Решение SLAM100 для расчета количества квадратных метров и примеры его применения.

Расчет объемов, являющийся основой и предпосылкой инженерного строительства, играет важную роль при строительстве железных дорог, автомагистралей, гидроэнергетических объектов, портов, в городском планировании и других проектах. Точный расчет объемов складских площадей имеет важное значение для распределения ресурсов, оценки стоимости проекта, ускорения его выполнения и повышения качества проектов. Традиционные методы измерения объемов в основном основаны на одноточечных методах измерения, таких как тахеометры и GNSS-RTK. Этот метод не только трудоемок и занимает много времени, но и имеет большие погрешности между результатами расчетов и фактической ситуацией. С развитием и популяризацией технологии 3D-лазерного сканирования методы получения 3D-данных в виде облака точек демонстрируют тенденцию к быстрому и разнообразному развитию. Их характеристики — быстрое и эффективное получение высокоплотных и высокоточных данных в виде облака точек на поверхности складов — обеспечивают основу для точного расчета объемов.

В настоящее время методы сбора данных, используемые для объемных расчетов, в основном включают традиционную геодезическую съемку, фотограмметрию с использованием дронов, статическое лазерное сканирование, сканирование с помощью лидара, установленного на дроне, и сканирование с помощью мобильного транспортного средства/рюкзачного лидара. Каждый метод сбора данных имеет свои преимущества и недостатки, однако он применим только для расчета квадратных объемов в определенных условиях.

Одновременная локализация и картографирование (далее SLAM) позволяет начинать движение из неизвестного места в неизвестной среде, определять собственное положение и координаты на основе многократно наблюдаемых особенностей окружающей среды во время движения, а затем получать пространственные трехмерные данные на основе собственного положения для построения поэтапного подхода к окружающей среде. SLAM позволяет одновременно определять местоположение и строить карту. Он не зависит от GNSS и может позиционировать и перемещаться независимо. Подходит для получения высокоплотных трехмерных облаков точек данных о скоплениях в различных помещениях и на открытом воздухе. Может использоваться с методами триангуляции, сетки, сечения и другими методами расчета площади для быстрого и точного измерения объема скопления.

Хранение зерна, вывоз зерна и инспекция склада.

В процессе обработки и инспекции зернохранилищ необходимо быстро и точно измерить объем зерна. Традиционный метод расчета объема зерна обычно основан на форме скопления зерна: измеряются длина, ширина или диаметр, а затем используется формула для расчета объема. Поскольку длина измеряется приблизительно, такой метод приводит к значительным ошибкам при определении объема зерна. В связи с тем, что в стране активно развивается сфера применения информационных технологий в зернохранилищах, вопрос точного измерения объема зерна становится актуальной и требует решения.

Сборщик данных может получить полную непрерывную точечную модель зерновой кучи, удерживая SLAM100 и обходя ее, что позволяет проводить инвентаризацию объема зерна в закрытых зернохранилищах, создавать трехмерный визуальный информационный файл зерновой кучи, точно рассчитывать объем каждой кучи и эффективно повышать эффективность проверки и инвентаризации при хранении.

Инвентаризация объемов вскрышных работ на угольных шахтах

В горнодобывающей промышленности расчет объема вскрышных работ по углю является основной задачей горного дела. Поскольку объем вскрышных работ имеет решающее значение для стоимости проекта и выбора плана, а точность его расчета напрямую связана с экономической выгодой производственного предприятия, особенно важно использовать данные полевых измерений для быстрого, простого и точного расчета объема. В настоящее время во многих карьерах до сих пор используются точки фактических измерений GNSS-RTK, а также ручной метод анализа разрезов и метод триангуляции ЦМР для расчета количества вскрышной земли и камня. Хотя использование этого метода позволяет избежать потери данных о склонах, ступенях, крутых склонах и т. д., что приводит к несоответствию фактических измерений реальному рельефу, расчет объема вскрышных работ по углю является периодической и повторяющейся работой. В связи с непрерывным расширением объемов добычи и количества горных выработок, часто случается, что GNSS-RTK-приемники на дне карьера не могут быть надежно зафиксированы, что не гарантирует эффективность и точность измерений, а это, в свою очередь, влияет на точность расчета объема добываемой породы и, в конечном итоге, на эффективность работы производственного предприятия.

Технология SLAM позволяет в полной мере использовать свои характеристики автономного позиционирования и навигации в описанных выше сценариях, а в сочетании с преимуществами быстрого и точного получения данных облака точек она позволяет реализовать трехмерное визуальное отображение объема вскрыши угольного пласта и точно рассчитать этот объем.

Расчет земляных работ для ландшафтных проектов

Проекты благоустройства занимают очень важное место в планировании строительства городских садов и играют важную роль в улучшении общего ландшафта сада и стандартизации пространственной планировки. Полное обновление ландшафта требует научного и обоснованного строительного плана, основанного на реальных условиях региона, а точность расчетов земляных работ оказывает значительное влияние на рациональность строительного плана. К основным современным методам расчета земляных работ относятся:

① Оценка объема земляных работ, непосредственная оценка объема земляных работ, необходимых для строительства, на основе фактических условий местности, и оказание важной поддержки при временном строительстве всего проекта.

② Расчет объемов земляных работ по геометрической формуле, с учетом объема земляных работ, необходимых для строительства проекта, как геометрической модели, и с применением научных геометрических расчетных формул для оценки объема земляных работ.

③Метод расчета сечения земляных работ: Расчет сечения земляных работ производится на основе данных о сечениях, полученных с помощью GNSS-RTK. Метод расчета сечения земляных работ, как правило, подходит для расчета узких и длинных объемов земляных работ.

④Метод расчета высоты Земли: Получить сечение вдоль направления земной горизонтали и установить соответствующие расстояния между горизонталями для смежных сечений.

Среди них методы ① и ② позволяют оценить объем земляных работ на основе опыта, а методы ③ и ④ — рассчитать объем земляных работ на основе фактических точек полевых измерений. Независимо от используемого метода расчета, наблюдается значительное отклонение. В то же время, наличие большого количества растительности в саду, плохая видимость и сильное блокирование сигнала GNSS создают трудности при полевых измерениях.

Технология SLAM не ограничена условиями видимости и сигналами GNSS при расчете земляных работ в рамках проектов благоустройства. Специалисты по сбору данных могут легко получить данные облака точек в зоне реконструкции, проходя через лесной массив. После коррекции облака точек, шумоподавления и классификации получаются наземные точки. В сочетании с ЦМР метод триангуляции позволяет точно рассчитать объем земляных работ.

В проектах по намыву морских территорий песок и гравий являются основными строительными материалами и основной составляющей стоимости строительства. Поэтому точность измерения количества песка и гравия напрямую влияет на прибыль и убытки проекта. Однако традиционное ручное измерение подвержено влиянию измерительных приборов, человеческого фактора и методов расчета, и погрешность относительно велика. Вопрос точного измерения размеров песчаных насыпей является неотложной задачей. Существующий метод расчета заключается в использовании статического сканера для сканирования песчаной насыпи, а затем в расчете объема песка и гравия после соединения и утонения. Этот метод обеспечивает точные результаты расчета объема, но имеет следующие два недостатка: ① Относительно низкая эффективность сбора данных; ② Из-за тряски насыпи в воде статический сканер нестабилен, что влияет на сбор данных облака точек.

Технология SLAM не подвержена влиянию тряски корпуса судна. Когда контейнеровоз для перевозки песка пуст и полностью загружен, можно использовать SLAM100 для обхода каюты судна в течение недели, чтобы получить данные облака точек, соответствующие состоянию пустого и загруженного судна. Внутренние расчеты показывают, что количество перевезенного песка за два этапа можно определить, сравнивая разницу в моделях облака точек.

Расчет земляных работ для выравнивания участка.

Проект выравнивания участка подразумевает преобразование первоначального рельефа местности в соответствии с потребностями строительства, использование результатов топографической съемки для точного расчета объема земляных работ, а затем балансировку объемов засыпки и выемки грунта, а также рациональный выбор рабочей силы и механизированного оборудования. Проект выравнивания участка является надежной основой для контроля плана и хода строительства на объекте. Он является ключевым фактором, влияющим на стоимость и инвестиции проекта, и фактически связан со всеми аспектами строительства. Из-за недостатков традиционных методов измерения для сбора полевых данных, при расчете объема земляных работ в проектах выравнивания участка, независимо от используемого метода, возникают большие погрешности. Поэтому получение высокоточных данных особенно важно для повышения точности в процессе строительства и создания большей экономической выгоды.

Сборщик данных удерживает SLAM100 и сканирует территорию, быстро получая данные облака точек. Одновременно бесконтактный метод активного измерения с помощью лидара решает проблему затрудненного сбора данных в труднодоступных для людей местах, таких как склоны, лестницы и т. д., и позволяет получить трехмерное изображение реальной местности. После повторной обработки данных специалисты могут получить координаты точек на местности путем преобразования и классификации. В соответствии с особенностями рельефа местности, можно рационально выбрать метод расчета земляных работ для определения баланса насыпи и выемки грунта.

Вспомогательное программное обеспечение

SLAM GO — это мобильное приложение, используемое совместно с SLAM100. Приложение может быть подключено к устройству SLAM100 через мобильный телефон для управления проектами, отображения головоломки с облаком точек в реальном времени, предварительного просмотра изображений, обновления прошивки и других операций.

SLAM GO POST Pro — это программное обеспечение для ПК, совместимое с SLAM100 и встроенное в Drone Manager Professional Edition. Это программное обеспечение позволяет выполнять постобработку данных, собранных SLAM100, создавать высокоточные цветные облака точек и частичные панорамы высокого разрешения, а также осуществлять просмотр и оптимизацию облаков точек.

Программа Intelligent Point Cloud обладает базовыми функциями, такими как просмотр, рендеринг, шумоподавление, передискретизация, удаление избыточности и раскрашивание данных облака точек. Она также имеет функции быстрой автоматической фильтрации и классификации, а также удобные и разнообразные интерактивные инструменты редактирования данных.

CloudCompare — это бесплатное коммерческое программное обеспечение, использующее метод сетки для расчета земляных работ на основе данных облака точек. Размер сетки можно задать самостоятельно, и можно рассчитать изменение объема земляных работ за два периода облака точек, а также объем земляных работ за один период облака точек до заданной высоты.

Расчет земляных работ CloudCompare

1) Осмотр на месте

Просмотрите общую картину обследуемой территории на месте, разберитесь в маршрутах обследования и распределении объектов, а также в связности различных дорог, выездов и проездов, чтобы облегчить планирование маршрутов последующего сканирования.

2) Схема расположения контрольных точек

В некоторых проектах требуется, чтобы данные облака точек были представлены в абсолютной системе координат. Для измерения координат контрольных точек и последующего автоматического извлечения и преобразования координат можно использовать GNSS-RTK или тахеометр. Если требования к данным облака точек отсутствуют, этот шаг не требуется.

3) Планирование маршрута

Маршруты сканирования плана

Исходя из освоенной ситуации съемки и распределения контрольных точек, необходимо рационально спланировать маршрут сканирования. Наиболее оптимальной линией сканирования является «замкнутый контур». Для выполнения «замкнутого контура» достаточно просто вернуться к ранее отсканированной точке, и программное обеспечение автоматически определит область перекрытия. Этот шаг используется для расчета и коррекции любых смещений или ошибок отслеживания, аналогично «замыканию контура» в нивелировании. Если замкнутый контур не может быть сформирован из-за условных ограничений, программное обеспечение для постобработки и расчетов SLAM GO POST Pro, предоставляемое SLAM100, все равно может обеспечить качество данных облака точек.

Сбор данных

Сборщик данных держит SLAM100 и собирает данные облака точек в соответствии с запланированным маршрутом. При приближении к контрольной точке центр пересечения базовой точки SLAM100 совпадает с контрольной точкой, после чего устройство отходит на 10 секунд. В процессе сканирования эффект объединения облаков точек в реальном времени отслеживается с помощью SLAM GO. При отсутствии каких-либо данных, они своевременно компенсируются для обеспечения целостности данных облака точек.

Отображение SLAM GO в реальном времени

Используйте SLAM GO POST Pro для постобработки необработанных данных одним щелчком мыши, чтобы получить высокоточные облака точек, цветные облака точек, частичные панорамы и другие результаты.

эффект локального облака точек

эффект частичной панорамы

2) Преобразование координат

SLAM GO POST Pro использует автоматизированный метод извлечения контрольных точек и опирается на алгоритмы для извлечения координат контрольных точек из облаков точек для преобразования координат, чтобы избежать ошибок, возникающих при ручном добавлении контрольных точек.

3) Проверка точности

Импортируйте облако точек в интеллектуальное облако точек и используйте инструмент [Проверка точности], чтобы проверить точность преобразованного облака точек. Если погрешность между облаком точек и контрольной точкой соответствует требованиям к точности, можно выполнить последующие расчеты объема квадрата.

Классификация облака точек

Цель классификации облака точек — точное извлечение точек местности. Этот этап является чрезвычайно важным и определяет точность расчета площади. Сборщик данных использует SLAM100 для получения данных с близкого расстояния, что обеспечивает хорошее проникновение в облако точек. В сочетании с алгоритмом автоматической классификации интеллектуального облака точек местности, точки местности могут быть быстро и точно разделены.

точка земли

Расчет количества квадратов

Программное обеспечение CloudCompare используется для расчета квадратных величин, а параметры, такие как размер сетки, опорная поверхность и высота сетки, определяются на основе классифицированных точек на местности, после чего выводятся результаты расчета квадратных величин.

Результаты расчетов земляных работ

Данное решение успешно применяет SLAM100 для расчета площади. SLAM100 используется для получения полного облака точек обследованной территории. Точки местности получаются после преобразования координат и классификации облака точек. В сочетании со сторонним программным обеспечением, на основе облака точек местности точно рассчитывается площадь, которая может быть использована для последующего предоставления данных для реконструкции и строительства. Программа обладает следующими функциями:

1) Предлагает инновационный способ получения данных измерений и использует автономную навигацию и позиционирование для построения высокоточных инкрементальных карт в среде без GNSS;

2) Он преодолевает ограничения и недостатки традиционных методов измерения, позволяя получить единую точку, решает проблему частой смены станций и склеивания облаков точек статических сканеров, а также повышает эффективность внутренних и внешних операций;

3) Ручной метод сбора данных обеспечивает проникновение информации вглубь помещения, а поддерживающее программное обеспечение SLAM GO исключает «слепые зоны» при сканировании и гарантирует целостность облака точек;

4) Относительная точность алгоритма постобработки SLAM промышленного класса при решении задач с облаками точек составляет лучше ±2 см, а абсолютная точность — лучше ±5 см, что обеспечивает точность результатов расчетов земляных работ;

5) Интеллектуальное облако точек автоматически извлекает точки местности с высокой точностью, что снижает трудоемкость ручной классификации и повышает внутреннюю эффективность;

6) CloudCompare использует метод сетки для расчета объема земляных работ на одном и нескольких этапах на основе облака точек на местности. Программное обеспечение имеет широкий спектр применения, высокую пропускную способность, простоту в использовании, высокую точность и высокую скорость вычислений;

7) Интегрированные программно-аппаратные решения, бесшовная связь результатов обработки данных, пригодность для расчета объемов в различных сценариях.

Реконструкция и расширение парка

Для увеличения площади растительного покрова в определенном парке необходимо спланировать и реконструировать существующий участок, а также точно рассчитать объем земляных работ на реконструируемом участке для обеспечения необходимой информации для строительства. Реконструируемый участок расположен в центральной части парка и занимает площадь около 1500 м². Рельеф местности не холмистый, растительный покров высокий. Сигнал GNSS сильно блокируется, видимость ограничена.

Расположение и общий вид зоны реконструкции

Сборщики данных осуществляют сбор информации на месте, что не только решает проблему невозможности проведения измерений традиционными методами из-за форс-мажорных обстоятельств (загромождение растительностью и т. д.), но и позволяет избежать проблем, связанных с частой сменой станций стационарных сканеров, склеиванием облаков точек и т. д., эффективно повышая эффективность работы. В процессе сканирования с помощью SLAM GO отслеживается эффект склеивания облаков точек в режиме реального времени. При обнаружении пропущенных точек они сканируются своевременно, чтобы обеспечить полноту данных облака точек. Полевое сканирование занимает 10 минут.

Сбор полевых данных (слева), исходные данные облака точек (справа)

Исходные данные импортируются в SLAM GO POST Pro для постобработки с целью создания высокоточной карты облака точек. После классификации облака точек используется CloudCompare для расчета объема. Внутренняя обработка заняла 1,5 часа. В соответствии с фактической ситуацией на площадке, объем засыпки в 85 м³ был исключен, а объем выемки составил 2898,107 м³.

Визуализация опорной точки и треугольной сетки

Результаты расчетов земляных работ

На одном зернохранилище необходимо регулярно проверять остатки зерна на складе. В складе не принимается сигнал GPS, а для получения данных с помощью бортового лидара невозможно. Высота зерновой кучи составляет около 4-5 м, и стационарный сканер не может получить данные с вершины кучи. Для этого необходимо обойти зерновую кучу с помощью ручного SLAM100 и использовать удлинительную штангу для получения полного трехмерного облака точек. Из-за разных размеров зернохранилищ сканирование одного склада занимает около 5-7 минут.

После удаления шума и обрезки облака точек насыпи зерна разделяются отдельно. На поверхности насыпи зерна отсутствуют загроможденные облака точек, и объем хранения можно рассчитать напрямую. Объем хранения зерна в одном из зернохранилищ составляет 3400 м³. Инвентаризация запасов зернохранилища занимает около 25-30 минут, в зависимости от его размера и внутренней планировки.

SLAM100 — площадка для сканирования зерновых куч

облако точек Ляндуи

Расчет количества зерна в куче

В процессе строительства на строительной площадке образовалось большое количество строительных отходов, и теперь необходимо определить их объем для составления плана уборки. Строительные отходы занимают площадь около 1400 квадратных метров и имеют крайне неправильную форму. При использовании статического сканера для завершения сканирования требуется 12-14 установок. Специалисты компании Pegasus, используя SLAM100, сканировали отвалы по периметру и сверху, получая непрерывные данные, что исключает необходимость последующей обработки. На шумоподавление и обрезку данных облака точек, классификацию и другие операции по уборке, полевым рабочим потребовалось 9 минут, а штатным сотрудникам — 1,2 часа. В результате объем отвала, образованного строительными отходами и грунтом, был рассчитан как 2704,506 м³.

строительный мусор

Изображение облака точек строительных отходов

Результаты расчета объема