三維激光掃描技術(shù)在城市排水暗涵檢測評估中的應(yīng)用

胡 雍

（1.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司,廣東 深圳 518000；2.深圳市水務(wù)科技發(fā)展有限公司,廣東 深圳518000）

排水暗涵是城市排水設(shè)施中的重要組成部分。深圳在快速城鎮(zhèn)化的過程中,采取了先地上后地下、高速度建設(shè)、高負(fù)荷使用的發(fā)展模式,很多歷史遺留的老舊暗涵還在持續(xù)使用。但因時間久遠(yuǎn)、資料不完善,導(dǎo)致暗涵的位置、走向等基本情況不明,同時大多數(shù)暗涵的檢修井間距過大、被埋沒甚至根本無檢查井,同時老舊暗涵上部常常存在違建、搭建的問題,導(dǎo)致管理單位日常管養(yǎng)維護(hù)困難,無法及時發(fā)現(xiàn)暗涵存在的隱患[1]。如2019 年8 月28 日,深圳市羅湖區(qū)發(fā)生的居民樓垮塌事件,從官方通報來看,與樓下的排水暗涵存在關(guān)聯(lián)。由于暗涵一般存在時間較長,在運行過程中,長期被水沖刷,周圍邊界條件也較早期發(fā)生了較大的變化,暗涵內(nèi)常常存在一定的安全隱患[2],同時這些隱患通常具有隱蔽性強(qiáng)、危害性大的特點[3],在不進(jìn)入暗涵檢測的情況下,不易被發(fā)現(xiàn)。因此,對現(xiàn)有的排水暗涵進(jìn)行全面調(diào)查、檢測評估有著重要意義。

三維激光掃描技術(shù)因其特殊的數(shù)據(jù)采集模式,在做好安全措施保證作業(yè)人員安全的前提下,利用暗涵進(jìn)出口明顯特征點以及暗涵段已有的檢查井,可以解決暗涵三維位置的準(zhǔn)確測量以及對暗涵外觀的全面掃描,是暗涵檢測的一大利器。

1 工程概況

本工程位于深圳市光明區(qū)新湖街道,暗涵長度約400 m,暗涵出水口接入茅洲河,經(jīng)前期摸查,暗涵上游大概走向已知,但暗涵地表變化大,從途經(jīng)學(xué)校、從高速公路下方穿過、穿過工業(yè)區(qū)等,地面檢查井稀少,同時局部暗涵段淤積較多、積水較深,常規(guī)測量手段開展難度大,為完成暗涵的檢測評估,項目組提出了三維激光掃描與地表特征點相結(jié)合的工作方法,獲取暗涵的三維信息及外觀缺陷。以期為下一步暗涵評估及隱患整治提供基礎(chǔ)資料。

2 工作方法

三維激光掃描技術(shù)被譽為“測繪領(lǐng)域繼GPS 技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命”[4],它是一種先進(jìn)的全自動高精度立體掃描技術(shù)[5],可以快速獲取目標(biāo)物體表面大量的點云數(shù)據(jù),將實體信息轉(zhuǎn)換為可直接處理的數(shù)字信號[6]。儀器啟動后,經(jīng)過自動校準(zhǔn)和自動整平后,開始掃描作業(yè)。由激光發(fā)射器向外發(fā)射激光束,通過高速旋轉(zhuǎn)反射鏡掃描目標(biāo)物體表面,信號原路返回,接收器在接收后計算出儀器發(fā)射點與目標(biāo)物體反射點之間的距離,同時記錄激光信號的橫向角度、縱向角度,以激光發(fā)射點為坐標(biāo)原點,通過三維坐標(biāo)系即可計算被測點的三維坐標(biāo)[7]。

為保障測量精度,需保障相鄰兩個激光掃描測站有一定的重復(fù)率,便于后期點云配準(zhǔn)、拼接成一個整體。點云配準(zhǔn)是將每站掃描出來的儀器自定義的不同坐標(biāo)系進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移,使得每一站的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個坐標(biāo)系下。具體配準(zhǔn)原則為：對比待配準(zhǔn)測站點云與已配準(zhǔn)的基準(zhǔn)點云進(jìn)行對比,找出兩個點云間的共同的明顯特征點,利用特征點由數(shù)據(jù)處理軟件求解配準(zhǔn)參數(shù)并配準(zhǔn)[8]。

三維激光掃描結(jié)束后,根據(jù)出入口及檢查井的位置,布設(shè)控制點,獲取特征點（棱角點、檢查井等）的真實坐標(biāo),控制點坐標(biāo)應(yīng)在暗涵的上、中、下游均有布置,并確保控制點已被完整掃描,便于進(jìn)行地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時,提高轉(zhuǎn)換精度。本次使用的激光掃描儀型號為Trimble（天寶）X7,是一款脈沖式激光掃描儀,數(shù)據(jù)處理軟件為Trimble Realworks。

檢測過程中,作業(yè)人員穿好安全防護(hù)用品（氧氣瓶、安全帽、雨褲、氣體檢測儀、對講機(jī)等）,2 人一組開始作業(yè),地表配備通訊人員。作業(yè)人員首先在露天的出水口周圍架設(shè)測站,以便掃描周圍特征點信息,然后進(jìn)入暗涵連續(xù)掃描,一般以兩倍的涵高作為測站間的距離,在暗涵有明顯特征處（如拐彎、檢查井、排放口、大體積障礙物等）加密測站,以便完整掃描到暗涵的空間信息。最后通過GPS-RTK 技術(shù)獲取暗涵外部特征點（檢查井、河口護(hù)欄等）的絕對坐標(biāo),作為后期點云數(shù)據(jù)地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的依據(jù)。

3 檢測成果分析

經(jīng)過將外業(yè)采集的激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、去噪、地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后,得到了具有真實坐標(biāo)的暗涵點云數(shù)據(jù)（見圖1）。對比地表檢查井坐標(biāo)與三維激光轉(zhuǎn)換后的檢查井坐標(biāo)數(shù)據(jù)間的誤差大小,確保數(shù)據(jù)精度滿足規(guī)范要求。

圖1 暗涵點云數(shù)據(jù)

暗涵共分三段（如圖2 所示）,第一段暗涵長度為73.4 m,材質(zhì)為漿砌石蓋板涵,從某理工大學(xué)教學(xué)樓下方穿過,排入茅洲河截流渠；第二段暗涵長度為55.96 m,材質(zhì)為鋼筋混凝土箱涵,從某高速路下方穿過,下游經(jīng)明渠流入第一段暗涵；第三段與第二段間存在一段天然溝渠,暗涵長度為290.96 m,材質(zhì)為漿砌石蓋板涵,暗涵穿過廠房、工業(yè)園區(qū),上游為明渠。

圖2 暗涵平面位置示意圖

3.1 暗涵外觀缺陷

根據(jù)深圳市水務(wù)局發(fā)布的《深圳市暗渠化河流安全檢測與評估暫行指南》對暗涵發(fā)現(xiàn)的外觀缺陷進(jìn)行分類分級,其中Ⅰ級缺陷危害最嚴(yán)重,Ⅳ級缺陷危害輕微。三段暗涵外觀缺陷如下：

（1）影響過流缺陷統(tǒng)計

第一段暗涵：異物侵入Ⅳ級1 處,殘墻Ⅳ級1 處,淤積Ⅳ級1 處；

第二段暗涵：淤積Ⅳ級1 處,管線順穿1 處；

第三段暗涵：異物侵入Ⅰ級1 處,異物侵入Ⅲ級10 處,異物侵入Ⅳ級1 處；

暗涵內(nèi)的異物穿入、管網(wǎng)順穿、淤積的典型照片（見圖3、圖4）。

圖3 異物穿入典型照片

圖4 淤積、管網(wǎng)順穿典型照片

（2）結(jié)構(gòu)表觀缺陷統(tǒng)計

第一段暗涵：共發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)表觀缺陷11 處,其中Ⅱ級缺陷2 處,Ⅲ缺陷7 處,Ⅳ級缺陷2 處；

第二段暗涵：未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)表觀缺陷；

第三段暗涵：共發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)表觀缺陷31 處,其中Ⅰ級缺陷1 處,Ⅱ級缺陷0 處,Ⅲ缺陷21 處,Ⅳ級缺陷9 處。

缺陷統(tǒng)計（見表1）。暗涵存在的墻體空洞、墻體裂縫、頂板剝蝕、鋼筋裸露、頂板變形、墻體垮塌、砌體松散的典型照片（見圖5～圖10）。

表1 暗涵結(jié)構(gòu)表觀缺陷統(tǒng)計表

圖5 墻體空洞典型照片

圖6 墻體裂縫典型照片

圖7 頂板剝蝕、鋼筋裸露典型照片

圖8 頂板變形典型照片

圖9 墻體垮塌典型照片

圖10 砌體松散典型照片

3.2 暗涵排放口調(diào)查

根據(jù)暗涵點云模型,可獲取排放口尺寸、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）,可以形成排放口臺賬,樣表（見表2）。

表2 暗涵排放口統(tǒng)計表（部分信息）

三段暗涵共發(fā)現(xiàn)排放口39 個,其中第一段暗涵有5 個,第三段暗涵有34 個,第二段暗涵無排放口。排放口的材質(zhì)有HDPE 雙壁波紋管、PVC、鋼筋混凝土以及磚砌。典型照片（見圖11、圖12）。

圖11 HDPE 雙壁波紋管典型照片

圖12 鋼筋混凝土管典型照片

3.3 暗涵檢查井調(diào)查

根據(jù)暗涵點云模型,可獲取檢查井尺寸、間距、平面坐標(biāo)以及檢查井存在的隱患,并按指南進(jìn)行安全等級評估,可以形成檢查井檢測臺賬,樣表（見表3）。

表3 暗涵檢查井統(tǒng)計表（部分信息）

三段暗涵共發(fā)現(xiàn)檢查井11 個,其中第一段暗涵有3 個（安全等級Ⅰ級1 處,Ⅱ級2 處）,第三段暗涵有8 個（安全等級均為Ⅱ級）,第二段暗涵無檢查井。檢查井普遍存在無爬梯、無防墜網(wǎng)的問題,部分檢查井井壁有裂縫。檢查井及無井蓋暗井典型照片（見圖13、圖14）。

圖13 檢查井典型照片

圖14 無井蓋暗井典型照片

三維激光掃描獲取到測量成果、外觀檢測成果、排放口檢測成果、檢查井檢測成果可同其他暗涵檢測成果（如強(qiáng)度、銹蝕程度、耐久性、周圍土體隱患檢測等）綜合對暗涵整體進(jìn)行評估。

4 結(jié)語

（1）本文以三維激光掃描技術(shù)在深圳某暗涵檢測評估中的應(yīng)用為例,對三維激光掃描的原理、優(yōu)點以及在暗涵內(nèi)可以解決的問題進(jìn)行了論述,印證了該技術(shù)在定位測量、三維建模、外觀檢測、排放口調(diào)查、檢查井檢測中的突出作用,為暗涵的檢測評估帶來了極大便利。

（2）城市暗涵通常有流水或積水,三維激光掃描很難發(fā)現(xiàn)暗涵底板存在的缺陷,需要依靠檢測人員在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時,有針對性的檢測,特別是對排口附近的底板（易受沖刷）進(jìn)行檢測,避免遺漏底板的淘空隱患。