专利名称：一种基于三维激光扫描的容积测量方法及装置的制作方法
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-TechnischeBundesanstalt, PTB)和法制计量技术机构(Eichdirektion Nord7EDN)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。
—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
权利要求
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I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I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I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
7.如权利要求I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
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。
全文摘要
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。
文档编号G01B11/24GK102980531SQ20121052470
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者邵学君, 朱少彤, 杨琦, 傅青喜, 闫凤霞, 庞庆, 周宝珑, 李学宝, 张超, 赖荣杰, 王云龙, 张志鹏 申请人:中国铁道科学研究院, 中国铁道科学研究院标准计量研究所