问题，堆场物料不同状况下的激光反射率变化明显，雨、雪等天气条件下难以正常工作。

传统的堆场盘点测量方法是堆挖整形与人工测量计算，需要对堆场进行严格的几何形态维护（如三角形或梯形截面的长条形），不但工作量大、时间周期长而且精度低。近年来，随着全站仪、摄影测量与激光扫描技术的发展，在堆场测定中也得到引入，形成了一系列新的测量盘点技术产品，然后通过煤场的设站后，以全站仪瞄准测量、多视角成像与激光扫描测距等数据在测量基础上做三维重建；或者通过雷达测距技术，由于雷达传感器有更好的抗日照干扰，因而露天工作适应性得到一定程度的提高。概况起来，现阶段发展形成的堆场快速盘点技术有：(1)移动式图像测量系统，安装在有龙门吊车上，通过吊车移动完成对整个煤场的扫描；(2)固定式图像测量系统，安装在固定的高塔构架上，完成对整个煤场的扫描；(3)基于激光测距便携式盘煤仪。它们为堆场测量盘点工作带来一定程度的改进，如提高自动化水平、降低人工作业强度等，但仍存在一些不足，如使用龙门吊或门式堆取料机或安装高大的固定塔架需要大量投资，很不经济，需要布设表面反射控制网，增加人工作业量也降低了工作灵活性，或者对天气要求比较高，只有在阴天或是傍晚阳光比较弱时，才能够进行测量，否则强光对其影响较大，测量精度也比较低（2%～0.5%）。此外，由于激光扫描主动发射后回光需沿原路返回，方可形成一次有效测量，而煤炭、矿石粉、粮食等形成的堆场，一般是漫反射形式，对光波的吸收比较显著，而且不同位置对堆场表面的入射角差别很大，很多情况下激光有效扫描不到平时的十分之一甚至更低，对此情况只能采用增加反射控制点以及加大扫描密度等方式予以补充；虽然单点激光测距具有毫米级精度，但在十多米长的装卸机械设备移动悬臂端，随着装卸物资的皮带运输和沿轨道移动造成的抖动可以达到数十毫米，而且这种不规则的抖动很难被补偿消除，不同机位之间的数据拼接对整体三维量测精度影响相当大。此外，能满足数百米堆场扫描的激光设备属于室外大功率的工程级设备，目前还需要依赖国外进口，价格昂贵、无法自行维护，初期和运行成本均相当大。另一方面，随着结构光技术的发展，出现了基于激光投影和CCD成像组合的光刀法方式，可以解算投射在形态复杂三维表面的轮廓线，但需要精确标定光刀面与CCD相对关系，这增加了系统标定难度并限定了光刀运动范围和精度可靠的有效测量深度，加大了操作复杂程度，降低工作可靠性，光刀在投影表面的轮廓中心线提取也成为限制其使用和影响精度的重要因素；如果待测深度增加，则投影线由于其聚焦范围有限而无法在整个测量区域上均匀聚焦形成宽度一致的表面轮廓线，难于有效保障影像投影中心线的连续可靠提取。

本技术结合结构光投影扫描与双目或多目同步成像，主要用于大型物料堆场的非接触三维形貌自动测量，技术要点包括堆场结构光投影与序列图像采集、投影线三维提取、多测站整体三维重建等要点，拟解决序列图像投影线三维提取、点云三维拼接等。本技术具有良好的理论原创性和技术先进性，取得了国家发明专利授权、中联重科物料输送事业部预研合作、与多篇发表在国内外高水平学术期刊如“光学学报”、“Applied Optics”、“Optical Engineering” 学术论文等认可。本技术将可对大型物料堆场实现的非接触、与准确快速的三维形貌测量，并且作业过程不受天气影响，从而有效提高装卸工程机械作业的智能化水平与现代物流管理的自动化程度，经济效益显著、应用前景广阔。