СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЕМОВ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОТКРЫТЫХ СКЛАДАХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВОЗДУШНОГО ОПТИЧЕСКОГО СКАНИРОВАНИЯ С БЕСПИЛОТНЫХ АВИАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ
METHOD OF MEASUREMENT OF VOLUME OF BULK MATERIALS ON OPEN WAREHOUSES USING AIRBORNE OPTICAL SCANNING WITH THE USE OF REMOTELY PILOTED AIRCRAFT SYSTEMS

Изобретение относится к способу измерения объемов сыпучих материалов на открытых складах с применением воздушного оптического сканирования с беспилотных авиационных систем (БАС).
Аналогов применения БАС для измерения объемов сыпучих материалов на открытых складах не известно. Большинство российских и мировых производителей БАС не имеют полной линейки технических средств и программного обеспечения для выполнения данной задачи в отличие от методик, разработанных ООО «Скан».
В процессе работы проводились комплексные теоретические и практические исследования, а именно теоретический анализ и синтез, индуктивные и дедуктивные методы, картографический метод, изучение специализированной литературы, математические и статистические методы и др.
В результате проведенного анализа были выявлены следующие ключевые моменты.
На сегодняшний день существует несколько методик проведения измерений объемов сыпучих материалов на открытых складах, а именно:
1) Традиционным инструментальным методом определения объемов сыпучих материалов и грунта как при инвентаризации складов, так и при земляных работах является геодезическая съемка, как правило, с помощью электронного тахеометра, позволяющая определить объемы материалов с точностью не выше 5-10%. Основным ограничением при проведении работ с применением тахеометров является низкая скорость измерений и физическая невозможность детальной съемки больших объемов материалов.
2) Технология лазерного сканирования, позволяющая детально с шагом до единиц сантиметров обмерить и отразить форму бурта или поверхности кучи материала на складе и по полученной цифровой 3D модели произвести измерения ее объемов. Основной недостаток данного метода - стоимость, складывающаяся из высокой стоимости оборудования для лазерного сканирования, программного обеспечения для обработки данных, и высокие требования к квалификации персонала.
Каждая из технологий имеет ряд недостатков, которые в той или степени тормозят производственный процесс.
В результате научно-исследовательских изысканий был разработан новый уникальный способ по измерению объемов сыпучих материалов на открытых складах с применением воздушного оптического сканирования с беспилотных авиационных комплексов.
Техническим результатом является повышение точности и скорости определения объемов сыпучих материалов на открытых складах.
Для обеспечения указанного технического результата был разработан способ измерения объемов сыпучих материалов с применением воздушного оптического сканирования с БАС, содержащий следующие этапы:
получение высокоточных геодезических измерений характерных точек границ сыпучих материалов и опознавательных знаков (контрольных точек);
получение данных оптического сканирования с БАС в виде аэрофотоснимков сыпучего материала;
получение результатов геодезических измерений от базовой станции (БС) за период проведения аэрофотосъемки;
получение результатов геодезических измерений от бортового GNSS приемника за период проведения аэрофотосъемки;
получение результатов совместной обработки измерений от базовой станции и от бортового GNSS приемника, как результат получение центров фотографирования;
фотограмметрическая обработка данных оптического сканирования и проверка их точности посредством сравнения координат опознавательных знаков, определенных на аэрофотоснимках, с координатами опознавательных знаков, определенными указанными выше высокоточными геодезическими измерениями;
если разница в расположении опознавательных знаков в пределах допустимых значений, то на основе данных оптического сканирования и результатов геодезических измерений, полученных от БС, осуществляют построение в автоматизированном режиме плотного облака точек с известными координатами X, Y, Z (является аналогом лазерному сканированию), ортофотоплана сыпучих материалов, карты высот и 3D модели;
на основе высокоточного ортофотоплана и 3d модели определяют объем сыпучих материалов - методом переходных (неполных) квадратов от отсчетной триангуляционной поверхности или заданного горизонтального сечения
Для осуществления заявленного способа был разработан комплекс программно-аппаратных средств, состоящих из следующих элементов.
- Беспилотная авиационная система «ГЕОСКАН-101» с беспилотным воздушным судном самолетного типа и максимальной взлетной массой 3 кг, оборудованная специализированным цифровым фотоаппаратом и бортовым спутниковым геодезическим приемником.
- Программно-аппаратные средства для обработки спутниковых измерений «Pinnacle» и «Javad Justin». Pinnacle - программа постобработки результатов наблюдений спутников глобальных навигационных систем GPS и ГЛОНАСС, выполненных на оборудовании Javad или Тopcоn. Указанные средства позволяют обрабатывать одночастотные (L1) и двухчастотные (L1+L2) кодовые и фазовые наблюдения спутников как для каждой системы в отдельности, так и для обеих систем совместно.
- Программно-аппаратные средства для фотограмметрической обработки данных воздушного сканирования с БАС и получения цифровых 3D моделей. Программа Agisoft PhotoScan Pro (PhotoScan) в составе указанных программно-аппаратных средств позволяет создавать высококачественные 3D модели объектов на основе цифровых фотографий. Модель можно сохранить в различных форматах - OBJ, 3DS, PLY, FBX, VRML, COLLADA, U3D, PDF. Также указанные средства способны обрабатывать любые фотографии, снятые любым цифровым фотоаппаратом, с любых ракурсов, автоматически привязывает модель к заданной системе координат, вычислять проекцию модели на заданную поверхность (ортофотоплан), матрицу высот относительно заданной поверхности (DEM) и сохранять ортофотоплан и DEM в различных форматах и системах координат. Процесс обработки фотографий полностью автоматизирован и не требует предварительной калибровки камер или ручной маркировки фотографий.
- Программно-аппаратные средства для расчета объемов по полученным 3D моделям, ортофотопланам и картам высот. Программа «ГИС Спутник» в составе данных средств - это современная трехмерная геоинформационная система, основанная на принципах неогеографии, позволяющая отображать и анализировать геопространственную информацию в едином 3D пространстве с учетом временной динамики, а также просмотр и анализ ортофотопланов и цифровых моделей местности при выполнении мониторинга или других работ, в том числе анализ метрических данных объектов и расчет объемов положительных и отрицательных форм рельефа с возможностью расчета разницы между характеристиками объектов, снятыми в разный период.
Перед проведением воздушного оптического сканирования с помощью БАС проводят предварительные подготовительные работы по созданию опорной геодезической сети посредством закладки хорошо читаемых опознавательных знаков и точки базовой станции (БС). В частности, опознавательный знак может быть выполнен в виде металлической пластины шириной 2 мм в форме квадрата 20×20 см с нанесенным рисунком и в количестве четырех штук закреплены на земле металлическим анкером по углам измеряемого объекта. Также проводится маркировка и измерение точек, расположенных на вершинах куч. Маркировка может осуществляться, например, контрастной краской из аэрозольного баллона (крест 20×20 см). Точка БС должна быть закреплена на поверхности земли металлической арматурой или дюбелем.
Измерения точек границ сыпучих материалов и опознавательных знаков, а также координат точки БС осуществляют инструментальным методом с помощью геодезических приборов в системе координат WGS 84. Полученные таким образом геодезические измерения обладают высокой точностью (1-2 см) и используются для проверки точности данных воздушного оптического сканирования. Все полученные высокоточные геодезические измерения сохраняются в запоминающем устройстве, которым дополнительно снабжен комплекс программно-аппаратных средств.
Также инструментальным методом осуществляют измерение границы склада и его высоту, обеспечивая точность измерений в плане склада с погрешностью в 2-3 см. В границу склада не должны попадать высотные объекты. Измерения инструментальным методом проводить на всех характерных точках границы склада в системе координат WGS 84. По полученной границе склада создается полетное задание, например, со следующими параметрами: высота съемки 200 м, продольное перекрытие 70%, поперечное перекрытие 50%, границы полигона съемки должны выступать на 1,5 базиса фотографирования за границы склада.
На борту БПЛА размещается высокоточный GNSS приемник, который работает в режиме кинематики, а координаты БПЛА во время аэрофотосъемки фиксируются GNSS приемником, встроенным в систему бортовой навигации, как и инерциальная система IMU. Впоследствии проводится совместная обработка измерений от базовой станции и от бортового GNSS приемника и как результат получение центров фотографирования.
Полученные данные оптического сканирования с БАС в виде аэрофотоснимков сыпучего материала, согласно полетному заданию, и результаты геодезических измерений от БС за период проведения аэрофотосъемки поступают на программно-аппаратные средства для фотограмметрической обработки данных, где проверяется качество выполненного сканирования: качество снимков на смаз, четкость, засвет, затемнение или отсутствия измерений центров фотографирования бортовым геодезическим приемником. При выявлении брака при сканировании, производится повторный полет по данному полетному заданию в полном объеме, либо участка с выявленным браком. Перед фотограмметрической обработкой данных, полученных от БС и БПЛА, определяют центры фотографирования посредством совместной обработки измерений от базовой станции и от бортового GNSS приемника. Все рассчитанные координаты и полученные от БС должны быть приведены к единой системе координат, например, в системе координат WGS84 с использованием необходимого геоида и с учетом смещения антенны GNSS приемника относительно центра снимка.
По определенным центрам фотографирования проводится выравнивание и уравнивание снимков, а также проверка точности данных воздушного оптического сканирования посредством сравнения расположения опознавательных знаков на полученных аэрофотоснимках с высокоточными геодезическими измерениями опознавательных знаков на отчетной поверхности (контрольными точками), которые программно-аппаратные средства для фотограмметрической обработки данных получают из запоминающего устройства.
Если ошибка в определении опознавательных знаков на аэрофотоснимках не соответствует точности, например, превышает 10 см, то необходимо выявить проблему, ухудшающую точность модели, устранить проблему до достижения необходимой точности. Если разница в пределах допустимых значений, то переходят к этапу построения плотного облака точек с известными координатами X, Y, Z (является аналогом лазерному сканированию), на основе которого строится 3D модель, карта высот и ортофотоплан сыпучих материалов. При построении плотного облака точек используют как данные оптического сканирования, опознавательные знаки которых находятся в пределах допустимых значений, так и результаты геодезических измерений, полученных от БС, вследствие чего обеспечивается высокая точность полученных 3D модели, карты высот и ортофотоплана.
Далее на основе высокоточного ортофотоплана сыпучих материалов и 3D модели определяются объем сыпучих материалов методом переходных (неполных) квадратов от отсчетной триангуляционной поверхности или заданного горизонтального сечения.
Как показали экспериментальные исследования на тестовых объектах при разработке данного способа, результаты по определению объемов материалов не уступают по качеству измерений инструментальной съемки, а расхождения по значениям составили 1% от объема, что говорит о высокой точности данного метода.
Также уникальное преимущество данного способа заключается в его оперативности и доступности проведения измерений. Это позволяет проводить регулярный мониторинг на производстве, не требуя для этого уникальных специалистов, как в случае лазерного сканирования.
Данная методика с применением технических и программных средств при небольшой доработке в частных случаях может также использоваться для: определения объемов выемки в карьерах, в дорожном строительстве (для устройств дорожного полотна, выемок, насыпи и т.д.), определения объемов штабелей бревен на лесозаготовках и складах, в лесной таксации с применением спектра CIR, а также для различных топографических задач (получение картографического материала (ортофотопланы) и цифровой модели местности (ЦММ), цифровой модели рельефа (ЦМР), высокоточной текстурированной 3-D модели городов или любых других объектов, а также в реставрации и в сельском хозяйстве (с применением индекса NDVI).