[发明专利]一种支持实时监测的船载砂石体积自动计算方法

权利要求书

1.一种支持实时监测的船载砂石体积自动计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，配置三维激光扫描仪，包括设置三维激光扫描仪的扫描参数配置和网络配置；

步骤2，空船数据建模：通过三维激光扫描仪扫描空载运砂船，对扫描数据进行处理得到空载运砂船数据模型并存储至船舶数据库；

步骤3，获取满船点云数据：通过三维激光扫描仪扫描位于浮动平台的满载运砂船，对于扫描数据进行处理提取目标单体满船点云数据；

步骤4，对空载和满载的运砂船点云数据进行高精度点云自动配准，包括，

步骤4.1，基于优化后的SK-4PCS算法进行点云粗配准；

步骤4.2，基于点对面的ICP算法进行点云精配准；

步骤5，提取出空、满载运砂船点云的船舱区域数据：从船舶数据库中调取目标运砂船对应的船舱边界点坐标，对配准后的空载运砂船点云数据和满载运砂船点云数据进行自动裁剪，得到空、满船的船舱点云数据；

步骤6，自动精确计算船舶载砂体积：根据空载船体与满载船体三维船舱数据模型的高程差值解算出船体运砂量的体积。

2.根据权利要求1所述的一种支持实时监测的船载砂石体积自动计算方法，其特征在于，步骤2中的三维激光扫描仪对空载运砂船进行多站点扫描，然后将多站点扫描数据拼接、裁剪生成空船数据模型。

3.根据权利要求2所述的一种支持实时监测的船载砂石体积自动计算方法，其特征在于，步骤2的实现包括以下步骤：

步骤2.1，空载运砂船数据标准化入库：对扫测得到的场景点云数据进行裁剪、拼接以获取到完整的目标空载运砂船数据，建立通用数据模型并存入船舶数据库；

步骤2.2，空载运砂船边界点坐标数据入库：记录空载运砂船点云数据船舱、船头、船尾部分的边界点三维坐标数据，存入船舶数据库。

4.根据权利要求1所述的一种支持实时监测的船载砂石体积自动计算方法，其特征在于，步骤3中的三维激光扫描仪安装在满载运砂船上方，其扫描范围完全覆盖满载运砂船所在区域；对于该三维激光仪获取的点云数据，基于该三维激光扫描仪的安装倾角进行方位纠正。

5.根据权利要求4所述的一种支持实时监测的船载砂石体积自动计算方法，其特征在于，步骤3的实现包括以下步骤：

步骤3.1，满船点云数据坐标系方向纠正：根据三维激光扫描仪设置的固定倾角，将满船点云数据坐标系旋转至z轴朝上；

步骤3.2，对满载运砂船点云数据进行数据精简：采用基于八叉树的数据精简算法减少数据量，提高数据处理的速度，为船载砂石体积计算提供数据基础；

步骤3.3，基于预设种子点的聚类分析算法对大场景点云数据进行目标船只的自动识别和快速提取：以三维激光扫描仪的位置为原点，在目标运砂船所在的区域内且相较三维激光扫描仪水平距离相同的范围内设置多个种子点，对场景点云数据采用基于欧式距离的聚类分析算法得到多个聚类点云，根据预设种子点坐标和聚类分析结果进行运砂船自动识别和提取，从而实现从大场景三维激光点云数据中精确的识别出运砂船点云数据。

6.根据权利要求1所述的一种支持实时监测的船载砂石体积自动计算方法，其特征在于，步骤4.1的具体实现包括以下步骤：

步骤Ⅰ，使用一系列高度间隔相同的横截面去分割点云，分别获取空船点云P和满船点云Q的横截面点云，并在横截面点云数据上检测和提取特征点，并将两组特征点集进行关联匹配，建立基础关联对；

步骤Ⅱ，从点集P中选取共面的四点作为基础对Bi,从点集Q中提取4点集合U＝{U1,U2,...,Ui}，使得Ui通过矩阵变换与Bi近似一致，然后根据点集Bi和U计算最佳变换矩阵Ti；

步骤Ⅲ，重复步骤Ⅱ，对于不同的基础对B＝{B1,B2,...,Bi}，计算其对应的最佳变换矩阵T＝{T1,T2,...,Ti}；步骤Ⅳ，计算Pi＝P*Ti得到旋转后的空船点集Pi，然后采用ANN计算点集Pi处在满船点集Q中的距离δ内的点的个数k，选取k值最大对应的旋转平移矩阵Ti作为最优的刚性变换矩阵T。