由于存在不规则形貌起伏、表面纹理单一以及光照强度变化干扰等情况，以及由于物料填挖过程中，所堆放的散装物料随时可能发生局部滑动等变化，矿山港口仓库露天大型物料堆场（如煤场）体积、重量（存煤量）的准确测量是多年来一直未得到妥善解决的重大技术难题。在大型露天堆场的散装物资日常管理与装卸工作中，如果能快速准确实时测定任意选定局部范围堆场的尺寸、体积、面积等三维形貌参数，精确掌握挖走或者填入物资的体积重量面积等的变化，则可形成物料盘存与装卸轮机智能作业等的关键性技术。
成果简介：
矿山港口仓库中，煤炭、矿石粉、粮食等物资的准确快速测定是实现散装物料输送设备智能化作业、物流现代化管理调度的重要环节，我省在该行业具有国内领先地位。大宗散装物料所形成堆场具有形貌复杂、成像纹理单一等特点，常规摄像测量、或激光扫描等方式进行三维形貌测量均存在效率低、成本高等问题，堆场物料不同状况下的激光反射率变化明显，雨、雪等天气条件下难以正常工作。
传统的堆场盘点测量方法是堆挖整形与人工测量计算，需要对堆场进行严格的几何形态维护（如三角形或梯形截面的长条形），不但工作量大、时间周期长而且精度低。近年来，随着全站仪、摄影测量与激光扫描技术的发展，在堆场测定中也得到引入，形成了一系列新的测量盘点技术产品，然后通过煤场的设站后，以全站仪瞄准测量、多视角成像与激光扫描测距等数据在测量基础上做三维重建；或者通过雷达测距技术，由于雷达传感器有更好的抗日照干扰，因而露天工作适应性得到一定程度的提高。概况起来，现阶段发展形成的堆场快速盘点技术有：(1)移动式图像测量系统，安装在有龙门吊车上，通过吊车移动完成对整个煤场的扫描；(2)固定式图像测量系统，安装在固定的高塔构架上，完成对整个煤场的扫描；(3)基于激光测距便携式盘煤仪。它们为堆场测量盘点工作带来一定程度的改进，如提高自动化水平、降低人工作业强度等，但仍存在一些不足，如使用龙门吊或门式堆取料机或安装高大的固定塔架需要大量投资，很不经济，需要布设表面反射控制网，增加人工作业量也降低了工作灵活性，或者对天气要求比较高，只有在阴天或是傍晚阳光比较弱时，才能够进行测量，否则强光对其影响较大，测量精度也比较低（2%～0.5%）。此外，由于激光扫描主动发射后回光需沿原路返回，方可形成一次有效测量，而煤炭、矿石粉、粮食等形成的堆场，一般是漫反射形式，对光波的吸收比较显著，而且不同位置对堆场表面的入射角差别很大，很多情况下激光有效扫描不到平时的十分之一甚至更低，对此情况只能采用增加反射控制点以及加大扫描密度等方式予以补充；虽然单点激光测距具有毫米级精度，但在十多米长的装卸机械设备移动悬臂端，随着装卸物资的皮带运输和沿轨道移动造成的抖动可以达到数十毫米，而且这种不规则的抖动很难被补偿消除，不同机位之间的数据拼接对整体三维量测精度影响相当大。此外，能满足数百米堆场扫描的激光设备属于室外大功率的工程级设备，目前还需要依赖国外进口，价格昂贵、无法自行维护，初期和运行成本均相当大。另一方面，随着结构光技术的发展，出现了基于激光投影和CCD成像组合的光刀法方式，可以解算投射在形态复杂三维表面的轮廓线，但需要精确标定光刀面与CCD相对关系，这增加了系统标定难度并限定了光刀运动范围和精度可靠的有效测量深度，加大了操作复杂程度，降低工作可靠性，光刀在投影表面的轮廓中心线提取也成为限制其使用和影响精度的重要因素；如果待测深度增加，则投影线由于其聚焦范围有限而无法在整个测量区域上均匀聚焦形成宽度一致的表面轮廓线，难于有效保障影像投影中心线的连续可靠提取。
本技术结合结构光投影扫描与双目或多目同步成像，主要用于大型物料堆场的非接触三维形貌自动测量，技术要点包括堆场结构光投影与序列图像采集、投影线三维提取、多测站整体三维重建等要点，拟解决序列图像投影线三维提取、点云三维拼接等。本技术具有良好的理论原创性和技术先进性，取得了国家发明专利授权、中联重科物料输送事业部预研合作、与多篇发表在国内外高水平学术期刊如“光学学报”、“Applied Optics”、“Optical Engineering” 学术论文等认可。本技术将可对大型物料堆场实现的非接触、与准确快速的三维形貌测量，并且作业过程不受天气影响，从而有效提高装卸工程机械作业的智能化水平与现代物流管理的自动化程度，经济效益显著、应用前景广阔。
 
 

(a) 移动平台集成的测量方式 (b) 固定立柱的测量方式
图1 堆场摄像测量技术的原理与概念模型
市场预测：
根据网上查询，一般的便携式激光盘煤系统报价为20万RMB左右，该类型产品还需要在控制测量辅助下进行作业；在需要面对半遮挡状况、或兼顾室内外环境的多测站或连续测站作业，以及整体堆场形貌等复杂工作等方面，此类便携式存在难以克服的技术困难。对于需架设移动平台、或固定立柱的堆场形貌测量系统，具有投入大、测站布局难度大等问题，对此中联有关部门曾投入500万、采购大型室外激光三维扫描测量系统后系统集成研究，但尚未取得满意的测量效果，特别是在室外环境下对表层具有粉尘漂浮覆盖的堆场难以开展有效测量，而且对于整体三维精度的保障等方面，也没有达到预期的指标。
如果本技术产品能得到开发，将有望有效克服现有盘煤技术产品中存在的问题，在基本自动化实时作业的同时，达到对大型物料堆场的厘米级整体三维测量精度。本技术产品可广泛应用于矿山港口电厂等的室内外物料堆场形貌实时测量，能在消除堆场物料盘存误差、或克服管理漏洞等方面产生显著经济效益。
合作方式：
本技术还需要在工程化产品原型设计、系统集成、室外测试与改进等多方面开展深入工作，建议采用项目合作的方式进行研发，预计研发时间为1年左右。
知识产权及获奖情况：
本技术拥有完全自主知识产权的核心技术，获得国家发明专利授权一项、并可进一步申报新的方面专利，科研支撑方面已得到国家博士后基金课题、湖南省自然科学基金等资助两项。