由于存在不規則形貌起伏、表面紋理單一以及光照強度變化干擾等情況，以及由于物料填挖過程中，所堆放的散裝物料隨時可能發生局部滑動等變化，礦山港口倉庫露天大型物料堆場（如煤場）體積、重量（存煤量）的準確測量是多年來一直未得到妥善解決的重大技術難題。在大型露天堆場的散裝物資日常管理與裝卸工作中，如果能快速準確實時測定任意選定局部范圍堆場的尺寸、體積、面積等三維形貌參數，精確掌握挖走或者填入物資的體積重量面積等的變化，則可形成物料盤存與裝卸輪機智能作業等的關鍵性技術。
成果簡介：
礦山港口倉庫中，煤炭、礦石粉、糧食等物資的準確快速測定是實現散裝物料輸送設備智能化作業、物流現代化管理調度的重要環節，我省在該行業具有國內領先地位。大宗散裝物料所形成堆場具有形貌復雜、成像紋理單一等特點，常規攝像測量、或激光掃描等方式進行三維形貌測量均存在效率低、成本高等問題，堆場物料不同狀況下的激光反射率變化明顯，雨、雪等天氣條件下難以正常工作。
傳統的堆場盤點測量方法是堆挖整形與人工測量計算，需要對堆場進行嚴格的幾何形態維護（如三角形或梯形截面的長條形），不但工作量大、時間周期長而且精度低。近年來，隨著全站儀、攝影測量與激光掃描技術的發展，在堆場測定中也得到引入，形成了一系列新的測量盤點技術產品，然后通過煤場的設站后，以全站儀瞄準測量、多視角成像與激光掃描測距等數據在測量基礎上做三維重建；或者通過雷達測距技術，由于雷達傳感器有更好的抗日照干擾，因而露天工作適應性得到一定程度的提高。概況起來，現階段發展形成的堆場快速盤點技術有：(1)移動式圖像測量系統，安裝在有龍門吊車上，通過吊車移動完成對整個煤場的掃描；(2)固定式圖像測量系統，安裝在固定的高塔構架上，完成對整個煤場的掃描；(3)基于激光測距便攜式盤煤儀。它們為堆場測量盤點工作帶來一定程度的改進，如提高自動化水平、降低人工作業強度等，但仍存在一些不足，如使用龍門吊或門式堆取料機或安裝高大的固定塔架需要大量投資，很不經濟，需要布設表面反射控制網，增加人工作業量也降低了工作靈活性，或者對天氣要求比較高，只有在陰天或是傍晚陽光比較弱時，才能夠進行測量，否則強光對其影響較大，測量精度也比較低（2%～0.5%）。此外，由于激光掃描主動發射后回光需沿原路返回，方可形成一次有效測量，而煤炭、礦石粉、糧食等形成的堆場，一般是漫反射形式，對光波的吸收比較顯著，而且不同位置對堆場表面的入射角差別很大，很多情況下激光有效掃描不到平時的十分之一甚至更低，對此情況只能采用增加反射控制點以及加大掃描密度等方式予以補充；雖然單點激光測距具有毫米級精度，但在十多米長的裝卸機械設備移動懸臂端，隨著裝卸物資的皮帶運輸和沿軌道移動造成的抖動可以達到數十毫米，而且這種不規則的抖動很難被補償消除，不同機位之間的數據拼接對整體三維量測精度影響相當大。此外，能滿足數百米堆場掃描的激光設備屬于室外大功率的工程級設備，目前還需要依賴國外進口，價格昂貴、無法自行維護，初期和運行成本均相當大。另一方面，隨著結構光技術的發展，出現了基于激光投影和CCD成像組合的光刀法方式，可以解算投射在形態復雜三維表面的輪廓線，但需要精確標定光刀面與CCD相對關系，這增加了系統標定難度并限定了光刀運動范圍和精度可靠的有效測量深度，加大了操作復雜程度，降低工作可靠性，光刀在投影表面的輪廓中心線提取也成為限制其使用和影響精度的重要因素；如果待測深度增加，則投影線由于其聚焦范圍有限而無法在整個測量區域上均勻聚焦形成寬度一致的表面輪廓線，難于有效保障影像投影中心線的連續可靠提取。
本技術結合結構光投影掃描與雙目或多目同步成像，主要用于大型物料堆場的非接觸三維形貌自動測量，技術要點包括堆場結構光投影與序列圖像采集、投影線三維提取、多測站整體三維重建等要點，擬解決序列圖像投影線三維提取、點云三維拼接等。本技術具有良好的理論原創性和技術先進性，取得了國家發明專利授權、中聯重科物料輸送事業部預研合作、與多篇發表在國內外高水平學術期刊如“光學學報”、“Applied Optics”、“Optical Engineering” 學術論文等認可。本技術將可對大型物料堆場實現的非接觸、與準確快速的三維形貌測量，并且作業過程不受天氣影響，從而有效提高裝卸工程機械作業的智能化水平與現代物流管理的自動化程度，經濟效益顯著、應用前景廣闊。
 
 

(a) 移動平臺集成的測量方式 (b) 固定立柱的測量方式
圖1 堆場攝像測量技術的原理與概念模型
市場預測：
根據網上查詢，一般的便攜式激光盤煤系統報價為20萬RMB左右，該類型產品還需要在控制測量輔助下進行作業；在需要面對半遮擋狀況、或兼顧室內外環境的多測站或連續測站作業，以及整體堆場形貌等復雜工作等方面，此類便攜式存在難以克服的技術困難。對于需架設移動平臺、或固定立柱的堆場形貌測量系統，具有投入大、測站布局難度大等問題，對此中聯有關部門曾投入500萬、采購大型室外激光三維掃描測量系統后系統集成研究，但尚未取得滿意的測量效果，特別是在室外環境下對表層具有粉塵漂浮覆蓋的堆場難以開展有效測量，而且對于整體三維精度的保障等方面，也沒有達到預期的指標。
如果本技術產品能得到開發，將有望有效克服現有盤煤技術產品中存在的問題，在基本自動化實時作業的同時，達到對大型物料堆場的厘米級整體三維測量精度。本技術產品可廣泛應用于礦山港口電廠等的室內外物料堆場形貌實時測量，能在消除堆場物料盤存誤差、或克服管理漏洞等方面產生顯著經濟效益。
合作方式：
本技術還需要在工程化產品原型設計、系統集成、室外測試與改進等多方面開展深入工作，建議采用項目合作的方式進行研發，預計研發時間為1年左右。
知識產權及獲獎情況：
本技術擁有完全自主知識產權的核心技術，獲得國家發明專利授權一項、并可進一步申報新的方面專利，科研支撐方面已得到國家博士后基金課題、湖南省自然科學基金等資助兩項。