三维激光技术在砂石方量自动测量中的应用

汪仁银,陈 锐,李开伟,叶 波

(1. 四川水利职业技术学院，四川 成都 611231; 2. 武汉海达数云技术有限公司，湖北 武汉 430023)

目前砂石行业遇到很多困扰，存在船舶信息记录无系统化管理、采砂方量没有精确的计算方式、靠“吃水位”的测量方式不准确、运输过程无法监管、实际卸砂量与装载量无法准确评估、无法计算运载效率、目前的作业与管理模式效率低、无法满足日益增长业务工作量的需求等诸多问题。

本文掌握了运行过程监控，实况分析获取、传输、运算、分析重要数据，对砂石公司整体运行状态实现可视化管理；对各项监控信息数据的历史变化建立数据库，为安全生产管理人员提供简洁明了的信息参考；建立多级管理平台工作模式，可实现安全、作业、运输、监管部门多级管理与信息共享；建立信息化管理管理模式，提升工作效率。

1 基于三维激光技术的砂石方量测量方案

1.1 技术路线

如图1所示，砂石方量测量管理系统主要工作包括：三维激光扫描仪获取船舶点云数据、有源RFID获取船舶编号信息、船舶点云数据用于砂石测量计算系统、精细化算出砂石体积方量、有源RFID信号用于船舶自动识别系统识别船只、运单管理系统和移动端APP用于运单运输查询和监管，实现了信息化过程监管。

1.2 硬件设备

中海达自主研发的脉冲式、全波形、高精度、高频率三维激光扫描仪，配套自主研发点云自动匹配、滤波、体积计算等系列软件，具备精度高、效率高、成果数字化等特点。由于是在露天恶劣环境下长时间工作，本方案三维激光扫描仪选型为海达数云完全自主研发的HS300X工业级三维激光扫描仪。如图2、表1所示。

表1

1.3 技术流程

建设技术流程，如图3所示：①船舶空仓建模和属性建库用于基础系统库；②船舶自动化识别系统识别船舶并提取船舶信息；③砂石采集完成激光扫测；④砂石测量计算系统自动精细化计算砂石体积方量；⑤运单管理系统和移动端APP用于运单运输查询和监管，实现信息化过程监管。

2 砂石方量测量项目案例

2.1 项目概况

为满足现场作业需求，拓展工业领域新兴行业，中海达基于三维激光扫描技术开发了砂石体积测量运单管理系统。2017年5月，在南昌市赣江中支上，中海达利用激光扫描技术快速、准确地为相关监督执法单位提供基础数据支撑。

2.2 项目要求

采用三维扫描测量系统(三维激光扫描仪、测量计算软件、控制设备、具备3G/4G通信的传输功能)、船舶识别系统、船舶运单管理系统、预留相应的财务等数据接口和硬件设备的采购。

要求能在恶劣天气、船舶颠簸及电压不稳等现场工况下正常使用；设备安装在采砂船的固定点位上，对运砂船进行实时在线监控，确保测量数据真实可靠，无需人工干预。对运砂船装载方量同船两次以上重复测量，误差值不高于平均值±0.5%。

2.3 技术流程

(1) 预处理流程：三维激光扫描数据拼接包括：原始数据自动导入到设备中，记录实况点云；自动过滤兴趣区域(船只)以外的点云数据；自动匹配空船与满载船两期数据；自动分析导出砂石方量结果，如图4所示。

(2) 多时项多方位数据自动匹配，如图5所示。

(3) 体积计算：①生成DEM/TIN：将数据导入点云处理软件中自动生成DEM/TIN等，并可以根据需求进行监测及生成DSM等；②模型提取：在自主开发的软件中提取精准三维模型数据；③方量计算：通过方量计算插件将堆体体积计算并生产TXT文档，如图6所示。

(4) 后台管理：包括用户管理、角色管理、权限管理、安全管理。

(5) 建立运单：配备扫描仪由系统自动建立运单、未配备扫描仪船舶由发货员建立运单、建立运单无误后确定运单、已确认运单由发货员发布运单，如图7所示。发布运单时，已确认运单由发货员发布运单，发布后的运单可通过系统查询运单状态，发布后的运单在特殊情况下可由发货员改派。

(6) 实时定位监管：发布后的运单可查询运单位置，偏离航线或失去信号时，系统予以预警报警；监控船舶当前位置、船舶行驶路线、船舶行驶方位、船舶状态，是否信号失锁等，如图8所示。

(7) 完成订单(签收)：完成运单由收货方完成，在船舶周围，拍照上传，确认完成运单。

(8) 历史订单查询：对历史运单可进行查询，查询方式可按运单时间、发货方、收货方等形式进行。

3 作业模式优势分析

在该项目中，砂石方量测量运单管理系统带来了效率的极大提升，主要体现在如下几个方面：

(1) 数据管理：实现数据实况获取、传输、运算、决策，对开采、运输、卸砂、财务等过程进行监控，掌握系统整体运行状态。

(2) 过程监管：视频系统显示信息数据的历史变化态，为管理人员提供简洁明了的信息参考。

(3) 及时预警：如遇紧急异常情况时系统会及时播报，包括声音报警、动画闪烁警报、监控屏幕警报、相关责任人手机短信、邮件发布等。

(4) 远程运维：有万维网接入能实现系统的远程登录、访问、管理、控制和维护。

(5) 信息共享：多级平台管理模式，方便实现安监、作业、运输、卸载等部门多级管理信息共享。

4 结 语

立足测绘新技术的应用，结合赣昌砂石方量测量运单管理系统和三维激光高效精确的技术优势帮助管理者完成了实时、在线、量化监管。相对传统测算方式如采用拉皮尺、激光测距仪、“吃水线”估算等方法，该系统现场作业无需人工参与，大大提高了测量精度、精简了作业流程。

基于三维激光扫描仪提出的作业方法，有效提高了数据获取效率及体积测算精度，尤其是在恶劣天气工作环境下减轻了外业作业人员的工作量。