[发明专利]一种基于三维激光扫描仪的大型洞库容量测量方法

说明书

本发明公开了一种基于三维激光扫描仪的大型地下洞库容量测量方法。该方法中首先利用三维激光扫描仪获取地下洞库壁面完整的坐标点云数据，然后对点云数据进行处理和计算获得洞库容积表。点云处理过程中首先根据实际情况将洞库分成多个区域，分别计算各区域洞库容积，获得各区域的容积表，将不同区域的容积表叠加可获得统一的容积表。在洞库分区过程中采取了人工粗分与计算机辅助精确划分相结合的方法，人工选择到目标区域计算机程序就可以给出该区域中心点坐标；单个洞库区域容积计算中采用水平棱台体积叠加法；水平棱台的底面积计算采用矩形微元法，能够适应复杂图形面积计算。本发明能够适应各类异型复杂洞库的容积测量，并具有较高的准确性。

技术领域

本发明涉及大容量测量，具体为基于三维激光扫描仪的大型洞库容量测量方法。

背景技术

相对于地面立式罐，地下洞库储备石油有很多优点，国内外国家战略石油储备很多都采用大型地下储油洞库。

人工水封岩洞和地下盐穴是地下储油最常用的储备方式。对于盐穴容量计量，可根据溶腔所用水的体积和饱和卤水浓度反算溶解盐量，由开采的盐量推算溶腔体积的溶解体积，而声呐测定技术是目前对盐穴腔体形态监测的有效方法。对水封岩洞而言，声呐法则无法使用。上个世纪70年代，研究人员提出摄影测量法，这种方法操作繁琐，所需设备多，计算复杂，未得到进一步的发展。近些年研究表明，全站仪法和三维激光扫描仪法进行洞库容量测量是可行的，而三维激光扫描仪法优势更加明显。三维激光扫描仪扫描获得激光脉冲所接触的被测物体表面的三维坐标信息，配合点云处理软件，可重构出物体的三维模型，具有扫描速度快、获取信息量大等优点，在复杂形状储存库体的容积测量方面逐渐获得重视。三维激光扫描仪法测量地面立式金属罐容量方法是首先将立式罐由下而上划分为若干个小圆柱体，累加所有小圆柱体的体积可得到立式罐总容量。每个小圆柱体的体积等于底面积与高度之积，计算底面积时一般采用三角形法，首先寻找边界点云的重心坐标，计算重心点与边界相邻点云组成三角形的面积，将所有三角形面积叠加计算获得底面积。

三维激光扫描仪用于地下洞库的容量测量，扫描得到的点云处理和容积计算是会遇到一些特殊问题：(1)洞库结构复杂，如，地下水封岩洞一般包括主洞室、连接巷道和施工巷道等，整个洞库自然就分成多个区域；(2)洞库狭长，如果将洞库横截面尺度用当量直径来计，长径比可能会超过40倍，采用三角形法计算水平截面面积时，所构造的三角形会非常狭长-畸形；(3)洞库表面坑洼不平，有些区域壁面会有“深坑”，洞室拱形顶部区域水平截面图形会出现分离图形现象，即表现为几个相互不连接的分离区域。此时采用三角形法计算面积时会出现误差显著增大问题。基于这些问题，有必要对三维激光扫描仪法洞库容积测量中的容积计算方法进行研究，提出一种计算准确可靠、适用性强的方法。

发明内容

本发明提供了一种基于三维激光扫描仪的大型洞库容量测量方法。

1、方法实施步骤

(1)利用三维激光扫描仪获取地下洞库壁面完整的、高质量的点云数据；

(2)根据实际情况，采取人工粗分与计算机辅助精确划分相结合的方法将洞库分成多个区域，如主洞、连接巷道和施工巷道等；

(3)对各个区域的容量分别进行计算，将区域从下至上划分为n个水平方向扁平棱台，采用矩形微元法计算棱台的底面积从，棱台底面积乘以棱台高度得到棱台体积，某一水平高度以下区域的体积计算则采用棱台体积叠加获得：在微元体的中间位置，取其上下各h₀/2高度(h₀为棱台层高)的点云数据用于棱台水平截面积的计算，区域i高度Z以下的洞库容积为

式中，S_j为第j个棱台体的底面积；

nz为高度Z以下棱台数量。