The application of photogrammetry in performance forecasting for earthmoving operations

The application of photogrammetry in performance forecasting for earthmoving operations. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
MASTER THESIS-WAHIB SAIF.pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 31 May 2023.

Download (7MB)

Arabic Abstract

تُـعتبر أعمال نقل التُـربة مُـهمة أولية يجب القيام بها في أي مشروع بناء تقريبًا. كما إنها أيضًا العملية الأساسية في مشاريع البناء التحتية التي تُساهم بشكل كبير في تكلفتها الإجمالية بسبب الاستخدام المُكثف للمُعدات الثقيلة. لتسليم مثلْ هذه العمليات ضمن نِـطاق التكلفة والجدول المُـخطط له ، يجب تنفيذ برنامج تتبع ومراقبة مستمر. تُـقدم هذه الأطروحة نـموذج تَـتبُع يَـسهل الوصول إليه و بتكلفة معقولـة لعمليات نقل التربة في محاولة للتغلب على بعض قيود نماذج التتبع الحالية. تَتـضمن المنهجية المُـقترحة أربع عمليات رئيسية: (١) الحصول على صور أرضية من الموقع ، (٢) معالجة الصور المُـكتسبة الى بيانات سحابية ثُـلاثية الأبعاد (Point Clouds)، (٣) استخراج القياسات الحَجمية وتقديرات إنتاجية الطاقم من السُحب النُـقاطية المُتعددة (Point Clouds) ، (٤) إجراء تحليل القيمة المُكتسبة (Earned Value) والتنبؤ بنطاق العمل المتبقي بناءً على الأداء المُقاس. النموذج المُـقترح فريد من نوعه في استخلاص القياسات الحجمية مُباشرةً من السُحب النُـقاطية (Point Clouds) المُتعددة في كود بايثون باستخدام Delaunay Triangulation بدلاً من استخلاصها من النماذج المنسقة (3D Models) في برامج النمذجة (Modeling Software) التي لا تكون آلية ولا فعالة من حيث الوقت. علاوة على ذلك ، يستخدم النموذج المُقدم نهج المعايرة الذاتية التي تهدف إلى الإستغناء عن المعايرة المُسبقة المُتطلبة قبل التقاط الصور لكل كاميرا مُخصصة للاستخدام ؛ وبالتالي ، يمكن لأي عامل في الموقع التقاط الصور المطلوبة مباشرةً بكاميرا يسهل الوصول إليها (على سبيل المثال ، كاميرا محمولة أو هاتف ذكي) ويمكن إرسالها إلى أي جهاز معالجة. للتحقق من صحة النموذج ، تمت مقارنة نموذج التتبع مع نهج تَـتبُع قائم على المُلاحظة لموقع ردم. كما تم استخدامه لتتبع مخزون الزلط الخشن لمشروع إنشاء طريق مُـعبد. لقد أثبت النموذج المُقدم أنه نهج تتبع عملي ودقيق يقوم بتقدير وتوقع جميع معلمات الأداء من خلال البيانات الملتقطة بطريقة تلقائية. بالإضافة إلى ذلك، تمت مقارنة القياس التصويري عن قرب (CRP) مع المسح بالليزر الأرضي (TLS) لتقدير حجم التربة بناءً على معايير مختلفة (على سبيل المثال ، الدقة ، وأوقات المسح والمعالجة ، والتكلفة ، ومدى ملاءمة الاستخدام ، وما إلى ذلك). على الرغم من أن TLS قدمت تقديرات أكثر دقة ، فإن خطأ التقدير النسبي لـ CRP إلى TLS كان تقريبًا ٢.٣% و الذي يُعتبرضئيلاً مقابل التطبيق العملي وإمكانية الوصول العالية والتكلفة المنخفضة المرتبطة بـ CRP. تزود نتائج هذا البحث المقاولين بنهج تَتبُع دقيق وعملي وفعال من حيث التكلُفة مع فهم عميق لمنهجيتها التي سيتم استخدامها لرصد عمليات نَقل التُربة والتنبؤ بها ، خاصة في المناطق التي قد لا يكون فيها القياس التصويري الجوي مُمكنًا بسبب حظر او تقييد استخدام الطائرات بدون طيار.

English Abstract

Earthmoving work is an initial task that needs to be conducted in almost any construction project. It is also the core operation in heavy construction projects that contributes significantly to their total cost due to the intensive utilization of heavy equipment. For such operations to be delivered within the planned cost and schedule range, a consistent tracking and control program must be performed. This thesis presents a highly accessible and affordable tracking model for earthmoving operations in an attempt to overcome some of the limitations of current tracking models. The proposed methodology involves four main processes: (1) acquiring onsite terrestrial images, (2) processing the acquired images into 3D scaled cloud data, (3) extracting volumetric measurements and crew productivity estimations from multiple point clouds, (4) conducting earned value analysis and forecasting the remaining scope of work based on the estimated performance. The proposed model is unique in extracting volumetric measurements directly from multiple point clouds in a python code using Delaunay triangulation instead of extracting them from textured models in modeling software which is neither automated nor time-effective. Furthermore, the presented model employs a self-calibration approach aiming to eliminate the pre-calibration procedure required before image capturing for each camera intended to be used; thus, any worker onsite can directly capture the required images with an easily accessible camera (e.g., handheld camera or a smartphone) and can be sent to any processing device. For validation, the tracking model was compared with an observation-based tracking approach for a backfilling site. It was also used for tracking a coarse base aggregate inventory for a road construction project. The presented model has proved to be a practical and accurate tracking approach that algorithmically estimates and forecasts all performance parameters from the captured data. Additionally, close-range photogrammetry (CRP) was compared with terrestrial laser scanning (TLS) for estimating earthmoving materials based on various criteria (e.g., accuracy, acquisition and processing times, cost, utilization suitability, etc.). Although TLS provided more accurate estimations, the relative estimation error of CRP to TLS was almost 2.3% which is not significant in trade of the high practicality, accessibility, and affordability associated with CRP. The findings of this research provide contractors with an accurate, practical, and cost-effective tracking approach with a profound understanding of its methodology to be used for monitoring and forecasting earthmoving operations, especially in areas where aerial photogrammetry may not be feasible due to drones being banned or extremely restricted.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Construction
Civil Engineering
Engineering
Department: College of Design and Built Environment > Construction Engineering and Management
Committee Advisor: Alshibani, Adel
Committee Members: Al-Hadidi, Laith and Ghaithan, Ahmed and Luqman, Hamzah and Mohammed, Awsan
Depositing User: WAHIB SAIF (g201472180)
Date Deposited: 31 May 2022 07:16
Last Modified: 31 May 2022 07:16
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142140