三維激光技術(shù)在砂石方量自動(dòng)測(cè)量中的應(yīng)用

汪仁銀,陳 銳,李開(kāi)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(dá)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(wú)系統(tǒng)化管理、采砂方量沒(méi)有精確的計(jì)算方式、靠“吃水位”的測(cè)量方式不準(zhǔn)確、運(yùn)輸過(guò)程無(wú)法監(jiān)管、實(shí)際卸砂量與裝載量無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估、無(wú)法計(jì)算運(yùn)載效率、目前的作業(yè)與管理模式效率低、無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)業(yè)務(wù)工作量的需求等諸多問(wèn)題。

本文掌握了運(yùn)行過(guò)程監(jiān)控，實(shí)況分析獲取、傳輸、運(yùn)算、分析重要數(shù)據(jù)，對(duì)砂石公司整體運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)可視化管理；對(duì)各項(xiàng)監(jiān)控信息數(shù)據(jù)的歷史變化建立數(shù)據(jù)庫(kù)，為安全生產(chǎn)管理人員提供簡(jiǎn)潔明了的信息參考；建立多級(jí)管理平臺(tái)工作模式，可實(shí)現(xiàn)安全、作業(yè)、運(yùn)輸、監(jiān)管部門(mén)多級(jí)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(cè)量方案

1.1 技術(shù)路線

如圖1所示，砂石方量測(cè)量管理系統(tǒng)主要工作包括：三維激光掃描儀獲取船舶點(diǎn)云數(shù)據(jù)、有源RFID獲取船舶編號(hào)信息、船舶點(diǎn)云數(shù)據(jù)用于砂石測(cè)量計(jì)算系統(tǒng)、精細(xì)化算出砂石體積方量、有源RFID信號(hào)用于船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別船只、運(yùn)單管理系統(tǒng)和移動(dòng)端APP用于運(yùn)單運(yùn)輸查詢和監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)了信息化過(guò)程監(jiān)管。

1.2 硬件設(shè)備

中海達(dá)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(diǎn)云自動(dòng)匹配、濾波、體積計(jì)算等系列軟件，具備精度高、效率高、成果數(shù)字化等特點(diǎn)。由于是在露天惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作，本方案三維激光掃描儀選型為海達(dá)數(shù)云完全自主研發(fā)的HS300X工業(yè)級(jí)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(cāng)建模和屬性建庫(kù)用于基礎(chǔ)系統(tǒng)庫(kù)；②船舶自動(dòng)化識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別船舶并提取船舶信息；③砂石采集完成激光掃測(cè)；④砂石測(cè)量計(jì)算系統(tǒng)自動(dòng)精細(xì)化計(jì)算砂石體積方量；⑤運(yùn)單管理系統(tǒng)和移動(dòng)端APP用于運(yùn)單運(yùn)輸查詢和監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)信息化過(guò)程監(jiān)管。

2 砂石方量測(cè)量項(xiàng)目案例

2.1 項(xiàng)目概況

為滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求，拓展工業(yè)領(lǐng)域新興行業(yè)，中海達(dá)基于三維激光掃描技術(shù)開(kāi)發(fā)了砂石體積測(cè)量運(yùn)單管理系統(tǒng)。2017年5月，在南昌市贛江中支上，中海達(dá)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(xiàng)目要求

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

要求能在惡劣天氣、船舶顛簸及電壓不穩(wěn)等現(xiàn)場(chǎng)工況下正常使用；設(shè)備安裝在采砂船的固定點(diǎn)位上，對(duì)運(yùn)砂船進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，確保測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，無(wú)需人工干預(yù)。對(duì)運(yùn)砂船裝載方量同船兩次以上重復(fù)測(cè)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(dòng)導(dǎo)入到設(shè)備中，記錄實(shí)況點(diǎn)云；自動(dòng)過(guò)濾興趣區(qū)域(船只)以外的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；自動(dòng)匹配空船與滿載船兩期數(shù)據(jù)；自動(dòng)分析導(dǎo)出砂石方量結(jié)果，如圖4所示。

(2) 多時(shí)項(xiàng)多方位數(shù)據(jù)自動(dòng)匹配，如圖5所示。

(3) 體積計(jì)算：①生成DEM/TIN：將數(shù)據(jù)導(dǎo)入點(diǎn)云處理軟件中自動(dòng)生成DEM/TIN等，并可以根據(jù)需求進(jìn)行監(jiān)測(cè)及生成DSM等；②模型提?。涸谧灾鏖_(kāi)發(fā)的軟件中提取精準(zhǔn)三維模型數(shù)據(jù)；③方量計(jì)算：通過(guò)方量計(jì)算插件將堆體體積計(jì)算并生產(chǎn)TXT文檔，如圖6所示。

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

(6) 實(shí)時(shí)定位監(jiān)管：發(fā)布后的運(yùn)單可查詢運(yùn)單位置，偏離航線或失去信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)予以預(yù)警報(bào)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(hào)失鎖等，如圖8所示。

(7) 完成訂單(簽收)：完成運(yùn)單由收貨方完成，在船舶周?chē)恼丈蟼?，確認(rèn)完成運(yùn)單。

(8) 歷史訂單查詢：對(duì)歷史運(yùn)單可進(jìn)行查詢，查詢方式可按運(yùn)單時(shí)間、發(fā)貨方、收貨方等形式進(jìn)行。

3 作業(yè)模式優(yōu)勢(shì)分析

在該項(xiàng)目中，砂石方量測(cè)量運(yùn)單管理系統(tǒng)帶來(lái)了效率的極大提升，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

(1) 數(shù)據(jù)管理：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)況獲取、傳輸、運(yùn)算、決策，對(duì)開(kāi)采、運(yùn)輸、卸砂、財(cái)務(wù)等過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，掌握系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)。

(2) 過(guò)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(jiǎn)潔明了的信息參考。

(3) 及時(shí)預(yù)警：如遇緊急異常情況時(shí)系統(tǒng)會(huì)及時(shí)播報(bào)，包括聲音報(bào)警、動(dòng)畫(huà)閃爍警報(bào)、監(jiān)控屏幕警報(bào)、相關(guān)責(zé)任人手機(jī)短信、郵件發(fā)布等。

(4) 遠(yuǎn)程運(yùn)維：有萬(wàn)維網(wǎng)接入能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程登錄、訪問(wèn)、管理、控制和維護(hù)。

(5) 信息共享：多級(jí)平臺(tái)管理模式，方便實(shí)現(xiàn)安監(jiān)、作業(yè)、運(yùn)輸、卸載等部門(mén)多級(jí)管理信息共享。

4 結(jié) 語(yǔ)

立足測(cè)繪新技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合贛昌砂石方量測(cè)量運(yùn)單管理系統(tǒng)和三維激光高效精確的技術(shù)優(yōu)勢(shì)幫助管理者完成了實(shí)時(shí)、在線、量化監(jiān)管。相對(duì)傳統(tǒng)測(cè)算方式如采用拉皮尺、激光測(cè)距儀、“吃水線”估算等方法，該系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)無(wú)需人工參與，大大提高了測(cè)量精度、精簡(jiǎn)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(cè)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。