三維激光掃描技術在小區供水管網竣工測量中的應用

摘要：城市老舊小區供水管道，因年代久遠而老化及因腐化造成二次污染等問題，已嚴重影響入戶自來水水質。為了給居民提供優質飲用水，需改造原有老舊供水管網，而管線竣工測量是管網改造工程不可或缺的環節。小區供水管網立管等，裸露管線占比很大，傳統探測方法效率低、測量難度大。本文研究了三維激光掃描技術在小區供水管網探測中應用的可行性，順便研究了小區管線竣工測量的技術方法流程。

關鍵詞：三維激光掃描；點云圖；小區供水管網；立面供水管線圖；坐標轉換

前言

隨著城市化的發展和居民生活水準的提高，對入戶自來水水質的要求越來越高。不同歷史時期采用不同的供水管材，例如鑄鐵管、鍍鋅管、PVC管等，某些管道因材質、生產工藝等原因，隨著時間的推移，供水管道變得老舊、腐化、沉渣、結垢，產生的腐化物對自來水造成二次污染，大大減低了自來水入戶水質，嚴重影響市民的身體健康和心理健康。為了解決居民對水質日益增高的需求和水質低水準這對矛盾，好多城市對城中村、老舊小區的供水管網進行更新換代改造，采用高強度、低污染、穩定性好的不銹鋼管、鋁塑管、PE管置換老舊、易腐化、易污染的鑄鐵管、鍍鋅管。

小區供水管網改造工程同樣涉及勘測、設計、施工，當然也少不了管線竣工測量。供水管網竣工測量的目的：

一是編制供水管線存檔資料，將管線資料錄入智慧城市系統，為往后小區供水管網的日常運營維護管理服務，保證供水管網在整個運行生命周期內全程可控。

二是通過竣工測量，評估施工結果與設計的一致性。竣工測量成果作為供水管網改造工程竣工驗收的依據文件，與供水管線詳細工程量一同作為施工工程結算的法定技術依據。

小區優質水改造項目涉及較多的立管和樓房內部管道，很難按照先精確管線設計后嚴格按照施工圖施工工藝流程進行，只能因勢而為。因此，供水管線竣工測量成果，沒有施工圖可以作為核對對象。供水管網改造工程的結算工程量，更依賴于竣工測量結果。所以，小區供水管網改造工程的管線竣工測量，除跟市政管線竣工測量一樣，需要查明管線的平面位置、高程、走向、連接關系及其附屬物等信息之外，更重要的是需要精確查明管線的材質、尺寸及各種規格管線的三維長度，還需不遺漏地查明管線各種構件的規格和數量；提供詳細的竣工管線工程量清單，以便施工工程結算造價計算。

小區供水管網立面管線等裸露管占比很大，管線密集、立體分布，受建筑物的高度、形狀、外飾影響很大，傳統探測方法效率低、測量難度大，需采用新的技術手段才能解決技術難題和提高工作效率。

本文以“深圳市羅湖區優質飲用水入戶工程（第二階段）竣工測量項目”為契機，研究了三維激光掃描技術在小區供水管線探測中的應用，同時研究了供水立面管線圖的繪制方法，為小區管線竣工測量摸索出一套高效、精準、內外業一體化的作業技術方法。

1.問題

1.1小區供水管線竣工測量的工作內容及探測問題

1.1.1小區埋地供水管線的探測。

小區埋地管線的探測屬于常規地下管線探測，按照目前相關規范和技術要求便可以達到探測目的。

1.1.2小區高層樓房二次供水室內及天臺供水管線和設施的探測。

小區高層樓房室內供水管線的探測問題主要是管線點測量問題，因為供水管線分布在樓房的地下室、房間內部或天臺，測量導線很難引入或GPS信號不好，無法正常測量。

1.1.3小區立面供水管線的探測。

小區立面供水管線的探測一般占整個小區供水管網80%以上工作量，是供水管線竣工測量的工作重點。采用傳統“先探查，再測量”的作業方法，工作效率較低。而且，立管附于樓房外墻布設，管線點測量是一大難題——采用GPS測量，一是樓房對衛星信號干擾，測量結果達不到精度要求，不可行；二是測量人員不可能爬墻作業，不可行；三是若采用“全站儀+無棱鏡”測量，受樓房高度影響和全站儀仰角限制，測量存在盲區。

1.2小區供水管網竣工測量需要解決的問題

1.2.1測量方法有效性問題。

1.2.2測量精度問題。

1.2.3工作效率問題。

2.技術方法論證

經測量方法技術研究論證，采用三維激光掃描技術，進行小區立面供水管線和小區高層樓房二次供水室內及天臺供水管線和設施的測量。

2.1方法原理

三維激光掃描技術是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據。由于三維激光掃描系統可以密集地大量獲取目標對象的數據點，因此相對于傳統的單點測量，三維激光掃描技術也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術突破。

三維激光掃描儀每次測量的數據，不僅僅包含XYZ點的信息，還包括RGB顏色信息，同時還有物體反射率的信息。這樣全面的信息，能給人一種物體在電腦里真實再現的感覺。

三維激光掃描技術具有快速性，不接觸性，實時、動態、主動性，高密度、高精度，數字化、自動化等特性。

2.2方法測試

2.2.1儀器設備

采用NavVis移動掃描系統VLX。

VLX是NavVis推出的移動掃描系統，一款創新的可穿戴式三維激光掃描儀，讓使用者即使在最復雜的建筑環境中也可獲取高質量的實景數據。VLX的一體式實景采集功能，不僅可以獲得測繪級的全真彩點云，同時也能獲得高分辨率全景圖像，視野范圍為水平360°，垂直360°；掃描范圍最高100m，圖像分辨率4×2000萬像素（4部相機）。VLX配有兩個多線激光雷達，結合領先的SLAM算法，支持高精度數據質量，可快速高效地獲取高精度測繪級點云，相對精度≦8mm。

2.2.2測試目的

測試主要分為3個部分，第一部分是方法有效性測試，目的是檢驗掃描結果是否能夠清晰分辨管線分布情況、構件形狀，數據質量是否達到管線探測的要求；第2部分是測量精度測試，旨在分析VLX推掃式掃描系統的管線點位、管徑及構件的測量精度水平，評估是否滿足相關規范測量精度要求；第3部分是測試數據采集工作效率，測試與傳統作業方式比較是否能大大提高效率。

2.2.3測試方法

選擇1個小區，先采用傳統的管線探測方法進行作業，然后在測試場景中布設地面控制點、墻面管線點標識。利用GPS RTK、全站儀和水準儀，測量控制點在CGCS2000坐標系下的絕對坐標，再指定原點的獨立坐標系下的相對坐標。之后，將全站儀架設在已知坐標的控制點上，測量墻面管線點的相對坐標和絕對坐標。

在參測設備完成掃描之后，借助NavVis自帶軟件將掃描成果點云的坐標系轉換到指定的相對坐標系和絕對坐標系下。樓房內部采用相對坐標系，樓房外部采用絕對坐標系。

（1）掃描數據處理，利用配套的Sitemaker軟件，根據掃描目的和現場情況設置參數后進行全自動的數據處理，對背景進行虛化處理，重點突出管線信息，生成全彩點云效果圖。

（2）通過對比點云中墻面標靶中心的坐標與利用全站儀測量的坐標，計算點位中誤差。相對坐標系下的點位中誤差為“相對精度”，絕對坐標系下的點位中誤差為“絕對精度”。

（3）記錄參測設備掃描相同場景的數據采集時間和數據處理時間，與傳統作業方法進行工作效率對比。

（4）挑選約100m距離的路線，進行無閉環掃描。僅依靠SLAM自身的定位采集數據，記錄無閉環掃描成果點云中各個墻面標靶中心之間的距離；與全站儀測量的對應標靶中心的距離進行對比，記錄偏移差，評定SLAM穩定性。

2.2.4測試效果評估

（1）將三維激光掃描數據生成的全彩點云效果圖轉到CAD軟件中，在圖上進行管線連接關系、管徑、管線點坐標等管線屬性信息的人工干預下系統自動拾取，然后將所得信息生成管線圖，再與傳統作業方式所生成的管線圖進行一致性對比。結果表明：兩種成果一致性較好，三維激光掃描云效果圖可用于小區明顯管線調查。

（2）將從三維激光掃描數據生成的全彩點云效果圖拾取的管線點坐標與全站儀測量的管線點坐標進行對比，計算相對中誤差為1.28cm和絕對中誤差為1.82cm，均滿足《城市地下管線探測技術規程》（CJJ61-2017）的精度要求規定。

（3）測試小區面積約2500m2，管線點3640個，三維激光掃描作業方式的工作效率是傳統作業方式的3倍。

結論：采用三維激光掃描進行小區供水明顯管線點探測的技術方法可行，精度滿足相關規范要求，工作效率高，可以在小區供水管網竣工測量中應用。

3.技術方法的應用

經試驗性作業證明，采用三維激光掃描技術進行小區供水明顯管線探測的技術方法可行，在深圳市羅湖區優質飲用水入戶工程（第二階段）竣工測量項目中應用，大大減低了外業工作量，整體提高工作效率，獲得高精準測量成果。

深圳市羅湖區優質飲用水入戶工程（第二階段）竣工測量項目，涉及羅湖區10個街道共360個小區。管線總長1659.276km，其中，立管和樓房內部管線長1521.294km，占比91.7%；埋地管線長137.982㎞，占比8.3%。

3.1前期工作

以小區為測量單元，踏勘了解小區新布設供水管線的大致分布情況，并完成小區埋地供水管線的探測和測量控制點的布設。根據踏勘情況，擬定每個小區三維激光掃描作業方案。

3.2三維激光掃描

采用NavVis移動掃描系統VLX，對小區每個樓房立面、高層樓房室內供水管線及設施進行三維激光快速、高效地掃描，獲取高精度測繪級點云。

3.3掃描數據處理

利用配套的Sitemaker軟件，根據工作目的和實際情況進行參數設置后全自動數據處理，生成全彩點云效果圖。

3.4管線屬性信息拾取

利用配套的3D Rshp-Loader軟件，將三維激光掃描全彩點云效果圖轉化成CAD圖形文件。在圖上繪制管線連接草圖，并進行管線連接關系、管徑、管線點坐標等管線屬性信息的人工干預下系統自動拾取，自動生成管線連接文件和管線點坐標文件。

3.5復核與補測

對三維激光掃描的盲區、點云效果欠佳的部位以及點云圖上無法獲取的管線信息，采用人工實地調查的方式進行復核、補測、修改。

打印在點云圖上，繪制好的管線連接草圖作為野外工作底圖，實地進行管線材質、管徑、點位、附屬物等信息復核，補測因遮擋導致激光三維掃描系統無法反映的管線，實時動態修改管線連接文件和管線點坐標文件。

3.6管線數據處理

采用管線數據處理軟件對管線屬性信息進行數據處理，生成管線圖、管線點成果表和數據庫。

3.7按管材、管徑、構件、長度，編制工程量明細表和竣工測量報告。

4.成果編制

4.1成果的種類

管線探測成果一般主要有管線圖、管線點成果表和數據庫。因為小區供水管網涉及到立管、樓房內部供水管網，因此，管線成果的形式跟傳統方式有些差別。但萬變不離其宗，成果必須直觀、清晰、可看、滿足精度要求。管線點成果表和數據庫主要內容為數據，跟傳統形式一樣，主要是管線圖有差別。小區供水管線圖主要可以分為以下3類：（1）埋地供水管線圖；（2）高層樓房平面供水管線圖；（3）供水立面管線圖。管線成果一般分為電子版和紙質打印版兩種。

4.2成果的要求

4.2.1管線信息系統和電子版供水管線總圖采用3D管線圖顯示。

4.2.2埋地供水管線圖為管線平面投影圖，比例尺1∶500，1個小區1張埋地管線總圖，面積較大時采用基本圖幅分圖。

4.2.3高層樓房平面供水管線圖為管線平面圖，比例尺1∶250，每層樓房1張圖。

4.2.4供水立面管線圖為管線斷面圖，比例尺1∶250，每個立管為1張圖。

4.3立面供水管線圖繪制

埋地供水管線圖和高層樓房平面供水管線圖都屬于平面圖。高層樓房平面供水管線圖因管線點密集，為了圖形清晰、客觀性，需要變大比例尺外，其他與傳統管線圖繪制方法一樣。立管圖屬于斷面圖，涉及新坐標系統建立和坐標轉換問題。

4.3.1坐標系建立

以每個立管的出入地點為坐標原點，供水管線所在墻面為X軸，垂直方向為Y軸，建立供水立面管線圖坐標系統。

4.3.2坐標轉換

立面成圖，本質上是選擇1個新的立面作為投影面來展示該立面的管線分布情況。為了更好展現目標墻面管線分布與成圖結果的簡潔性，需建立新的坐標系，變換過程始終保持高程的方向不變。將空間直角坐標系中的管線投影到立面這一問題，實質為坐標系的轉換。

圖1中，S-XYZ坐標系為深圳獨立坐標系，S-X’Y’Z’坐標系為S-SZ平移后的空間直角坐標系；作為臨時坐標系，STemp繞Z軸逆時針（從Z軸正方向看）旋轉至投影墻面表面與X\"O\"Z\"面重合，得到S-X\"Y\"Z\"坐標系。

轉換步驟：（1）將S-SZ原點平移至S-Temp原點處；（2）將S-Temp繞Z軸逆時針（從Z軸正方向看）旋轉一定角度至S-Target；（3）將X\"O\"Z\"平面作為投影墻面的平面直角坐標系。

4.3.3計算公式推導

式（1.4）為最終的計算公式。成圖時選擇后兩項即可。

4.3.5存在問題

立面成圖的外業施測程序較為簡單，但也存在一些問題，例如墻面定向點的選擇與觀測、墻面的傾斜程度等都會影響成圖精度。內業成圖方面，如管線特征點之間的Z\"方向距離與Y\"方向距離量級差距過大，導致成圖效果不佳。可繼續進行探討研究。

4.3.6立面管線圖軟件編制

（1）成圖軟件編制

傳統的二維管線圖中并不能真實地反映出立管的管網形態，需編制自動將整理好的立管數據繪制立面管線圖的程序。由于管線測繪得到的立管點X和Y坐標數據不能體現立管的縱向空間結構，所以先要通過上述坐標轉換方法，將數據點的坐標值轉換到自定義的坐標系中；然后通過.Net框架結合COM編程技術與AutoCAD聯動，最后自動生成立管立面圖。

（2）從點云到立面管線圖

利用三維激光對墻體上的立管進行掃描作業之后，可以得到該棟建筑立管的點云數據。由于該點云數據中每個點都包含有精確的坐標信息和顏色信息，后期可以用鼠標捕獲點云數據中的立管點，得到精確的坐標信息，再通過COM編程技術與AutoCAD聯動，將坐標信息傳遞給AutoCAD，從而達到在點云數據中拾取立管點畫線的過程中、立管立面圖也同時在后臺生成。

5.結語

三維激光掃描技術憑借其高精度的點云技術，理論上一切肉眼可見的東西都可以通過精準地掃描獲得全彩點云效果圖，精確還原真實場景細節。在管線探測中應用的主要難點是從全彩點云效果圖上如何快速、高效、精準地提取管線連接關系、管徑、管線點坐標等管線屬性信息，形成三維激光掃描和管線探測兩套技術的無縫對接。因此，需要編制CAD外掛軟件進行自動化管線信息提取，同時輔以其他作業技術手段，如測量控制點的布設、管線的人工復核檢查、3D管線圖繪制技術、立面供水管線圖繪制等。

參考文獻：

[1]張珊珊，林文樹.三維激光掃描儀的測距與水平角精度評定[J].東北林業大學， 2017（4），基金項目：國家自然科學基金（31500587），中央高校基本科研業務費專項資金（2572016CB10）.

[2]代世威.地面三維光點云數據質量分析與評價[J].長安大學， 2013.

[3]楊忞婧.地面三維激光掃描儀的測量誤差分析[J].東華理工大學學報（自然科學版）， 2013， 36（2）： 228-232.

[4]楊偉，劉春，劉大杰，等.激光掃描數據三維坐標轉換的精度[J].工程勘察， 2004（3）： 61-63.

[5]王書良，楊新林，等.三維激光掃描儀點云數據在AutoCAD中的處理[J].山西建筑， 2008（22）.

[6]朱世鵬，胡凱賀，梁啟偉，等.基于三維激光掃描儀技術土方測量和精度分析[J].科技創新導報， 2017（20）.

[7]徐曉熊，劉松林，李白，等.三維激光掃描測量技術及其在測繪領域的應用[J].中國測繪， 2009（2）.

[8]宋宏.地面三維激光掃描測量技術及其應用分析[J].測繪技術裝備， 2008， 10（2）.