Способ измерения объемов сыпучих материалов на открытых складах с применением воздушного оптического сканирования с беспилотных авиационных комплексов

Изобретение относится к способу измерения объемов сыпучих материалов на открытых складах с применением воздушного оптического сканирования с беспилотных авиационных систем (БАС). Способ измерения объемов сыпучих материалов на открытых складах с применением воздушного оптического сканирования с беспилотных авиационных систем содержит этапы, на которых получают высокоточные геодезические измерения характерных точек границ сыпучих материалов и опознавательных знаков (контрольных точек). Затем получают данные оптического сканирования с БАС в виде аэрофотоснимков сыпучего материала, получают результаты геодезических измерений от базовой станции (БС) за период проведения аэрофотосъемки. Далее получают результаты геодезических измерений от бортового GNSS приемника за период проведения аэрофотосъемки, получают результаты совместной обработки измерений от базовой станции и от бортового GNSS приемника, как результат получение центров фотографирования. Проводят фотограмметрическую обработку данных оптического сканирования и проверку их точности посредством сравнения координат опознавательных знаков, определенных на аэрофотоснимках с координатами опознавательных знаков, определенными указанными выше высокоточными геодезическими измерениями, при этом 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, высокоточного 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. Техническим результатом изобретения является повышение точности и скорости определения объемов сыпучих материалов на открытых складах. 4 з.п. ф-лы.

 

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).

1. Способ измерения объемов сыпучих материалов, на открытых складах с применением воздушного оптического сканирования с беспилотных авиационных систем (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), высокоточного 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.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что все геодезические измерения выполняются в системе координат WGS 84.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что опознавательные знаки размещаются на границах и/или на поверхности сыпучих материалов.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит этапы по: определению центров фотографирования, выравниванию и уравниванию аэрофотоснимков сыпучего материала.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что центры фотографирования определяются с учетом геоида и смещения антенны бортового GNSS приемника относительно центра снимка.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области оптических бесконтактных измерений геометрических параметров формы, положения, движения и деформации объектов в пространстве, в частности к ближней цифровой фотограмметрии и видеограмметрии, и может применяться для прецизионной калибровки видеограмметрических систем в научных исследованиях, машиностроении, строительстве, медицине, экспериментальной аэродинамике и в других областях.

Изобретение относится к области дистанционного мониторинга опасных природных процессов. Способ контроля положения фронтальной части ледника с находящегося на околокруговой орбите космического аппарата (КА) включает определение текущих параметров орбиты, съемку с КА ледника и неподвижных характерных наземных точек в моменты, взятые через задаваемый промежуток времени, и определение скорости движения фронтальной части ледника по получаемым изображениям.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокаторе с синтезируемой апертурой антенны (РСА). Достигаемый технический результат – измерение рельефа поверхности Земли и формирование цифровой модели рельефа с помощью РСА, установленного на борту носителя РСА.

Предложенный способ относится к области дистанционного мониторинга природных процессов, в частности роста и движения ледников. Способ определения положения фронтальной части ледника с находящегося на околокруговой орбите КА включает определение текущих параметров орбиты, съемку с КА ледника и неподвижных характерных наземных точек в моменты, взятые через задаваемый промежуток времени, и определение скорости движения фронтальной части ледника по получаемым изображениям.

Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, а именно к техническим средствам для обработки растений. Беспилотный робот с модулем для картирования урожайности содержит раму, колеса, систему управления и навигации с контрольно измерительными приборами, систему питания, технологический адаптер с модулем для картирования урожайности и бортовой компьютер.

Способ наблюдения наземных объектов с движущегося по околокруговой орбите космического аппарата (КА) относится к области дистанционного мониторинга природных и техногенных процессов.

Изобретение относится к способам радиометрической съемки земной поверхности и может быть использовано при проведении мониторинга рисовых оросительных систем. Сущность: выполняют панорамную космическую ИК-радиометрическую съемку поверхности земли со средним разрешением 100-200 м и периодичностью 12-24 ч.

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для контроля участков нарушения вечной мерзлоты в Арктической зоне. Сущность: система включает средства дистанционного зондирования подстилающей поверхности, размещенные на высокоширотном космическом носителе (1), Центр (10) тематической обработки, автономные измерители (14) приземной концентрации метана, центральный диспетчерский пункт (17).

Способ определения расстояния при помощи камеры основан на том, что получают один видеокадр, получают калибровочные характеристики камеры, выделяют на кадре объект, до которого измеряют расстояние.

Изобретение относится к акустике, в частности к средствам распознавания птиц. Устройство содержит распределенные системы камер и микрофонов, размещенные на периферийных постах, и связанный с ними центральный процессор для определения координат объекта по изображениям с них.

Изобретение относится к аэросъемочным системам, а именно к модернизированной бортовой системе управления аэрофотосъемкой для пилотируемых воздушных судов (МБСУ АФС). Заявленная модернизированная бортовая система управления аэрофотосъемкой для пилотируемых воздушных судов (МБСУ АФС) содержит управляющий контроллер, соединенный с двумя цифровыми аэрофотоаппаратами и запоминающим устройством, причем оптические оси упомянутых аэрофотоаппаратов расположены таким образом, чтобы обеспечить одновременное получение изображений двух маршрутов с поперечным перекрытием между собой в 30% для сохранения их в памяти запоминающего устройства. Технический результат заключается в снижении массогабаритных показателей бортовой системы управления аэрофотосъемкой для пилотируемых воздушных судов (МБСУ АФС) с одновременным повышением оперативности получения изображений местности, необходимых для построения высокоточного ортофотоплана. 12 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области геодезии и может быть использовано для высокопроизводительной, качественной топографической съемки. Заявленный способ топографической съемки включает измерение угловых координат и расстояния от места измерения до визирной рейки. При этом в качестве визирной рейки используют измерительно-указательный комплекс, установленный на беспилотном летательном аппарате и включающий высотный дальномер и ориентир, предназначенный для наведения тахеометра. Измерения дальномером комплекса расстояния и угловых координат направления измерения от ориентира до обрабатываемой поверхности и измерения тахеометром угловых координат ориентира комплекса и расстояния до него выполняют синхронно с заданной частотой. Технический результат – повышение скорости и точности топографической съемки, снижение квалифицированных трудозатрат и получение возможности проведения топографических работ в труднопроходимых местах.
Изобретение относится к измерительной технике и, в частности, может быть использовано для панорамной стереоскопической фото- и видеосъемки, получения стереоизображений полостей труб, колодцев, шахт и т.п., по которым методами фотограмметрии могут осуществляться координатные измерения. Заявленный способ панорамной стереосъемки заключается в съемке объекта двумя видеокамерами, разнесенными в пространстве на базу стереосъемки и находящимися в одном корпусе с общим блоком управления, при этом видеокамеры оснащают панорамными зеркально-линзовыми и предающими объективами, создающими на фотоматрицах видеокамер изображение пространства в кольцевой зоне с полным охватом горизонта, базу съемки создают вдоль общей оптической оси видеокамер, первую видеокамеру располагают в темновом поле второго зеркально-линзового объектива второй камеры, при этом видеокамеры располагают таким образом, чтобы первая видеокамера находилась в темновом поле второго зеркально-линзового объектива, а угловые поля первого и второго зеркально-линзовых объективов перекрывались, образуя зону съемки. Технический результат заключается в получение панорамного стереоскопического изображения (панорамной стереопары) одним кадром. 4 ил.

Изобретение относится к способу измерения объемов сыпучих материалов на открытых складах с применением воздушного оптического сканирования с беспилотных авиационных систем. Способ измерения объемов сыпучих материалов на открытых складах с применением воздушного оптического сканирования с беспилотных авиационных систем содержит этапы, на которых получают высокоточные геодезические измерения характерных точек границ сыпучих материалов и опознавательных знаков. Затем получают данные оптического сканирования с БАС в виде аэрофотоснимков сыпучего материала, получают результаты геодезических измерений от базовой станции за период проведения аэрофотосъемки. Далее получают результаты геодезических измерений от бортового GNSS приемника за период проведения аэрофотосъемки, получают результаты совместной обработки измерений от базовой станции и от бортового GNSS приемника, как результат получение центров фотографирования. Проводят фотограмметрическую обработку данных оптического сканирования и проверку их точности посредством сравнения координат опознавательных знаков, определенных на аэрофотоснимках с координатами опознавательных знаков, определенными указанными выше высокоточными геодезическими измерениями, при этом 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, высокоточного ортофотоплана сыпучих материалов, карты высот и 3D модели. На основе высокоточного ортофотоплана и 3d модели определяют объем сыпучих материалов - методом переходных квадратов от отсчетной триангуляционной поверхности или заданного горизонтального сечения. Техническим результатом изобретения является повышение точности и скорости определения объемов сыпучих материалов на открытых складах. 4 з.п. ф-лы.

Наверх