一种基于三维激光扫描的碎石颗粒表面粗糙度测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于三维激光扫描的碎石颗粒表面粗糙度测量方法，包括以下步骤：S1：利用三维激光扫描仪对碎石颗粒进行扫描，获取碎石颗粒表面的三维点云数据，并对三维点云数据进行预处理，得到碎石点云模型；S2：获取预处理后三维点云数据对应的均值平方根曲率；S3：对碎石点云模型进行平滑处理，得到平滑处理后三维点云数据对应的均值平方根曲率；S4：确定碎石颗粒表面粗糙度。本发明专利技术通过三维激光扫描仪获取的表面点云信息为碎石颗粒三维空间位置下的表面情况，采用点云的均值平方根曲率具有非负性，可综合量化颗粒表面微观局部起伏特征，数值敏感度高、量化区间大，能够精确反映碎石表面粗糙程度。石表面粗糙程度。石表面粗糙程度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于三维激光扫描的碎石颗粒表面粗糙度测量方法


[0001]本专利技术属于岩土工程
，具体涉及一种基于三维激光扫描的碎石颗粒表面粗糙度测量方法。

技术介绍

[0002]碎石集料被广泛用于土石坝、铁路和道路等工程建设中，其力学特性直接影响工程的设计、施工和运行等各个环节。同颗粒自身强度、集料粒径组成一样，大量研究证明颗粒形态亦是影响集料整体宏观力学性能的重要因素。颗粒形态按不同尺度分为：宏观形状、中观棱角和细观粗糙度。其中，粗糙度是集料抗剪强度的主要来源之一，同时对沥青混凝土路面抗滑能力产生重要影响。
[0003]长期工程建设中，大多以人工直接判断粗颗粒的表面粗糙程度并投入使用，并没有定量化描述其粗糙程度，更无法提出控制性指标；《公路工程集料试验规程》JTG E42
‑
2005采用磨光值来间接表征粗粒料表面粗糙度，即利用加速磨光机磨光集料，用摆式摩擦系数仪测定集料摩擦系数值。但该方法受限于磨光粒料的制成且摆式摩擦系数仪变化区间小难以精确定量化颗粒粗糙程度；
[0004]传统表面粗糙度测量设备如触针式轮廓仪可量测物件表面粗糙度，但该设备存在缺陷，测量尺度一般为毫米级，精度较差；激光轮廓仪同样能定量化测量颗粒粗糙度，精度可达到微米级别，原理为：通过传感器测头发出光信号并接受被测物体反射光强，从而得到其表面纹理轮廓曲线；在测量粗粒料表面粗糙度过程中，上述两种手段均通过获得其表面一维轮廓曲线，进而采用分形学等数学方法定量描述集料粗糙度。粗粒料表面是在三维空间内具有封闭的几何曲面，集料间接触摩擦行为可发生在颗粒表面的任意位置。故一维轮廓曲线难以描述颗粒整体粗糙度情况，其数值更无法正确反映与宏观力学行为间的关系；二维数字图像处理手段亦用来描述颗粒表面粗糙度，具体方法为：获取颗粒特定角度平面图像，经灰度化等处理过程后，利用颗粒轮廓相关几何特点建立粗糙度定量化参数。如周长法：将颗粒轮廓周长与对应外接多边形周长之比来衡量颗粒粗糙程度；分形维数法：采用不同尺度为δ的盒子进行轮廓覆盖并以盒子数N与δ间的数学关系作为粗糙度参数(盒维数法)、以不同观察尺码ε测得颗粒相应面积A与周长P，并以log
(P/ε)
与log
(P/ε)
间的定量关系衡量粗糙度(小岛法)等；同样，此类方式仅反映颗粒平面投影轮廓的粗糙度，与真实三维情况仍存在较大差距。
[0005]因此，有必要从三维空间角度对碎石颗粒粗糙度进行定量化评价。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了解决现有碎石颗粒粗糙度测量精度不足的问题，提出了一种基于三维激光扫描的碎石颗粒表面粗糙度测量方法。
[0007]本专利技术的技术方案是：一种基于三维激光扫描的碎石颗粒表面粗糙度测量方法包括以下步骤：
[0008]S1：利用三维激光扫描仪对碎石颗粒进行扫描，获取碎石颗粒表面的三维点云数据，并对三维点云数据进行预处理，得到碎石点云模型；
[0009]S2：获取预处理后三维点云数据对应的均值平方根曲率；
[0010]S3：对碎石点云模型进行平滑处理，得到平滑处理后三维点云数据对应的均值平方根曲率；
[0011]S4：根据预处理后三维点云数据对应的均值平方根曲率和平滑处理后三维点云数据对应的均值平方根曲率，确定碎石颗粒表面粗糙度。
[0012]进一步地，步骤S1中，对三维点云数据进行预处理的方法为：删除离群点云、填补缺失点云和重构碎石颗粒表面三角面片网格。
[0013]进一步地，步骤S2包括以下子步骤：
[0014]S21：获取预处理后三维点云数据中各个点云对应的最小法曲率k
min
和最大法曲率k
max
；
[0015]S22：根据各个点云对应的最小法曲率k
min
和最大法曲率k
max
计算预处理后三维点云数据对应的均值平方根曲率k
rms
。
[0016]进一步地，步骤S21中，确定各个点云对应的最小法曲率k
min
和最大法曲率k
max
的方法为：利用各个点云的KD树确定若干个近邻点，分别计算若干个近邻点的法截线曲率，将其最大值和最小值分别作为各个点云对应的最大法曲率k
max
和最小法曲率k
min
；
[0017]第i个近邻点的法截线曲率k
i
的计算公式为：
[0018][0019]其中，β表示利用三维点云数据的法向量和切平面构建的三维直角坐标系中第i个近邻点法向量和该点云法向量的夹角，p表示三维直角坐标系的原点，q
i
表示第i个近邻点在三维直角坐标系中的坐标，|pq
i
|表示三维直角坐标系的原点和第i个近邻点的欧式距离，α表示第i个近邻点法向量和原点的夹角；
[0020]步骤S22中，预处理后三维点云数据对应的均值平方根曲率k
rms
的计算公式为：
[0021][0022]进一步地，步骤S3中，进行平滑处理的具体方法为：利用Taubin滤波平滑处理方法对预处理后三维点云数据进行平滑迭代，直至三维点云数据中当前迭代平滑后的均值平方根曲率与上一次迭代平滑后的均值平方根曲率的差值小于设定阈值，并将当前迭代平滑后的均值平方根曲率作为平滑处理后三维点云数据对应的均值平方根曲率k
′
rms
。
[0023]进一步地，步骤S4中，碎石颗粒表面粗糙度TI计算公式为：
[0024][0025]其中，k
rms
表示预处理后三维点云数据对应的均值平方根曲率，k
′
rms
表示平滑处理后三维点云数据对应的均值平方根曲率，n表示碎石点云模型中所有点云数量。
[0026]本专利技术的有益效果是：
[0027](1)本专利技术通过三维激光扫描仪获取的表面点云信息为碎石颗粒三维空间位置下
的表面情况，采用点云的均值平方根曲率具有非负性，可综合量化颗粒表面微观局部起伏特征，数值敏感度高、量化区间大，能够精确反映碎石表面粗糙程度。
[0028](2)本专利技术计算的粗糙度量化参数反映了碎石真实表面与具有相同形状和棱角特征的光滑颗粒表面间的差异，同时避免了颗粒棱角和粒径尺寸对其数值的影响，几何物理意义明确。
[0029](3)本专利技术确定的碎石颗粒粗糙度结果可靠，处理和计算过程简便，可在工程建设和科学研究中迅速测量较多样本颗粒的表面粗糙度。该方法能够准确反映真实三维空间下的粗粒料表面纹理特征，数学意义明确，精度高。
附图说明
[0030]图1为碎石颗粒粗糙度测量方法的流程图；
[0031]图2为预处理后颗粒模型的平滑处理过程；
[0032]图3为碎石颗粒表面均值平方根曲率灰度图。
具体实施方式
[0033]下面结合附图对本专利技术的实施例作进一步的说明。
[0034]在描述本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于三维激光扫描的碎石颗粒表面粗糙度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：利用三维激光扫描仪对碎石颗粒进行扫描，获取碎石颗粒表面的三维点云数据，并对三维点云数据进行预处理，得到碎石点云模型；S2：获取预处理后三维点云数据对应的均值平方根曲率；S3：对碎石点云模型进行平滑处理，得到平滑处理后三维点云数据对应的均值平方根曲率；S4：根据预处理后三维点云数据对应的均值平方根曲率和平滑处理后三维点云数据对应的均值平方根曲率，确定碎石颗粒表面粗糙度。2.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描的碎石颗粒表面粗糙度测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，对三维点云数据进行预处理的方法为：删除离群点云、填补缺失点云和重构碎石颗粒表面三角面片网格。3.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描的碎石颗粒表面粗糙度测量方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下子步骤：S21：获取预处理后三维点云数据中各个点云对应的最小法曲率k
min
和最大法曲率k
max
；S22：根据各个点云对应的最小法曲率k
min
和最大法曲率k
max
计算预处理后三维点云数据对应的均值平方根曲率k
rms
。4.根据权利要求3所述的基于三维激光扫描的碎石颗粒表面粗糙度测量方法，其特征在于，所述步骤S21中，确定各个点云对应的最小法曲率k
min
和最大法曲率k
max
的方法为：利用各个点云的KD树确定若干个近邻点，分别计算若干个近邻点的法截线曲率，将其最大值和最小值分别作为各个...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗强，陆瑞，刘钢，王腾飞，张良，蒋良潍，赵春发，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：