基于无人机倾斜摄影测绘技术的港口散货盘点方案

何晓涛 肖龙飞

广州港集团有限公司

1 引言

某散货港目前有煤矿堆场25个,多数为露天堆场,各堆场之间被斗轮机机坝隔开,成条带状分布,通常用堆场号和机坝上的米数牌进行货堆位置标识。而对货物进行盘点,除了每天核实煤矿输入、输出记录外,主要根据堆场宽度、货堆所占米数、货堆高度进行经验式体积估算,再根据煤矿密度推算重量,工作量大、精度低、效率差。如果出现货运质量纠纷,只能通过视频回放进行货物保管过程倒查,存在严重滞后性。

近年来,无人机倾斜摄影测绘技术在工程土方量测算、地形勘测等领域得到应用,相比全站仪、地面三维激光扫描等技术,具有节省人力、机动性强、效率高、精度高的特点[1-2]。无人机倾斜摄影测绘技术主要是通过无人机搭载倾斜摄影测绘相机,在飞行过程中以一定角度向地面拍摄照片,运用绘图软件对这些照片进行处理和配准,进而建立三维数字实景图像的技术。绘图软件在进行实景建模的同时可建立地物的数字高程模型,准确地进行地面物体坐标、距离、体积等数据的测量和计算,总体积V计算公式为[3]:

(1)

式中,V为地物总体积,m3;S为单位格网面积,m2;Hi为格网高程,m;hi为地面基础高程,m;i为每个单位格网序号。

为了满足货物盘点需求,实现堆场信息化、可视化、数字化管理,建立了一种利用无人机倾斜摄影测绘技术和孪生港口散货堆场实景技术的散货码头货物盘点方案,实现港口煤矿散货堆场资产真实情况的实时记录。

2 无人机倾斜摄影测绘技术方案

2.1 软硬件选型

本项目中,使用大疆M300RTK飞行器,其具有定位高精度、飞行稳定、低噪声等特点,适用于各种复杂环境。使用禅思P1测绘相机,其具备高清晰度、高色彩还原度、快速成像等特点,适用于快速建立3D实景模型和数字高程模型。使用大疆智图TERRA软件,可以实现高效计算和处理高空倾斜摄影数据,提升建模精度和效率。通过数字高程模型技术和软件体积测量功能,实现对堆场散装物料的高精度测量和计算,提高库存管理的效率和精度。

为实现无人机自主飞行航拍,为无人机建立了无人值守机巢,可实现无人机自主飞行航线规划、航拍任务下发、航拍数据自动上传、无人机自动充电等功能。

2.2 应用方案

本方案通过货堆航拍建模、方块化,汇入软件建立3D实景地图,快速匹配各货堆信息,孪生堆场整体信息,可为堆场管理者和客户提供货物货堆实景,实现云管理。

2.2.1 条带状堆场边界测绘与数字堆场基础建立

本项目堆场呈条带状分布,可利用这一特征建立数字堆场的基础。利用无人机倾斜摄影技术,可绘制出堆场二维全景地图。首先,应用RTK(Real-time kinematic,实时动态)设备定位堆场0 m线位置,建立堆场堆位刻度尺,为堆场匹配刻度线,方便对货堆进行位置确认;其次,在电子地图上人工绘制出各堆场边界,为堆场高程计算提供边界基础。以01-06位堆场边界图和堆场刻度线为例进行应用说明(见图1)。

图1 01-06位堆场边界图和堆场刻度线

在此过程中,通过二维全景地图量取各堆场的长宽数据,与实地用全站仪测量的尺寸做对比,差距皆在0.05 m以内,精度满足对散货堆场货堆体积测量的要求。

2.2.2 堆场货堆航拍测绘及建模

为了获得高质量的航摄影像,保证更高的建模精度,先进行航线规划。在晴好天气条件下,飞行高度180 m,照片数量约1 200张,地面采样精度为2.26 cm/pixel,地面倾斜采样精度为2.41 cm/pixel,建模面积624 194.1 m2,旁向重叠率55%,航向重叠率65%,飞行时长25 min。

航拍任务完成后,无人机自主回到无人值守机巢进行数据传输。系统将航拍图片自主导入软件对货物堆场进行整体建模,在国家2 000地理坐标系上,处理生成料堆数字高程模型(见图2),并绘制高精度三维实景地图。利用实景地图,管理人员便可了解货物堆场的真实情况,进而更好地进行货物的布放调配和盘点。通过数字高程模型系统可计算出货堆建模体积,进而根据物料堆存密度,推算出货堆质量。

图2 料堆DEM数字高程模型

为了验证体积测量精度,项目组利用该港口1号斗轮机上已经搭载的高速高性能3D激光扫描仪测量周边2个堆场的料堆体积,并根据料堆实际重量推算出01和02堆位货堆的体积值。通过测量数据对比,无人机倾斜摄影测绘技术得到的体积差值在120 m3内,差值率在0.25%以下,体积测量精度达到生产要求(见表1)。

表1 体积测量对比表

2.2.3 与货堆信息自主匹配

在建模之初,堆场管理员通过电子表格,建立堆场每个货堆的初始数据台账,如所在堆场号、起始米数、结束米数、货源信息、货物体积、货物重量等信息。系统通过导入表格数据,自主索引和匹配货堆初始数据,并在相应货堆插旗标识。当完成一次航拍建模后,系统将自动更新货堆体积、重量数据,为堆场管理提供数据支持。以01位和02位堆场为例,系统可根据表2货堆信息数据,自动为堆场匹配数据,绘制堆场货堆信息图(见图3)。

表2 01位和02位堆场货堆信息数据表

图3 01位和02位堆场货堆信息图

3 结语

无人机倾斜摄影测绘技术能够快速完成大面积露天堆场的全方位航拍,实现实景3D建模、精确体积测量、货堆信息化功能;孪生的散货数字堆场能够弥补传统人工盘点货物资产的诸多缺陷,满足客户和堆场管理人员对货物的管理需要,推动散货港口的高质量管理。其方案设计可推广至大型散货露天港口堆场。