龔波濤，肖 斌，齊秉柱

(國網(wǎng)上海市電力公司工程建設(shè)咨詢分公司，上海 200120)

隨著城市化發(fā)展進(jìn)程不斷加快，各類建筑以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)大肆興起，建筑物與基礎(chǔ)設(shè)施驟增導(dǎo)致排管鋪設(shè)量不斷增加[1-2]。想要確保地下排管的安全高效運(yùn)轉(zhuǎn)，就要對城市地下排管進(jìn)行高效、科學(xué)的管理[3-4]。排管的埋深過淺或者過深都會(huì)對排管安全高效運(yùn)行產(chǎn)生非常不利影響，排管埋深過淺會(huì)增加各種外力因素破壞排管概率，同樣地，如果排管埋深過深，會(huì)導(dǎo)致各種排管探測儀器以及探測技術(shù)無法對排管運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效探測與監(jiān)管，一旦排管被外力損壞或由于使用年限等因素導(dǎo)致的排管破壞，排管無法正常運(yùn)行，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[5-6]。

為有效避免或減少由于管道埋深問題導(dǎo)致的排管破壞問題，近年來國內(nèi)外諸多學(xué)者對排管埋深探測技術(shù)進(jìn)行了大量研究。比較受歡迎的有文獻(xiàn)[7]基于混沌脈沖位置調(diào)制信號(hào)的排管埋深探測技術(shù)，文獻(xiàn)[8]基于三維檢測儀的激光光斑位敏管道埋深探測技術(shù)。這些排管埋深探測技術(shù)雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對排管埋深的探測，但是由于排管被埋于地下，對需要進(jìn)行排管埋深探測的排管位置難以準(zhǔn)確估量，常常導(dǎo)致用于排管埋深探測的探測設(shè)備無法獲取準(zhǔn)確的埋深探測數(shù)據(jù)，從而影響排管埋深探測工作的進(jìn)度以及排管埋深的探測精度[9]。

全時(shí)空增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，簡稱AR)定位與可視化技術(shù)，可將虛擬信息與現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)信息以巧妙的方式進(jìn)行合理、有效融合。通過這兩種信息的融合，可以增強(qiáng)真實(shí)世界的數(shù)據(jù)信息，并以三維可視化的方式呈現(xiàn)增強(qiáng)效果，在定位中也有很好的定位效果。應(yīng)用于排管埋深檢測時(shí)，能準(zhǔn)確定位排管埋深檢測區(qū)域，以三維可視化的方式準(zhǔn)確反映排管的方位等信息，使得排管埋深探測工作的效率與精度均得到大幅度提升[10]。因此，本文研究基于全時(shí)空AR定位技術(shù)的排管埋深探測技術(shù)，可精準(zhǔn)高效完成對排管埋深的探測，更好滿足實(shí)際排管埋深探測工作需要。

1 全時(shí)空AR定位與可視化的排管埋深探測

1.1 排管埋深探測技術(shù)總體架構(gòu)

在進(jìn)行排管埋深探測時(shí)，用于排管埋深探測的數(shù)據(jù)不僅包含可以進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，還包含融合難度較大的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)[11]。采集到的與排管埋深探測相關(guān)的管道結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包括一些排管CAD圖紙數(shù)據(jù)、排管埋深探測相關(guān)的排管埋深屬性數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)以及排管地理位置等信息。為了使AR定位產(chǎn)生良好的定位效果，在進(jìn)行AR定位時(shí)，首先要對排管埋深探測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合操作，并根據(jù)融合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行AR三維建模，之后通過AR三維建模得到的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行小波域排管埋深探測區(qū)域定位以及執(zhí)行最小二乘改進(jìn)電磁法的排管埋深探測操作。最終將得到的計(jì)算結(jié)果以可視化的形式呈現(xiàn)出來。

排管埋深探測技術(shù)總體架構(gòu)如圖1。

圖1 排管埋深探測技術(shù)總體架構(gòu)

1.2 AR排管三維自動(dòng)建模

1.2.1 排管構(gòu)網(wǎng)

根據(jù)排管的中心軸，排管由具有縱向平移方向的模板構(gòu)成。其工作原理可以表示為：在給定的二維圖形中，二維圖像的中心點(diǎn)沿管道的中心軸移動(dòng)。當(dāng)管道中心軸移動(dòng)時(shí)，二維圖像平面垂直于管道中心軸的切線，將二維圖形的空間運(yùn)動(dòng)軌跡標(biāo)記為排水管網(wǎng)的頂點(diǎn)坐標(biāo)[12]。二維圖像每平移相應(yīng)距離，相應(yīng)地要將二維圖形的空間位置標(biāo)記出來，在排管空間分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，定義緊鄰的兩個(gè)二維圖形在進(jìn)行排管構(gòu)網(wǎng)時(shí)需要遵行的原則。依據(jù)這種規(guī)律構(gòu)建出的二維圖像的三角網(wǎng)集合在一起便組成了排管三角網(wǎng)。使用圓形來進(jìn)行排管三角網(wǎng)的構(gòu)建，根據(jù)得到的排管直管網(wǎng)頂點(diǎn)坐標(biāo)，可將求得的空間圓環(huán)用公式表示為C1，C2，…，Cn，其中n代表空間圓環(huán)的數(shù)量。具體的三維排管三角網(wǎng)的構(gòu)造步驟可表述如下。

(1)從C1起，按順序選擇緊鄰的2個(gè)空間圓環(huán)的頂點(diǎn)執(zhí)行構(gòu)網(wǎng)操作。將C1，C2，…，Cn的頂點(diǎn)用公式表示為Ci，1，Ci，2，…，Ci，n，那么用公式可將Ci+1，1上的點(diǎn)表示為Ci+1，1，Ci+1，2，…，Ci+1，n?；贒elaunnay關(guān)于三角網(wǎng)構(gòu)建的描述，排管三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)的規(guī)則如圖2所示。

圖2 展開的三角網(wǎng)側(cè)面示意圖

(2)對得到的三角形執(zhí)行相關(guān)存儲(chǔ)操作，操作結(jié)束后，將所有的三角形組合在一起成為一個(gè)關(guān)于三角形的集合，該集合即排管三角網(wǎng)。對得到的三角網(wǎng)執(zhí)行Mesh對象生成操作，得到排管Mesh三維模型。

1.2.2 排管紋理貼圖

為了得到更好的三維建模效果，需要對排管進(jìn)行紋理貼圖操作[13]。應(yīng)用REPEAT方法進(jìn)行排管貼圖，執(zhí)行排管的側(cè)面展開操作，將長度分段與橫截面圓周分段分別表示為B與G。排管橫向的紋理貼圖數(shù)量與縱向的排管貼圖數(shù)量分別表示為m與n，那么排管在(i，j)處的紋理坐標(biāo)可表述為

(1)

排管紋理貼圖完成后，依次遍歷全部排管進(jìn)行三維模型構(gòu)建，形成全時(shí)空地下排管網(wǎng)的AR可視化場景。

1.3 小波域埋地排管定位

根據(jù)小波分析中關(guān)于小波伸縮特性的描述，小波分析具有抑制部分信號(hào)特征并凸顯感興趣區(qū)域的特點(diǎn)[14]。用A代表AR三維排管自動(dòng)建模后得到的排管數(shù)據(jù)生成的排管序列。應(yīng)用一維Mallat分解算法對序列A執(zhí)行頻率分解操作。探地雷達(dá)與背景間擁有較高的噪聲，導(dǎo)致在對序列A執(zhí)行頻率分解操作后，得到的序列A的空域中雷達(dá)與背景具有幾乎一致的幅值，而地下埋管部位也會(huì)占據(jù)一定的區(qū)域范圍。因而，在進(jìn)行小波分解操作時(shí)，可以通過小波系數(shù)進(jìn)行細(xì)節(jié)分解將埋地排管區(qū)域從探測背景中有效地剝離出來，實(shí)現(xiàn)對埋地排管的準(zhǔn)確定位。

為了更好實(shí)現(xiàn)埋地排管定位，用于匹配目標(biāo)回波特征的小波具有近似的對稱、衰減特征。將Sinc主函數(shù)與第一副瓣定義為埋地排管定位時(shí)的檢測小波，用公式可將其表述為

(2)

式(2)中，媒介衰減因子表示為λ，并且t滿足t∈[-2.459，2.459]。具體的小波域自動(dòng)檢測埋地排管定位步驟如下。

(1)對序列執(zhí)行掃描與四級分解操作，分解尺度選取20、2-1、2-2與2-3。

(2)對小波域執(zhí)行統(tǒng)計(jì)檢測操作。分別對序列A執(zhí)四級分解操作得到的信號(hào)執(zhí)行小波卷積運(yùn)算：

si?θ，i=0，1，2，3

(3)

其中，掃描序列A得到的分解信號(hào)與分解的尺度分別用si與i代表；小波系數(shù)與卷積運(yùn)算算子用θ與?代表。

快速統(tǒng)計(jì)計(jì)算小波域，過程如下。

如果將執(zhí)行卷積運(yùn)算操作后的小波域序列用公式表示為θi，i=1，2，…，k。

(4)

根據(jù)式(4)，對參數(shù)執(zhí)行快速估計(jì)操作時(shí)的求解方法可以表示為

(5)

(6)

根據(jù)式(4)與式(6)有：

(7)

對小波區(qū)域的模極大值進(jìn)行判別操作時(shí)，其閾值應(yīng)滿足：

(8)

(3)進(jìn)行從小波域到時(shí)空域的映射，得到目標(biāo)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)排管定位。

1.4 最小二乘改進(jìn)電磁法的排管埋深探測

依據(jù)埋地排管定位結(jié)果，應(yīng)用最小二乘改進(jìn)電磁法，實(shí)現(xiàn)排管埋深的探測。一般狀況下，水平排管周圍存在的由交變電形成的電磁場，相當(dāng)于由長直導(dǎo)線形成的電磁場，依照畢奧—薩伐爾關(guān)于磁場強(qiáng)度的闡述[15]，可將距離排管中心點(diǎn)路程為r點(diǎn)的磁場強(qiáng)度表示為

(9)

在排管探測過程中，通常情況下，會(huì)對排管的水平與垂直地表分量執(zhí)行合理有效的測量操作。根據(jù)由水平與垂直地表分量變化產(chǎn)生的規(guī)律，獲得埋管的中心埋深。設(shè)線圈面法線與二次場兩個(gè)方向存在的夾角為α，則埋深探測排管周圍的感應(yīng)電流可表示為

(10)

其中，一個(gè)受發(fā)射線圈材料與大小等因素影響的常數(shù)用C代表。

在實(shí)際的排管埋深探測工作中，水平發(fā)射線圈得到的探測埋深排管感應(yīng)電流可表示為

(11)

垂直發(fā)射線圈得到的探測埋深排管感應(yīng)電流可表示為

(12)

若探測埋深排管在探測地面的投影位置(x=0)產(chǎn)生線圈，則此時(shí)探測埋深排管與垂直線圈存在最好的耦合與水平線圈不存在耦合，滿足：

(13)

將實(shí)際排管埋深探測用探測方法得到的排管埋深與實(shí)際的排管埋深分別表示為h′與h。h′與h間的關(guān)系可表述為

h=ah′+b

(14)

式中a,b——代表常數(shù)。

(15)

對式(7)執(zhí)行最小二乘常數(shù)求解操作，求得：

(16)

式(8)中，h與h′滿足：

(17)

排管埋深的誤差需符合相關(guān)規(guī)程，才能使修正參數(shù)發(fā)揮其應(yīng)有的作用。為此，可執(zhí)行以下操作

(3)排管埋深修正誤差表示為

(18)

排管埋深誤差限差表示為

(19)

在滿足Mh<0.5ξh情況下，埋深校正呈現(xiàn)合格狀態(tài)。將通過計(jì)算得到的a與b的最終值在式(14)中執(zhí)行代入操作，得到最終的排管埋深。

2 試驗(yàn)與分析

本文以D市某區(qū)埋深為1.5～3 m的排管為試驗(yàn)對象，應(yīng)用本文方法對排管的實(shí)際埋深進(jìn)行探測，驗(yàn)證該方法在進(jìn)行排管埋深探測方面的性能。

為驗(yàn)證本文方法的可行性，對D市某區(qū)排管上的15個(gè)探測點(diǎn)進(jìn)行埋深探測，得到的排管埋深探測表如表1所示。

表1 排管埋深探測表 m

在表1中，可清晰看到各探測點(diǎn)的視埋深與改進(jìn)埋深，并且改進(jìn)后的排管埋深與實(shí)際埋深幾乎一致。這說明應(yīng)用本文方法可以很好地實(shí)現(xiàn)對排管埋深的探測，滿足實(shí)際排管埋深探測工作的需要，這驗(yàn)證了本文方法進(jìn)行排管埋深探測的可行性。

應(yīng)用本文方法對D市某區(qū)的部分排管進(jìn)行AR排管三維自動(dòng)建模得到的AR排管三維自動(dòng)建模效果圖如圖3所示。

圖3 AR排管三維自動(dòng)建模效果圖

在圖3中，排管網(wǎng)三維建模部分圖效果清晰，細(xì)節(jié)處理妥當(dāng)，立體效果顯著。這說明應(yīng)用本文方法不僅可以實(shí)現(xiàn)對地下排管的AR三維建模，并且可視化效果較好，可更好地服務(wù)于排管埋深探測。

在進(jìn)行排管埋深探測時(shí)，能否精準(zhǔn)定位目標(biāo)探測區(qū)域決定了排管埋深的探測效果。為驗(yàn)證應(yīng)用本文方法進(jìn)行排管埋深探測時(shí)在定位方面的優(yōu)勢，繪制應(yīng)用本文方法得到目標(biāo)探測區(qū)域與實(shí)際埋深探測區(qū)域的對比圖如圖4所示。

圖4 目標(biāo)探測區(qū)域圖

由圖4可知，應(yīng)用本文方法可以實(shí)現(xiàn)對埋深探測區(qū)域的定位，并且得到的目標(biāo)探測區(qū)域與實(shí)際埋深探測區(qū)域基本一致。這說明應(yīng)用本文方法進(jìn)行埋深探測區(qū)域定位，目標(biāo)探測區(qū)域定位準(zhǔn)確，可提高排管埋深探測精度。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了三維排管三角網(wǎng)的構(gòu)造步驟，應(yīng)用小波域算法，將埋地排管區(qū)域從探測背景中有效地剝離出來，進(jìn)行從小波域到時(shí)空域的映射，根據(jù)由水平與垂直地表分量變化產(chǎn)生的規(guī)律，獲得埋管的中心埋深，可實(shí)現(xiàn)對排管埋深的合理有效探測，排管定位與排管埋深探測精度均較高。但是在進(jìn)行排管埋深探測技術(shù)方面的研究只考慮了地下排管結(jié)構(gòu)比較簡單的狀況，而在實(shí)際的排管探測工作中，由于埋于地下的管線不是只有排管一種，排管探測工作面臨的探測環(huán)境會(huì)比較復(fù)雜。因此，下一階段對基于全時(shí)空AR定位與可視化技術(shù)的排管埋深探測技術(shù)的研究將從面對復(fù)雜的排管結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行排管埋深探測技術(shù)研究。