Solução para o cálculo da quantidade de unidades quadradas no SLAM100 e sua aplicação prática.

Como base e premissa da construção civil, o cálculo do volume cúbico desempenha um papel importante na construção de ferrovias, rodovias, projetos hidrelétricos, portos, planejamento urbano e outros projetos. O cálculo preciso das quantidades em jardas cúbicas é fundamental para a alocação de recursos, estimativa de custos, aceleração do andamento do projeto e para a melhoria da qualidade dos mesmos. Os métodos tradicionais de medição de área baseiam-se principalmente em métodos de medição de ponto único, como estações totais e GNSS-RTK. Esse método não só consome muito tempo e mão de obra, como também apresenta grandes discrepâncias entre os resultados calculados e a situação real. Com o avanço e a popularização da tecnologia de escaneamento a laser 3D, os métodos de aquisição de dados de nuvem de pontos 3D têm apresentado uma tendência de desenvolvimento rápido e diversificado. Suas características de aquisição rápida e eficiente de dados de nuvem de pontos de alta densidade e alta precisão na superfície de aglomerados fornecem uma base para o cálculo preciso de novas quantidades em jardas cúbicas.

Atualmente, os métodos de aquisição de dados utilizados para o cálculo volumétrico incluem principalmente levantamentos topográficos tradicionais, fotogrametria com drones, escaneamento a laser estático, escaneamento LiDAR acoplado a drones e escaneamento LiDAR móvel em veículos/mochilas. Cada método de coleta possui suas próprias vantagens e desvantagens, sendo aplicável ao cálculo de volumes quadrados apenas em cenários específicos.

A Localização e Mapeamento Simultâneos (SLAM, na sigla em inglês) permite que um indivíduo, partindo de uma localização desconhecida em um ambiente também desconhecido, localize sua posição e postura através da observação repetida de características ambientais durante o movimento e, em seguida, obtenha dados espaciais tridimensionais com base em sua posição para construir um mapa incremental do ambiente circundante. Dessa forma, o SLAM consegue realizar o posicionamento e a construção do mapa simultaneamente. O SLAM não depende de GNSS e pode se posicionar e navegar de forma independente. É adequado para a obtenção de dados de nuvem de pontos tridimensionais de alta densidade de estruturas em diversos ambientes internos e externos. Pode ser utilizado com métodos de triangulação, grade, seção transversal e outros métodos de cálculo para medir e obter o volume da estrutura de forma rápida e precisa.

Armazenamento de grãos, desembaraço de grãos e inspeção de armazéns

No trabalho de desembaraço e inspeção de grãos em armazéns, o volume de grãos precisa ser medido de forma rápida e precisa. O método tradicional de cálculo do volume de grãos geralmente se baseia na forma do acúmulo de grãos, medindo-se o comprimento, a largura ou o diâmetro e, em seguida, utilizando a fórmula de cálculo do volume. Como o comprimento é medido de forma aproximada, esse método apresenta muitos problemas e grandes erros no volume de grãos armazenado. Com o crescente interesse do país na aplicação e no desenvolvimento da tecnologia da informação no setor de grãos, a medição precisa do volume de grãos torna-se um problema urgente a ser resolvido.

O coletor pode obter dados completos e contínuos da nuvem de pontos da pilha de grãos segurando o SLAM100 e caminhando ao redor da pilha. Esses dados podem ser usados ​​para inventariar o volume de grãos em armazéns internos, criar um arquivo de informações visuais tridimensionais da pilha, calcular com precisão o volume de cada pilha e melhorar efetivamente a inspeção de espaço de armazenamento.

Inventário de volume de remoção de estéril em minas de carvão

Na mineração, o cálculo do volume de remoção de estéril é uma tarefa fundamental da engenharia de minas. Como o volume de remoção é crucial para o custo do projeto e para a seleção do plano, e a precisão do seu cálculo está diretamente relacionada aos benefícios econômicos da empresa produtora, é particularmente importante utilizar dados de medição em campo para calcular o volume de forma rápida, simples e precisa. Atualmente, ainda existem muitas minas a céu aberto que utilizam pontos de medição reais por GNSS-RTK e empregam o método de análise de seção manual e o método de triangulação de DTM para calcular a quantidade de terra e rocha removida. Embora o uso desse método possa evitar a perda de dados em declives, degraus, encostas íngremes, etc., causando inconsistências entre a medição real e o terreno, o cálculo do volume de remoção de estéril em minas de carvão é um trabalho periódico e repetitivo. Com a expansão contínua do volume e das áreas de mineração, é comum que o fundo da cava não possa ser fixado com precisão pelo GNSS-RTK, o que compromete a eficiência e a precisão dos dados medidos, afetando, consequentemente, a precisão do cálculo da quantidade de remoção e, em última análise, a eficiência da empresa produtora.

A tecnologia SLAM pode explorar ao máximo suas características de posicionamento e navegação autônomos nos cenários acima, e, combinada com suas vantagens de aquisição rápida e precisa de dados de nuvem de pontos, pode realizar a visualização tridimensional do volume de remoção de estéril da pilha de carvão e calcular o volume com precisão.

Cálculo de movimentação de terra para projetos de paisagismo

Os projetos de paisagismo ocupam uma posição muito importante no planejamento da construção de jardins urbanos, desempenhando um papel fundamental na melhoria da paisagem geral do jardim e na padronização do layout espacial. A renovação completa de um jardim exige um plano de construção científico e racional, baseado na situação real da região, e a precisão dos cálculos de movimentação de terra tem um grande impacto na racionalidade do plano de construção. Os principais métodos atuais de cálculo de movimentação de terra incluem:

① Estimativa de construção de terraplenagem: avalia diretamente a quantidade de terraplenagem necessária para a construção com base nas condições reais do terreno, fornecendo suporte importante para a construção temporária de todo o projeto.

② Cálculo geométrico de figuras de terraplenagem, considerando a quantidade de terraplenagem necessária para a construção do projeto como um padrão geométrico, e aplicando fórmulas de cálculo geométrico científico para avaliar a quantidade de terraplenagem.

③ Método de cálculo da seção transversal de terraplenagem: Calcula a terraplenagem com base em dados de seção coletados por GNSS-RTK. O método de cálculo da seção transversal de terraplenagem é geralmente adequado para o cálculo de volumes de terraplenagem estreitos e longos.

④ Método de cálculo da altura da Terra: Obtenha a seção ao longo da direção da curva de nível da Terra e defina as distâncias correspondentes entre as curvas de nível para as seções adjacentes.

Dentre eles, os métodos ① e ② visam estimar a quantidade de terraplenagem com base na experiência, enquanto ③ e ④ a calculam com base em medições de campo reais. Independentemente do método de cálculo utilizado, há um grande desvio. Além disso, a vegetação abundante no terreno, as condições de visibilidade precárias e o sinal GNSS severamente bloqueado dificultam as medições em campo.

A tecnologia SLAM não é limitada pelas condições de visibilidade e pelos sinais GNSS nos cálculos de movimentação de terra em projetos de paisagismo. A equipe de coleta pode obter facilmente dados de nuvem de pontos na área de reconstrução, mesmo em meio à mata. Após a correção, redução de ruído e classificação da nuvem de pontos, obtêm-se os pontos de referência no terreno. Combinados com o Modelo Digital de Terreno (MDT), o método de triangulação calcula com precisão a quantidade de terra a ser movimentada.

Em projetos de recuperação costeira, areia e cascalho são os principais materiais de construção e representam a maior parte do custo da obra. Portanto, a precisão na medição desses materiais afeta diretamente o lucro ou prejuízo do projeto. No entanto, a medição manual tradicional é influenciada por instrumentos de medição, fatores humanos e métodos de cálculo, resultando em erros relativamente grandes. Como medir com precisão as dimensões de plataformas de areia é um problema que precisa ser resolvido com urgência. O método de cálculo existente consiste em utilizar um scanner estático para escanear a pilha de areia e, em seguida, calcular o volume de areia e cascalho após a compactação e o afinamento. Esse método apresenta resultados precisos no cálculo do volume, mas possui duas desvantagens: ① A eficiência de aquisição de dados é relativamente baixa; ② Devido à vibração da plataforma na água, o scanner estático fica instável, o que afeta a coleta de dados da nuvem de pontos.

A tecnologia SLAM não é afetada pela vibração do casco do navio. Com o navio porta-contêineres para transporte de areia vazio e totalmente carregado, é possível utilizar o SLAM100 para percorrer a cabine do navio durante uma semana, obtendo dados de nuvem de pontos para ambas as situações. O cálculo da quantidade de areia transportada nessas duas fases pode ser obtido comparando-se a diferença entre os modelos de nuvem de pontos.

Cálculo de movimentação de terra para projetos de nivelamento de terrenos.

O projeto de nivelamento do terreno refere-se à transformação da topografia original do local da obra de acordo com as necessidades da construção, utilizando resultados de levantamentos topográficos para calcular com precisão o volume de terraplenagem, equilibrando o aterro e a escavação e selecionando racionalmente a mão de obra e os equipamentos mecânicos necessários. O projeto de nivelamento do terreno é uma base confiável para o controle do planejamento e do andamento da obra. É fundamental para o controle de custos e investimentos do projeto e está diretamente relacionado a todos os aspectos da construção. Devido às limitações dos métodos tradicionais de medição para coleta de dados em campo, há grandes erros no cálculo do volume de terraplenagem em projetos de nivelamento, independentemente do método utilizado. Portanto, é crucial obter dados de alta precisão para melhorar a exatidão durante o processo de construção e gerar maiores benefícios econômicos.

O operador segura o SLAM100 e realiza uma varredura ao redor do local para obter rapidamente os dados da nuvem de pontos. Ao mesmo tempo, o método de medição ativa sem contato do lidar resolve o problema da difícil aquisição de dados em locais como declives, plataformas e escadas, etc., de difícil acesso para pessoas, e permite obter uma representação tridimensional real do local. Após o remapeamento, a equipe de engenharia civil pode obter os pontos do terreno por meio de conversão e classificação de coordenadas. De acordo com as características do terreno, o método de cálculo de movimentação de terra pode ser selecionado adequadamente para calcular o equilíbrio entre aterro e escavação.

Software de suporte

SLAM GO é um aplicativo móvel usado em conjunto com o SLAM100. O aplicativo pode ser conectado ao dispositivo SLAM100 por meio de um telefone celular para gerenciamento de projetos, exibição em tempo real da nuvem de pontos do quebra-cabeça, pré-visualização de imagens, atualização de firmware e outras operações.

O SLAM GO POST Pro é um software para PC compatível com o SLAM100 e integrado ao Drone Manager Professional Edition. Este software realiza o pós-processamento dos dados coletados pelo SLAM100, produz nuvens de pontos coloridas de alta precisão e alta definição, panoramas parciais e permite a navegação e otimização das nuvens de pontos.

O Intelligent Point Cloud possui funções básicas como navegação, renderização, redução de ruído, reamostragem, remoção de redundância e coloração de dados de nuvem de pontos. Também conta com funções rápidas de filtragem e classificação automáticas, além de ferramentas práticas e diversificadas para edição interativa de dados.

O CloudCompare é um software comercial gratuito que utiliza o método de grade para calcular movimentação de terra com base em dados de nuvem de pontos. O tamanho da grade pode ser definido pelo usuário, e é possível calcular a variação da movimentação de terra em dois períodos da nuvem de pontos, bem como a variação em um período da nuvem de pontos até uma elevação especificada.

Cálculo de movimentação de terra no CloudCompare

1) Inspeção no local

Visualize a área de levantamento no local, compreenda as rotas e a distribuição dos elementos na área, bem como a conectividade de diversas estradas, saídas e passagens, para facilitar o planejamento subsequente das rotas de escaneamento.

2) Layout do ponto de controle

Alguns projetos exigem que os dados da nuvem de pontos estejam em um sistema de coordenadas absoluto. GNSS-RTK ou uma estação total podem ser usados ​​para medir as coordenadas dos pontos de controle para posterior extração automática e conversão de coordenadas desses pontos. Se não houver requisitos para os dados da nuvem de pontos, esta etapa não é necessária.

3) Planejamento de rotas

Planejar rotas de escaneamento

Com base na situação topográfica e na distribuição dos pontos de controle, planeje racionalmente a rota de escaneamento. A linha de escaneamento ideal é o "escaneamento em circuito fechado". Para realizar o "escaneamento em circuito fechado", basta retornar a um ponto escaneado anteriormente, e o software identificará automaticamente a área de sobreposição. Esta etapa é utilizada para calcular e corrigir quaisquer erros de deslocamento ou rastreamento que tenham ocorrido, de forma semelhante ao "fechamento do circuito" no nivelamento. Quando um circuito fechado não puder ser formado devido a restrições condicionais, o software de pós-processamento e cálculo SLAM GO POST Pro, fornecido pelo SLAM100, ainda poderá garantir a qualidade dos dados da nuvem de pontos.

Coleção de Dados

O coletor segura o SLAM100 e coleta dados da nuvem de pontos de acordo com a rota planejada. Ao se aproximar do ponto de controle, o centro transversal da base do SLAM100 coincide com o ponto de controle e permanece parado por 10 segundos. Durante o processo de escaneamento, o efeito de junção da nuvem de pontos em tempo real é visualizado através do SLAM GO. Caso haja alguma falha, ela é corrigida imediatamente para garantir a integridade dos dados da nuvem de pontos.

SLAM GO exibição em tempo real

Utilize o SLAM GO POST Pro para pós-processamento de dados brutos com um único clique, produzindo nuvens de pontos de alta precisão, nuvens de pontos coloridas, panoramas parciais e outros resultados.

Efeito de nuvem de pontos local

efeito de panorama parcial

2) Conversão de coordenadas

O SLAM GO POST Pro adota um método automatizado de extração de pontos de controle e utiliza algoritmos para extrair as posições dos pontos de controle a partir de nuvens de pontos para conversão de coordenadas, evitando erros causados ​​pela adição manual de pontos de controle.

3) Verificação de precisão

Importe a nuvem de pontos para a nuvem de pontos inteligente e use a ferramenta [Verificação de Precisão] para verificar a precisão da nuvem de pontos convertida. Se o erro entre a nuvem de pontos e o ponto de verificação atender aos requisitos de precisão, os cálculos subsequentes de volume quadrado poderão ser realizados.

Classificação de nuvem de pontos

O objetivo da classificação de nuvens de pontos é extrair com precisão os pontos do solo. Esta etapa é extremamente crítica, pois determina a acurácia do cálculo da quantidade de pontos. O coletor utiliza o SLAM100 para adquirir dados em curta distância, obtendo-se um bom efeito de penetração na nuvem de pontos. Combinado com o algoritmo de classificação automática de pontos do solo na nuvem de pontos inteligente, os pontos do solo podem ser separados de forma rápida e precisa.

ponto de referência

Cálculo da quantidade quadrada

O software CloudCompare é utilizado para calcular quantidades de quadrados, e as configurações de parâmetros como tamanho da grade, superfície de referência e altura da grade são determinadas com base nos pontos do terreno classificados, sendo os resultados da quantidade de quadrados apresentados em seguida.

Resultados dos cálculos de terraplenagem

Esta solução aplica com sucesso o SLAM100 no cálculo da quantidade de metros quadrados. O SLAM100 é utilizado para obter integralmente os dados da nuvem de pontos da área levantada. Os pontos do terreno são obtidos após a conversão de coordenadas e a classificação da nuvem de pontos. Em conjunto com softwares de terceiros, a quantidade de metros quadrados é calculada com precisão com base na nuvem de pontos do terreno, podendo ser utilizada posteriormente para fornecer suporte de dados para obras de renovação. O programa possui as seguintes funcionalidades:

1) Inova a forma de obter dados de medição e utiliza navegação e posicionamento autônomos para construir mapas incrementais de alta precisão em um ambiente sem GNSS;

2) Supera as limitações e deficiências dos métodos de medição tradicionais para obter um único ponto, resolve o problema das frequentes mudanças de estação e da junção de nuvens de pontos de scanners estáticos e melhora a eficiência das operações internas e externas;

3) O método de coleta manual garante a penetração dos dados, e o software de suporte SLAM GO garante que não haja pontos cegos no campo de escaneamento e assegura a integridade da nuvem de pontos;

4) A precisão relativa do algoritmo de pós-processamento SLAM de nível industrial na resolução de nuvens de pontos é melhor que ±2cm, e a precisão absoluta é melhor que ±5cm, garantindo a exatidão dos resultados do cálculo de movimentação de terra;

5) A Nuvem de Pontos Inteligente extrai automaticamente pontos do solo com alta precisão, reduzindo a pesada carga de trabalho de classificação manual e melhorando a eficiência interna;

6) O CloudCompare utiliza o método de grade para calcular a quantidade de movimentação de terra em uma ou múltiplas fases, com base em nuvens de pontos do solo. O software possui uma ampla gama de aplicações, grande capacidade de processamento de dados, operação simples, alta precisão e velocidade de processamento rápida;

7) Soluções integradas de software e hardware, conexão perfeita de resultados de dados, adequadas para cálculo de volume em diversos cenários.

Renovação e ampliação do parque

Para aumentar a área de cobertura vegetal em um determinado parque, é necessário planejar e reconstruir o local existente, além de calcular com precisão o volume de terraplenagem da área reconstruída para fornecer dados de suporte à construção. A área de reconstrução está localizada na região central do parque, abrangendo uma área de aproximadamente 1.500 m². O terreno é plano e a cobertura vegetal é alta. O sinal GNSS é severamente obstruído, prejudicando a visibilidade.

Localização e visão geral da área de reconstrução

Os coletores coletam dados no local, o que não só resolve o problema dos métodos de medição convencionais, que não podem ser realizados devido a força maior (obstrução por vegetação, etc.), como também evita os problemas causados ​​por frequentes mudanças de estação de scanners estáticos, emendas de nuvens de pontos, etc., melhorando efetivamente a eficiência operacional. Durante o processo de escaneamento, utiliza-se o SLAM GO para visualizar o efeito da emenda da nuvem de pontos em tempo real. Caso haja pontos faltantes, eles são escaneados imediatamente para garantir que os dados da nuvem de pontos estejam completos. O escaneamento em campo leva 10 minutos.

Coleta de dados de campo (esquerda), dados originais da nuvem de pontos (direita)

Os dados originais são importados para o SLAM GO POST Pro para pós-processamento, gerando um mapa de nuvem de pontos de alta precisão. Após a classificação da nuvem de pontos, o CloudCompare é utilizado para calcular o volume. O processamento interno levou 1,5 horas. De acordo com a situação real no local, o volume de aterro de 85 m³ foi desconsiderado, resultando em um volume de escavação de 2898,107 m³.

renderização de ponto de referência e malha triangular

Resultados dos cálculos de terraplenagem

Um determinado silo de grãos precisa verificar regularmente o nível de grãos restante no armazém. O sinal de GPS não é recebido no armazém e o radar LiDAR aerotransportado não pode ser usado para obter dados. A altura da pilha de grãos é de cerca de 4 a 5 metros, e o scanner estático não consegue obter dados no topo da pilha. Para obter um resultado completo em nuvem de pontos tridimensional, o scanner SLAM100 portátil percorre a pilha de grãos e utiliza uma haste extensora. Devido aos diferentes tamanhos dos armazéns de grãos, a digitalização de um único armazém leva cerca de 5 a 7 minutos.

Após a remoção de ruído e o recorte, as nuvens de pontos da pilha de grãos são separadas individualmente. Não há nuvens de pontos sobrepostas na superfície da pilha de grãos, e o armazenamento pode ser calculado diretamente. O volume de armazenamento de grãos de um dos silos é de 3400 m³. Leva-se cerca de 25 a 30 minutos para inventariar as reservas de um depósito de grãos, dependendo de seu tamanho e layout interno.

Local de escaneamento de pilha de grãos SLAM100

Nuvem de pontos de Liangdui

Cálculo de pilha de grãos

Uma grande quantidade de entulho foi gerada durante a construção em um canteiro de obras, e agora é necessário determinar seu volume para formular um plano de limpeza. O entulho cobre uma área de aproximadamente 1.400 metros quadrados e apresenta formato extremamente irregular. Se um scanner estático fosse utilizado, seriam necessárias de 12 a 14 configurações para completar a varredura. Os técnicos da Pegasus utilizaram o SLAM100 e realizaram uma varredura contínua ao longo da periferia e do topo do entulho, eliminando a necessidade de emendas posteriores. Os trabalhadores de campo levaram 9 minutos, enquanto a equipe interna levou 1,2 horas para processar o ruído e recortar os dados da nuvem de pontos. Após a classificação, classificação e outras operações, o volume do entulho e do solo foi calculado em 2.704,506 m³.

entulho de construção

imagem de nuvem de pontos de resíduos de construção

Resultados do cálculo de volume