一种基于单幅煤场二维图像的煤堆体积校核方法技术

本发明专利技术公开了一种基于单幅煤场二维图像的煤堆体积校核方法，涉及煤场管理技术领域，解决了基于计算机视觉测量技术盘煤效率较低的技术问题，其技术方案要点是通过训练多张煤堆照片以达到后续算法实现过程中仅通过单张无景深图片即可直接校核煤堆体积的效果，保证了实时性。在此过程中图片仅要求单目相机拍摄，无需多购置双目、景深相机或激光盘煤仪等大型设备，为算法达到经济性目标做了保障。最后通过设计算法框架实现更为准确、快速的校核煤堆体积的目的。本发明专利技术仅通过单二维图片实现煤场的煤堆体积校核，从而可靠地实现盘煤，成本低廉、方便快捷且能实现对煤场的实时监测。方便快捷且能实现对煤场的实时监测。方便快捷且能实现对煤场的实时监测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单幅煤场二维图像的煤堆体积校核方法


[0001]本申请涉及煤场管理
，尤其涉及一种基于单幅煤场二维图像的煤堆体积校核方法。

技术介绍

[0002]当下电力行业中，虽然各类新能源发电项目正在蓬勃发展，但传统火力发电仍然作为发电量的主体，其发电量占全类型发电量的60％以上。然而在传统火力发电厂的发电成本中煤矿花费所占份额最大，约占全部发电生产成本的75％以上，其占用电厂日常生产中的现金流资金巨大，所以对煤进行资源管理对于电力行业的生产实为重中之重。
[0003]电厂根据生产需求和现存煤量情况来制定相应的生产调度、采购和库存决策，不但可以有效地优化燃煤库存，避免资金积压，提高资金周转率，还可以从根本上解决亏吨、潜亏等燃料管理缺陷，实现企业的收支平衡。同时，在当前煤炭价格不断上涨、发电企业利润持续下降的形势下，大型燃煤电厂为了降低燃料成本、提高经济效益普遍采取掺烧经济煤种。及时盘存煤场各煤种存煤量，也为准确配煤作业提供实现的技术手段，同时为燃煤电厂科学合理地组织生产、经济调度、成本分析、经济效益评估提供重要依据。
[0004]自上世纪90年代起，很多高校、电厂及一些从业企展开对煤场储煤量的精确测量的研究，各研究机构根据不同的测量原理，研究开发出不同的盘煤系统，包括由脉冲超声测距传感器、数据采集仪和微机组成的自动测量系统；基于无棱镜的全站仪盘煤系统；由激光器和线阵CCD摄像机组成的光电探测系统；激光便携式盘煤系统等等，并在电力、钢铁、冶金等资源型企业的煤堆盘存中得到了广泛的应用，一定程度上解决了电厂存煤量的自动化盘存问题，但也普遍存在盘煤工作量大、测量误差大，盘存工作受天气、环境影响大、只能定期盘存，不能实时、动态反映煤场存煤和不同煤种状态等问题。
[0005]现存盘存煤矿的技术实现路径多种多样，其中以激光扫描测量技术和基于计算机视觉测量技术为主，其余还有基于超声波的测量技术和无人机倾斜摄影测量技术等。
[0006]激光扫描测量技术中，由于三维激光扫描仪价格昂贵，国内激光盘煤产品均使用了二维激光扫描仪，根据二维激光扫描仪的搭载平台不同，激光盘煤系统可以分为便携式激光盘煤系统、固定式激光盘煤系统和基于行走机器人的激光盘煤系统。如图1所示，各系统工作时用二维激光扫描仪对煤场表面进行断面扫描，获得煤场断面轮廓的二维坐标数据，最后与位移传感器或者角度传感器获得的位置信息相匹配，通过软件的一系列处理，获得被测目标的表面形态和三维坐标数据，再进行煤场储量计算、三维模型建立与展示最后得到煤场形态数据进而达到对煤的管理。
[0007]激光扫描盘煤技术发展成熟且应用广泛，但仍然受到各类限制，想要更加精确的盘煤，就需要用到大型的仪器设备。比如固定式激光盘煤系统，运用斗轮机进行扫描，这样相较于便携式的盘煤仪普遍存在盘煤工作量大、测量误差大，盘存工作受天气、环境影响大、只能定期盘存，不能实时、动态反映煤场存煤和不同煤种状态等问题，虽然提高了精确度和结果的收敛性，但是大大增加了盘煤所需的时间成本和设备运行检修的成本。
[0008]超声波盘煤的原理是通过超声波遇障碍返回的时间差，乘以超声波的传播速度得出距离的方法。由于超声波在测量过程中，时间的精确度不能很好地控制，会引起测量误差，尤其需要对大面积的点进行精确测量时，超声波测量无法达到应用要求。另外，超声波的传播速度也会根据不同的传输介质而产生变化，因此引起的不确定性将更大。煤场存在的粉尘也会对测量造成很大的影响。
[0009]无论是激光扫描盘煤还是倾斜摄影盘煤，无论是便携式盘煤、固定式盘煤还是无人机盘煤，他们都有各自的优点和缺点，也分别适用于不同的作业场合。但是现有的盘煤技术和产品时间成本及运维成本都无法与现在计算机视觉的方法相比较。
[0010]基于计算机视觉的测量技术则是通过激光测距仪打点测距，数码相机围绕整个煤场进行拍摄，由图像拼接拼成完整的煤场，从而完成图像采集的工作，再把采集到的煤场表面散乱坐标数据进行插值处理，然后通过图像拟合修正插值，最后完成煤场三维重建和体积计算。现存的计算机视觉测量技术主要还是基于视觉SLAM为主的三维重建工作，其技术实现路径如图2所示。
[0011]而三维重建工作对于盘煤而言，主要是通过运动恢复结构(Structure from Motion，SFM)即从不同角度获取的图像序列中解算出相机参数，恢复场景三维结构的过程，通常利用两视图或多视图像间特征匹配点的对极几何关系，恢复相机位置姿态信息和场景三维结构。相机位置姿态信息即相机外部参数，包括拍摄过程中的相机旋转角度和相机平移量。利用三维点云描述场景的三维结构，通过将一定数量的二维图像特征点映射到三维空间坐标系上，形成三维点云，实现场景三维结构恢复，二维平面到三维空间的映射关系由相机外部参数和相机内部参数构成的投影矩阵表示，其中，相机内部参数包括相机的焦距、像主点坐标以及像素大小等，相机的内部参数通过相机标定获得。传统的运动恢复结构算法的流程如图3所示，将二维图像特征点映射到三维空间坐标系上设计到一系列的坐标转换，但是归根结底是从像素坐标系到世界坐标系的转换，根据上述相机标定、特征点提取与匹配、对极几何原理分别得到相机内部参数矩阵、匹配点像素坐标、相机旋转矩阵和相机平移向量，利用这些参数可以恢复出相机投影矩阵，找到二维像素坐标点与三维空间坐标点的映射关系，解算出图像像素点对应的三维空间坐标，生成三维点云，恢复场景三维结构。
[0012]然而，通过计算机视觉测量技术进行盘煤，相比激光扫描测量技术和基于超声波的测量技术减少了设备建设成本和运营维护成本，但传统方法通过运动恢复结构的计算机方法对煤堆进行三维重建，仍然需要大量的准备工作，比如全局式运动恢复结构鲁棒性不足，旋转矩阵求解时L1范数对外点相对鲁棒，而摄像机位置求解时相对平移关系对匹配外点比较敏感；场景完整性，过滤外极几何边，可能丢失部分图像等等问题，或者需要标定系统外部参数来确定每场的空间信息，以及对初始图像对选择及摄像机的添加顺序敏感；场景漂移,大场景重建时的累计误差；效率不足,反复的捆绑调整需要大量的计算时间。这些问题都导致了现有的基于计算机视觉的技术不能实时地对煤堆进行监盘，因为监盘的时间成本被迫提高进而降低了电厂的盘煤效率。
[0013]综上可知，基于计算机视觉的测量技术由于图片采样过程中所需不同视点的图片过多而导致重建过程过于繁琐、所需目标特征点提取过于复杂，算法实现具有难度。但由于该技术设备花费成本较少，可更新性强，随着当代信息化技术日新月异仍然有很大的发展空间，因此解决计算机视觉测量技术中存在的问题以提高盘煤效率，是本申请需要解决的
问题。

技术实现思路

[0014]本申请提供了一种基于单幅煤场二维图像的煤堆体积校核方法，其技术目的是减少传统三维重建所需图片拍摄数量和时间，并在减少计算机处理时间的同时提升计算机盘煤的精确程度，提高煤场盘煤效率。
[0015]本申请的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0016]一种基于单幅煤场二维图像的煤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单幅煤场二维图像的煤堆体积校核方法，其特征在于，包括：S1：对煤堆的多批次单目照片进行获取，并对所述单目照片对应的煤堆体积数据进行获取；S2：根据所述单目照片和所述煤堆体积数据构建数据集，对所述数据集进行预处理后将其划分成训练集和测试集；S3：对煤堆体积校核模型的参数进行设定，然后通过训练集对煤堆体积校核模型进行训练，得到训练后的煤堆体积校核模型；S4：将测试集输入到训练后的煤堆体积校核模型进行测试，当训练后的煤堆体积校核模型输出的预测体积达到预设准确率时，得到最终煤堆体积校核模型；S5：通过最终煤堆体积校核模型对煤堆体积进行校核。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述数据集进行预处理包括对单目照片进行像素填充和对煤堆体积数据进行归一化处理；对单目照片进行像素填充，将单目图片的RGB矩阵扩充成三通道的230*180矩阵，表示为：其中，P
′
i
表示第i张单目图片经像素填充后的矩阵，p
HW
表示单目图片中各像素点值，且p
HW
∈[0,255]，H表示扩充前单目图片分辨率的横向总数，W表示扩充前单目图片分辨率的纵向总数...

【专利技术属性】
技术研发人员：程力，罗皓轩，李柯宜，张喻铭，李乐之，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：