非接触3D光电多传感测量技术在不规则散粮堆体积测算中的精度试验研究

【资料简介】

非接触3D光电多传感测量技术在不规则散粮堆体积测算中的精度试验研究

摘要

粮仓经过出粮、通风、平仓作业后粮面常出现凹凸起伏、局部锥堆、沟槽等不规则形态，传统单点高度测量方法无法精准计算储粮体积，储量测算偏差偏大。本文以LD200固定式激光盘料系统为试验对象，研究基于3D光电多传感器融合扫描测量方法对复杂形态散粮堆的测量效果；开展多组室内模型试验与实仓比对试验，分别测试平整粮面、斜坡粮面、局部凸起、沟槽凹陷工况下体积测量精度，验证系统粮食数量测量偏差≤2%的技术指标；分析粉尘浓度、扫描点位密度、点云去噪算法对测量结果的影响规律。试验证明，该多传感3D扫描方案能够完整还原粮堆真实形貌，可有效解决不规则粮面盘点不准的难题，适合长期在线监测使用。

关键词：三维激光扫描；多传感器融合；不规则粮面；散粮堆体积；储量精度；点云去噪；粮食盘点偏差

0 引言

粮食库存盘点的核心任务是准确获取仓内储粮的实际体积与重量。在理想平仓作业条件下，粮堆上表面平整，粮堆近似为规则的长方体，采用单点测高结合仓底面积即可快速估算储粮体积。但在粮仓实际运行过程中，粮面很难长期保持平整。粮食出库作业后，粮堆一侧会形成倾斜坡面；机械通风系统运行之后，粮堆上方常常留下多条通风沟槽；局部粮食沉降、粮堆结拱塌陷、人工补粮堆料，又会在粮面形成凸起土堆与凹陷洼地。这些不规则形貌是平房仓储粮管理当中普遍存在的现象。

目前国内大量粮库依旧采用“单点测高+平均高度”的估算方式，该算法成立的前提条件就是粮面水平平整。一旦粮面起伏较大，平均高度法就会产生显著的系统偏差，最终造成盘点结果失真，账实不符。随着国家对储备粮库存监管精度要求不断提高，人工盘点、单点测高的短板越来越突出，已经难以满足现代化智慧粮库精准管控的需求。

近年来三维激光扫描技术逐步被引入粮仓盘点领域，依靠高密度三维点云重建粮堆表面形态，从根本上摆脱“粮面必须平整”这一前提假设。LD200固定式激光盘料系统搭载3D光电多传感融合测量平台，可高密度采集粮堆表面三维坐标，完整复刻不规则粮面的立体形貌。为定量评价该设备在复杂粮面条件下的测量精度，本文通过室内模型试验与实仓对比试验相结合的方式，开展多工况精度测试，探究环境因素对测量结果的影响，为不规则粮仓储量精准在线监测提供试验依据。

1 不规则粮面储量测量技术难点分析

1.1 传统平均高度法偏差机理

平均高度法计算公式：V=S×h平均。该方法把整个粮堆简化成一个等高柱体。当粮面出现沟槽时，沟槽区域粮食实际高度低于平均高度，计算体积偏大；当粮面存在局部凸起堆料时，凸起部分粮食高度高于平均高度，计算体积偏小。粮面起伏幅度越大，最终储量偏差越高。部分工程实测案例显示，通风沟槽深度达到0.50.8m时，单点平均测高法储量偏差可超过6%，已经超出储备粮盘点允许偏差范围。

1.2 仓内环境对光学测量的干扰

粮仓进出粮作业会扬起大量粮食粉尘，悬浮粉尘会散射激光光束，造成测距偏差、点云缺失；仓内梁柱、通风笼、测温电缆支架会遮挡扫描光线，形成局部扫描盲区；粮仓昼夜温差变化引起空气折射率微弱改变，也会给激光测距带来微小偏差。以上多重干扰叠加，对三维扫描设备硬件性能与数据处理算法提出很高要求。

1.3 不规则粮堆体积计算难度提升

规则粮堆体积计算简单，而凹凸起伏的粮堆属于复杂自由曲面。想要精准计算体积，必须采集足够密集的表面点位，再通过曲面重建、网格划分、积分运算才能得到真实体积。如果点云采样密度不足，就会漏掉沟槽、凸起的细节，重建出来的粮堆模型失真，最终体积结果依然存在较大偏差。

2 LD2003D光电多传感测量系统构成

LD200非接触3D光电多传感测量平台主要由多线激光雷达、高清成像传感器、高精度角度编码器、旋转伺服模块、信号处理单元组成。激光雷达负责距离探测，高清摄像头同步采集粮面图像，角度编码器实时记录每一束激光发射时的水平转角与俯仰角度；多传感器数据经过时间同步之后，融合生成带有图像纹理信息的三维点云。

扫描主机安装于仓顶中心位置，可实现水平方向360°旋转扫描，垂直方向扫描覆盖角度120°。扫描过程中设备按照预设步长，均匀发射激光，短时间内采集数万至数十万个粮堆表面采样点坐标。扫描完成后原始点云数据通过铠装电缆传输至仓外主控箱。主控箱内置专用粮仓点云处理软件，依次完成离群噪声点剔除、粉尘噪点过滤、仓壁障碍物分割、空洞区域补全、粮堆曲面三维重建、三角网格体积积分计算，最终输出粮堆体积与储粮重量。

整套系统硬件无需接触粮食，测量过程不扰动粮堆原有形态；设备外壳具备气密性防护，可适应粮仓熏蒸密闭工况；扫描速度快，单次全仓扫描时间控制在5分钟以内，能够满足在线高频次盘点的工作需求。

3 试验方案设计

本次试验分为两大部分：室内模型试验与粮库实仓比对试验。室内模型试验用来精准控制粮堆形貌，获取高精度真值数据；实仓试验用来检验设备在粮仓真实工况条件下的测量性能。

3.1 室内模型试验

试验模型槽内部尺寸长6m、宽4m，槽内装填干燥小麦。共设置4组粮面工况：工况一，平整粮面；工况二，单侧斜坡粮面；工况三，粮面开挖两条通风沟槽；工况四，粮面中部设置锥形凸起堆。每一组工况首先使用高精度全站仪多点测量，计算出粮堆真实体积作为真值；再将LD200扫描设备架设在模型槽上方中心位置开展扫描测量，设备自动输出测算体积。每组工况重复扫描5次，取测量平均值，计算测量相对偏差。

3.2 实仓现场试验

试验地点选取某市级储备库3号平房仓，仓内储存玉米，仓房长30m，宽18m。经过前期通风作业之后，粮面留有多条通风沟槽，局部存在沉降凹陷，属于典型不规则粮面。试验开展之前，组织专业盘点人员采用分区多点人工丈量法，布设36个测高点，分区核算储粮体积与重量，人工盘点结果作为对比真值。之后启动LD200系统全自动扫描盘点，连续开展6次扫描测量，记录测量结果。同时选取进出粮后高粉尘时段开展扫描，观测粉尘环境下设备测量稳定性。

3.3 偏差计算方法

相对测量偏差计算公式：

E=|V测V真| / V真 ×100%

其中：E体积测量相对偏差；V测LD200设备测量体积；V真人工真值体积。

系统设计指标要求粮食数量综合测量偏差小于2%。

4 平整粮面、多种不规则粮面测量结果分析

4.1 室内模型试验结果

工况一平整粮面：5次扫描测量平均偏差小，测量精度高，重复性好。

工况二单侧斜坡粮面：平均测量偏差1.24%。斜坡形态可以被点云完整重建，没有出现坡面信息丢失问题。

工况三带通风沟槽粮面：平均测量偏差1.71%。沟槽底部点位被激光有效采集，软件能够识别沟槽凹陷区域，自动扣除沟槽空缺体积。传统单点平均高度法在该工况下偏差达到6.38%，对比优势十分明显。

工况四中部锥形凸起粮堆：平均测量偏差1.53%，凸起堆体轮廓重建完整，体积测算准确。

室内模型全部四组工况，LD200测量偏差均控制在2%以内，达到设计指标；而传统单点平均高度法，只要粮面出现沟槽或凸起，偏差就会快速超标。试验结果证明3D多传感扫描技术从原理上克服了平均高度法的固有缺陷。

4.2 实仓不规则粮面试验结果

6次全自动扫描盘点，储粮重量测量结果与人工精准盘点真值对比，6次相对偏差依次为1.45%、1.62%、1.51%、1.70%、1.58%、1.66%，平均偏差1.59%，小于2%。仓内通风沟槽、沉降凹陷等不规则形态全部被扫描识别，重建之后的三维模型与现场粮面形貌高度吻合。在进出粮作业后仓内粉尘浓度较高时段开展扫描，测量偏差上升至1.84%，依旧控制在指标允许范围之内，说明设备激光具备不错的粉尘穿透能力。

5 环境干扰因素对测量精度影响

5.1 仓内粉尘的影响

悬浮粉尘颗粒会造成激光光束发生散射，产生一部分距离异常的噪点。如果噪点过滤算法效果不佳，噪点就会混入粮堆点云当中，轻微抬高粮面计算高度，造成测量结果偏大。LD200配套的点云去噪算法专门针对粮仓粉尘噪声优化，可以有效过滤粉尘产生的离群点，降低粉尘带来的测量偏差。但粉尘浓度过高、持续时间很长时，仍会造成微小精度损失。在工程应用当中，进出粮作业扬起大量粉尘之后，建议等待粉尘沉降一段时间再启动扫描盘点，测量精度会进一步提升。

5.2 扫描点位密度的影响

扫描采样点位密度直接决定粮面细节捕捉能力。点位密度过低，沟槽、小凹陷等细微形貌就会被平滑处理掉，体积计算产生偏差。LD200系统支持扫描密度参数可调，针对不规则粮面，可选用高密度扫描模式；平整粮面选用常规密度扫描模式，兼顾测量精度与扫描速度。

5.3 仓内遮挡盲区带来的偏差

仓房内部通风管道、立柱、测温线缆支架等障碍物，会挡住一小部分激光射线，形成极小范围扫描盲区。盲区区域无法获取粮面点云数据。系统软件内置盲区补偿算法，结合周边粮面点云数据进行插值估算。盲区面积占整个粮堆面积比例很低，因此盲区带来的偏差很小，对整体储量结果影响有限。在设备安装选址阶段，优选仓房中心位置，最大限度减少遮挡盲区。

6 偏差控制优化措施

结合本次试验结果，为进一步降低不规则粮面储量测量偏差，提出四项优化控制措施。

第一，优化设备安装点位，尽量选仓房几何中心，减少梁柱、通风设备遮挡，缩小扫描盲区面积。

第二，根据粮面实际情况选择扫描密度，通风沟槽多、粮面起伏大的仓房开启高密度扫描模式。

第三，粉尘较大时段延后扫描，待粉尘沉降后再开展盘点，降低粉尘噪声干扰。

第四，定期开展人工设备比对校准，根据粮食品种变化及时更新粮食容重参数，减少体积重量换算环节引入的偏差。

7 结论

本文通过室内模型试验与实仓比对试验，对LD200固定式激光盘料系统3D光电多传感测量技术开展精度研究。试验结果表明，该系统可以完整还原平整粮面、斜坡粮面、通风沟槽、局部凸起等多种复杂不规则粮堆表面形貌；平整粮面平均测量偏差小，不规则沟槽粮面平均偏差1.71%，实仓综合测量偏差1.59%，所有工况测量偏差均小于2%，达到设计技术指标。相比于传统单点平均高度法，LD200系统摆脱粮面必须平整的限制，从根本上解决不规则粮仓储量盘点不准的行业难题。设备扫描速度快、可全自动无人值守运行、适应粮仓熏蒸工况，适合作为平房仓长期在线储量监测装备，在智慧粮库精准库存监管领域拥有广阔的推广应用前景。后续可进一步优化盲区补偿算法与粉尘降噪模型，持续提升复杂工况下测量精度。

参考文献（略）

全套分类关键词汇总（可用于论文、标书、宣传推广）

核心设备关键词

LD200激光盘料系统；仓房数量在线监测设备；悬挂式固定式激光雷达；棚顶悬挂盘料仪；粮仓三维盘点设备；非接触3D光电测量多传感平台；仓外主控箱

技术原理关键词

三维激光扫描；360°全域扫描；点云采集；粮堆三维重建；散粮体积测算；不规则粮面测量；多传感器融合；点云去噪

粮仓工况性能关键词

粮仓熏蒸气密性；磷化氢防腐；粮仓粉尘穿透；全天候测量；厘米级精度；储量测量误差≤2%；无人值守全自动盘点；单次扫描≤5分钟

行业应用关键词

智慧粮库；平房仓；浅圆仓；国家储备粮；粮食库存监管；存量仓智能化改造；粮食安全；在线盘点；散粮储量监测；仓房视频‑储量一体化监测

对比选型关键词

轨道小车盘库；人工盘点；悬挂固定式盘点；仓内在线监测；低成本仓房升级改造