一种基于激光点云分析的油罐测量方法及系统与流程

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种基于激光点云分析的油罐测量方法及系统。

背景技术：

随着科技的发展和测量技术的进步,人们对石油产品在生产、销售和使用过程中科学、准确计量有了更高的要求,特别是随着石油产品价格的日益上涨，这种要求越来越强烈，迫切需要对现有技术进行升级改造，以保障贸易双方油品交接的公平、公正、准确。

汽车油罐车作为一种公路运输轻质燃油的特种专用车，也是用于油品交接、贸易结算的国家强制检定计量器具。汽车油罐车通常由车载罐体、汽车车身和附属设备三部分组成，罐体顶部有人孔、计量口等，侧面有卸油管和阀门等。汽车油罐车油罐容积测量的准确与否，直接影响到油品储运企业的经济利益和国家的计量信誉。建立一种创新性的快速、准确、可靠的测量系统势在必行。

国家计量检定规程jjg133-2016《汽车油罐车容量》中规定，计量性能要满足：容量测量结果的扩展不确定度不大于0.25％(k＝2)。主要采用容积比较法和流量计法进行汽车油罐车的容积计量，仲裁检定以容量比较法为准。容量比较法主要使用一组二等金属量器(mpe：±2.5×10-4)作为标准器，如2000l、1000l、500l、200l、100l、50l等，一次一次的从已知标准容量的二等金属量器(可以组合使用)注入油罐车内，根据注入的标准值容积值，同时对金属量器和罐内水温、液位高度(或空高)进行测量，计算出容积-液位的关系。一台20t罐容的油罐车经过人工放水、读数，检定时间超过5小时，耗时又费力，而且容易出错。采用流量计法对油罐车容量进行测量，对流量计要求比较高，需要选取重复性好的流量计，选取重复性好的流量点，进行流量定点使用，通过控制时间，可以达到实现检定容量的目的。

尽管国内外很多专家学者在油罐车油罐计量方面开展了大量研究，但是这些方法仅仅提高了自动化程度，仍然存在很多缺点，如检定成本比较高，需要耗费大量的人力、物力，需要消耗一定的水资源，还需要固定的场地放置标准量器，操作复杂导致实用性受限，检定准确度也难以保证，这也与现有蓬勃发展的的高新技术极不相符。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，油罐车油罐计量方面存在很多缺点，如检定成本比较高、需要耗费大量的人力、物力、需要消耗一定的水资源、需要固定的场地放置标准量器、操作复杂、检定准确度难以保证。

该基于激光点云分析的油罐测量方法包括步骤：

获取激光测量设备采集的油罐内部点云数据；

将油罐的主体点云数据和堵头点云数据分离，以获取油罐的主体点云数据；

基于高斯映射计算油罐的主体点云数据的轴线；

确定任一垂直于所述轴线的第一平面，将主体点云投影到第一平面上，以在第一平面上获得罐体投影截面点云；

对所述罐体投影截面点云进行多段拟合；

根据多段拟合结果计算容积。

进一步地，基于高斯映射计算油罐的主体点云数据的轴线具体包括：

s21，计算主体点云中各点的单位法向量，并将法向量的起点平移至坐标原点，法向量终点构成单位球面；

s22，将所有法向量终点进行平面拟合，得到平面φ1；

s23，计算各个法向量终点到平面φ1的距离di,(i＝1,2,...n)；

s24，设定阈值ω1，若di>ω1，则删除阈值ω1距离以外的法向量；将剩下的法向量终点重新拟合生成平面φ2；

s25，计算剩下所有法向量终点到平面φ2的距离di'，返回步骤s24，直到剩余所有法向量终点到平面的距离小于ω1；此时得到的拟合平面为φj，该拟合平面φj的单位法向量为nj；

s26，选择垂直该单位法向量nj的一个平面，将主体点云投影到该平面上，拟合得到的圆心；所述轴线经过圆心，且与单位法向量nj的方向相同。

进一步地，对所述罐体投影截面点云进行多段拟合具体为：

将罐体投影截面点云以轴线为中心按角度均匀的分为4n段，n＝1,2,3…；

将每段罐体投影截面点云分别进行拟合。

进一步地，其中罐体投影截面点云的拟合方式为二次曲线拟合。

进一步地，根据多段拟合结果计算容积具体包括：

获取预先测量的辅助计算数据；其中，所述辅助计算数据包括：油罐主体长度、堵头高度；

根据多段拟合结果和辅助计算数据，计算容积。

进一步地，该基于激光点云分析的油罐测量方法还包括：

获取长度方向的单位距离；在容积计算结果中包含每单位距离的容积。

进一步地，所述基于激光点云分析的油罐测量方法还包括有步骤：

输出测量结果；其中，所述测量结果包括有：送检单位、计量器具名称、型号/规格、罐号、制造单位、检定/校准依据、结论、日期；每单位距离的容积；水平直径、竖直直径、罐体长度、外高、近似圆柱容积、堵头容积、总容积。

进一步地，所述测量结果的输出格式为excel格式。

另一方面，本发明还提出了一种基于激光点云分析的油罐测量系统，该基于激光点云分析的油罐测量系统包括：

获取模块，用于获取激光测量设备采集的油罐内部点云数据；

分离模块，用于将油罐的主体点云数据和堵头点云数据分离，以获取油罐的主体点云数据；

轴线计算模块，用于基于高斯映射计算油罐的主体点云数据的轴线；

投影模块，用于确定任一垂直于所述轴线的第一平面，将主体点云投影到第一平面上，以在第一平面上获得罐体投影截面点云；

拟合模块，用于对所述罐体投影截面点云进行多段拟合；

容积计算模块，用于根据多段拟合结果计算容积。

本发明提出了一种基于激光点云分析的油罐测量方法，该油罐测量方法通过获取激光测量设备采集的油罐内部点云数据，对油罐内部点云数据进行计算处理来计算油罐的体积；因此，本发明提出的油罐测量方法具有如下有益效果：不需要消耗水资源、测量效率高、工作人员无需进入罐内实施测量，降低了测量的人力、测量设备可以在油气环境中使用，保证了测量人员的安全。

附图说明

图1是一示例性实施例示出的一种基于激光点云分析的油罐测量方法的流程图。

图2是一示例性实施例示出的罐体投影截面点云的分段示意图。

图3是一示例性实施例示出的一种基于激光点云分析的油罐测量系统的示意框图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

目前油罐容量测量方法存在测量速度慢、人工劳动强度大、自动化程度低、浪费水资源、不节能环保等缺点。为了解决上述问题，本发明提出了一种基于激光点云分析的油罐测量方法。

下面结合附图对本发明实施例示出的基于激光点云分析的油罐测量方法作进一步地解释和说明。

图1是一示例性实施例示出的一种基于激光点云分析的油罐测量方法的流程图。如图1所示，该基于激光点云分析的油罐测量方法包括步骤s101至步骤s106。

步骤s101，获取激光测量设备采集的油罐内部点云数据。

所采集的数据信息包括油罐内部尺寸信息、防波板、导向管。

激光测量设备数据采集过程如下：将激光测量设备倒挂在油罐罐口，固定好之后并将水平气泡调整至居中。然后在控制系统中分别设置倾斜和旋转等测量参数数据，如：测量速度、测量步距、测量步数、上下限、测量起点；然后开始测量。测量完成后将数据上传至计算机。

在计算机中，可通过人机交互对采集数据进行整体查看，查看噪声点云、杂点的分布情况，矩形框选选中、放弃、删除、隐藏噪声点云，以及消除罐体内部防波板及杂点等。

步骤s101还可包括：点云数据完整性检查，通过对点云数据进行上下、左右、水平旋转，检查所采集油罐点云数据信息的完整性。

需要说明的是，激光测量设备可以实现油罐360°全景扫描，且扫描罐体内部图像清晰，以方便用户查看。

步骤s102，将油罐的主体点云数据和堵头点云数据分离，以获取油罐的主体点云数据。

步骤s103，基于高斯映射计算油罐的主体点云数据的轴线。

具体地，步骤s103包括：

s21，计算主体点云中各点的单位法向量，并将法向量的起点平移至坐标原点，法向量终点构成单位球面；

s22，将所有法向量终点进行平面拟合，得到平面φ1；

s23，计算各个法向量终点到平面φ1的距离di,(i＝1,2,...n)；

s24，设定阈值ω1，若di>ω1，则删除阈值ω1距离以外的法向量；将剩下的法向量终点重新拟合生成平面φ2；

s25，计算剩下所有法向量终点到平面φ2的距离di'，返回步骤s24，直到剩余所有法向量终点到平面的距离小于ω1；此时得到的拟合平面为φj，该拟合平面φj的单位法向量为nj；

s26，选择垂直该单位法向量nj的一个平面，将主体点云投影到该平面上，拟合得到的圆心；所述轴线经过圆心，且与单位法向量nj的方向相同。

首先，计算主体点云中各点的单位法向量，并将法向量的起点平移至坐标原点，法向量终点构成单位球面；将所有法向量终点进行平面拟合，得到平面φ1；删除阈值ω1距离以外的法向量；将剩下的法向量终点重新拟合生成平面φ2；基于新生成的平面φ2再次删除阈值ω1距离以外的法向量，然后拟合新平面，重复上述过程，直至剩余所有法向量终点到平面的距离小于ω1；此时得到的拟合平面为φj，该拟合平面φj的单位法向量为nj；选择垂直该单位法向量nj的一个平面，将主体点云投影到该平面上，拟合得到的圆心；所述轴线经过圆心，且与单位法向量nj的方向相同。

步骤s104，确定任一垂直于所述轴线的第一平面，将主体点云投影到第一平面上，以在第一平面上获得罐体投影截面点云。

步骤s105，对所述罐体投影截面点云进行多段拟合。

具体地，对所述罐体投影截面点云进行多段拟合具体为：

将罐体投影截面点云以轴线为中心按角度均匀的分为4n段，n＝1,2,3…；

将每段罐体投影截面点云分别进行拟合。

进一步地，其中罐体投影截面点云的拟合方式为二次曲线拟合。

具体地，由于罐体投影截面是不规则的，难以进行整体的拟合，因此，采用分段拟合方式。将截面点云按角度均匀的分为4n段，n＝1,2,3…。然后将各段点云进行分段拟合，拟合方式有很多，如二次曲线拟合、样条曲线拟合等。此外，考虑到拟合的准确性，采用二次曲线拟合算法进行拟合，在数据量足够的条件下，拟合段数越多，拟合的曲线越接近实际情况，拟合精度越高。如图2所示，图2是一示例性实施例示出的罐体投影截面点云的分段示意图。

步骤s106，根据多段拟合结果计算容积。

具体地，首先，根据多段拟合结果计算横截面积，然后结合长度方向的数据计算油罐的容量。

进一步地，根据多段拟合结果计算容积具体包括：

获取预先测量的辅助计算数据；其中，所述辅助计算数据包括：油罐主体长度、堵头高度；

根据多段拟合结果和辅助计算数据，计算容积。

具体地，将预先测量的油罐主体长度、堵头高度、外高等辅助计算数据，录入到系统中，为计算罐体水平直径、竖向直径、各部分体积提供基础信息支撑。

进一步地，该基于激光点云分析的油罐测量方法还包括：获取长度方向的单位距离；在容积计算结果中包含每单位距离的容积。

具体地，定义计算间隔距离，可通过操作界面输入，通常输入1mm或者10mm，分别代表输出模板里的毫米容积表或厘米容积表。

进一步地，所述基于激光点云分析的油罐测量方法还包括有步骤：

输出测量结果；其中，所述测量结果包括有：送检单位、计量器具名称、型号/规格、罐号、制造单位、检定/校准依据、结论、日期；每单位距离的容积；水平直径、竖直直径、罐体长度、外高、近似圆柱容积、堵头容积、总容积。

需要说明的是，测试结果所包含的内容不局限于上述内容；可根据实际情况有所调整。

进一步地，所述测量结果的输出格式为excel格式。

与现有技术相比，本实施例中油罐测量方法不需要消耗水资源；通过自动化测量，检定效率相比传统方法有明显提高，减少了企业停产时间；工作人员无需进入罐内，不需要标准金属量器等仪器设备的配合使用，在罐外就可以实施测量，大大降低了人工劳动强度；所用的激光测量设备运用本质安全型防爆设计，可以在油气环境中使用，保障了人身安全。

图3是一示例性实施例示出的一种基于激光点云分析的油罐测量系统的示意框图，该基于激光点云分析的油罐测量系统包括：

获取模块31，用于获取激光测量设备采集的油罐内部点云数据；

分离模块32，用于将油罐的主体点云数据和堵头点云数据分离，以获取油罐的主体点云数据；

轴线计算模块33，用于基于高斯映射计算油罐的主体点云数据的轴线；

投影模块34，用于确定任一垂直于所述轴线的第一平面，将主体点云投影到第一平面上，以在第一平面上获得罐体投影截面点云；

拟合模块35，用于对所述罐体投影截面点云进行多段拟合；

容积计算模块36，用于根据多段拟合结果计算容积。

本实施例示出的基于激光点云分析的油罐测量系统与图1示出的一种基于激光点云分析的油罐测量方法相对应，详细的内容参见前述方法实施例部分的叙述，这里不再赘述。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。