基于SLAM技術(shù)的地下暗渠探測方法

彭 浩 朱德才 吳凱華

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院, 廣東 廣州 510060)

0 引言

河涌治理工作是大力推進生態(tài)文明建設(shè)的工作重點,河涌主要有兩種:地表河涌和加蓋河涌。地表河涌暴露地面之上,治理較為直觀,加蓋河涌也稱為暗渠(下簡稱暗渠),在大城市中較為常見。由于城市發(fā)展加劇河涌污染,為減少污染對城市感官的影響,不少地區(qū)直接將河涌加蓋變成暗涌,是河涌整治初期的產(chǎn)物[1]。隨著社會的精細化管理需求,清楚地探測暗涌走向、邊線、埋深等屬性是暗渠治理或改造的關(guān)鍵所在。

1 現(xiàn)有技術(shù)背景

暗渠歷史悠久,早期建設(shè)資料難尋,道路狹窄,部分地方交通繁忙,地下管線空間緊張,使得探測難度大幅增加,國內(nèi)目前主要使用的探測方法:明挖法、三維激光掃描法、管道潛望鏡檢測法、閉路電視探測法[2]、蛙人潛入式方法及新型智能管涵檢測機器人[3]等方式。明挖法施工及影像較大,本文不予采納；智能管涵檢測機器人目前尚不成熟,由于部分暗渠水量很低,淤積較多,檢測船難以前進,經(jīng)試驗不予采納；閉路電視用于探測管道內(nèi)影像資料,無法獲得準確坐標信息。

本文采用的方法有如下幾種:

(1)管道潛望鏡探測是一種進行管道快速檢測的方法[4],利用可調(diào)節(jié)長度的手柄將高放大倍數(shù)的攝像頭置于打開的暗渠窨井中,通過旋轉(zhuǎn)伸縮桿,記錄管渠中管道的實際情況。通過管道探測鏡判斷暗渠流向,以井蓋為拐角點,根據(jù)開井處測量暗渠寬度、深度等信息,以暗渠寬度基本一致,埋深線性變化為規(guī)律初步畫出暗渠邊線[4]。此種作業(yè)方式存在如下問題:①對于無井蓋區(qū)域或者井蓋之間出現(xiàn)非直線暗渠極易出現(xiàn)誤判；②暗渠寬度基本一致或埋深線性變化的規(guī)律,并不適合于所有情況(如暗渠寬度、埋深驟變,暗渠小口接大口或者暗渠一分為二等情況)。由于可視化特征,適用于迅速直觀地判斷暗渠走向,通過相對位置判斷暗渠邊線,精度較低,可作為一種定性的手段。

(2)地質(zhì)雷達探測是一種適于在城市開展的地球物理探測方法,在城市淺層勘探中取得了良好效果。此技術(shù)的作用在于通過雷達發(fā)射波紋特征,來判斷暗涌邊線位置、邊壁厚度[5-7],結(jié)合管道內(nèi)窺鏡方式,確認邊線和走向的正確性。此種方法隨著暗渠埋深的加大易出現(xiàn)粗差,對于埋深較深的暗渠,探測能力較差,內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜,地表需平整(具備作業(yè)環(huán)境),適用環(huán)境受到限制。

(3)蛙人潛入式探測方法是一種人工穿戴專業(yè)潛水服,通過暗渠開口處或井蓋處下潛,人工布設(shè)金屬導(dǎo)線至暗渠邊緣,通過地面電磁探測設(shè)備獲取暗渠邊線的方法。此方法探測距離遠,細節(jié)豐富,精度相對較高,但由于暗渠水深普遍隨暴雨天氣變化,暗渠水流較急,淤積嚴重,內(nèi)有刺激性或有毒氣體,測量危險性較大[8]；且部分暗渠空間狹小,蛙人無法下井作業(yè),故投入的人力、物力較多,對安全生產(chǎn)方面也有有較高的要求。

2 新技術(shù)作業(yè)方法

根據(jù)上述應(yīng)用場景特點,綜合考慮優(yōu)劣勢,提出一種以基于同步定位與繪圖(simultaneous localization and mapping,SLAM)激光掃描技術(shù)為主的作業(yè)方式,可在移動過程中采集數(shù)據(jù)[9-12],能適應(yīng)絕大部分暗渠探測的環(huán)境需求。基于SLAM技術(shù)的三維激光掃描技術(shù),能在快速移動中獲取場景的高精度特征點位[13-16],本方法采用SLAM掃描儀搭配連接桿,可適應(yīng)于人無法進入的復(fù)雜場景情況,無須傳統(tǒng)的蛙人下井作業(yè),避免了人員傷害和儀器財產(chǎn)損失的事故；相對精度較高,大大提高了測量效率；在同樣作業(yè)周期內(nèi)提供的信息量較傳統(tǒng)作業(yè)方式劇增,為水環(huán)境治理工作提供了重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù),也為后期暗渠運維工作提供強大技術(shù)支撐,具體技術(shù)方案見圖1。

圖1 技術(shù)方案流程

3 項目實踐

3.1 項目概況

根據(jù)廣州市總河長令要求,全面消除黑臭小微水體,以排水單元劃分為抓手,做好單元內(nèi)雨污分流和合流暗渠升級改造工作,其中地下暗渠屬性探測是工作重點。天河區(qū)全域范圍約137 km2,地下暗渠里程約120 km,暗渠形態(tài)多樣,地表環(huán)境復(fù)雜(部分跨房、路、橋等情況),對探測手段提出了新的要求。

3.2 項目準備

本項目采用GEOSLAM zeb-horizon手持式三維激光掃描儀,測程100 m,掃描噪音3 cm。搭配自制連接桿,可深入井底采集特征點位信息。

考慮到探測對象不可視特性和SLAM激光掃描本身技術(shù)要求,作業(yè)前準備主要分為以下三個部分:①搜集測區(qū)現(xiàn)有暗渠走向、井蓋位置資料；②搜集測區(qū)現(xiàn)有地形圖資料；③根據(jù)已收集暗渠井蓋資料,結(jié)合地形圖,制定作業(yè)計劃(布設(shè)控制點位置和SLAM掃描儀外業(yè)采集路線)。

3.3 項目外業(yè)

根據(jù)項目所采用SLAM掃描儀技術(shù)特點,單次掃描時長受限(單次掃描時長不宜大于20 min),單次掃描點云配準至少需4個標靶點(控制點精度自檢,便于后續(xù)點云整體配準工作),需提前安排好掃描路線,避免出現(xiàn)掃描時長超限或者標靶點過少、分布不均勻等情況,提高作業(yè)效率。

3.3.1標靶點測量

SLAM激光掃描儀所輸出點云數(shù)據(jù)需采用地面設(shè)置標靶點方式,將點云轉(zhuǎn)換至廣州2 000坐標。項目采用廣州連續(xù)運行參考站(Guangzhou continuously operating reference stations,GZCORS)技術(shù)測量標靶點三維坐標,需注意的是標靶點需在掃描范圍內(nèi)均勻布置,嚴禁分布成一條直線,影像點云配準結(jié)果。

3.3.2目標掃描

外業(yè)工作由5人小組具體負責(zé)。其中，2人負責(zé)SLAM激光掃描儀操作,1人負責(zé)前行開井蓋便于掃描,1人負責(zé)后行關(guān)井蓋避免安全事故,剩余1人負責(zé)在已布設(shè)控制點位上放置標靶紙及回收標靶紙。

按照計劃掃描路線前進,負責(zé)開井、關(guān)井人員還需注意掃描范圍內(nèi)不可預(yù)估危險因素,在公路邊、跨橋、人群嘈雜區(qū)域,需認真做好作業(yè)標志,避免點云成果中噪聲過多或發(fā)生安全事故。

具體采集過程中注意事項如下:①按照計劃路線勻速前進,掃描儀頭部探入井口需緩慢、謹慎,避免SLAM算法解算出錯造成外業(yè)返工；②掃描儀探頭深入井下后需停留15～20 s,充分采集井下特征信息后緩慢拉起；③在每個掃描段中盡量有4個及以上標靶點坐標,若受限于環(huán)境無法滿足,則相鄰兩端盡量重復(fù)掃描部分區(qū)域,通過點云拼接方式將兩段點云合并成一段再行配準。

3.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理包括點云去噪、抽稀、點云配準、點云拼接等步驟。

3.4.1點云解算

通過將設(shè)備原始文件導(dǎo)入三維掃描儀數(shù)據(jù)處理軟件(GEOSLAM HUB)中,設(shè)置合理解算參數(shù),輸出通用格式點云數(shù)據(jù)(.LAZ或者.LAS)。

基于SLAM算法和采集數(shù)據(jù)的特殊性,對相鄰時態(tài)數(shù)據(jù)的判斷易出現(xiàn)偏差,導(dǎo)致點云解算結(jié)果呈現(xiàn)錯層、扭曲、重疊或解算失敗的現(xiàn)象。基于上述現(xiàn)象,可采用如下方式處理:

(1)調(diào)整解算軟件的算法參數(shù)。①收斂閾值，增加閾值即增加了SLAM算法試圖匹配重疊區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)的次數(shù),對于采集數(shù)據(jù)過程中出現(xiàn)漂移現(xiàn)象合適；②解算立體像素密度，控制SLAM使用的解算像素的大小,在狹窄隧道的洞穴和礦井中,調(diào)大立體像素密度,以便更多的細節(jié)可以在近距離使用；③IMU和SLAM算法的權(quán)重，若數(shù)據(jù)在移動過程中速度較快或場景中特征點較小(建筑物走廊、隧道等)可將權(quán)重向IMU算法傾斜。

(2)舍棄部分錯誤數(shù)據(jù)。SLAM的算法處理相鄰兩幀點云的重合、變換,基于迭代就近點法(iteration closet point,ICP)實現(xiàn)兩幀點云的配準。由于存在點云漂移,導(dǎo)致點云解算結(jié)果出現(xiàn)偏差,一般集中在部分時間段內(nèi),可從解算參數(shù)上設(shè)置剔除某個時刻之后的數(shù)據(jù),最大限度上利用數(shù)據(jù),避免返工。

(3)外業(yè)補測。對于上述方法嘗試均未果的情況,則需外業(yè)返工重新采集數(shù)據(jù)。

3.4.2點云去噪、抽稀

為獲得更純凈的點云數(shù)據(jù),提高內(nèi)業(yè)作圖精度,需對解算點云去噪、抽稀處理。去噪、抽稀功能集成在軟件內(nèi),去噪效果如圖2所示。

(a)去噪前 (b)去噪后

3.4.3點云配準

通過上述軟件解算、去噪、抽稀生成的三維點云模型需通過標靶點將其轉(zhuǎn)換至廣州2000坐標系下,便于暗渠邊線等屬性分析。標靶點通過反射強度與一般地物區(qū)分開,利用第三方配準軟件(Realworks等)將標靶點坐標刺入[17],形成廣州2000坐標系下的點云數(shù)據(jù)。

3.5 屬性分析及數(shù)據(jù)成果

地下暗渠屬性主要包括流向、邊線位置、埋深、接口等信息。以已配準點云數(shù)據(jù)為主,結(jié)合歷史地形圖、現(xiàn)有管線普查數(shù)據(jù)進一步核實,形成標注屬性的二維線劃圖，如圖3所示。

(a)點云

將上述采集暗渠信息按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)入庫,以屬性表形式記載信息,形成數(shù)據(jù)庫成果。

3.6 精度檢測

由于地下暗渠不可視,對于兩端暴露出入口可采用量數(shù)、全站儀采集特征點判斷暗渠屬性精度指標,對于中段不可視區(qū)域,一般通過地上房屋邊長、角點與碎部點采集數(shù)據(jù)和丈量房屋邊長數(shù)據(jù)對比,以此判斷地下暗渠精度情況。由圖4可知，特征點位中誤差為0.12 m,邊長較差中誤差為0.05 m,完全滿足地下暗渠探測項目需求。

圖4 暗渠摸查精度分析

4 適用性分析

城市暗渠探測主要存在以下困難:①暗渠周邊環(huán)境復(fù)雜,部分存在非法搭建、不正當(dāng)施工現(xiàn)象影響探測；②部分暗渠埋深大、弧度轉(zhuǎn)角、瀑布型轉(zhuǎn)角等情況復(fù)雜；③暗渠寬度、凈空不一,大部分暗渠缺乏人工進入條件。

基于SLAM三維激光掃描技術(shù)的作業(yè)方式,對比QV鏡探測、地質(zhì)雷達探測、蛙人潛入式探測等方法可最大限度地提高探測效率,降低人工成本,更適應(yīng)地下暗渠狹小、深埋等人不可進入的作業(yè)環(huán)境；經(jīng)檢測,特征點位中誤差為0.12 m,邊長較差中誤差為0.05 m,能完全項目需求；一次性采集渠箱內(nèi)部特征信息,快速捕捉暗渠接口,為監(jiān)管部門后續(xù)暗渠改造、水環(huán)境治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

基于SLAM三維激光掃描技術(shù)作業(yè)方式,可在移動過程中采集數(shù)據(jù),通過外配連接設(shè)備,能深入人不可達、狹小等區(qū)域,能適應(yīng)絕大部分暗渠探測的環(huán)境需求。同時也存在如下問題望后期解決。

(1)對相鄰時序狀態(tài)的識別和整個場景的回環(huán)檢測誤差,是SLAM掃描的技術(shù)要點,針對地下暗渠場景單一、重復(fù)、特征性不強等特點,易發(fā)生誤判或解算失敗的情況,往往需要外業(yè)返工采集數(shù)據(jù),影響效率。

(2)激光掃描測程有限(此項目所用設(shè)備測程100 m),目標越遠點云越稀疏,對于長段無井蓋或大范圍房屋壓蓋的地下暗渠,需依靠多種探測手段結(jié)合多源資料綜合判斷,必要時需采用人工開挖方式制造井蓋,上述方式成本高、工期長、存在一定的協(xié)調(diào)難度。