三维激光扫描技术应用于煤堆测量

安徽墨卡托科技有限公司

1. 三维激光扫描技术
三维激光扫描(Laser Scanning)技术是近二三十年才发展起来的一种新的测量技术。它是利用激光测距的原理,通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标信息和反射率信息,将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整的采集到电脑中,进而快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。另外,结合其他逆向工程软件和各领域的专业应用软件,它所采集点云数据还可进行各种后处理应用。安徽墨卡托科技有限公司一直致力于三维激光扫描技术的推广与应用。由于三维激光扫描能够完整、准确、精细的刻画目标物体,因此三维激光扫描技术又被称作“高清晰测量(High Definition Surveying)”。利用激光进行距离测量已有近四十年的历史,而自动控制技术的发展使得三维激光扫描最终成为现实,从而也实现了从传统的测距仪、全站仪的单点测量进化到目前三维激光扫描技术的线测量或者说面测量的阶段。


三维激光扫描系统技术的应用包含两个方面的重点内容,一个是如何获取高精度的点云(Point Cloud)数据;另一个是如何对获取的点云数据进行后期的处理和分析,以提取所需要的信息。目前,三维激光扫描技术主要应用领域包括文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等。

2. 三维激光扫描技术的原理

三维激光扫描仪是一种非接触式主动测量系统,可进行大面积高密度空间三维数据的采集,具有点位测量精度高、采集空间点的密度大、速度快等特点,且融合了激光反射强度和物体色彩等信息,三维激光影像数据为测量目标的识别分析提供了进一步的研究内容。


三维激光扫描仪通过脉冲测距法获得测距观测值 S,精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ。三维激光扫描测量一般使用仪器内部坐标系统 Pi,X 轴在横向扫描面内,Y 轴在横向扫描面内与 X 轴垂直,Z 轴与横向扫描面垂直。由此可得三维激光脚点 P 坐标(XS,YS,ZS )的计算公式如下式:

3. 三维激光扫描系统的组成

一个典型的三维激光扫描系统,主要包含硬件部分,软件部分和附件部分。
硬件部分主要包括扫描仪、三脚架、基座、笔记本电脑等;软件部分主要包括用于控制扫描仪进行数据传输和存储的软件以及后处理的软件。一般的三维激光扫描系统的厂商都会随硬件提供给用户用于数据采集管理的软件,如 Faro 公司的 FaroScene;或是提供了接口可用其软件对硬件的数据获取提供管理。

4.三维激光扫描技术在煤堆测量的应用
4.1 应用需求
通过三维激光扫描技术,获取煤堆三维数据,通过软件计算,获得煤堆的三维体积,得出堆煤量。


4.2 数据采集
(1)将三维激光扫描仪架设于被扫描煤堆四个角处,分别进行单站扫描(无需连接笔记本,可直接操作),保证每站扫描数据都有一定的重叠度。

(2)数据扫描完后,内业进行四站点云数据的拼接,拼接效果图如下图所示。

4.3 方量计算:
(1)点云拼接完后,将整个点云合并于同一坐标系,剔除多余点云,选择方量计算边界线,将需要计算的点云提取为 X、Y、Z 坐标。

(2)在软件中,导入所计算煤堆的 X、Y、Z 坐标,建立 DTM 三角网,选择计算边界线,利用方量计算模块计算煤堆方量,计算结果如图所示。 

内业可进行等高线绘制和三维模型建立,还可根据客户需要定制出方量的计算报告。

5.总结
在工程领域,经常有一些大型物料堆需要测量其体积,由于体积很大,形状又不规则,测量很困难,如电厂、钢厂、煤矿里煤堆、矿堆等。而煤堆储量测定是火电厂、煤矿等单位经常性的工作,它的关键在于测定煤堆的体积。对于不规则煤堆体积的准确测量,多年来一直是一个技术难题。早期的测量方法是使用推土机对煤堆进行整形,再用皮尺丈量,或用经纬仪视距导线测量等方法来完成,这些盘煤方式投入人力、物力较多,测量误差较大。


近年来,随着全站仪技术的普及,我们开始使用全站仪来测量煤堆体积。先使用全站仪测量煤堆地面和顶面范围,内容包括平面坐标和高程,然后再通过计算得出体积。不过,使用全站仪测量也需要尽可能的将煤堆顶面推平。而安徽墨卡托科技有限公司利用全新的三维激光扫描技术尤其是新型的移动SLAM的测量方法,完全不需要对煤堆整形,可快速、高效的进行煤堆测量。三维激光扫描技术的出现, 很好的解决了这一长期困扰国内各大火力发电厂、港口和煤矿的难题,具有较强的实用性和推广价值,可有效地替代传统的人工测量方法,大大提高相关业务部门的生产管理水平。