移動式三維激光SLAM技術在暗涵排查中的應用

基金項目：貴州省地礦局局管科研項目（黔地礦科合[2022]13號）

第一作者簡介：陳楊（1996-），男，助理工程師。研究方向為管網排查、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中不可缺少的重要設施，暗涵雨污合流導致河流水系污染嚴重，年久失修易出現淤堵、滲漏、塌陷等病害。移動式三維激光SLAM技術不僅能采集暗涵三維空間數據，建立1∶1的模型，還可以獲取暗涵的空間地理信息，達到探測測量的效果。利用點云數據模型，還能完成排放口的探測、箱涵結構檢測、涵內環境掃描等一系列工作，為生態文明建設提供可靠的技術保障。

關鍵詞：排水暗涵；三維激光掃描；管網探測；綜合物探方法；排水管網

中圖分類號：TU992.4" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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中不可缺少的重要設施，對于維護城市正常運轉和市民生活安全具有重要意義。隨著城市的迅速發展，地面建設速度超過地下空間的規劃，許多老舊的暗涵仍在使用。因暗涵修建時間較長，暗涵相關資料未到資料館進行存檔管理，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查工作顯得尤為重要，開展調查的目的是為了全面查明暗涵內部結構特征、排水情況、是否有堵漏及附屬設施的尺寸大小、現狀情況等，在調查工作結束后建立新的暗涵檔案資料并到資料館進行歸檔以備后續使用。

排水暗涵調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、暗涵檢測無人飛行器、智能管涵檢測機器人和水下潛航檢測機器人等進行調查。調查時應根據管涵實際情況選用相應的調查設備和調查方法進行調查[2]。

1" 工程概況

云南省水富市某施工項目場地內存在一條暗涵，暗涵長度約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，這些關鍵信息的缺失給施工方的前期設計工作帶來了巨大的困擾和難題。

經過現場踏勘，發現該暗涵在場地內有2個檢查井，暗涵的大致走向已明確，出水口接入橫江，暗涵的埋深較大，但內部積水不深（圖1）。結合場地情況，為獲取場地內暗涵的走向位置、材質埋深等情況，項目組提出移動式三維激光SLAM技術結合地表特征點坐標校正的工作方法，獲取暗涵的三維信息，為下一步場地施工設計提供基礎資料。

2" 工作方法

2.1" 工作原理

在城市暗涵調查等眾多應用領域，SLAM技術發揮著不可替代的作用。作為一種實時定位與地圖構建技術，它通過傳感器采集數據，對環境進行精確的幾何描述，從而形成高精度的地圖。這為解決在未知環境中實現自主定位和地圖構建的難題提供了有效手段[3]。

傳感器作為SLAM技術的核心組件，涵蓋了激光雷達、攝像頭和超聲波等多種類型。這些傳感器相互協作，能夠精準測量設備與周圍環境之間的距離、捕捉環境的二維圖像并檢測障礙物，從而提供全方位的數據支持。

在城市暗涵調查中，SLAM技術的優勢尤為突出。由于暗涵系統的環境復雜且空間狹窄，傳統測量和數據采集方法往往難以應對。而SLAM技術能夠克服這些困難，實現高效、精確的測量和數據采集。它在黑暗和復雜環境中穩定運行，避免了人為因素對測量結果的影響，顯著提高了工作效率。此外，SLAM技術所構建的高精度地圖為城市暗涵的規劃設計和管理提供了重要依據。

盡管SLAM技術在實際應用中面臨傳感器數據處理和算法優化等挑戰，但隨著相關技術的不斷進步，這些挑戰正逐步得到解決。研究人員致力于優化算法和提高傳感器性能，以提升SLAM技術在各種環境中的表現。

綜上所述，SLAM技術在實時定位與地圖構建方面具有顯著優勢，為智慧城市建設提供了有力支持。隨著技術的不斷發展和完善，SLAM技術將在未來發揮更加重要的作用，為社會發展和公共設施建設作出更大貢獻[4]。

移動式三維激光掃描是基于SLAM算法的三維激光掃描系統，在無法依靠GPS技術的屏蔽工況下，可實現動態地測量和記錄各種環境下的空間三維信息。相對于固定式三維激光掃描技術，無須分段式布點檢測，可從所檢測暗涵起點到終點實現連續檢測，其檢測效率有數倍的提升。但針對表面較為光滑或無明顯變化特征的暗涵，需在所檢測暗涵段中間檢查井處布設立體泡沫假體或其他具有鮮明特征的物體，以增加暗涵內部的明顯特征點，提高檢測精度。

2.2" 技術路線

本場地內暗涵排查的技術路線如圖2所示，在接到排查任務后，首先開展前期必要的現場踏勘工作，收集暗涵的基礎資料，如走向、尺寸、長度、涵內水深水流速度等情況，根據收集資料制定符合實際的調查方案，并對方案進行前期論證，最后根據最終調查方案進行暗涵調查工作。

2.3" 調查過程分析

本次排查選用的設備是ZEB-HORIZON3D移動掃描儀，測程為100 m，每秒掃描點數3×105個，相對精度1～3 cm，全套設備2.7 kg左右，便于蛙人攜帶。預處理軟件使用GeoSLAM HUB，對采集的數據進行解算與坐標校正，后處理軟件使用Trimble Realworks，對多段已轉換坐標的分段掃描數據，需進行拼接融合，獲取暗涵的三維空間信息。

暗涵檢測作業開始前，確保作業人員安全防護到位，在暗涵的出入口、檢查井處布設好控制點。在布設控制點的基礎上，采用RTK技術對這些控制點進行精確坐標采集（圖3）。

數據掃描采集分3個階段進行，第一階段：作業人員做好防護后，攜帶對講機、掃描設備等從1號井控制點開始采集，乘坐吊機進入涵內，根據掃描設備探測距離限制，分段循環掃描至中段2號井處。2號井位置為一個跌落井，有沉砂池，無法直接通過。第二階段：使用吊車將設備吊裝在吊機上，從檢查井上往下方掃描，保障數據的重復度。第三階段：從入河排放口進入，分段掃描至中段2號井處，掃描2號井處的特征點信息（圖4）。

三維激光SLAM掃描完成后，根據地表實測控制點與特征點的真實坐標，將上、中、下3段的點云數據校正到施工使用的坐標系，再使用數據處理軟件Trimble Realworks對分段點云進行配準、拼接。點云的配準是根據已知坐標系統的點云，與待配準點云進行對比，在點云數據重復區域使用2個點云共同的明顯特征點計算，旋轉和平移待配準點云使其數據統一到基準點云同一坐標系統內，配準后的點云數據如圖5所示。最后通過配準后的點云提取暗涵的拐點坐標、涵頂標高、涵的尺寸等信息，并繪制平面圖，為下一步場地施工設計提供基礎資料。

3" 成果分析

圖5展示了三維激光SLAM掃描的成果。經過外業掃描采集、數據預處理及數據后處理等環節，最終獲得了一個CGCS2000坐標系統的點云模型。借助該點云模型，可提取任意點的平面坐標、高程等信息，同時亦可獲取暗涵的平面位置、尺寸及埋深等參數，在可靠的數據下，設計可將施工方案修改的更符合實際情況，減少施工難度，降低施工風險。

3.1" 空間信息

暗涵分為3個部分（如圖6所示），首段為汽配城檢查井上游段，長度為71.44 m；第二段連接汽配城檢查井至沙場檢查井，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，長度為259.58 m；第三段自沙場檢查井至橫江排放口，總長388.88 m，其中81 m部分采用石砌墻體材質。

結合地面高程數據，我們發現該暗涵的埋深在7～25 m，埋深較大，需準確提供實際標高，才能滿足設計的需要，為確保工程設計需求，以暗涵中心點為基準，提取暗涵關鍵拐點坐標、頂板標高以及暗涵尺寸信息，并整理成表1（數據已模糊處理）。

3.2" 暗涵缺陷分級

通過對暗涵點云模型的分析，可以根據CJJ 181—2012《城鎮排水管檢測與評估技術規程》對暗涵發現缺陷進行分類分級，該暗涵發現的缺陷如下。

3.2.1" 結構性缺陷統計

破裂Ⅱ級3處，腐蝕Ⅲ級2處。

3.2.2" 功能性缺陷統計

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

3.3" 暗涵接入口調查

根據暗涵點云模型，可獲取接入口尺寸、管底標高、平面坐標以及存在的隱患（如堵塞、垮塌等），結合外業作業記錄中記錄的管材及水流情況（為排放口定義及后續溯源提供材料）， 可以形成接入口臺賬，樣表見表2。

該暗涵共發現排放口5個，排放口的材質有鋼筋混凝土管以及磚砌等。典型照片如圖9、圖10所示產。

4" 移動式三維激光SLAM技術優點分析

目前的城市管網排水系統排查工作中，城市暗涵的調查是一道難題，涵內情況錯綜復雜，使用傳統的物探方法定位，滿足不了高精度的要求，采用經緯儀測量，采集坐標的速度極其緩慢[5]。

移動式三維激光SLAM技術的出現，解決了以上的痛點難點，在保證高精度測量的同時，又能大幅縮短工期，對于排放口調查、缺陷調查等工作，能極大減少外業人工投入，實現自動化采集。經過試驗總結，在暗涵排查的工作運用中，移動式三維激光SLAM技術有以下優勢。

數據采集快。相較于傳統的坐標采集測量方式，無需架站，一臺設備即可采集大量連續的點云數據，縮短了作業人員在井下作業時間。

數據采集全。采集過程可搭配全景相機，采集點云信息的同時，獲取涵內的圖像信息，建模、貼圖等信息一次性采集完成，便于數據的二次開發利用，且對于排放口調查、缺陷調查工作，可提供豐富的實景數據，便于內業人員準確作出判斷。

數據精度高。移動式三維激光SLAM采集的數據精度可達厘米級，且對于高精度要求區域，可結合固定式三維激光SLAM組合采集，提升精度。

人員投入小。井下作業時一般只需兩人一組，地面保障組進行配合，且設備使用十分簡單，全自動化采集，啟動后基本無需人工干預，培訓學習的成本很低。

環境適應性強。移動式三維激光SLAM設備通常都比較輕便，可手持，也可搭載在機器人、無人機上，可適用于不同的工況。

5" 結束語

我國制造業的發展始終以自動化和智能化為核心目標，移動式三維激光SLAM技術正是集現代電子、光學、機械、控制工程、圖像處理、計算機視覺和軟件工程等多元學科的先進成果于一身。該技術具備卓越的靈活性，能夠適應各種復雜的暗涵環境，在城市暗涵排查工作中，充分利用此技術不僅能實現目標體的精確測量，還能完成排放口的探測、箱涵結構檢測、涵內環境掃描等多重任務，實現暗涵排查工作的一體化。此外，該技術還能確保作業過程的安全、連續、高效和穩定，摒棄傳統的“一點一測”方式，實現“一測千點”的效果。通過對移動式三維激光SLAM技術的應用可大大提高工作效率，特別是針對無衛星信號的地下環境及暗涵排查方面具有優越性，減少損失，大大縮短工作時間，節約工程成本。

參考文獻：

[1] 蔣穩坤，楊曉鴻，譚允允，等.三維激光掃描技術在暗涵排查中的應用[J].云南水力發電，2020，30（9）：250-252.

[2] 李樂，趙光竹，周成龍，等.城市排水暗涵全面調查技術研究[J].城市勘測，2021（4）：154-157.

[3] 胡雍.三維激光掃描技術在城市排水暗涵檢測評估中的應用[J].陜西水利，２０２３（１２）：９２－９５.

[4] 伍亮，周敏，羅波，等.基于三維激光掃描的暗涵檢測技術應用研究[J].給水排水，2022，48（S2）：441-446.

[5] 楊超斌，吳華勇，黃帆，等.城市地下河箱涵結構測繪技術研究[J].城市道橋與防洪，2019（11）：199-201.