程寶巖,王 彤

(1.上海茗川測繪技術(shù)有限公司,上海 201199;2.上海市南電力集團(tuán)有限公司,上海 201199)

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的深入,電力、燃?xì)?、信息通訊等行業(yè)的管道常常需要穿越鐵路、高速公路、城市高架道路等市政基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行敷設(shè)。為了減少對城市運(yùn)行的影響,地下管線常采用非開挖敷設(shè)施工。由于敷設(shè)管線的埋深、位置信息不準(zhǔn)確等問題,會給后期交叉施工帶來隱患(例如橋梁打樁、河道拓寬等),其他物探技術(shù)也不能有效解決,極易釀成安全事故。為了有效解決上述問題,獲取現(xiàn)場非開挖管線施工時的準(zhǔn)確三維姿態(tài)信息至關(guān)重要。慣性定位儀的引進(jìn)和使用可以作為一種有效途徑,能夠最大程度獲取現(xiàn)場管線的真實(shí)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),并在非開挖管線施工、檢測行業(yè)中逐漸占據(jù)主流。與此同時,如何保證慣性定位儀本身測量成果質(zhì)量,儀器的定期比對校準(zhǔn)工作必須引起重視,檢校場地提供校準(zhǔn)比對的管線中心三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性顯得十分重要。

1 慣性定位儀原理

慣性定位儀是用來傳感與維持方向的裝置,基于角動量守恒的理論設(shè)計出來。基本原理是運(yùn)用物體高速旋轉(zhuǎn)時,角動量很大,旋轉(zhuǎn)軸會一直穩(wěn)定指向一個方向的性質(zhì),所制造出來的定向儀器,它包括測量儀器的姿態(tài)X方向(距離Distance)、Y方向(水平角Heading)、Z方向(俯仰角Pitch)和側(cè)滾位置R(翻滾Roll)。儀器工作時，其在測量主機(jī)中高速旋轉(zhuǎn),而高速旋轉(zhuǎn)均衡的儀器旋轉(zhuǎn)軸具有定軸性[1]。定軸性是指儀器沿旋轉(zhuǎn)軸的垂直方向無力矩作用時,旋轉(zhuǎn)軸在慣性空間中保持指向不變的性質(zhì),由于測量主機(jī)移動到不同的位置時,慣性定位儀沿旋轉(zhuǎn)軸的垂直方向有力矩作用,導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸方向發(fā)生改變,而測量主機(jī)自帶的多組傳感器實(shí)時讀取儀器旋轉(zhuǎn)軸所指示的方向,這樣就能使測量主機(jī)在管道內(nèi)移動的過程中,記錄管道每個連續(xù)點(diǎn)的前后空間位置變化關(guān)系,同時通過輸入管道兩端的坐標(biāo),就能得到整個管道的三維坐標(biāo)。

2 檢校場地管徑中心三維坐標(biāo)獲取

2.1 場地簡介

本檢校場位于本公司辦公場地南側(cè)，沿公司圍墻附近綠化帶內(nèi)建設(shè)模擬頂管施工架空電纜保護(hù)管1孔，通信保護(hù)管1孔(總長度185 m)，管線最大曲率半徑26 m，最小曲率半徑112 m，最大高差1.59 m，同時為合作單位預(yù)留管道位置，設(shè)計方案和建成后效果如圖1(a)、圖1(b)所示。為了掌握場地龍門架支架的穩(wěn)定性及變化情況，在龍門架支架上布設(shè)沉降監(jiān)測點(diǎn)(共計55個)，定期使用高精度電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行沉降觀測(圖2)每月觀測1次，累計共觀測6次并跨越一個雨季。觀測數(shù)據(jù)分析表明：所有監(jiān)測點(diǎn)近3次的沉降速率均小于0.2 mm/月，各點(diǎn)起始累積沉降量均小于2 mm?；谏鲜鰯?shù)據(jù)判斷，龍門架基礎(chǔ)已基本趨于穩(wěn)定。

圖1 場地平面布置圖

圖2 龍門架支架沉降觀測標(biāo)布設(shè)

2.2 管道外壁中心三維坐標(biāo)測量

在管道外壁上利用水平尺和游標(biāo)卡尺,每間隔1 m標(biāo)記好管線外壁中心位置,同時粘貼上全站儀反光片,將反光片的中心與標(biāo)記好的管外壁中心位置重合(圖3)。利用公司辦公場地內(nèi)2個已知坐標(biāo)點(diǎn)(多儀器、多時段、多人次測繪平均值),安排3個測繪班組(每組3人)分別用GPS做好控制測量后,采用高精度全站儀測量反光片十字絲處的三維坐標(biāo),利用測量數(shù)據(jù)制作生成管道軌跡,測量頻率同樣為每月1次,累計測量6次,3個測繪班組數(shù)據(jù)處理后得到管道軌跡數(shù)據(jù)平面中誤差小于±4 cm,高程中誤差小于±2 cm,雖然能滿足《城市測量規(guī)范》要求;但是由于管道材質(zhì)本身受太陽光照影響較大,受熱膨脹,導(dǎo)致測試結(jié)果偏差較大;本文分析時,將各班組采集的6次數(shù)據(jù)平均值作為管道外壁三維坐標(biāo)基準(zhǔn)值,后續(xù)繼續(xù)上述周期性作業(yè),增加測繪頻率,調(diào)整測繪時間段,最終各個點(diǎn)位利用多次測量數(shù)據(jù)的均值作為管道外壁中心三維坐標(biāo)基準(zhǔn)值。

圖3 管道三維坐標(biāo)觀測標(biāo)

2.3 管道中心坐標(biāo)三維坐標(biāo)的間接獲取

雖然高精度全站儀等儀器可以精確采集管道外壁中心位置三維坐標(biāo),但慣性定位儀在管線內(nèi)移動時所測量的數(shù)據(jù)是管徑中心三維坐標(biāo),顯然全站儀測量的管道外壁中心位置的三維坐標(biāo)不是最終所需要的成果,本文采用了構(gòu)建管線三維模型的方法來獲取管徑中心的三維坐標(biāo)。

本次使用三維軟件3ds Max 2019進(jìn)行建模。管線三維模型與全站儀所測三維坐標(biāo)保持同精度,以提供的三維坐標(biāo)的精度為準(zhǔn),進(jìn)行放樣建模,其三維坐標(biāo)精度點(diǎn)位中誤差不大于±5 cm。

首先,將全站儀所測繪的管線外壁中心位置的三維坐標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)入到3ds Max 2019軟件中,利用管線外壁中心三維坐標(biāo)點(diǎn)(圖4)連線,做出放樣線段,同時根據(jù)管線管徑大小,做出管線的放樣段;本文以175 mm管徑為參照進(jìn)行說明,其中放樣段宜在一二象限內(nèi),以軸中心為中點(diǎn)(圖5)。

圖4 管線外壁中心三維坐標(biāo)點(diǎn)

圖5 管線模型放樣段

然后,在3ds Max 2019軟件中,根據(jù)管線外壁中心三維坐標(biāo)連線來生成管線三維模型,單獨(dú)選中管線外壁中心三維坐標(biāo)連線線段,在軟件中的工具欄里點(diǎn)擊“放樣”命令,選擇管徑為175 mm的放樣段進(jìn)行放樣,點(diǎn)擊OK,如圖6、圖7所示執(zhí)行命令。

圖6 放樣操作

圖7 放樣出來的管線模型

最后利用軟件的中心點(diǎn)命令,生成管線管徑中心點(diǎn)(圖8),然后將管線管徑中心點(diǎn)數(shù)據(jù)以其他開放平臺可識別的輸出格式導(dǎo)出,如csv、txt格式等。

圖8 三維建模獲取管徑中心點(diǎn)三維坐標(biāo)

2.4 管道三維加密掃描數(shù)據(jù)采集

為了更加精確地獲得模擬管道的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),并進(jìn)一步驗證全站儀觀測數(shù)據(jù)建模的方法所獲取的管徑中心坐標(biāo)的準(zhǔn)確性,使用全站儀影像掃描儀(集測量、影像和高速3D掃描于一體),對場地內(nèi)模擬管道等設(shè)施進(jìn)行了高精度的三維掃描(圖9),該設(shè)備既可高精度全站儀測量(精度可達(dá)到0.5″),又具備高速掃描能力(掃描速度26 600點(diǎn)/s),將掃描獲得的三維管道模型數(shù)據(jù)與全站儀測量數(shù)據(jù)生成的三維模型進(jìn)行對比(圖10),紅色為三維軟件生成管線模型,綠色為三維掃描儀掃描管線模型),兩者模型數(shù)據(jù)一致性較好;兩條線的數(shù)據(jù)對比,其平面差值小于±3 cm(圖11),高程差值小于±2 cm。

圖9 高精度三維掃描

圖10 兩種建模成果一致性比較

圖11 兩種建模方法獲取中心坐標(biāo)差值比較

管道全長范圍內(nèi),在有代表性的位置選取三維掃描成果數(shù)據(jù)和全站儀測量數(shù)據(jù),共130組/點(diǎn)進(jìn)行對比分析:平面中誤差為2 cm,高程中誤差為1 cm。三維模擬生成管線管徑中心的坐標(biāo)符合精度要求,可靠性也較高。

2.5 慣性定位儀實(shí)測管道中心三維坐標(biāo)

公司利用Reduct公司生產(chǎn)的最新的DuctRunnerTMDR-HDD-4.5XS慣性陀螺定位儀,對場地內(nèi)的管道進(jìn)行測繪。這款儀器是當(dāng)前國際上最先進(jìn)的慣性陀螺定位儀,可提供高精度、連續(xù)的管線三維坐標(biāo),平面精度達(dá)到0.25%L(L為管道總長度),高程精度達(dá)到0.10%L。

選擇場地內(nèi)管徑為175 mm的管道,將儀器靜止于管口處,開啟慣性定位儀,一孔來回拖拉測量2次,采集數(shù)據(jù)間隔為1 m,共測4組數(shù)據(jù)。作業(yè)完畢后,利用定位儀自帶電腦及軟件處理分析計算管線軸線的三維坐標(biāo)(圖12)。4次測繪彌散量成果平面最大差值0.62 m,高程最大差值0.05 m,平面相對中誤差為0.17%L,高程相對中誤差為0.05%L。

圖12 陀螺儀測繪成果

將陀螺儀測繪得到的管線三維坐標(biāo)線與全站儀測量間接獲得的管線三維坐標(biāo)線對比(圖13),圖中紅色為全站儀測量間接獲得的管線數(shù)據(jù),藍(lán)色為陀螺定位儀實(shí)測生成的管線數(shù)據(jù),可以看出兩者之間的平面最大差值小于±6 cm。上述比對分析結(jié)果表明慣性定位儀檢校場地管線三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的高可靠性。

圖13 兩種采集管道三維坐標(biāo)線對比

3 結(jié) 語

以本公司校準(zhǔn)場地為依托,對場地內(nèi)管道中心三維坐標(biāo)的獲取方法進(jìn)行了比較探討,得出如下結(jié)論:

(1)常規(guī)全站儀人工測量采集管道外壁中心坐標(biāo)數(shù)據(jù),結(jié)合三維軟件生成模擬管線模型,間接獲取管徑中心坐標(biāo)值方法應(yīng)用于實(shí)際工程中是可行的,并且節(jié)省人力和成本。

(2)利用高精度的三維掃描儀間接獲取的管道中心三維坐標(biāo)與常規(guī)全站儀人工測量采集管道外壁中心坐標(biāo)數(shù)據(jù)間接獲取管道中心三維坐標(biāo)進(jìn)行對比,平面中誤差為2cm以內(nèi),高程中誤差為1 cm以內(nèi),精度能夠滿足實(shí)際工程中的應(yīng)用,能夠為設(shè)備比對校準(zhǔn)提供精確的參考基準(zhǔn),但是耗費(fèi)成本較高。

(3)利用目前最先進(jìn)的慣性陀螺定位儀對管道進(jìn)行直接測繪,得到的管道中心三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)與全站儀和三維掃描儀測量間接獲得的管道中心三維坐標(biāo)進(jìn)行對比,平面最大誤差小于±6cm,也證明了間接獲取的管徑中心三維坐標(biāo)值的可靠性。

本文探討的檢校場管徑中心基準(zhǔn)三維坐標(biāo)的獲取方法,綜合分析其測量數(shù)據(jù)精度較高,經(jīng)濟(jì)性好,為類似的測繪項目提供了一種思路,希望能在非開挖測繪中發(fā)揮更大的作用。同時也為后期慣性定位儀的檢定和校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性提供可靠保證。