RU2646538C1 - Способ измерения объемов сыпучих материалов на открытых складах с применением воздушного оптического сканирования с беспилотных авиационных комплексов - Google Patents

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

Info

Publication number
RU2646538C1
RU2646538C1 RU2016140360A RU2016140360A RU2646538C1 RU 2646538 C1 RU2646538 C1 RU 2646538C1 RU 2016140360 A RU2016140360 A RU 2016140360A RU 2016140360 A RU2016140360 A RU 2016140360A RU 2646538 C1 RU2646538 C1 RU 2646538C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
bulk materials
optical scanning
identification marks
measurements
aerial
Prior art date
Application number
RU2016140360A
Other languages
English (en)
Inventor
Михаил Владимирович Курков
Степан Андреевич Руднев
Даниил Анатольевич Клестов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "СКАН" (ООО "СКАН")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "СКАН" (ООО "СКАН") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "СКАН" (ООО "СКАН")
Priority to RU2016140360A priority Critical patent/RU2646538C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2646538C1 publication Critical patent/RU2646538C1/ru

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C11/00Photogrammetry or videogrammetry, e.g. stereogrammetry; Photographic surveying

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

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.

Description

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).

Claims (13)

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.
RU2016140360A 2016-10-13 2016-10-13 Способ измерения объемов сыпучих материалов на открытых складах с применением воздушного оптического сканирования с беспилотных авиационных комплексов RU2646538C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016140360A RU2646538C1 (ru) 2016-10-13 2016-10-13 Способ измерения объемов сыпучих материалов на открытых складах с применением воздушного оптического сканирования с беспилотных авиационных комплексов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016140360A RU2646538C1 (ru) 2016-10-13 2016-10-13 Способ измерения объемов сыпучих материалов на открытых складах с применением воздушного оптического сканирования с беспилотных авиационных комплексов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2646538C1 true RU2646538C1 (ru) 2018-03-05

Family

ID=61568824

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016140360A RU2646538C1 (ru) 2016-10-13 2016-10-13 Способ измерения объемов сыпучих материалов на открытых складах с применением воздушного оптического сканирования с беспилотных авиационных комплексов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2646538C1 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110033517A (zh) * 2019-04-17 2019-07-19 重庆同汇勘测规划有限公司 一种基于Agisoft photoscan数据处理流程方法
RU197225U1 (ru) * 2019-05-24 2020-04-14 Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" Гибридная робототехническая платформа для автоматизации инвентаризации складских помещений
RU2788855C2 (ru) * 2021-04-19 2023-01-25 Общество с ограниченной ответственностью "ДИДЖИТАЛ ВЭЙВ" Фотограмметрический способ определения объема насыпи в закрытых складах

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU705257A1 (ru) * 1977-02-18 1979-12-25 Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт Геофизических Методов Разведки Способ определени координат точек местности
SU701216A1 (ru) * 1977-12-30 1989-10-07 Предприятие N 7 Главного Управления Геодезии И Картографии При Совете Министров Ссср Способ маркировани полевых опознаков
WO1996038003A1 (en) * 1995-05-24 1996-11-28 Omni Solutions Inernational, Ltd. Direct digital airborne panoramic camera system and method
RU24003U1 (ru) * 2002-03-28 2002-07-20 Попов Константин Николаевич Система для формирования цифровой модели рельефа и/или ортофотоплана

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU705257A1 (ru) * 1977-02-18 1979-12-25 Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт Геофизических Методов Разведки Способ определени координат точек местности
SU701216A1 (ru) * 1977-12-30 1989-10-07 Предприятие N 7 Главного Управления Геодезии И Картографии При Совете Министров Ссср Способ маркировани полевых опознаков
WO1996038003A1 (en) * 1995-05-24 1996-11-28 Omni Solutions Inernational, Ltd. Direct digital airborne panoramic camera system and method
RU24003U1 (ru) * 2002-03-28 2002-07-20 Попов Константин Николаевич Система для формирования цифровой модели рельефа и/или ортофотоплана

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110033517A (zh) * 2019-04-17 2019-07-19 重庆同汇勘测规划有限公司 一种基于Agisoft photoscan数据处理流程方法
RU197225U1 (ru) * 2019-05-24 2020-04-14 Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" Гибридная робототехническая платформа для автоматизации инвентаризации складских помещений
RU2788855C2 (ru) * 2021-04-19 2023-01-25 Общество с ограниченной ответственностью "ДИДЖИТАЛ ВЭЙВ" Фотограмметрический способ определения объема насыпи в закрытых складах

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Taddia et al. Using DJI Phantom 4 RTK drone for topographic mapping of coastal areas
Carvajal et al. Surveying a landslide in a road embankment using unmanned aerial vehicle photogrammetry
Barry et al. Field accuracy test of RPAS photogrammetry
Whitehead et al. Applying ASPRS accuracy standards to surveys from small unmanned aircraft systems (UAS)
El Meouche et al. UAV photogrammetry implementation to enhance land surveying, comparisons and possibilities
Wang et al. Estimating earthwork volumes through use of unmanned aerial systems
Gonçalves Automatic orientation and mosaicking of archived aerial photography using structure from motion
Mulakala Measurement accuracy of the DJI phantom 4 RTK & photogrammetry
Balázsik et al. Analysis of Data Acquisition Accuracy with UAV
CN111189433A (zh) 一种基于无人机航拍的岩溶峰林地貌参数测量方法
Dinkov et al. Advantages, disadvantages and applicability of GNSS post-processing kinematic (PPK) method for direct georeferencing of UAV images
Garcia et al. The Influence of Ground Control Points Configuration and Camera Calibration for Dtm and Orthomosaic Generation Using Imagery Obtained from a Low-Cost Uav
Kurkov et al. DEM accuracy research based on unmanned aerial survey data
Erenoglu et al. A case study on the comparison of terrestrial methods and unmanned aerial vehicle technique in landslide surveys: Sarıcaeli landslide, Çanakkale, NW Turkey
RU2646538C1 (ru) Способ измерения объемов сыпучих материалов на открытых складах с применением воздушного оптического сканирования с беспилотных авиационных комплексов
Thuse et al. Accuracy assessment of vertical and horizontal coordinates derived from Unmanned Aerial Vehicles over District Six in Cape Town
Lin et al. Micro-UAV based remote sensing method for monitoring landslides in Three Gorges Reservoir, China
CN113670266A (zh) 利用无人机倾斜摄影开展不动产权籍测量技术
KR102642117B1 (ko) Uav의 3차원 비행경로 설정방법
Hlotov et al. Accuracy investigation of creating orthophotomaps based on images obtained by applying Trimble-UX5 UAV
Amami et al. Investigations into utilizing low-cost amateur drones for creating ortho-mosaic and digital elevation model
Ten et al. Creation of topographic plans using unmanned aerial photography
Brent et al. Examining the practicality and accuracy of unmanned aerial system topographic mapping (drones) compared to traditional topographic mapping
Huang et al. Integration of mobile laser scanning data with UAV imagery for very high resolution 3D city modeling
Künnapuu et al. Accuracy of waste stockpile volume calculations based on UAV Photogrammetry

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20191003

PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20200723