Solution de calcul de la quantité carrée SLAM100 et son application concrète

Le calcul des volumes, fondement et condition préalable à toute construction d'ouvrages de génie civil, joue un rôle essentiel dans la construction de voies ferrées, d'autoroutes, de centrales hydroélectriques, de ports, dans l'aménagement urbain et dans d'autres projets. Un calcul précis des volumes est crucial pour l'allocation des ressources, l'estimation des coûts, l'accélération du déroulement des projets et l'amélioration de leur qualité. Les méthodes traditionnelles de mesure des volumes reposent principalement sur des mesures ponctuelles, telles que les stations totales et le GNSS-RTK. Ces méthodes sont non seulement chronophages et laborieuses, mais elles présentent également des écarts importants entre les résultats de calcul et la réalité. Avec la promotion et la popularisation de la technologie de numérisation laser 3D, les méthodes d'acquisition de données de nuages ​​de points 3D connaissent un développement rapide et diversifié. L'acquisition rapide et efficace de données de nuages ​​de points haute densité et haute précision à la surface des ouvrages offre de nouvelles perspectives pour le calcul précis des volumes.

Actuellement, les méthodes d'acquisition de données utilisées pour le calcul volumétrique comprennent principalement les levés topographiques traditionnels, la photogrammétrie par drone, la numérisation laser statique, la numérisation LiDAR embarquée sur drone et la numérisation LiDAR mobile (véhicule ou sac à dos). Chaque méthode présente ses propres avantages et inconvénients et n'est applicable au calcul de volumes que dans certains cas précis.

La localisation et la cartographie simultanées (SLAM) permettent, depuis un point inconnu dans un environnement inconnu, de déterminer sa position et son orientation grâce à l'observation répétée des caractéristiques environnementales lors de ses déplacements, puis d'obtenir des données spatiales tridimensionnelles à partir de cette position afin de construire une carte progressive de l'environnement. La SLAM permet ainsi un positionnement et une cartographie simultanés. Indépendante du GNSS, elle peut se positionner et naviguer de manière autonome. Elle est particulièrement adaptée à l'acquisition de nuages ​​de points tridimensionnels haute densité d'accumulations dans divers environnements intérieurs et extérieurs. Elle peut être utilisée avec des méthodes de triangulation, de grille, de sectionnement et autres méthodes de calcul de volumes pour mesurer rapidement et précisément le volume d'un amas.

Stockage des céréales, déstockage des céréales et inspection des entrepôts

Lors des opérations de dédouanement et d'inspection des entrepôts de céréales, le volume des grains doit être mesuré rapidement et avec précision. La méthode traditionnelle de calcul du volume des grains repose généralement sur la forme de l'amas, en mesurant sa longueur, sa largeur ou son diamètre, puis en appliquant une formule de calcul. Cependant, la mesure approximative de la longueur engendre de nombreuses erreurs importantes dans l'estimation du volume. Alors que le pays promeut l'application et le développement des technologies de l'information dans le secteur céréalier, la mesure précise du volume des grains constitue un enjeu crucial.

En tenant le SLAM100 et en se déplaçant autour du tas de grains, le collecteur peut obtenir un nuage de points continu et complet. Ces données permettent d'inventorier le volume de grains dans les entrepôts couverts, de créer un fichier d'information visuelle tridimensionnelle du tas, de calculer précisément le volume de chaque tas et d'améliorer ainsi l'efficacité des inspections de stockage.

Inventaire des volumes de décapage des mines de charbon

Dans le secteur minier, le calcul du volume de charbon à extraire est une tâche fondamentale du génie minier. Ce volume étant crucial pour le coût du projet et le choix du plan d'exploitation, et la précision de son calcul étant directement liée à la rentabilité de l'entreprise, il est primordial d'utiliser des données de mesure in situ pour calculer rapidement, simplement et précisément le volume. Actuellement, de nombreuses mines à ciel ouvert utilisent encore des points de mesure GNSS-RTK et la méthode des sections analytiques manuelles ainsi que la méthode de triangulation du MNT pour calculer les volumes de terre et de pierres extraits. Bien que cette méthode permette d'éviter la perte de données sur les pentes, les gradins, les terrains accidentés, etc., évitant ainsi les écarts entre les mesures réelles et le terrain, le calcul du volume de charbon à extraire demeure une tâche périodique et répétitive. Avec l'expansion continue du volume et du nombre de sites miniers, il arrive souvent que le fond de la fosse ne puisse être fixé, ce qui empêche de garantir l'efficacité et la précision des données mesurées, affectant ainsi la précision du calcul de la quantité extraite et, en fin de compte, l'efficacité de l'entreprise de production.

La technologie SLAM peut pleinement exploiter ses caractéristiques de positionnement et de navigation autonomes dans les scénarios ci-dessus et, combinée à ses avantages d'acquisition rapide et précise de données de nuage de points, elle peut réaliser un affichage visuel tridimensionnel du volume de décapage du tas de charbon et calculer avec précision le volume.

Calcul des travaux de terrassement pour les projets d'aménagement paysager

Les projets d'aménagement paysager occupent une place prépondérante dans la planification de la construction de jardins urbains et contribuent grandement à l'amélioration du paysage global et à l'harmonisation de l'agencement spatial. La rénovation paysagère complète exige un plan de construction scientifique et rationnel, adapté aux spécificités du site. La précision des calculs de terrassement a un impact majeur sur la pertinence du projet. Les principales méthodes de calcul de terrassement actuellement utilisées sont les suivantes :

① Estimation des travaux de terrassement : évaluation directe du volume de terrassement nécessaire à la construction en fonction des conditions réelles du terrain, et soutien important pour la construction provisoire de l'ensemble du projet.

② Calcul géométrique des volumes de terrassement, en considérant le volume de terrassement nécessaire à la construction du projet comme un motif géométrique, et en appliquant des formules de calcul géométrique scientifique pour évaluer ce volume.

③ Méthode de calcul des sections de terrassement : Calculer le terrassement à partir des données de section collectées par GNSS-RTK. Cette méthode est généralement adaptée au calcul des volumes de terrassement étroits et longs.

④Méthode de calcul de la hauteur du sol : Obtenir la section le long de la direction du contour du sol et définir les distances de contour correspondantes pour les sections adjacentes.

Parmi ces méthodes, les méthodes ① et ② consistent à estimer le volume de terrassement empiriquement, tandis que les méthodes ③ et ④ le calculent à partir de mesures effectuées sur le terrain. Quelle que soit la méthode de calcul utilisée, l'écart est important. Par ailleurs, la végétation dense du jardin, la faible visibilité et le fort brouillage du signal GNSS compliquent les mesures sur le terrain.

La technologie SLAM n'est pas limitée par les conditions de visibilité ni par les signaux GNSS pour le calcul des terrassements dans le cadre de projets d'aménagement paysager. Les équipes de collecte peuvent facilement obtenir des données de nuage de points dans la zone de reconstruction, même en forêt. Après correction, débruitage et classification du nuage de points, on obtient les points au sol. Combinée au MNT, la méthode de triangulation permet de calculer avec précision le volume de terrassement.

Dans les projets de remblaiement maritime, le sable et le gravier constituent les principaux matériaux de construction et représentent la part la plus importante du coût des travaux. Par conséquent, la précision de leur mesure influe directement sur la rentabilité du projet. Or, les méthodes de mesure manuelles traditionnelles sont sujettes à des variations dues aux instruments utilisés, à l'intervention humaine et aux méthodes de calcul, ce qui engendre des erreurs relativement importantes. La mesure précise des dimensions des tas de sable est donc un problème urgent à résoudre. La méthode de calcul actuelle consiste à utiliser un scanner statique pour numériser le tas de sable, puis à calculer le volume de sable et de gravier après ragréage et amincissement. Bien que cette méthode fournisse des résultats précis, elle présente deux inconvénients majeurs : ① Son efficacité d'acquisition de données est relativement faible ; ② Les mouvements du navire dans l'eau rendent le scanner statique instable, ce qui affecte la collecte des données du nuage de points.

La technologie SLAM n'est pas affectée par les vibrations de la coque du navire. Lorsqu'un porte-conteneurs transportant du sable est vide ou plein, le SLAM100 permet de parcourir la cabine pendant une semaine afin d'obtenir des nuages ​​de points dans les deux états. Les équipes du secteur ont ensuite calculé la quantité de sable transportée lors de ces deux phases, en comparant les différences entre les modèles de nuages ​​de points.

Calcul des travaux de terrassement pour le nivellement de site

Le projet de nivellement consiste à transformer le relief initial du site du projet en fonction des besoins de la construction. Il s'appuie sur les résultats de levés topographiques pour calculer précisément le volume de terrassement, puis équilibrer les travaux de remblayage et d'excavation, et enfin sélectionner judicieusement la main-d'œuvre et les engins de chantier. Le nivellement constitue une base fiable pour le contrôle du plan et de l'avancement des travaux. Il est essentiel pour maîtriser les coûts et l'investissement du projet et influe sur tous les aspects de sa construction. En raison des limites des méthodes de mesure traditionnelles pour la collecte de données de terrain, le calcul du volume de terrassement pour les projets de nivellement présente d'importantes marges d'erreur, quelle que soit la méthode utilisée. Il est donc primordial d'obtenir des données de haute précision afin d'améliorer la précision des travaux et d'optimiser les coûts.

Le collecteur, équipé du SLAM100, effectue un balayage du site pour obtenir rapidement un nuage de points. La méthode de mesure active sans contact du lidar résout les problèmes d'acquisition de données dans des endroits difficiles d'accès, tels que les pentes et les escaliers, et permet d'obtenir une représentation tridimensionnelle fidèle du site. Après numérisation, les professionnels du bâtiment peuvent obtenir les points au sol du site par conversion et classification des coordonnées. En fonction des caractéristiques du terrain, la méthode de calcul des terrassements est ensuite choisie de manière optimale afin de déterminer l'équilibre entre remblai et excavation.

Logiciel de support

SLAM GO est une application mobile utilisée avec SLAM100. L'application peut être connectée à l'appareil SLAM100 via un téléphone mobile pour la gestion de projets, l'affichage en temps réel du nuage de points, la prévisualisation d'images, la mise à jour du firmware et d'autres opérations.

SLAM GO POST Pro est un logiciel PC compatible avec SLAM100 et intégré à Drone Manager Professional Edition. Il permet le post-traitement des données collectées par SLAM100, la production de nuages ​​de points couleur haute définition et haute précision, ainsi que de panoramas partiels. Il offre également des fonctionnalités de navigation et d'optimisation des nuages ​​de points.

Intelligent Point Cloud propose des fonctions de base telles que la navigation, le rendu, le débruitage, le rééchantillonnage, la suppression des redondances et la coloration des données de nuage de points. Il offre également des fonctions de filtrage et de classification automatiques rapides, ainsi que des outils d'édition de données interactifs, pratiques et variés.

CloudCompare est un logiciel commercial gratuit qui utilise la méthode de la grille pour calculer les travaux de terrassement à partir de données de nuages ​​de points. La taille de la grille est paramétrable et le logiciel permet de calculer la variation des travaux de terrassement entre deux périodes d'acquisition de données, ainsi que la variation des travaux de terrassement sur une période donnée, jusqu'à une altitude spécifiée.

Calcul des travaux de terrassement avec CloudCompare

1) Inspection sur place

Visualisez sur place la vue d'ensemble de la zone d'étude, comprenez les itinéraires et la répartition des éléments de la zone, ainsi que la connectivité des différentes routes, sorties et passages afin de faciliter la planification ultérieure des itinéraires de numérisation.

2) Disposition des points de contrôle

Certains projets exigent que les données du nuage de points soient exprimées dans un système de coordonnées absolues. Un système GNSS-RTK ou une station totale peuvent être utilisés pour mesurer les coordonnées des points de contrôle, en vue de leur extraction automatique et de leur conversion de coordonnées. Si les données du nuage de points ne sont pas requises, cette étape est inutile.

3) Planification d'itinéraire

Planifier les itinéraires de numérisation

En vous basant sur la situation topographique et la répartition des points de contrôle, planifiez rationnellement le parcours de balayage. Le balayage idéal est le balayage en boucle fermée. Pour ce faire, il suffit de revenir à un point déjà scanné : le logiciel identifiera automatiquement la zone de recouvrement. Cette étape permet de calculer et de corriger les erreurs de décalage ou de suivi, à l’instar du nivellement. Si la formation d’une boucle fermée est impossible en raison de contraintes, le logiciel de post-traitement et de calcul SLAM GO POST Pro, fourni avec le SLAM100, garantit la qualité des données du nuage de points.

Collection de données

Le collecteur tient le SLAM100 et collecte les données du nuage de points selon l'itinéraire prévu. À proximité du point de contrôle, le centre de gravité de la base du SLAM100 coïncide avec ce point et le collecteur s'en éloigne pendant 10 secondes. Durant la numérisation, l'assemblage du nuage de points est visualisé en temps réel via SLAM GO. En cas de points manquants, ceux-ci sont corrigés rapidement afin de garantir l'intégrité des données.

Affichage en temps réel SLAM GO

Utilisez SLAM GO POST Pro pour un post-traitement en un clic des données brutes afin de produire des nuages ​​de points de haute précision, des nuages ​​de points couleur, des panoramas partiels et d'autres résultats.

effet de nuage de points local

effet de panorama partiel

2) Conversion de coordonnées

SLAM GO POST Pro adopte une méthode automatisée d'extraction des points de contrôle et s'appuie sur des algorithmes pour extraire les positions des points de contrôle à partir de nuages ​​de points en vue de la conversion des coordonnées afin d'éviter les erreurs causées par l'ajout manuel de points de contrôle.

3) Vérification de l'exactitude

Importez le nuage de points dans le nuage de points intelligent, puis utilisez l'outil [Vérification de la précision] pour contrôler la précision du nuage de points converti. Si l'écart entre le nuage de points et le point de contrôle est acceptable, vous pouvez procéder aux calculs de volume carré.

classification des nuages ​​de points

La classification des nuages ​​de points vise à extraire avec précision les points au sol. Cette étape est cruciale car elle détermine la précision du calcul de la surface. Le collecteur, équipé du SLAM100, acquiert des données à courte portée, assurant une bonne pénétration du nuage de points. Combiné à l'algorithme de classification automatique des points au sol, ce procédé permet une séparation rapide et précise de ces points.

point au sol

Calcul de la quantité carrée

Le logiciel CloudCompare est utilisé pour calculer les quantités carrées, et les paramètres tels que la taille de la grille, la surface de référence et la hauteur de la grille sont déterminés en fonction des points au sol classifiés, et les résultats de la quantité carrée sont affichés.

résultats du calcul des travaux de terrassement

Cette solution applique avec succès SLAM100 au calcul de la surface habitable. SLAM100 est utilisé pour obtenir l'intégralité du nuage de points de la zone étudiée. Les points au sol sont obtenus après conversion de coordonnées et classification du nuage de points. Combiné à un logiciel tiers, le calcul précis de la surface habitable à partir du nuage de points au sol permet de fournir des données utiles pour les travaux de rénovation. Le programme présente les caractéristiques suivantes :

1) Innove dans la manière d’obtenir des données de mesure et s’appuie sur la navigation et le positionnement autonomes pour construire des cartes incrémentales de haute précision dans un environnement sans GNSS ;

2) Elle surmonte les contraintes et les lacunes des méthodes de mesure traditionnelles pour obtenir un point unique, résout le problème des changements fréquents de station et de l'assemblage de nuages ​​de points des scanners statiques, et améliore l'efficacité des opérations internes et externes ;

3) La méthode de collecte manuelle assure la pénétration des données, et le logiciel de support SLAM GO garantit l'absence de zones d'ombre sur le terrain à scanner et assure l'intégrité du nuage de points ;

4) La précision relative de l'algorithme de post-traitement SLAM de qualité industrielle dans la résolution des nuages ​​de points est meilleure que ±2 cm et la précision absolue est meilleure que ±5 cm, assurant ainsi la précision des résultats de calcul des travaux de terrassement ;

5) Le nuage de points intelligent extrait automatiquement les points au sol avec une grande précision, réduisant ainsi la charge de travail importante liée à la classification manuelle et améliorant l'efficacité interne ;

6) CloudCompare utilise la méthode de grille pour calculer la quantité de terrassement en une ou plusieurs phases à partir d'un nuage de points au sol. Le logiciel possède un large éventail d'applications, une grande capacité de traitement des données, une utilisation simple, une haute précision et une vitesse de calcul rapide ;

7) Solutions logicielles et matérielles intégrées, connexion transparente des résultats de données, adaptées au calcul de volume dans divers scénarios.

Rénovation et agrandissement du parc

Afin d'accroître la surface végétalisée d'un parc, il est nécessaire de planifier et de réaménager le site existant, et de calculer précisément le volume de terrassement du site réaménagé afin de fournir les données nécessaires à la construction. La zone à réaménager se situe au centre du parc et couvre une superficie d'environ 1 500 m². Le terrain est plat et la végétation y est dense. Le signal GNSS y est fortement perturbé, réduisant considérablement la visibilité.

Localisation et aperçu de la zone de reconstruction

Les collecteurs recueillent des données sur le terrain, ce qui résout non seulement le problème de l'impossibilité de réaliser des mesures avec les méthodes de mesure conventionnelles en raison de cas de force majeure (obstruction par la végétation, etc.), mais évite également les désagréments liés aux changements fréquents de position des scanners statiques, à l'assemblage des nuages ​​de points, etc., améliorant ainsi l'efficacité opérationnelle. Pendant la numérisation, utilisez SLAM GO pour visualiser en temps réel l'assemblage des nuages ​​de points. Si des points sont manquants, numérisez-les rapidement afin de garantir l'intégralité des données du nuage de points. La numérisation sur le terrain dure 10 minutes.

Collecte des données sur le terrain (à gauche), données du nuage de points original (à droite)

Les données originales sont importées dans SLAM GO POST Pro pour post-traitement afin de générer une carte de nuage de points de haute précision. Après la classification du nuage de points, CloudCompare est utilisé pour calculer le volume. Le traitement interne a duré 1,5 heure. Compte tenu de la situation réelle sur le site, le volume de remblai de 85 m³ a été négligé, et le volume d'excavation s'élève à 2 898,107 m³.

rendu de maillage de points au sol et de triangles

résultats du calcul des travaux de terrassement

Un entrepôt de grains nécessite un contrôle régulier de son niveau de stock. Le signal GPS étant indisponible à l'intérieur, l'utilisation d'un radar Lidar aéroporté est impossible. La hauteur des tas de grains étant d'environ 4 à 5 mètres, un scanner statique ne permet pas d'atteindre leur sommet. Un SLAM100 portatif, déployé sur le pourtour du tas et équipé d'une rallonge, permet d'obtenir un nuage de points tridimensionnel complet. La numérisation d'un seul entrepôt prenant entre 5 et 7 minutes, compte tenu de sa taille variable, le processus est particulièrement long.

Après débruitage et recadrage, les nuages ​​de points des tas de grains sont séparés. La surface des tas est exempte de nuages ​​de points parasites, ce qui permet de calculer directement le volume de stockage. Le volume de stockage d'un silo à grains est de 3 400 m³. L'inventaire des réserves d'un dépôt de grains prend environ 25 à 30 minutes, selon sa taille et l'agencement de son espace intérieur.

Site de numérisation des tas de céréales SLAM100

nuage de points de Liangdui

calcul du tas de grains

Une grande quantité de déchets de construction a été générée lors de travaux sur un chantier. Il est désormais nécessaire d'en déterminer le volume afin d'établir un plan de dépollution. Ces déchets couvrent une superficie d'environ 1 400 mètres carrés et présentent une forme extrêmement irrégulière. L'utilisation d'un scanner statique nécessiterait 12 à 14 déploiements pour un scan complet. Les techniciens de Pegasus ont utilisé le SLAM100 pour scanner le pourtour et le sommet du tas de déchets en une seule opération, obtenant ainsi des données continues et évitant tout assemblage ultérieur. Le traitement des données (débruitage, découpage, classification, etc.) a pris 9 minutes sur le terrain et 1,2 heure en interne. Le volume du tas formé par les déchets et le sol est estimé à 2 704,506 m³.

déchets de construction

image de nuage de points de déchets de construction

Résultats du calcul du volume