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1、基于三维激光扫描技术的仓储散粮堆体积测量系统研究-->第1章绪论1.1课题研究背景与意义民以食为天,中国既是人口大国,也是粮食生产和消费大国,粮食安全对其国民经济和社会发展全局具有举足轻重的影响。联合国粮农组织(FAO)发布的"2010年粮食安全风险指数"报告显示,中團被列为中度风险的国家,位列被调查的163个经济对象中第96位。据2012年海关统计数据显示,我国粮食自供给占比已跌破政府此前制定的红色标线,约有1.9亿中国人吃进口粮,中国粮食安全正响起警钟。粮食安全系数是指年终库存量与全年消费量之比。为了维护农民利益、维护粮食市场稳定、维护国家粮食安全,建立稳定、保质、
2、保量的中央储备粮系统十分重要。而对仓库中储备粮的数量实时核定及对粮食进出库实时监管,是储备粮系统正常发挥作用的保障,是确保粮食安全进而维护国家利益的重要措施,同时也是仓储管理的难点。当前我国粮食管理系统库存数量稽查依靠派遣专人定期普查和随机抽查等形式进行。毎年用于稽查人员派遣,物资保障等的花费高达二十多亿,普查统计工作持续2个月,在准确客观性及时效性上都难以满足现代管理需要,同时容易诱发虚报、瞒报、盗库等问题。我国为了配合粮食储备库存检查工作,迫切需要用先进的测计量手段,研究开发具有高精度保证的快速检测粮食储量的检测系统。三维激光扫描技术是基于激光测距原理发展起来的,凭
3、借激光频率高,稳定性好,速度快,精度高等特点,能够有效捕捉空间信息,形成高密度点云数据用描述被测空间。本世纪初以来,由于激光制造技术改进提高,成本下降,使得三维扫描技术在测绘领域的应用更加广泛本文将兰维激光扫描技术用于仓储散粮堆的体积测量,利用自行设计开发的专用三维激光扫描设备采集仓储散粮堆表面空间信息,获得散粮堆表面空间点云数据。利用点云数据及相应的空间曲面建模方法,重建散粮堆表面的空间曲面模型,并利用数值积分方法计算出散粮堆体积。结合仓储粮食密度信息求得所储粮食总重量。……1.2散粒堆料体积测量的研究现状针对散料堆测量,国内部分学者已经展开研究实践工作。上海交通大学
4、的陈董、潘俊民提出了由4台CCD摄像机、图像采集卡和微机构成的计算机视觉测量系统,用来测量形状不规则的大型物料堆体积的方法。该系统从4个不同角度拍摄大型物料堆的图像并对图像数据的采集和分析进行H维重建,进而计算大型物料堆体积。长春理工大学朱海波等提出采用激光扫描光三角测量原理的系统设计,实现对露天煤场存煤量自动检测功能。该系统将CCD摄像机、激光测距仪和地图星均安装在煤场一侧的测量塔上,首先标定一个已知空间位置做为初始点,由计算机控制激光扫描测距系统对煤场进行自动扫描,通过激光测距仪测量每一个待测点与扫描仪的空间距离,通过地图星记录待测点与初始点的位置变化,进而用光三角
5、法和初始点的标定信息计算获得待测点的三维坐标,最后由计算机拟合煤堆表面形状,并求出存煤体积。程栋提出一种在巡航小车上安装由激光测距仪、视觉传感器和可调整富度的传感器底座组成的体积测量化构,环绕煤堆连续扫描获取截面轮廓和图像信息,进而完成测算煤堆体积的方法专利号101858730A)。肖纪春提出应用电磁波技术,在物料仓内利用设备发射低频电磁波并且接受回波获取仓内空间信息,而后通过信息处理专利算法生成三维图像计算散料体积的方法。天津理工大学的秦健提出将激光测距仪和步进电机安装在煤场取煤的斗轮机的悬臂上,行程传感器触点安装在待测煤堆的纵向区域,采集煤堆表面数据,生成兰维坐标数
6、据计算体积的自动盘煤及管理系统。综上所述,计算机视觉系统测算,需要多角度拍摄来提高图像匹配精度,而且易受光照条件影响,对煤场等精度要求相对宽松环境适用,而实现粮食体积测量实难堪重任。电磁波测量技术受到量程限制,对于立筒仓比较实用,但是对于平房仓空间过大难以保证测算精度。加之,易受电磁干扰,在粮库这种各种大型机械作业频繁的环境中,稳定性差。……第2章散粮堆表面空间建模及系统设计方案2.1散粮堆表面空间曲面建模在利用三维激光归描技术进行实际测量工作时,粮仓内散粮堆表面的三维信息可以通过激光扫描仪探测获得。三维激光扫描设备自动扫描测得散粮堆上表面离散点的三维坐标数据,形成一组
7、离散的空间点信息集合{(x,y,z,)
8、,i=l,2,…,"},这个集合称为"点云"(pointclouds)。依据散粮堆表面的离散点信息,即点云数据,获得粮食表面形状,形成粮堆表面曲面参数,进而根据数值积分求得散粮堆体积。如图2.1所示：隐函数对曲面参数升算简单,节省了许多中间变量计算。其在对空间闭合曲面和多值曲面的描述具有优势,能够高效判别空间点相对于曲面的位置,是位于曲面上还是在曲面外,并且能具体到哪一侧。因此,该种方法具有准确描述空间曲面特征细致的特点。由于近年算法的发展和演变、计算机计算速度提升以及计算大规模复杂曲面的现实需求,
