三維激光技術(shù)在砂石方量自動測量中的應(yīng)用

汪仁銀,陳 銳,李開偉,葉 波

(1. 四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611231; 2. 武漢海達數(shù)云技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430023)

目前砂石行業(yè)遇到很多困擾，存在船舶信息記錄無系統(tǒng)化管理、采砂方量沒有精確的計算方式、靠“吃水位”的測量方式不準(zhǔn)確、運輸過程無法監(jiān)管、實際卸砂量與裝載量無法準(zhǔn)確評估、無法計算運載效率、目前的作業(yè)與管理模式效率低、無法滿足日益增長業(yè)務(wù)工作量的需求等諸多問題。

本文掌握了運行過程監(jiān)控，實況分析獲取、傳輸、運算、分析重要數(shù)據(jù)，對砂石公司整體運行狀態(tài)實現(xiàn)可視化管理；對各項監(jiān)控信息數(shù)據(jù)的歷史變化建立數(shù)據(jù)庫，為安全生產(chǎn)管理人員提供簡潔明了的信息參考；建立多級管理平臺工作模式，可實現(xiàn)安全、作業(yè)、運輸、監(jiān)管部門多級管理與信息共享；建立信息化管理管理模式，提升工作效率。

1 基于三維激光技術(shù)的砂石方量測量方案

1.1 技術(shù)路線

如圖1所示，砂石方量測量管理系統(tǒng)主要工作包括：三維激光掃描儀獲取船舶點云數(shù)據(jù)、有源RFID獲取船舶編號信息、船舶點云數(shù)據(jù)用于砂石測量計算系統(tǒng)、精細化算出砂石體積方量、有源RFID信號用于船舶自動識別系統(tǒng)識別船只、運單管理系統(tǒng)和移動端APP用于運單運輸查詢和監(jiān)管，實現(xiàn)了信息化過程監(jiān)管。

1.2 硬件設(shè)備

中海達自主研發(fā)的脈沖式、全波形、高精度、高頻率三維激光掃描儀，配套自主研發(fā)點云自動匹配、濾波、體積計算等系列軟件，具備精度高、效率高、成果數(shù)字化等特點。由于是在露天惡劣環(huán)境下長時間工作，本方案三維激光掃描儀選型為海達數(shù)云完全自主研發(fā)的HS300X工業(yè)級三維激光掃描儀。如圖2、表1所示。

表1

1.3 技術(shù)流程

建設(shè)技術(shù)流程，如圖3所示：①船舶空倉建模和屬性建庫用于基礎(chǔ)系統(tǒng)庫；②船舶自動化識別系統(tǒng)識別船舶并提取船舶信息；③砂石采集完成激光掃測；④砂石測量計算系統(tǒng)自動精細化計算砂石體積方量；⑤運單管理系統(tǒng)和移動端APP用于運單運輸查詢和監(jiān)管，實現(xiàn)信息化過程監(jiān)管。

2 砂石方量測量項目案例

2.1 項目概況

為滿足現(xiàn)場作業(yè)需求，拓展工業(yè)領(lǐng)域新興行業(yè)，中海達基于三維激光掃描技術(shù)開發(fā)了砂石體積測量運單管理系統(tǒng)。2017年5月，在南昌市贛江中支上，中海達利用激光掃描技術(shù)快速、準(zhǔn)確地為相關(guān)監(jiān)督執(zhí)法單位提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

2.2 項目要求

采用三維掃描測量系統(tǒng)(三維激光掃描儀、測量計算軟件、控制設(shè)備、具備3G/4G通信的傳輸功能)、船舶識別系統(tǒng)、船舶運單管理系統(tǒng)、預(yù)留相應(yīng)的財務(wù)等數(shù)據(jù)接口和硬件設(shè)備的采購。

要求能在惡劣天氣、船舶顛簸及電壓不穩(wěn)等現(xiàn)場工況下正常使用；設(shè)備安裝在采砂船的固定點位上，對運砂船進行實時在線監(jiān)控，確保測量數(shù)據(jù)真實可靠，無需人工干預(yù)。對運砂船裝載方量同船兩次以上重復(fù)測量，誤差值不高于平均值±0.5%。

2.3 技術(shù)流程

(1) 預(yù)處理流程：三維激光掃描數(shù)據(jù)拼接包括：原始數(shù)據(jù)自動導(dǎo)入到設(shè)備中，記錄實況點云；自動過濾興趣區(qū)域(船只)以外的點云數(shù)據(jù)；自動匹配空船與滿載船兩期數(shù)據(jù)；自動分析導(dǎo)出砂石方量結(jié)果，如圖4所示。

(2) 多時項多方位數(shù)據(jù)自動匹配，如圖5所示。

(3) 體積計算：①生成DEM/TIN：將數(shù)據(jù)導(dǎo)入點云處理軟件中自動生成DEM/TIN等，并可以根據(jù)需求進行監(jiān)測及生成DSM等；②模型提取：在自主開發(fā)的軟件中提取精準(zhǔn)三維模型數(shù)據(jù)；③方量計算：通過方量計算插件將堆體體積計算并生產(chǎn)TXT文檔，如圖6所示。

(4) 后臺管理：包括用戶管理、角色管理、權(quán)限管理、安全管理。

(5) 建立運單：配備掃描儀由系統(tǒng)自動建立運單、未配備掃描儀船舶由發(fā)貨員建立運單、建立運單無誤后確定運單、已確認(rèn)運單由發(fā)貨員發(fā)布運單，如圖7所示。發(fā)布運單時，已確認(rèn)運單由發(fā)貨員發(fā)布運單，發(fā)布后的運單可通過系統(tǒng)查詢運單狀態(tài)，發(fā)布后的運單在特殊情況下可由發(fā)貨員改派。

(6) 實時定位監(jiān)管：發(fā)布后的運單可查詢運單位置，偏離航線或失去信號時，系統(tǒng)予以預(yù)警報警；監(jiān)控船舶當(dāng)前位置、船舶行駛路線、船舶行駛方位、船舶狀態(tài)，是否信號失鎖等，如圖8所示。

(7) 完成訂單(簽收)：完成運單由收貨方完成，在船舶周圍，拍照上傳，確認(rèn)完成運單。

(8) 歷史訂單查詢：對歷史運單可進行查詢，查詢方式可按運單時間、發(fā)貨方、收貨方等形式進行。

3 作業(yè)模式優(yōu)勢分析

在該項目中，砂石方量測量運單管理系統(tǒng)帶來了效率的極大提升，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

(1) 數(shù)據(jù)管理：實現(xiàn)數(shù)據(jù)實況獲取、傳輸、運算、決策，對開采、運輸、卸砂、財務(wù)等過程進行監(jiān)控，掌握系統(tǒng)整體運行狀態(tài)。

(2) 過程監(jiān)管：視頻系統(tǒng)顯示信息數(shù)據(jù)的歷史變化態(tài)，為管理人員提供簡潔明了的信息參考。

(3) 及時預(yù)警：如遇緊急異常情況時系統(tǒng)會及時播報，包括聲音報警、動畫閃爍警報、監(jiān)控屏幕警報、相關(guān)責(zé)任人手機短信、郵件發(fā)布等。

(4) 遠程運維：有萬維網(wǎng)接入能實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程登錄、訪問、管理、控制和維護。

(5) 信息共享：多級平臺管理模式，方便實現(xiàn)安監(jiān)、作業(yè)、運輸、卸載等部門多級管理信息共享。

4 結(jié) 語

立足測繪新技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合贛昌砂石方量測量運單管理系統(tǒng)和三維激光高效精確的技術(shù)優(yōu)勢幫助管理者完成了實時、在線、量化監(jiān)管。相對傳統(tǒng)測算方式如采用拉皮尺、激光測距儀、“吃水線”估算等方法，該系統(tǒng)現(xiàn)場作業(yè)無需人工參與，大大提高了測量精度、精簡了作業(yè)流程。

基于三維激光掃描儀提出的作業(yè)方法，有效提高了數(shù)據(jù)獲取效率及體積測算精度，尤其是在惡劣天氣工作環(huán)境下減輕了外業(yè)作業(yè)人員的工作量。