基于三维激光雷达扫描的平房仓粮堆体积‑储量在线监测技术试验研究

【资料简介】

基于三维激光雷达扫描的平房仓粮堆体积‑储量在线监测技术试验研究

摘要

人工丈量盘点存在效率低、误差大、无法实时监测等痛点，为提升平房仓粮食库存数量监测精准度与时效性，本文采用仓顶固定式三维激光雷达开展粮堆储量监测试验研究。阐述三维激光雷达储量监测系统硬件组成、扫描工作原理与点云数据处理算法流程；选取试验平房仓，设置平整粮面、沟槽粮面、偏仓粮面、沉降粮面多种工况开展对比试验；将雷达扫描核算储量结果与人工丈量结果进行精度比对，分析不同粮面形态对测量精度的影响。试验结果表明，三维激光雷达非接触扫描可以精准捕捉不规则粮面轮廓，大幅降低人工测量误差，适合平房仓储量在线监测。本文同时分析系统现存短板并提出优化对策，可为平房仓在线储量监测工程落地提供试验依据。

关键词：三维激光雷达；点云数据；粮堆体积；粮食储量；在线监测；平房仓；非接触测量

1 引言

平房仓粮食储量核算的核心难点在于不规则粮堆体积测量。传统人工丈量依靠有限点位推算整体粮堆体积，对于边坡、沟槽、偏仓等复杂粮面，体积计算偏差明显。随着激光雷达、三维点云建模技术快速发展，非接触式三维扫描为粮堆体积精准测量提供了全新技术路径。三维激光雷达安装于仓顶，不需要人员入仓，能够自上而下快速扫描整个粮面，获取海量三维坐标点云数据，通过算法拟合粮堆表面，精准计算粮堆总体积，再结合容重换算粮食储量，实现平房仓储量在线实时监测。为验证该技术在平房仓应用可行性与测量精度，本文开展现场实仓试验研究。

2 三维激光雷达储量监测系统总体方案

2.1 仓顶固定式雷达安装布局方案

雷达设备固定安装于平房仓仓顶顶板下方，优先布置于仓房纵向中轴线位置。根据仓房跨度、扫描视场角，单仓可布置一台或多台雷达，保证雷达扫描范围可以完整覆盖仓内全部粮面，无扫描盲区。雷达设备远离粮堆通风气流、熏蒸气体腐蚀区域；配套防尘、防潮、防结露防护外壳，适配粮仓高温高湿、熏蒸作业的恶劣环境；设备供电、通信线路沿仓顶走线，不占用仓内储粮空间，不影响粮食进出仓作业。

2.2 硬件组成、扫描工作原理

整套在线储量监测系统硬件主要包含：三维激光雷达传感器、防护外壳、电源模块、数据传输网关、仓外数据服务器、智慧粮库监控终端。

三维激光雷达通过发射激光束，快速测量雷达中心点到粮面每一个扫描点位的直线距离与水平角度，短时间内获取成千上万粮面点三维坐标，形成粮堆表面原始点云数据集。原始点云数据通过网关传输至后台服务器。

2.3 点云数据采集‑去噪‑边界提取‑体积计算算法流程

第一步，点云采集：雷达定时自动启动扫描，获取粮面原始点云；

第二步，点云去噪处理：过滤掉仓顶管线、墙角杂物、空气中粉尘带来的无效噪点；

第三步，仓房边界识别：通过算法识别仓墙边界，剔除仓墙、立柱等非粮面点位；

第四步，粮面曲面拟合：利用有效粮面点云，重构粮堆真实三维表面模型；

第五步，体积积分计算：基于仓内地坪基准面与粮面三维曲面，积分运算得出粮堆总体积；

第六步，储量换算：体积乘以对应工况下粮食容重，得到仓内粮食储存效果；

第七步，数据存储与展示：储量结果上传至监控平台，生成储量历史变化曲线。

3 现场试验方案设计

3.1 试验仓房概况、粮食品种、容重测定

选取某省级储备粮平房仓作为试验仓，仓房长42 m，宽21 m，储存小麦。试验前多点分层取样测定小麦实际容重，作为储量换算基准参数；仓顶中轴线安装固定式三维激光雷达监测设备，调试完成保证扫描范围全覆盖粮面；同时配备人工丈量工具，作为对比参照。

3.2 多工况试验：平整粮面、沟槽粮面、偏仓粮面、沉降粮面

为模拟平房仓储粮过程中常见粮面状态，设置四种典型工况开展对比测试：

工况一：平整粮面。粮食入仓整平作业之后，粮面整体平坦，无明显沟槽高差；

工况二：沟槽粮面。模拟通风作业之后，粮面形成多条通风沟槽，粮面高低起伏；

工况三：偏仓粮面。模拟出入库不均衡，粮食集中堆积于仓房一侧，粮面严重倾斜；

工况四：沉降粮面。粮食储存一段时间，粮堆自然沉降压实，粮面出现局部凹陷。

每一种工况，分别采用三维激光雷达扫描测算储量、人工多点丈量测算储量，记录两组数据结果。

4 试验结果与精度对比分析

4.1 雷达扫描储量结果 VS 人工丈量结果误差对比

平整粮面工况下，人工丈量与雷达扫描结果偏差较小；沟槽粮面、偏仓粮面工况下，人工丈量误差明显增大，雷达扫描结果稳定性远高于人工测量。雷达扫描获取粮面全区域三维数据，不存在测点遗漏问题，对于不规则粮面适应性强。实仓试验结果显示，三维激光雷达储量测量相对误差可控制在允许误差范围之内，满足储备粮库存数量监测精度要求。

4.2 不同粮面形态下测量精度影响分析

平整粮面工况，两种测量方式精度均较高；粮面沟槽越深、偏仓高差越大，人工丈量短板越突出。雷达测量精度主要受粉尘遮挡、仓内强光反光、边缘区域扫描角度影响。仓内粉尘较大时，少量激光光束被粉尘遮挡，产生少量无效点云，经过算法去噪之后对最终体积结果影响有限。

5 系统优势、现存问题与优化对策

5.1 技术优势

1、非接触在线监测，无需人员入仓，消除盘点安全隐患；

2、全粮面三维扫描，精准适配边坡、沟槽、偏仓各类不规则粮面；

3、可定时自动扫描，实现封仓期间储量连续监测，存量异动及时发现；

4、测量数据自动上传平台，减少人工操作带来的人为误差。

5.2 现存问题

1、仓内熏蒸气体、高湿结露环境，对雷达传感器防护等级提出较高要求；

2、雷达扫描边缘区域点位精度略低于中心区域；

3、容重动态变化仍然会带来储量换算误差。

5.3 优化对策

1、升级传感器防护外壳，采用防腐、防潮、防结露设计，适配粮仓熏蒸环境；

2、大跨度仓房采用多雷达组合布局，消除边缘扫描精度短板；

3、打通粮情监测水分数据，配套容重动态修正模型，降低储量换算误差。

6 工程应用结论与推广建议

实仓试验证明，仓顶固定式三维激光雷达扫描技术，可以有效实现平房仓粮堆体积、储量在线监测，对于不规则粮面测量优势显著。该技术能够补齐平房仓库存数量实时监测短板，适合中央储备库、重点监管仓房推广应用。后续应当继续开展长期储粮工况下稳定性试验，优化粮仓专用雷达防护技术方案，加快制定设备精度检测与验收标准，稳步推进平房仓储量在线监测系统规模化落地。

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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

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