移動(dòng)式三維激光SLAM技術(shù)在暗涵排查中的應(yīng)用

基金項(xiàng)目：貴州省地礦局局管科研項(xiàng)目（黔地礦科合[2022]13號(hào)）

第一作者簡(jiǎn)介：陳楊（1996-），男，助理工程師。研究方向?yàn)楣芫W(wǎng)排查、地球物理勘探與研究。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.045

摘" 要：暗涵是城市排水系統(tǒng)中不可缺少的重要設(shè)施，暗涵雨污合流導(dǎo)致河流水系污染嚴(yán)重，年久失修易出現(xiàn)淤堵、滲漏、塌陷等病害。移動(dòng)式三維激光SLAM技術(shù)不僅能采集暗涵三維空間數(shù)據(jù)，建立1∶1的模型，還可以獲取暗涵的空間地理信息，達(dá)到探測(cè)測(cè)量的效果。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，還能完成排放口的探測(cè)、箱涵結(jié)構(gòu)檢測(cè)、涵內(nèi)環(huán)境掃描等一系列工作，為生態(tài)文明建設(shè)提供可靠的技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：排水暗涵；三維激光掃描；管網(wǎng)探測(cè)；綜合物探方法；排水管網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TU992.4" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）21-0189-05

Abstract： The hidden culvert is an indispensable important facility in the urban drainage system. The confluence of rain and pollution in the hidden culvert leads to serious pollution of the river system， and diseases such as blockage， leakage and collapse are easy to occur after falling into disrepair. The mobile 3D laser SLAM technology can not only collect the 3D spatial data of the hidden culvert and establish the 1：1 model， but also obtain the spatial geographic information of the hidden culvert， so as to achieve the effect of detection and measurement. Using the point cloud data model， we can also complete a series of work， such as discharge port detection， box culvert structure detection， environment scanning and so on， so as to provide reliable technical guarantee for the construction of ecological civilization.

Keywords： drainage culvert; 3D laser scanning; pipe network detection; integrated geophysical method; drainage pipe network

暗涵是城市排水系統(tǒng)中不可缺少的重要設(shè)施，對(duì)于維護(hù)城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)和市民生活安全具有重要意義。隨著城市的迅速發(fā)展，地面建設(shè)速度超過地下空間的規(guī)劃，許多老舊的暗涵仍在使用。因暗涵修建時(shí)間較長(zhǎng)，暗涵相關(guān)資料未到資料館進(jìn)行存檔管理，給暗涵維修及地面施工造成了極大困難[1]。因此開展排水暗涵調(diào)查工作顯得尤為重要，開展調(diào)查的目的是為了全面查明暗涵內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征、排水情況、是否有堵漏及附屬設(shè)施的尺寸大小、現(xiàn)狀情況等，在調(diào)查工作結(jié)束后建立新的暗涵檔案資料并到資料館進(jìn)行歸檔以備后續(xù)使用。

排水暗涵調(diào)查工作主要采用固定式三維激光掃描儀、手持式三維激光掃描儀、暗涵檢測(cè)無人飛行器、智能管涵檢測(cè)機(jī)器人和水下潛航檢測(cè)機(jī)器人等進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查時(shí)應(yīng)根據(jù)管涵實(shí)際情況選用相應(yīng)的調(diào)查設(shè)備和調(diào)查方法進(jìn)行調(diào)查[2]。

1" 工程概況

云南省水富市某施工項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)存在一條暗涵，暗涵長(zhǎng)度約800 m，因該暗涵檢查井稀少，且無前期資料，暗涵平面位置及埋深未知，暗涵的具體線路不明，這些關(guān)鍵信息的缺失給施工方的前期設(shè)計(jì)工作帶來了巨大的困擾和難題。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)踏勘，發(fā)現(xiàn)該暗涵在場(chǎng)地內(nèi)有2個(gè)檢查井，暗涵的大致走向已明確，出水口接入橫江，暗涵的埋深較大，但內(nèi)部積水不深（圖1）。結(jié)合場(chǎng)地情況，為獲取場(chǎng)地內(nèi)暗涵的走向位置、材質(zhì)埋深等情況，項(xiàng)目組提出移動(dòng)式三維激光SLAM技術(shù)結(jié)合地表特征點(diǎn)坐標(biāo)校正的工作方法，獲取暗涵的三維信息，為下一步場(chǎng)地施工設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料。

2" 工作方法

2.1" 工作原理

在城市暗涵調(diào)查等眾多應(yīng)用領(lǐng)域，SLAM技術(shù)發(fā)揮著不可替代的作用。作為一種實(shí)時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)，它通過傳感器采集數(shù)據(jù)，對(duì)環(huán)境進(jìn)行精確的幾何描述，從而形成高精度的地圖。這為解決在未知環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主定位和地圖構(gòu)建的難題提供了有效手段[3]。

傳感器作為SLAM技術(shù)的核心組件，涵蓋了激光雷達(dá)、攝像頭和超聲波等多種類型。這些傳感器相互協(xié)作，能夠精準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備與周圍環(huán)境之間的距離、捕捉環(huán)境的二維圖像并檢測(cè)障礙物，從而提供全方位的數(shù)據(jù)支持。

在城市暗涵調(diào)查中，SLAM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)尤為突出。由于暗涵系統(tǒng)的環(huán)境復(fù)雜且空間狹窄，傳統(tǒng)測(cè)量和數(shù)據(jù)采集方法往往難以應(yīng)對(duì)。而SLAM技術(shù)能夠克服這些困難，實(shí)現(xiàn)高效、精確的測(cè)量和數(shù)據(jù)采集。它在黑暗和復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，避免了人為因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，顯著提高了工作效率。此外，SLAM技術(shù)所構(gòu)建的高精度地圖為城市暗涵的規(guī)劃設(shè)計(jì)和管理提供了重要依據(jù)。

盡管SLAM技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨傳感器數(shù)據(jù)處理和算法優(yōu)化等挑戰(zhàn)，但隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些挑戰(zhàn)正逐步得到解決。研究人員致力于優(yōu)化算法和提高傳感器性能，以提升SLAM技術(shù)在各種環(huán)境中的表現(xiàn)。

綜上所述，SLAM技術(shù)在實(shí)時(shí)定位與地圖構(gòu)建方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，為智慧城市建設(shè)提供了有力支持。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，SLAM技術(shù)將在未來發(fā)揮更加重要的作用，為社會(huì)發(fā)展和公共設(shè)施建設(shè)作出更大貢獻(xiàn)[4]。

移動(dòng)式三維激光掃描是基于SLAM算法的三維激光掃描系統(tǒng)，在無法依靠GPS技術(shù)的屏蔽工況下，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)地測(cè)量和記錄各種環(huán)境下的空間三維信息。相對(duì)于固定式三維激光掃描技術(shù)，無須分段式布點(diǎn)檢測(cè)，可從所檢測(cè)暗涵起點(diǎn)到終點(diǎn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測(cè)，其檢測(cè)效率有數(shù)倍的提升。但針對(duì)表面較為光滑或無明顯變化特征的暗涵，需在所檢測(cè)暗涵段中間檢查井處布設(shè)立體泡沫假體或其他具有鮮明特征的物體，以增加暗涵內(nèi)部的明顯特征點(diǎn)，提高檢測(cè)精度。

2.2" 技術(shù)路線

本場(chǎng)地內(nèi)暗涵排查的技術(shù)路線如圖2所示，在接到排查任務(wù)后，首先開展前期必要的現(xiàn)場(chǎng)踏勘工作，收集暗涵的基礎(chǔ)資料，如走向、尺寸、長(zhǎng)度、涵內(nèi)水深水流速度等情況，根據(jù)收集資料制定符合實(shí)際的調(diào)查方案，并對(duì)方案進(jìn)行前期論證，最后根據(jù)最終調(diào)查方案進(jìn)行暗涵調(diào)查工作。

2.3" 調(diào)查過程分析

本次排查選用的設(shè)備是ZEB-HORIZON3D移動(dòng)掃描儀，測(cè)程為100 m，每秒掃描點(diǎn)數(shù)3×105個(gè)，相對(duì)精度1～3 cm，全套設(shè)備2.7 kg左右，便于蛙人攜帶。預(yù)處理軟件使用GeoSLAM HUB，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算與坐標(biāo)校正，后處理軟件使用Trimble Realworks，對(duì)多段已轉(zhuǎn)換坐標(biāo)的分段掃描數(shù)據(jù)，需進(jìn)行拼接融合，獲取暗涵的三維空間信息。

暗涵檢測(cè)作業(yè)開始前，確保作業(yè)人員安全防護(hù)到位，在暗涵的出入口、檢查井處布設(shè)好控制點(diǎn)。在布設(shè)控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用RTK技術(shù)對(duì)這些控制點(diǎn)進(jìn)行精確坐標(biāo)采集（圖3）。

數(shù)據(jù)掃描采集分3個(gè)階段進(jìn)行，第一階段：作業(yè)人員做好防護(hù)后，攜帶對(duì)講機(jī)、掃描設(shè)備等從1號(hào)井控制點(diǎn)開始采集，乘坐吊機(jī)進(jìn)入涵內(nèi)，根據(jù)掃描設(shè)備探測(cè)距離限制，分段循環(huán)掃描至中段2號(hào)井處。2號(hào)井位置為一個(gè)跌落井，有沉砂池，無法直接通過。第二階段：使用吊車將設(shè)備吊裝在吊機(jī)上，從檢查井上往下方掃描，保障數(shù)據(jù)的重復(fù)度。第三階段：從入河排放口進(jìn)入，分段掃描至中段2號(hào)井處，掃描2號(hào)井處的特征點(diǎn)信息（圖4）。

三維激光SLAM掃描完成后，根據(jù)地表實(shí)測(cè)控制點(diǎn)與特征點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)，將上、中、下3段的點(diǎn)云數(shù)據(jù)校正到施工使用的坐標(biāo)系，再使用數(shù)據(jù)處理軟件Trimble Realworks對(duì)分段點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)、拼接。點(diǎn)云的配準(zhǔn)是根據(jù)已知坐標(biāo)系統(tǒng)的點(diǎn)云，與待配準(zhǔn)點(diǎn)云進(jìn)行對(duì)比，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)重復(fù)區(qū)域使用2個(gè)點(diǎn)云共同的明顯特征點(diǎn)計(jì)算，旋轉(zhuǎn)和平移待配準(zhǔn)點(diǎn)云使其數(shù)據(jù)統(tǒng)一到基準(zhǔn)點(diǎn)云同一坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)，配準(zhǔn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖5所示。最后通過配準(zhǔn)后的點(diǎn)云提取暗涵的拐點(diǎn)坐標(biāo)、涵頂標(biāo)高、涵的尺寸等信息，并繪制平面圖，為下一步場(chǎng)地施工設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料。

3" 成果分析

圖5展示了三維激光SLAM掃描的成果。經(jīng)過外業(yè)掃描采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理及數(shù)據(jù)后處理等環(huán)節(jié)，最終獲得了一個(gè)CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)的點(diǎn)云模型。借助該點(diǎn)云模型，可提取任意點(diǎn)的平面坐標(biāo)、高程等信息，同時(shí)亦可獲取暗涵的平面位置、尺寸及埋深等參數(shù)，在可靠的數(shù)據(jù)下，設(shè)計(jì)可將施工方案修改的更符合實(shí)際情況，減少施工難度，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.1" 空間信息

暗涵分為3個(gè)部分（如圖6所示），首段為汽配城檢查井上游段，長(zhǎng)度為71.44 m；第二段連接汽配城檢查井至沙場(chǎng)檢查井，穿越金沙江路，最終與污水處理廠排水口一同匯入下游，該段采用鋼筋混凝土箱涵材質(zhì)，長(zhǎng)度為259.58 m；第三段自沙場(chǎng)檢查井至橫江排放口，總長(zhǎng)388.88 m，其中81 m部分采用石砌墻體材質(zhì)。

結(jié)合地面高程數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)該暗涵的埋深在7～25 m，埋深較大，需準(zhǔn)確提供實(shí)際標(biāo)高，才能滿足設(shè)計(jì)的需要，為確保工程設(shè)計(jì)需求，以暗涵中心點(diǎn)為基準(zhǔn)，提取暗涵關(guān)鍵拐點(diǎn)坐標(biāo)、頂板標(biāo)高以及暗涵尺寸信息，并整理成表1（數(shù)據(jù)已模糊處理）。

3.2" 暗涵缺陷分級(jí)

通過對(duì)暗涵點(diǎn)云模型的分析，可以根據(jù)CJJ 181—2012《城鎮(zhèn)排水管檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)程》對(duì)暗涵發(fā)現(xiàn)缺陷進(jìn)行分類分級(jí)，該暗涵發(fā)現(xiàn)的缺陷如下。

3.2.1" 結(jié)構(gòu)性缺陷統(tǒng)計(jì)

破裂Ⅱ級(jí)3處，腐蝕Ⅲ級(jí)2處。

3.2.2" 功能性缺陷統(tǒng)計(jì)

殘墻Ⅰ級(jí)1處，障礙物Ⅱ級(jí)5處，沉積Ⅱ級(jí)2處。暗涵內(nèi)的破裂、殘墻的典型照片如圖7、圖8所示。

3.3" 暗涵接入口調(diào)查

根據(jù)暗涵點(diǎn)云模型，可獲取接入口尺寸、管底標(biāo)高、平面坐標(biāo)以及存在的隱患（如堵塞、垮塌等），結(jié)合外業(yè)作業(yè)記錄中記錄的管材及水流情況（為排放口定義及后續(xù)溯源提供材料）， 可以形成接入口臺(tái)賬，樣表見表2。

該暗涵共發(fā)現(xiàn)排放口5個(gè)，排放口的材質(zhì)有鋼筋混凝土管以及磚砌等。典型照片如圖9、圖10所示產(chǎn)。

4" 移動(dòng)式三維激光SLAM技術(shù)優(yōu)點(diǎn)分析

目前的城市管網(wǎng)排水系統(tǒng)排查工作中，城市暗涵的調(diào)查是一道難題，涵內(nèi)情況錯(cuò)綜復(fù)雜，使用傳統(tǒng)的物探方法定位，滿足不了高精度的要求，采用經(jīng)緯儀測(cè)量，采集坐標(biāo)的速度極其緩慢[5]。

移動(dòng)式三維激光SLAM技術(shù)的出現(xiàn)，解決了以上的痛點(diǎn)難點(diǎn)，在保證高精度測(cè)量的同時(shí)，又能大幅縮短工期，對(duì)于排放口調(diào)查、缺陷調(diào)查等工作，能極大減少外業(yè)人工投入，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采集。經(jīng)過試驗(yàn)總結(jié)，在暗涵排查的工作運(yùn)用中，移動(dòng)式三維激光SLAM技術(shù)有以下優(yōu)勢(shì)。

數(shù)據(jù)采集快。相較于傳統(tǒng)的坐標(biāo)采集測(cè)量方式，無需架站，一臺(tái)設(shè)備即可采集大量連續(xù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，縮短了作業(yè)人員在井下作業(yè)時(shí)間。

數(shù)據(jù)采集全。采集過程可搭配全景相機(jī)，采集點(diǎn)云信息的同時(shí)，獲取涵內(nèi)的圖像信息，建模、貼圖等信息一次性采集完成，便于數(shù)據(jù)的二次開發(fā)利用，且對(duì)于排放口調(diào)查、缺陷調(diào)查工作，可提供豐富的實(shí)景數(shù)據(jù)，便于內(nèi)業(yè)人員準(zhǔn)確作出判斷。

數(shù)據(jù)精度高。移動(dòng)式三維激光SLAM采集的數(shù)據(jù)精度可達(dá)厘米級(jí)，且對(duì)于高精度要求區(qū)域，可結(jié)合固定式三維激光SLAM組合采集，提升精度。

人員投入小。井下作業(yè)時(shí)一般只需兩人一組，地面保障組進(jìn)行配合，且設(shè)備使用十分簡(jiǎn)單，全自動(dòng)化采集，啟動(dòng)后基本無需人工干預(yù)，培訓(xùn)學(xué)習(xí)的成本很低。

環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。移動(dòng)式三維激光SLAM設(shè)備通常都比較輕便，可手持，也可搭載在機(jī)器人、無人機(jī)上，可適用于不同的工況。

5" 結(jié)束語

我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展始終以自動(dòng)化和智能化為核心目標(biāo)，移動(dòng)式三維激光SLAM技術(shù)正是集現(xiàn)代電子、光學(xué)、機(jī)械、控制工程、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺和軟件工程等多元學(xué)科的先進(jìn)成果于一身。該技術(shù)具備卓越的靈活性，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的暗涵環(huán)境，在城市暗涵排查工作中，充分利用此技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)體的精確測(cè)量，還能完成排放口的探測(cè)、箱涵結(jié)構(gòu)檢測(cè)、涵內(nèi)環(huán)境掃描等多重任務(wù)，實(shí)現(xiàn)暗涵排查工作的一體化。此外，該技術(shù)還能確保作業(yè)過程的安全、連續(xù)、高效和穩(wěn)定，摒棄傳統(tǒng)的“一點(diǎn)一測(cè)”方式，實(shí)現(xiàn)“一測(cè)千點(diǎn)”的效果。通過對(duì)移動(dòng)式三維激光SLAM技術(shù)的應(yīng)用可大大提高工作效率，特別是針對(duì)無衛(wèi)星信號(hào)的地下環(huán)境及暗涵排查方面具有優(yōu)越性，減少損失，大大縮短工作時(shí)間，節(jié)約工程成本。

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