三維激光技術在砂石方量自動測量中的應用

汪仁銀,陳 銳,李開偉,葉 波

(1. 四川水利職業技術學院，四川 成都 611231; 2. 武漢海達數云技術有限公司，湖北 武漢 430023)

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

本文掌握了運行過程監控，實況分析獲取、傳輸、運算、分析重要數據，對砂石公司整體運行狀態實現可視化管理；對各項監控信息數據的歷史變化建立數據庫，為安全生產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，可實現安全、作業、運輸、監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 基于三維激光技術的砂石方量測量方案

1.1 技術路線

如圖1所示，砂石方量測量管理系統主要工作包括：三維激光掃描儀獲取船舶點云數據、有源RFID獲取船舶編號信息、船舶點云數據用于砂石測量計算系統、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識別船只、運單管理系統和移動端APP用于運單運輸查詢和監管，實現了信息化過程監管。

1.2 硬件設備

中海達自主研發的脈沖式、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、成果數字化等特點。由于是在露天惡劣環境下長時間工作，本方案三維激光掃描儀選型為海達數云完全自主研發的HS300X工業級三維激光掃描儀。如圖2、表1所示。

表1

1.3 技術流程

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

2 砂石方量測量項目案例

2.1 項目概況

為滿足現場作業需求，拓展工業領域新興行業，中海達基于三維激光掃描技術開發了砂石體積測量運單管理系統。2017年5月，在南昌市贛江中支上，中海達利用激光掃描技術快速、準確地為相關監督執法單位提供基礎數據支撐。

2.2 項目要求

采用三維掃描測量系統(三維激光掃描儀、測量計算軟件、控制設備、具備3G/4G通信的傳輸功能)、船舶識別系統、船舶運單管理系統、預留相應的財務等數據接口和硬件設備的采購。

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

2.3 技術流程

(1) 預處理流程：三維激光掃描數據拼接包括：原始數據自動導入到設備中，記錄實況點云；自動過濾興趣區域(船只)以外的點云數據；自動匹配空船與滿載船兩期數據；自動分析導出砂石方量結果，如圖4所示。

(2) 多時項多方位數據自動匹配，如圖5所示。

(3) 體積計算：①生成DEM/TIN：將數據導入點云處理軟件中自動生成DEM/TIN等，并可以根據需求進行監測及生成DSM等；②模型提取：在自主開發的軟件中提取精準三維模型數據；③方量計算：通過方量計算插件將堆體體積計算并生產TXT文檔，如圖6所示。

(4) 后臺管理：包括用戶管理、角色管理、權限管理、安全管理。

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

(6) 實時定位監管：發布后的運單可查詢運單位置，偏離航線或失去信號時，系統予以預警報警；監控船舶當前位置、船舶行駛路線、船舶行駛方位、船舶狀態，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、發貨方、收貨方等形式進行。

3 作業模式優勢分析

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

(1) 數據管理：實現數據實況獲取、傳輸、運算、決策，對開采、運輸、卸砂、財務等過程進行監控，掌握系統整體運行狀態。

(2) 過程監管：視頻系統顯示信息數據的歷史變化態，為管理人員提供簡潔明了的信息參考。

(3) 及時預警：如遇緊急異常情況時系統會及時播報，包括聲音報警、動畫閃爍警報、監控屏幕警報、相關責任人手機短信、郵件發布等。

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

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

4 結 語

立足測繪新技術的應用，結合贛昌砂石方量測量運單管理系統和三維激光高效精確的技術優勢幫助管理者完成了實時、在線、量化監管。相對傳統測算方式如采用拉皮尺、激光測距儀、“吃水線”估算等方法，該系統現場作業無需人工參與，大大提高了測量精度、精簡了作業流程。

基于三維激光掃描儀提出的作業方法，有效提高了數據獲取效率及體積測算精度，尤其是在惡劣天氣工作環境下減輕了外業作業人員的工作量。