Solución de cálculo de cantidades cuadradas SLAM100 y su aplicación práctica.

Como base y premisa de la construcción de ingeniería, el cálculo del volumen cúbico desempeña un papel importante en la construcción de ferrocarriles, carreteras, proyectos hidroeléctricos, puertos, planificación urbana y otros proyectos. El cálculo preciso de cantidades de yardas desempeña un papel importante en la asignación de recursos, la estimación de costos del proyecto, la aceleración del progreso del proyecto y es de gran importancia para mejorar la calidad de los proyectos. Los métodos tradicionales de medición de metros cuadrados se basan principalmente en métodos de medición de un solo punto, como estaciones totales y GNSS-RTK. Este método no solo consume mucho tiempo y mano de obra, sino que también tiene grandes errores entre los resultados del cálculo y la situación real. Con la promoción y popularización de la tecnología de escaneo láser 3D, los métodos de adquisición de datos de nube de puntos 3D han mostrado una tendencia de desarrollo rápido y diversificado. Sus características de adquisición rápida y eficiente de datos de nube de puntos de alta densidad y alta precisión en la superficie de acumulaciones proporcionan una base para el cálculo preciso de cantidades cúbicas.

Actualmente, los métodos de adquisición de datos utilizados para el cálculo volumétrico incluyen principalmente el levantamiento topográfico tradicional, la fotogrametría con drones, el escaneo láser estático, el escaneo LiDAR montado en drones y el escaneo LiDAR móvil en vehículos o mochilas. Cada método de recolección tiene sus propias ventajas y desventajas, y solo es aplicable al cálculo de cantidades cuadradas en un escenario determinado.

La localización y mapeo simultáneos (en adelante, SLAM) permite partir de una ubicación desconocida en un entorno desconocido, determinar la posición y la orientación del sistema mediante la observación repetida de las características del entorno durante el movimiento, y obtener datos espaciales tridimensionales a partir de dicha posición para construir un mapa incremental del entorno circundante. Esto permite lograr el posicionamiento y la construcción del mapa simultáneamente. SLAM no depende de GNSS y puede posicionarse y navegar de forma independiente. Es adecuado para obtener datos de nube de puntos tridimensionales de alta densidad de acumulaciones en diversos escenarios interiores y exteriores. Puede utilizarse con métodos de triangulación, cuadrícula, sección y otros métodos de cálculo de cuadrados para medir de forma rápida y precisa el volumen de la pila.

Almacenamiento de granos, despacho de granos e inspección de almacenes

En las labores de limpieza e inspección de almacenes de grano, es fundamental medir el volumen de grano de forma rápida y precisa. El método tradicional de cálculo del volumen se basa generalmente en la forma del apilamiento, midiendo la longitud, el ancho o el diámetro, y luego utilizando la fórmula de cálculo de volumen. Dado que la longitud se mide de forma aproximada, este método presenta numerosos problemas y un margen de error considerable en el volumen de grano almacenado. Ante el auge de la aplicación y el desarrollo de las tecnologías de la información en el sector granífero, la medición precisa del volumen de grano se ha convertido en un problema urgente que requiere solución.

El recolector puede obtener la nube de puntos continua y completa del montón de grano sosteniendo el SLAM100 y caminando alrededor del mismo. Esto permite inventariar el volumen de grano en almacenes interiores, crear un archivo de información visual tridimensional del montón, calcular con precisión el volumen de cada montón y mejorar eficazmente la eficiencia de la inspección de almacenamiento.

Inventario de volumen de desmonte de minas de carbón

En la minería, el cálculo del volumen de extracción de carbón es una tarea fundamental de la ingeniería minera. Dado que este volumen es crucial para el costo del proyecto y la selección del plan, y la precisión de su cálculo está directamente relacionada con los beneficios económicos de la empresa productora, es particularmente importante utilizar datos de medición in situ para calcular el volumen cuadrado de forma rápida, sencilla y precisa. Actualmente, muchas minas a cielo abierto aún utilizan puntos de medición reales GNSS-RTK y emplean el método de sección analítica manual y el método de triangulación DTM para calcular la cantidad de tierra y piedra extraídas. Si bien este método evita la pérdida de datos en pendientes, escalones, laderas pronunciadas, etc., lo que provoca inconsistencias entre la medición real y el terreno, el cálculo del volumen de extracción de carbón es un trabajo periódico y repetitivo. Con la continua expansión del volumen y los sitios de extracción, a menudo ocurre que el fondo de la mina no se puede fijar mediante GNSS-RTK, lo que impide garantizar la eficiencia y la precisión de los datos medidos, lo que a su vez afecta la precisión del cálculo de la cantidad de extracción y, en última instancia, la eficiencia de la empresa productora.

La tecnología SLAM puede aprovechar al máximo sus características de posicionamiento y navegación autónomos en los escenarios mencionados, y, combinada con sus ventajas de adquisición rápida y precisa de datos de nube de puntos, puede lograr una visualización tridimensional del volumen de extracción de la pila de carbón y calcular con precisión dicho volumen.

Cálculo de movimientos de tierra para proyectos de paisajismo

Los proyectos de paisajismo ocupan un lugar muy importante en la planificación de la construcción de jardines urbanos y desempeñan un papel fundamental en la mejora del paisaje general del jardín y la estandarización de la distribución espacial. La renovación integral del paisaje requiere un plan de construcción científico y razonable basado en la situación real de la región, y la precisión de los cálculos de movimiento de tierras tiene un gran impacto en la racionalidad del plan de construcción. Los métodos de cálculo de movimiento de tierras más utilizados actualmente incluyen:

① Estimación de la construcción de movimiento de tierras: evalúa directamente la cantidad de movimiento de tierras necesaria para la construcción en función de las condiciones reales de construcción del terreno y proporciona un apoyo importante para la construcción provisional de todo el proyecto.

② Cálculo mediante fórmula geométrica de las cifras de movimiento de tierras, considerando la cantidad de movimiento de tierras requerida para la construcción del proyecto como un patrón geométrico, y aplicando fórmulas de cálculo geométrico científicas para evaluar la cantidad de movimiento de tierras.

③ Método de cálculo de secciones de movimiento de tierras: Calcular el movimiento de tierras a partir de los datos de sección recopilados por GNSS-RTK. Este método es generalmente adecuado para el cálculo de volúmenes de movimiento de tierras estrechos y largos.

④ Método de cálculo de la altura de la Tierra: Obtener la sección a lo largo de la dirección del contorno de la Tierra y establecer las distancias de contorno correspondientes para las secciones adyacentes.

Entre ellos, los métodos ① y ② estiman la cantidad de movimiento de tierras basándose en la experiencia, mientras que los métodos ③ y ④ la calculan a partir de mediciones reales en el terreno. Independientemente del método de cálculo utilizado, existe una gran desviación. Además, la abundante vegetación en el jardín, las malas condiciones de visibilidad y la fuerte interferencia de la señal GNSS dificultan las mediciones en el terreno.

La tecnología SLAM no se ve limitada por las condiciones de visibilidad ni por las señales GNSS en los cálculos de movimiento de tierras para proyectos de paisajismo. El personal de recolección puede obtener fácilmente datos de nube de puntos en el área de reconstrucción a través del bosque. Tras la corrección, la reducción de ruido y la clasificación de la nube de puntos, se obtienen los puntos del terreno. Combinado con el modelo digital del terreno (MDT), el método de triangulación calcula con precisión la cantidad de movimiento de tierras.

En los proyectos de recuperación de terrenos marinos, la arena y la grava son los principales materiales de construcción y el componente principal del costo de construcción. Por lo tanto, si se pueden medir con precisión los materiales de arena y grava afecta directamente la rentabilidad del proyecto. Sin embargo, la medición manual tradicional se ve afectada por los instrumentos de medición, los factores humanos y los métodos de cálculo, y el error es relativamente grande. Cómo medir con precisión las dimensiones de los buques de arena es un problema que necesita solución urgente. El método de cálculo existente es usar un escáner estático para escanear el montón de arena y luego calcular el volumen de arena y grava después del empalme y adelgazamiento. Este método tiene resultados de cálculo de volumen precisos, pero tiene los siguientes dos inconvenientes: ① La eficiencia de adquisición de datos es relativamente baja. Baja; ② Debido a la vibración del buque en el agua, el escáner estático es inestable, lo que afecta la recopilación de datos de nube de puntos.

La tecnología SLAM no se ve afectada por las vibraciones del casco del barco. Cuando el buque portacontenedores de arena está vacío y completamente cargado, se puede utilizar SLAM100 para recorrer la cabina durante una semana y obtener los datos de la nube de puntos en ambas fases. La cantidad de arena transportada en cada fase se calcula comparando las diferencias entre los modelos de nube de puntos.

Cálculo de movimientos de tierra para ingeniería de nivelación de terrenos

El proyecto de nivelación del terreno consiste en transformar la topografía original del sitio según las necesidades de construcción, utilizando los resultados del levantamiento topográfico para calcular con precisión el volumen de movimiento de tierras, equilibrando la cantidad de relleno y excavación, y seleccionando racionalmente la mano de obra y la maquinaria. Este proyecto constituye una base sólida para controlar el plan y el progreso de la construcción. Es fundamental para el control del costo y la inversión del proyecto, y está relacionado con todos los aspectos de la construcción. Debido a las limitaciones de los métodos de medición tradicionales para la recopilación de datos de campo, se producen grandes errores en el cálculo del volumen de movimiento de tierras en los proyectos de nivelación, independientemente del método utilizado. Por lo tanto, es crucial obtener datos de alta precisión para mejorar la exactitud durante el proceso de construcción y generar mayores beneficios económicos.

El operador sostiene el SLAM100 y escanea el sitio para obtener rápidamente la nube de puntos. Al mismo tiempo, el método de medición activa sin contacto del lidar resuelve el problema de la difícil adquisición de datos en lugares como pendientes, escaleras de plataformas, etc., de difícil acceso para las personas, logrando así una representación tridimensional real del sitio. Tras el re-grabado, la industria de interiores puede obtener los puntos del terreno mediante la conversión y clasificación de coordenadas. De acuerdo con las características del terreno, se puede seleccionar el método de cálculo de movimiento de tierras más adecuado para determinar el equilibrio entre relleno y excavación.

Software de soporte

SLAM GO es una aplicación móvil que se utiliza junto con SLAM100. La aplicación se puede conectar al dispositivo SLAM100 a través de un teléfono móvil para la gestión de proyectos, la visualización en tiempo real de la nube de puntos del rompecabezas, la vista previa de imágenes, la actualización del firmware y otras operaciones.

SLAM GO POST Pro es un software para PC compatible con SLAM100 e integrado en Drone Manager Professional Edition. Este software permite el posprocesamiento de los datos recopilados por SLAM100, la generación de nubes de puntos en color de alta precisión y alta definición, así como panoramas parciales, y la exploración y optimización de nubes de puntos.

Intelligent Point Cloud cuenta con funciones básicas como la exploración, la representación, la reducción de ruido, el remuestreo, la eliminación de redundancias y la coloración de datos de nube de puntos. Además, ofrece funciones rápidas de filtrado y clasificación automáticas, así como herramientas de edición de datos interactivas, prácticas y versátiles.

CloudCompare es un software comercial gratuito que utiliza el método de cuadrícula para calcular el movimiento de tierras a partir de datos de nube de puntos. El tamaño de la cuadrícula se puede configurar y permite calcular la variación del movimiento de tierras entre dos periodos de la nube de puntos, así como la variación entre un periodo de la nube de puntos y una elevación específica.

Cálculo de movimiento de tierras de CloudCompare

1) Inspección in situ

Visualice in situ la descripción general del área de estudio, comprenda las rutas y la distribución de las características del área de estudio, así como la conectividad de las distintas carreteras, salidas y pasajes para facilitar la planificación posterior de las rutas de escaneo.

2) Disposición de los puntos de control

Algunos proyectos requieren que los datos de la nube de puntos estén en un sistema de coordenadas absoluto. Se puede utilizar GNSS-RTK o una estación total para medir las coordenadas de los puntos de control y, posteriormente, extraerlos automáticamente y convertirlos a coordenadas. Si no se requieren datos de nube de puntos, este paso no es necesario.

3) Planificación de rutas

Planificar las rutas de escaneo

Basándose en la situación topográfica y la distribución de los puntos de control, planifique racionalmente la ruta de escaneo. La línea de escaneo ideal es el escaneo en bucle cerrado. Para realizarlo, simplemente regrese a un punto previamente escaneado y el software identificará automáticamente el área superpuesta. Este paso se utiliza para calcular y corregir cualquier error de desfase o seguimiento, de forma similar al proceso de nivelación. Si no es posible realizar un bucle cerrado debido a restricciones, el software de posprocesamiento y cálculo SLAM GO POST Pro, incluido en SLAM100, garantiza la calidad de los datos de la nube de puntos.

Recopilación de datos

El recolector sostiene el SLAM100 y recopila datos de nube de puntos según la ruta planificada. Al acercarse al punto de control, el centro de la base del SLAM100 coincide con dicho punto y permanece inmóvil durante 10 segundos. Durante el escaneo, se visualiza el efecto de la composición de la nube de puntos en tiempo real mediante SLAM GO. Si falta algún punto, se corrige a tiempo para garantizar la integridad de los datos de la nube de puntos.

Visualización en tiempo real de SLAM GO

Utilice SLAM GO POST Pro para el posprocesamiento con un solo clic de datos sin procesar y así generar datos de nube de puntos de alta precisión, nubes de puntos en color, panoramas parciales y otros resultados.

Efecto de nube de puntos local

efecto de panorama parcial

2) Conversión de coordenadas

SLAM GO POST Pro adopta un método automatizado para extraer puntos de control y se basa en algoritmos para extraer las posiciones de los puntos de control a partir de nubes de puntos para la conversión de coordenadas, evitando así los errores causados ​​por la adición manual de puntos de control.

3) Verificación de exactitud

Importe la nube de puntos a la nube de puntos inteligente y utilice la herramienta [Verificación de precisión] para comprobar la exactitud de la nube de puntos convertida. Si el error entre la nube de puntos y el punto de verificación cumple con los requisitos de precisión, se pueden realizar los cálculos de volumen cuadrado posteriores.

Clasificación de nubes de puntos

El objetivo de la clasificación de nubes de puntos es extraer con precisión los puntos del terreno. Este paso es crucial, ya que determina la exactitud del cálculo de la cantidad de puntos cuadrados. El colector sostiene el SLAM100 para adquirir datos a corta distancia, lo que resulta en una buena penetración de la nube de puntos. Gracias al algoritmo de clasificación automática de puntos del terreno en la nube de puntos inteligente, los puntos del terreno se pueden separar de forma rápida y precisa.

punto de tierra

Cálculo de cantidad cuadrada

El software CloudCompare se utiliza para calcular cantidades cuadradas, y la configuración de parámetros como el tamaño de la cuadrícula, la superficie de referencia y la altura de la cuadrícula se determinan en función de los puntos del terreno clasificados, y se muestran los resultados de la cantidad cuadrada.

Resultados del cálculo de movimientos de tierra

Esta solución aplica con éxito SLAM100 en el cálculo de la cantidad de metros cuadrados. SLAM100 se utiliza para obtener completamente los datos de la nube de puntos del área de estudio. Los puntos del terreno se obtienen después de la conversión de coordenadas y la clasificación de la nube de puntos. En combinación con software de terceros, la cantidad de metros cuadrados se calcula con precisión a partir de la nube de puntos del terreno, lo que puede utilizarse posteriormente para proporcionar datos de apoyo para la construcción de renovaciones. El programa presenta las siguientes características:

1) Innova la forma de obtener datos de medición y se basa en la navegación y el posicionamiento autónomos para construir mapas incrementales de alta precisión en un entorno sin GNSS;

2) Supera las limitaciones y deficiencias de los métodos de medición tradicionales para obtener un único punto, resuelve el problema de los frecuentes cambios de estación y el empalme de nubes de puntos de los escáneres estáticos, y mejora la eficiencia de las operaciones internas y externas;

3) El método de recolección portátil garantiza la penetración de datos, y el software de soporte SLAM GO garantiza que no haya puntos ciegos en el campo para escanear y garantiza la integridad de la nube de puntos;

4) La precisión relativa del algoritmo de posprocesamiento SLAM de grado industrial para la resolución de nubes de puntos es superior a ±2 cm, y la precisión absoluta es superior a ±5 cm, lo que garantiza la exactitud de los resultados del cálculo de movimientos de tierra;

5) La nube de puntos inteligente extrae automáticamente los puntos del terreno con alta precisión, lo que reduce la pesada carga de trabajo de clasificación manual y mejora la eficiencia interna;

6) CloudCompare utiliza el método de cuadrícula para calcular la cantidad de movimiento de tierras en una fase y en múltiples fases basándose en la nube de puntos del terreno. El software tiene una amplia gama de aplicaciones, gran capacidad de almacenamiento de datos, funcionamiento sencillo, alta precisión y velocidad de cálculo rápida;

7) Soluciones integradas de software y hardware, conexión perfecta de los resultados de los datos, adecuadas para el cálculo de volumen en diversos escenarios.

Renovación y ampliación del parque

Para aumentar la superficie de vegetación en un parque, es necesario planificar y reconstruir el terreno existente, y calcular con precisión el volumen de movimiento de tierras del área reconstruida para proporcionar datos de apoyo para la construcción. El área de reconstrucción se ubica en la zona central del parque y abarca aproximadamente 1500 m². El terreno es llano y la vegetación es abundante. La señal GNSS está muy bloqueada, lo que reduce considerablemente la visibilidad.

Ubicación y descripción general del área de reconstrucción.

Los recolectores obtienen datos in situ, lo que no solo resuelve el problema de la imposibilidad de realizar mediciones con métodos convencionales debido a fuerza mayor (obstrucción por vegetación, etc.), sino que también evita las molestias causadas por los frecuentes cambios de estación de los escáneres estáticos, el empalme de nubes de puntos, etc., mejorando así la eficiencia operativa. Durante el proceso de escaneo, utilice SLAM GO para visualizar el efecto del empalme de nubes de puntos en tiempo real. Si faltan puntos, escanéelos a tiempo para garantizar que los datos de la nube de puntos estén completos. El escaneo de campo tarda 10 minutos.

Recopilación de datos de campo (izquierda), datos originales de la nube de puntos (derecha)

Los datos originales se importan a SLAM GO POST Pro para su procesamiento posterior y la generación de un mapa de nube de puntos de alta precisión. Tras la clasificación de la nube de puntos, se utiliza CloudCompare para calcular el volumen. El procesamiento interno tardó 1,5 horas. Según la situación real en obra, se descartó el volumen de relleno de 85 m³ y el volumen de excavación fue de 2898,107 m³.

Renderizado de puntos de tierra y mallas triangulares

Resultados del cálculo de movimientos de tierra

Un granero necesita revisar periódicamente el grano restante en el almacén. La señal GPS no se recibe dentro del almacén y el radar LiDAR aerotransportado no puede obtener datos. La altura de la pila de grano es de aproximadamente 4-5 m, y el escáner estático no puede obtener datos en la parte superior. Se recorre la pila de grano con un SLAM100 portátil y se utiliza la varilla de extensión para obtener una nube de puntos tridimensional completa. Debido a los diferentes tamaños de los almacenes de grano, el escaneo de un solo almacén tarda entre 5 y 7 minutos.

Tras eliminar el ruido y recortar las nubes de puntos de la pila de grano, estas se separan individualmente. No hay nubes de puntos superpuestas en la superficie de la pila de grano, por lo que el almacenamiento se puede calcular directamente. El volumen de almacenamiento de grano de uno de los silos es de 3400 m³. El inventario de las reservas de un depósito de grano tarda entre 25 y 30 minutos, dependiendo de su tamaño y distribución interna.

Sitio de escaneo de pilas de grano SLAM100

Nube de puntos de Liangdui

Cálculo de la pila de grano

Durante el proceso de construcción en una obra, se generó una gran cantidad de residuos de construcción, y ahora es necesario determinar su volumen para formular un plan de limpieza. Los residuos cubren un área de aproximadamente 1400 metros cuadrados y tienen una forma extremadamente irregular. Si se utiliza un escáner estático, se necesita configurarlo de 12 a 14 veces para completar el escaneo. Los técnicos de Pegasus sostuvieron el SLAM100 y escanearon a lo largo del perímetro y la parte superior de los residuos de construcción una sola vez para obtener datos continuos de la pila, eliminando la necesidad de empalme posterior. Los trabajadores de campo tardaron 9 minutos y el personal interno 1,2 horas en eliminar el ruido y recortar los datos de la nube de puntos. Después de la clasificación y otras operaciones, el volumen de la pila formada por los residuos de construcción y el suelo se calcula en 2704,506 m³.

escombros de construcción

Imagen de nube de puntos de residuos de construcción

Resultados del cálculo de volumen