Soluzione per il calcolo della quantità al quadrato SLAM100 e sua applicazione pratica

Il calcolo del volume cubico, elemento fondamentale e imprescindibile delle costruzioni ingegneristiche, riveste un ruolo importante nella realizzazione di ferrovie, autostrade, centrali idroelettriche, porti, nella pianificazione urbana e in altri progetti. Un calcolo accurato delle quantità in metri cubi è essenziale per l'allocazione delle risorse, la stima dei costi, l'accelerazione dei progressi e il miglioramento della qualità dei progetti. I metodi tradizionali di misurazione al metro quadro si basano principalmente su misurazioni puntuali, come quelle effettuate con stazioni totali e GNSS-RTK. Questo metodo, tuttavia, non solo richiede molto tempo e manodopera, ma presenta anche notevoli discrepanze tra i risultati del calcolo e la situazione reale. Con la diffusione della tecnologia di scansione laser 3D, i metodi di acquisizione di dati di nuvole di punti 3D hanno registrato una rapida e diversificata evoluzione. Le caratteristiche di acquisizione rapida ed efficiente di dati di nuvole di punti ad alta densità e precisione sulla superficie delle opere forniscono una base per un calcolo accurato delle quantità in metri cubi.

Attualmente, i metodi di acquisizione dati utilizzati per il calcolo volumetrico includono principalmente il rilevamento tradizionale, la fotogrammetria con droni, la scansione laser statica, la scansione LiDAR montata su droni e la scansione LiDAR con veicoli mobili/zaini. Ogni metodo di raccolta ha i suoi vantaggi e svantaggi, ed è applicabile solo al calcolo della quantità quadrata in un determinato scenario.

La localizzazione e mappatura simultanea (di seguito denominata SLAM) è in grado di partire da una posizione sconosciuta in un ambiente sconosciuto, localizzare la propria posizione e orientamento attraverso l'osservazione ripetuta di caratteristiche ambientali durante il movimento, e quindi ottenere dati spaziali tridimensionali basati sulla propria posizione per costruire un approccio incrementale all'ambiente circostante. In questo modo è possibile raggiungere lo scopo di posizionamento e mappatura simultanei. SLAM non si basa sul GNSS e può posizionarsi e navigare in modo indipendente. È adatto per ottenere dati di nuvole di punti tridimensionali ad alta densità di accumuli in vari scenari interni ed esterni. Può essere utilizzato con metodi di triangolazione, metodo a griglia, metodo a sezioni e altri metodi di calcolo quadratico per misurare rapidamente e con precisione il volume di un cumulo.

Stoccaggio dei cereali, sdoganamento dei cereali e ispezione dei magazzini

Nelle operazioni di sgombero e ispezione dei magazzini di cereali, è fondamentale misurare il volume dei cereali in modo rapido e preciso. Il metodo tradizionale di calcolo del volume dei cereali si basa generalmente sulla forma dell'accumulo, misurandone lunghezza, larghezza o diametro, e utilizzando poi una formula per il calcolo del volume. Poiché la lunghezza viene misurata in modo approssimativo, il volume di cereali ottenuto con questo metodo presenta numerosi problemi e un elevato margine di errore. Considerando l'importanza che il Paese attribuisce all'applicazione e allo sviluppo delle tecnologie informatiche nel settore cerealicolo, la misurazione accurata del volume dei cereali rappresenta un problema urgente da risolvere.

L'operatore, tenendo in mano lo SLAM100 e camminando intorno al cumulo di grano, può ottenere dati completi e continui della nuvola di punti. Questi dati possono essere utilizzati per inventariare il volume di grano nei magazzini al coperto, creare un file informativo visivo tridimensionale del cumulo, calcolare con precisione il volume di ciascun cumulo e migliorare efficacemente l'ispezione e l'archiviazione dei dati.

Inventario del volume di scavo delle miniere di carbone

Nell'industria mineraria, il calcolo del volume di carbone da rimuovere è un compito fondamentale dell'ingegneria mineraria. Poiché il volume di rimozione è cruciale per i costi del progetto e la scelta del piano di estrazione, e la precisione del suo calcolo è direttamente correlata ai benefici economici dell'impresa di produzione, è particolarmente importante utilizzare dati di misurazione in loco per calcolare il volume in modo rapido, semplice e preciso. Attualmente, molte miniere a cielo aperto utilizzano ancora punti di misurazione GNSS-RTK e metodi di analisi manuale e triangolazione DTM per calcolare la quantità di terra e roccia da rimuovere. Sebbene questo metodo possa evitare la perdita di dati su pendii, gradini, pendii ripidi, ecc., che causano misurazioni effettive non coerenti con il terreno reale, il calcolo del volume di carbone da rimuovere è un lavoro periodico e ripetitivo. Con la continua espansione del volume di estrazione e dei siti minerari, spesso accade che il GNSS-RTK non sia più stabile sul fondo della miniera, con conseguente inaffidabilità e imprecisione dei dati misurati, il che a sua volta influisce sulla precisione del calcolo del volume di rimozione e, in definitiva, sull'efficienza dell'impresa di produzione.

La tecnologia SLAM può sfruttare appieno le sue caratteristiche di posizionamento e navigazione autonomi negli scenari sopra descritti e, combinata con i suoi vantaggi di acquisizione rapida e precisa dei dati della nuvola di punti, può realizzare una visualizzazione tridimensionale del volume di scavo del cumulo di carbone e calcolarne accuratamente il volume.

Calcolo dei lavori di sterro per progetti di paesaggistica

I progetti di paesaggistica occupano una posizione molto importante nella pianificazione della costruzione di giardini urbani e svolgono un ruolo fondamentale nel migliorare l'aspetto generale del giardino e nell'uniformare la disposizione spaziale. La realizzazione di un progetto completo di riqualificazione paesaggistica richiede un piano di costruzione scientifico e razionale, basato sulla situazione reale del territorio, e l'accuratezza dei calcoli di movimento terra ha un impatto significativo sulla razionalità del progetto stesso. I principali metodi di calcolo del movimento terra attualmente in uso includono:

① La stima dei lavori di sterro consente di valutare direttamente la quantità di sterro necessaria per la costruzione in base alle effettive condizioni del terreno e fornisce un supporto importante per la realizzazione delle opere provvisorie dell'intero progetto.

② Calcolo tramite formule geometriche delle figure di movimento terra, considerando la quantità di movimento terra necessaria per la costruzione del progetto come uno schema geometrico e applicando formule scientifiche di calcolo geometrico per valutare la quantità di movimento terra

③Metodo di calcolo della sezione di sterro: Calcola lo sterro in base ai dati di sezione raccolti tramite GNSS-RTK. Il metodo di calcolo della sezione di sterro è generalmente adatto al calcolo di volumi di sterro stretti e lunghi.

④Metodo di calcolo dell'altezza terrestre: ottenere la sezione lungo la direzione del contorno terrestre e impostare le corrispondenti distanze di contorno per le sezioni adiacenti.

Tra questi, i metodi ① e ② stimano la quantità di movimento terra basandosi sull'esperienza, mentre i metodi ③ e ④ la calcolano in base a punti di misurazione effettivi sul campo. Indipendentemente dal metodo di calcolo utilizzato, si riscontra una notevole discrepanza. Allo stesso tempo, la presenza di molta vegetazione nel giardino, le condizioni di scarsa visibilità e il forte blocco del segnale GNSS rendono difficili le misurazioni sul campo.

La tecnologia SLAM non è limitata dalle condizioni di visibilità e dai segnali GNSS nei calcoli di movimento terra per progetti di paesaggistica. Il personale addetto alla raccolta dati può facilmente acquisire la nuvola di punti nell'area di ricostruzione attraverso il bosco. Dopo la correzione, la riduzione del rumore e la classificazione della nuvola di punti, si ottengono i punti a terra. Combinando il metodo di triangolazione con il DTM, è possibile calcolare con precisione la quantità di movimento terra necessaria.

Nei progetti di bonifica marina, sabbia e ghiaia sono i principali materiali da costruzione e la componente principale dei costi di realizzazione. Pertanto, la possibilità di misurare con precisione la quantità di sabbia e ghiaia incide direttamente sulla redditività del progetto. Tuttavia, la misurazione manuale tradizionale è soggetta a errori dovuti a strumenti di misurazione, fattori umani e metodi di calcolo, con conseguente elevato margine di errore. Come misurare con precisione le dimensioni dei cumuli di sabbia è un problema che necessita di una soluzione urgente. Il metodo di calcolo attualmente in uso prevede l'utilizzo di uno scanner statico per scansionare il cumulo di sabbia e successivamente calcolare il volume di sabbia e ghiaia dopo averlo suddiviso e diradato. Questo metodo fornisce risultati di calcolo del volume accurati, ma presenta i seguenti due inconvenienti: ① L'efficienza di acquisizione dei dati è relativamente bassa; ② A causa delle vibrazioni del cumulo in acqua, lo scanner statico risulta instabile, compromettendo la raccolta dei dati della nuvola di punti.

La tecnologia SLAM non risente delle vibrazioni dello scafo della nave. Quando la nave portacontainer per il trasporto di sabbia è vuota e a pieno carico, è possibile utilizzare SLAM100 per percorrere la cabina della nave per una settimana e ottenere i dati della nuvola di punti sia a vuoto che a pieno carico. Il settore interno ha calcolato la quantità di sabbia trasportata in queste due fasi, confrontando la differenza del modello della nuvola di punti.

Calcolo dei lavori di sterro per l'ingegneria del livellamento del sito

Il progetto di livellamento del sito consiste nella trasformazione della conformazione originaria del terreno in base alle esigenze di costruzione, utilizzando i risultati dei rilievi topografici per calcolare con precisione la quantità di movimento terra, bilanciando quindi la quantità di riempimento e scavo e selezionando razionalmente la manodopera e le attrezzature meccaniche necessarie. Il progetto di livellamento del sito rappresenta una base affidabile per il controllo del piano di costruzione e del suo avanzamento. È fondamentale per influenzare i costi e gli investimenti del progetto ed è di fatto correlato a tutti gli aspetti della sua realizzazione. A causa delle limitazioni dei metodi di misurazione tradizionali per la raccolta dei dati sul campo, si riscontrano notevoli errori nel calcolo del volume di movimento terra per i progetti di livellamento del sito, indipendentemente dal metodo di calcolo utilizzato. Pertanto, è particolarmente importante ottenere dati ad alta precisione per migliorare l'accuratezza durante il processo di costruzione e generare maggiori benefici economici.

L'operatore impugna il dispositivo SLAM100 e scansiona l'area circostante per acquisire rapidamente i dati della nuvola di punti. Allo stesso tempo, il metodo di misurazione attiva senza contatto del lidar risolve il problema dell'acquisizione di dati in luoghi difficili da raggiungere, come pendii, scale di piattaforme, ecc., consentendo di ottenere una rappresentazione tridimensionale realistica del sito. Dopo la rielaborazione, gli addetti all'arredamento possono ricavare i punti di riferimento del terreno tramite conversione e classificazione delle coordinate. In base alle caratteristiche del terreno, è possibile selezionare il metodo di calcolo del movimento terra più appropriato per determinare il volume di riempimento e di scavo necessario.

Software di supporto

SLAM GO è un'app mobile utilizzata in combinazione con SLAM100. L'app può essere collegata al dispositivo SLAM100 tramite un telefono cellulare per la gestione dei progetti, la visualizzazione in tempo reale della nuvola di punti, l'anteprima delle immagini, l'aggiornamento del firmware e altre operazioni.

SLAM GO POST Pro è un software per PC compatibile con SLAM100 e integrato in Drone Manager Professional Edition. Questo software consente di elaborare i dati raccolti da SLAM100, generare nuvole di punti a colori ad alta precisione e definizione, nonché panorami parziali, e di visualizzare e ottimizzare le nuvole di punti.

Intelligent Point Cloud offre funzioni di base come la visualizzazione, il rendering, la riduzione del rumore, il ricampionamento, la rimozione della ridondanza e la colorazione dei dati della nuvola di punti. Dispone inoltre di funzioni di filtraggio e classificazione automatiche veloci, nonché di strumenti di modifica interattiva dei dati pratici e versatili.

CloudCompare è un software commerciale gratuito che utilizza il metodo a griglia per calcolare i lavori di sterro basandosi sui dati di una nuvola di punti. La dimensione della griglia può essere impostata dall'utente e permette di calcolare la variazione dei lavori di sterro tra due periodi di dati della nuvola di punti e la variazione dei lavori di sterro in un singolo periodo, fino a una determinata quota.

Calcolo dei lavori di sterro con CloudCompare

1) Ispezione in loco

Visualizza sul posto una panoramica dell'area di rilevamento, comprendi i percorsi e la distribuzione delle caratteristiche dell'area, nonché la connettività delle varie strade, uscite e passaggi per facilitare la successiva pianificazione del percorso di scansione.

2) Disposizione dei punti di controllo

Alcuni progetti richiedono che i dati della nuvola di punti siano in un sistema di coordinate assoluto. È possibile utilizzare un sistema GNSS-RTK o una stazione totale per misurare le coordinate dei punti di controllo, consentendo la successiva estrazione automatica e la conversione delle coordinate. Se non vi sono requisiti specifici per i dati della nuvola di punti, questo passaggio non è necessario.

3) Pianificazione del percorso

Pianifica i percorsi di scansione

In base alla situazione di rilevamento acquisita e alla distribuzione dei punti di controllo, è necessario pianificare razionalmente il percorso di scansione. La linea di scansione ideale è la "scansione a circuito chiuso". Per eseguire una "scansione a circuito chiuso", è sufficiente tornare a un punto precedentemente scansionato e il software identificherà automaticamente l'area di sovrapposizione. Questo passaggio viene utilizzato per calcolare e correggere eventuali errori di offset o di tracciamento, in modo simile alla "chiusura del circuito" nella livellazione. Qualora non sia possibile realizzare un circuito chiuso a causa di vincoli, il software di post-elaborazione e calcolo SLAM GO POST Pro fornito da SLAM100 può comunque garantire la qualità dei dati della nuvola di punti.

Raccolta dati

L'operatore tiene in mano lo SLAM100 e raccoglie i dati della nuvola di punti seguendo il percorso pianificato. Avvicinandosi al punto di controllo, il centro della base dello SLAM100 coincide con il punto di controllo e rimane fermo per 10 secondi. Durante la scansione, l'effetto di unione della nuvola di punti in tempo reale viene visualizzato tramite SLAM GO. Se mancano dei punti, questi vengono recuperati tempestivamente per garantire l'integrità dei dati della nuvola di punti.

Visualizzazione in tempo reale di SLAM GO

Utilizza SLAM GO POST Pro per l'elaborazione successiva dei dati grezzi con un solo clic, per produrre nuvole di punti ad alta precisione, nuvole di punti a colori, panorami parziali e altri risultati.

Effetto nuvola di punti locale

effetto panorama parziale

2) Conversione di coordinate

SLAM GO POST Pro adotta un metodo automatizzato per l'estrazione dei punti di controllo e si basa su algoritmi per estrarre le posizioni dei punti di controllo dalle nuvole di punti per la conversione delle coordinate, evitando così gli errori causati dall'aggiunta manuale dei punti di controllo.

3) Verifica dell'accuratezza

Importa la nuvola di punti nella nuvola di punti intelligente e utilizza lo strumento [Verifica accuratezza] per controllare la precisione della nuvola di punti convertita. Se l'errore tra la nuvola di punti e il punto di controllo soddisfa i requisiti di precisione, è possibile eseguire i successivi calcoli del volume quadrato.

classificazione della nuvola di punti

Lo scopo della classificazione della nuvola di punti è quello di estrarre con precisione i punti del terreno. Questa fase è estremamente critica, in quanto determina l'accuratezza del calcolo della quantità di area. L'operatore tiene in mano lo SLAM100 per acquisire i dati a distanza ravvicinata, garantendo un'ottima penetrazione della nuvola di punti. In combinazione con l'algoritmo di classificazione automatica dei punti del terreno della nuvola di punti intelligente, i punti del terreno possono essere separati in modo rapido e preciso.

punto di terra

Calcolo della quantità quadrata

Il software CloudCompare viene utilizzato per calcolare le quantità quadrate e le impostazioni dei parametri, come la dimensione della griglia, la superficie di riferimento e l'altezza della griglia, vengono determinate in base ai punti del terreno classificati e i risultati delle quantità quadrate vengono visualizzati.

Risultati del calcolo dei lavori di sterro

Questa soluzione applica con successo SLAM100 al calcolo della superficie al quadrato. SLAM100 viene utilizzato per acquisire completamente i dati della nuvola di punti dell'area di rilevamento. I punti a terra vengono ottenuti dopo la conversione delle coordinate e la classificazione della nuvola di punti. In combinazione con software di terze parti, la superficie al quadrato viene calcolata con precisione sulla base della nuvola di punti a terra, che può essere utilizzata come supporto dati per i successivi lavori di ristrutturazione. Il programma presenta le seguenti caratteristiche:

1) Innova il metodo di acquisizione dei dati di misurazione e si basa sulla navigazione e sul posizionamento autonomi per creare mappe incrementali ad alta precisione in un ambiente privo di GNSS;

2) Supera i limiti e le carenze dei metodi di misurazione tradizionali per ottenere un singolo punto, risolve il problema dei frequenti cambi di stazione e dell'unione delle nuvole di punti degli scanner statici e migliora l'efficienza delle operazioni interne ed esterne;

3) Il metodo di raccolta manuale garantisce la penetrazione dei dati, e il software di supporto SLAM GO assicura l'assenza di punti ciechi sul campo da scansionare e garantisce l'integrità della nuvola di punti;

4) L'accuratezza relativa dell'algoritmo di post-elaborazione SLAM di livello industriale nella risoluzione delle nuvole di punti è migliore di ±2 cm e l'accuratezza assoluta è migliore di ±5 cm, garantendo la precisione dei risultati del calcolo dei lavori di sterro;

5) Intelligent Point Cloud estrae automaticamente i punti del terreno con elevata precisione, riducendo il pesante carico di lavoro di classificazione manuale e migliorando l'efficienza interna;

6) CloudCompare utilizza il metodo a griglia per calcolare la quantità di movimento terra in una o più fasi, basandosi sulla nuvola di punti del terreno. Il software ha un'ampia gamma di applicazioni, una forte capacità di gestione dei dati, un funzionamento semplice, un'elevata precisione e una velocità di elaborazione elevata;

7) Soluzioni software e hardware integrate, connessione continua dei risultati dei dati, adatte al calcolo del volume in diversi scenari.

Ristrutturazione e ampliamento del parco

Al fine di incrementare la superficie verde di un determinato parco, è necessario pianificare e riqualificare l'area esistente, calcolando con precisione il volume di movimento terra necessario per la riqualificazione, in modo da fornire dati a supporto della costruzione. L'area di riqualificazione si trova nella zona centrale del parco e copre una superficie di circa 1.500 m². Il terreno è pianeggiante e la copertura vegetale è elevata. Il segnale GNSS è fortemente attenuato e la visibilità è ridotta.

Ubicazione e panoramica dell'area di ricostruzione

I rilevatori raccolgono i dati sul posto, risolvendo così non solo il problema dei metodi di misurazione convenzionali che non possono essere eseguiti a causa di cause di forza maggiore (ostruzione da vegetazione, ecc.), ma evitando anche i disagi causati dai frequenti cambi di postazione degli scanner statici, dall'unione delle nuvole di punti, ecc., migliorando efficacemente l'efficienza operativa. Durante il processo di scansione, è possibile utilizzare SLAM GO per visualizzare in tempo reale l'effetto dell'unione della nuvola di punti. In caso di punti mancanti, è necessario scansionarli tempestivamente per garantire la completezza dei dati della nuvola di punti. La scansione sul campo richiede 10 minuti.

Raccolta dati sul campo (a sinistra), dati originali della nuvola di punti (a destra)

I dati originali vengono importati in SLAM GO POST Pro per l'elaborazione successiva al fine di generare una mappa di nuvole di punti ad alta precisione. Dopo la classificazione della nuvola di punti, CloudCompare viene utilizzato per calcolare il volume. L'elaborazione interna ha richiesto 1,5 ore. In base alla situazione reale in loco, il volume di riempimento di 85 m³ è stato ignorato e il volume di scavo è risultato pari a 2898,107 m³.

Rendering del punto di terra e della mesh triangolare

Risultati del calcolo dei lavori di sterro

Un determinato granaio necessita di controlli periodici sulla quantità di grano rimanente nel magazzino. Il segnale GPS non può essere ricevuto all'interno del magazzino e non è possibile utilizzare un radar Lidar aereo per acquisire i dati. L'altezza della catasta di grano è di circa 4-5 metri e lo scanner statico non può acquisire dati sulla sommità della catasta. È necessario quindi spostarsi intorno alla catasta di grano con un dispositivo SLAM100 portatile e utilizzare l'asta di prolunga per ottenere una nuvola di punti tridimensionale completa. A causa delle diverse dimensioni dei magazzini di grano, la scansione di un singolo magazzino richiede circa 5-7 minuti.

Dopo la riduzione del rumore e il ritaglio, le nuvole di punti del cumulo di grano vengono separate singolarmente. Non ci sono nuvole di punti disordinate sulla superficie del cumulo di grano e lo stoccaggio può essere calcolato direttamente. Il volume di stoccaggio del grano di uno dei silos è di 3400 m³. L'inventario delle riserve di un deposito di grano richiede circa 25-30 minuti, a seconda delle sue dimensioni e della disposizione interna degli spazi.

Sito di scansione di cumuli di grano SLAM100

Nuvola di punti di Liangdui

Calcolo del cumulo di grano

Durante i lavori di costruzione in un cantiere si è generata una grande quantità di rifiuti edili, di cui è ora necessario determinare il volume per formulare un piano di bonifica. I rifiuti edili coprono un'area di circa 1.400 metri quadrati e presentano una forma estremamente irregolare. Utilizzando uno scanner statico, sarebbero necessarie 12-14 operazioni di posizionamento per completare la scansione. I tecnici di Pegasus hanno posizionato lo SLAM100 e scansionato il perimetro e la sommità dei rifiuti edili una sola volta per ottenere dati continui sull'accumulo, eliminando la necessità di post-elaborazione. Sono stati necessari 9 minuti per gli operatori sul campo e 1,2 ore per il personale interno per la denoising e il ritaglio dei dati della nuvola di punti, la classificazione e altre operazioni. Il volume dell'accumulo formato dai rifiuti edili e dal terreno è stato calcolato in 2.704.506 m³.

detriti edili

Immagine di una nuvola di punti di rifiuti edili

Risultati del calcolo del volume