修明軍,孫傲,丁鴿

(濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院,山東 濟(jì)南 250000)

0 引 言

由于城市化發(fā)展越來(lái)越完善,人們生活質(zhì)量水平也逐漸提高,地下排水管道體系已經(jīng)與人們的生產(chǎn)生活密不可分。而排水體系位于地下,在安裝、維護(hù)、檢修等工作環(huán)節(jié)中都存在一定難度,因此也容易出現(xiàn)管道破損斷裂等問(wèn)題。管道破損會(huì)導(dǎo)致水流滲漏,同時(shí)管道內(nèi)水壓發(fā)生變化,很容易造成大范圍的系統(tǒng)癱瘓,不僅會(huì)影響當(dāng)?shù)氐恼Ｉ?還會(huì)造成大量的水資源浪費(fèi)。而土壤含水量增加也會(huì)對(duì)地表建筑物產(chǎn)生不利影響,路面沉降、樓體下陷等安全問(wèn)題頻發(fā),嚴(yán)重影響社會(huì)和諧穩(wěn)定。為了更好地解決以上問(wèn)題,在施工前對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行全面具體的勘測(cè)十分必要。

針對(duì)地下水管道勘測(cè)問(wèn)題,文獻(xiàn)[1]利用深度學(xué)習(xí)模型對(duì)地下排水管道缺陷進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別,將缺陷檢測(cè)功能與管道運(yùn)行流程相結(jié)合,能夠及時(shí)檢測(cè)出管道中的異常問(wèn)題,并快速自動(dòng)生成異常報(bào)告,智能高效,但無(wú)法監(jiān)測(cè)出破損區(qū)域?qū)χ苓叺挠绊懬闆r。文獻(xiàn)[2]基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)排水管道視頻圖像進(jìn)行智能識(shí)別,精準(zhǔn)識(shí)別出管道圖片存在差異變化的區(qū)域,并通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法得到準(zhǔn)確的故障位置,但這種方法測(cè)距較短,應(yīng)用范圍有限。

機(jī)載LiDAR技術(shù)是通過(guò)利用探測(cè)定位設(shè)備獲取目標(biāo)數(shù)據(jù),基于數(shù)理分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化,獲得目標(biāo)區(qū)域三維數(shù)據(jù)模型的一種測(cè)量方式,其測(cè)距能夠達(dá)到 3 m～500 m,滿足一般地下排水管道勘測(cè)的基本需求。因此,本文對(duì)機(jī)載LiDAR技術(shù)在城市地下排水滲漏檢測(cè)中的應(yīng)用效果進(jìn)行了研究分析。

1 地下排水管道探測(cè)

1.1 機(jī)載LiDAR技術(shù)探測(cè)原理

機(jī)載LiDAR技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般由主服務(wù)器、信號(hào)傳感器和信息顯示器構(gòu)成。信號(hào)傳感器主要包括信號(hào)發(fā)射傳感器和接收傳感器,對(duì)地下水管道進(jìn)行勘測(cè)需要采用收發(fā)一體LiDAR傳感結(jié)構(gòu)。發(fā)射傳感器通過(guò)天線將信息轉(zhuǎn)化為電磁波,被接收傳感器的天線所接收,沒(méi)有接收識(shí)別到的電磁波再次向下輻射到達(dá)更深的層次折射返回,如此循環(huán)往復(fù),直到所有發(fā)射出的電磁波被地下目標(biāo)介質(zhì)吸收,地表和地下介質(zhì)的電導(dǎo)率和介電常數(shù)相差越大,電磁波的反射越強(qiáng)[3]。機(jī)載LiDAR技術(shù)探測(cè)方式如圖1所示:

圖1 機(jī)載LiDAR技術(shù)探測(cè)方式

根據(jù)圖1進(jìn)行測(cè)試,機(jī)載LiDAR探測(cè)會(huì)根據(jù)規(guī)劃好的路線進(jìn)行掃描探測(cè),有監(jiān)測(cè)器測(cè)量并記錄儀器掃描移動(dòng)的距離,探測(cè)器每隔一段距離會(huì)進(jìn)行一次電磁波信號(hào)交換,反射信號(hào)接收點(diǎn)在一條探測(cè)線上,各探測(cè)點(diǎn)所采集到的信息數(shù)據(jù)通過(guò)波形堆積傳輸導(dǎo)入到主機(jī)系統(tǒng)中,形成探測(cè)所得的信號(hào)分布灰度顯示圖,即為二維工程信息探測(cè)剖面[4]。灰度顯示圖中可以直觀地呈現(xiàn)不同位置信號(hào)反射的頻率、振幅、走向等信息,工作人員根據(jù)所得信息可對(duì)地下目標(biāo)對(duì)象的位置、形態(tài)、變化情況進(jìn)行基本判斷認(rèn)定[5]。

1.2 介電常數(shù)探測(cè)

對(duì)地下水管道進(jìn)行探測(cè)最主要的工作是對(duì)管道線路分布以及管道滲漏情況進(jìn)行監(jiān)察探測(cè)。通常情況下地下水管道發(fā)生滲漏,周邊的土壤含水量會(huì)隨之增加,而土壤含水量的增加則會(huì)導(dǎo)致土壤的介電常數(shù)以及導(dǎo)電率發(fā)生變化,LiDAR探測(cè)器向地下發(fā)射電磁信號(hào),在觸及含水量較大的土壤時(shí)進(jìn)行反射,將采集到的探測(cè)目標(biāo)介質(zhì)的介電常數(shù)和導(dǎo)電率傳輸給主系統(tǒng),通過(guò)主機(jī)系統(tǒng)運(yùn)算判斷其是否達(dá)到異常標(biāo)準(zhǔn),其計(jì)算公式如下:

β=3.3+9.8μ+146.7μ2-76.2μ3

(1)

式中,β為探測(cè)目標(biāo)介質(zhì)的介電常數(shù),μ為介質(zhì)探測(cè)范圍內(nèi)的體積含水量。信息傳輸過(guò)程中傳播速度會(huì)受到環(huán)境影響導(dǎo)致信息不完整,因此需要結(jié)合電磁波速與介電常數(shù)對(duì)探測(cè)信號(hào)反射速度進(jìn)行還原優(yōu)化。

(2)

其中,vd表示地下信號(hào)反射電磁波速,V表示真空光速,作為運(yùn)算參考的標(biāo)準(zhǔn)速度,此時(shí)反射信號(hào)波速與介電常數(shù)的算術(shù)平方根成反比。

如果地下水管道破損滲漏,土壤的介電常數(shù)增加,信號(hào)探測(cè)波速會(huì)隨之減小,與非滲漏區(qū)域的土壤介電常數(shù)呈現(xiàn)明顯差異,更容易被探測(cè)電磁波所發(fā)現(xiàn),并反射給地表信號(hào)接收器[6]。

1.3 地下排水管道探測(cè)反射檢測(cè)

地下排水管道探測(cè)反射原理如圖2所示:

圖2 地下排水管道探測(cè)反射原理

觀察圖2可知,機(jī)載LiDAR探測(cè)技術(shù)主要依靠數(shù)理運(yùn)算來(lái)達(dá)到測(cè)算目的。數(shù)理運(yùn)算最基本的任務(wù)是數(shù)據(jù)采集,其操作方法一般通過(guò)控制傳感天線,將輻射電磁波沿著探測(cè)線方向進(jìn)行線性探測(cè),傳感天線極化方向不能與地下探索目標(biāo)的走向相垂直,否則電磁信號(hào)無(wú)法進(jìn)行波動(dòng)反射,難以實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)男Ч?。以二維剖面為參考,在與目標(biāo)對(duì)象大致位置傾斜45°左右的位置安置探測(cè)裝置,電磁波輻射向下發(fā)射并在目標(biāo)物處反射回地表,形成一個(gè)雙程走向的信號(hào)路徑,路徑與傳感天線的關(guān)系用公式來(lái)表達(dá)為:

(3)

其中,t表示電磁信號(hào)傳播的雙程路徑傳輸時(shí)間,v為信號(hào)電磁波傳播速度,m表示的是傳感天線頂端的深度,p代表天線所在的水平位置。

2 排水管道位置檢測(cè)

2.1 數(shù)據(jù)采集與整理

通過(guò)二維探測(cè)剖面顯示圖劃分探測(cè)線上的探測(cè)點(diǎn)位置。相鄰探測(cè)點(diǎn)間距需小于電磁波最小反射波長(zhǎng)的四分之一,將數(shù)據(jù)整合為一個(gè)剖面數(shù)據(jù)集,將所有探測(cè)線的二維剖面圖進(jìn)行整合,在主機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)建模。通過(guò)切片法將二維剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行提取,對(duì)水平切片和垂直切片進(jìn)行分類,每個(gè)探測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入建模系統(tǒng)構(gòu)建三維探測(cè)模型,根據(jù)模型信息探測(cè)系統(tǒng)控制器能夠?qū)μ綔y(cè)器進(jìn)行基本的操作控制[7]。

機(jī)載LiDAR探測(cè)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)剖面法進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息會(huì)及時(shí)傳輸?shù)街鳈C(jī)數(shù)據(jù)處理器中進(jìn)行分析整理,根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)源、時(shí)間、位置分門別類歸入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集合中,便于運(yùn)算程序?qū)?shù)據(jù)信息進(jìn)行處理[8]。

2.2 排水管道線路模型

基于上述數(shù)據(jù)采集與整理的結(jié)果,可以對(duì)地下排水管道線路基本情況進(jìn)行模型構(gòu)建。首先,確定地下探測(cè)基本點(diǎn)坐標(biāo)位置,地表探測(cè)傳感器所在位置,劃分探測(cè)器移動(dòng)的測(cè)量線路徑;其次,將探測(cè)儀器每次移動(dòng)的關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記,形成探測(cè)區(qū)域地下水管道線路現(xiàn)狀剖面圖,針對(duì)探測(cè)信號(hào)反射區(qū)域異常介質(zhì)形態(tài)的判斷,可通過(guò)運(yùn)算程序進(jìn)行初步分辨:

(4)

式中,S表示探測(cè)目標(biāo)與傳感器天線之間的距離,x為L(zhǎng)iDAR探測(cè)器所在位置坐標(biāo),b代表目標(biāo)物體所在位置坐標(biāo)。結(jié)合探測(cè)信號(hào)雙程傳播時(shí)間:

(5)

其中,T表示探測(cè)信號(hào)來(lái)回一次的傳播時(shí)間,v表示該區(qū)域地下電磁波傳播速度。結(jié)合上述兩公式,消參可得目標(biāo)對(duì)象表面形態(tài)基本圖像方程:

(6)

由公式(6)計(jì)算得出拋物線圖像,可知目標(biāo)物體外部形狀的基本情況,包括最頂點(diǎn)位置坐標(biāo)、兩側(cè)橫向距離等多方面信息[9-10]。

2.3 信號(hào)偏移校正

在探測(cè)過(guò)程中可能存在信號(hào)偏移現(xiàn)象,也就是探測(cè)電磁波受到途中某種特殊介質(zhì)影響發(fā)生散射,所以反射回地表的信號(hào)存在一定程度的偏移[11-13]。因此需要對(duì)偏移數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理:

(7)

A=(x2+y2-z2)1/2

(8)

其中,α(x,y,z)表示正確路徑下目標(biāo)物體所在位置坐標(biāo);△x,△y分別表示水平方向和垂直方向測(cè)線每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的間距;ε表示探測(cè)電磁波輻射半徑;A為實(shí)際電磁波路徑與縱向測(cè)線之間的夾角;φ表示的是實(shí)際探測(cè)電磁波的幅度。由此計(jì)算能夠得到糾偏后的信號(hào)反射路徑和正確的信號(hào)接收點(diǎn)位置[14]。

最后,為了保障地下水管道探測(cè)與檢修過(guò)程的順利,需要精確物體實(shí)際所在位置信息,對(duì)探測(cè)所得信息圖像進(jìn)行分辨率優(yōu)化,使數(shù)據(jù)更符合實(shí)際情況。

(9)

(10)

其中,Qw,Ql分別表示水平和垂直方向的分辨率,r表示探測(cè)目標(biāo)對(duì)象所在位置的深度,δ代表探測(cè)信號(hào)電磁波的波長(zhǎng)。由此可以將探測(cè)數(shù)據(jù)精確到實(shí)際尺寸范圍,提高監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度[15]。

3 現(xiàn)場(chǎng)模擬

為了更具體地研究機(jī)載LiDAR技術(shù)在城市地下排水滲漏檢測(cè)中的應(yīng)用效果,本文以某地區(qū)地下排水管道為研究對(duì)象進(jìn)行了探測(cè)實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境如圖3所示:

圖3 現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境

該區(qū)域?yàn)榈叵屡潘艿罎B漏的某市區(qū)工廠,據(jù)了解,排水管道直徑 100 mm,埋深為 0.6 m,材質(zhì)是鑄鐵管道,內(nèi)部水壓長(zhǎng)期穩(wěn)定為 220 kPa,該管道所在土壤層面為地下水所在的砂土層,管道介于地下水和砂土表層之間;再往上是人工填埋的填土層,最上面是鋪設(shè)有電網(wǎng)電纜的建筑物地基混凝土層;目標(biāo)管道穿過(guò)一個(gè)豎井。

當(dāng)閥門打開(kāi)時(shí),排水管道開(kāi)始工作,水流以穩(wěn)定水壓經(jīng)過(guò)該管道,而該管道由于長(zhǎng)期使用未進(jìn)行保養(yǎng),出現(xiàn)了破損,水流經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)由于水壓在該破損處形成滲漏,滲出的水會(huì)慢慢填滿整個(gè)豎井,豎井無(wú)法做到完全防水,而土壤具有較大的吸水性,所以該豎井周圍土壤的含水量會(huì)逐漸增大。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),閥門應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài),首先要采集管道正常情況下的土壤含水量,根據(jù)土壤含水量變化判斷土壤的介電常數(shù)是否存在異常;然后打開(kāi)閥門,讓破損管道滲漏出的水流填滿豎井,大約半個(gè)小時(shí)后關(guān)閉;再使用同樣的探測(cè)方法對(duì)滲漏區(qū)域進(jìn)行探測(cè)。機(jī)載LiDAR探測(cè)過(guò)程如圖4所示:

圖4 機(jī)載LiDAR探測(cè)過(guò)程

本文基于實(shí)驗(yàn)管道的位置選用了垂直于管道方向的剖面探測(cè)方法,探測(cè)目標(biāo)管道位于網(wǎng)絡(luò)的中心位置。實(shí)驗(yàn)采集設(shè)備為MD4-3000無(wú)人機(jī),搭載RIEGL VUX-3雷達(dá)系統(tǒng),飛行高度約 120 m,飛行速度為 12.5 m/s,飛行總面積 0.43 km2。在傳感器規(guī)格選擇方面,充分考慮了管道的深度和屬性,選用了信號(hào)頻率為 200 MHz的傳感天線和 500 MHz的屏蔽天線,通信網(wǎng)絡(luò)為以太網(wǎng),速度為 100 M/s,在探測(cè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)共設(shè)置采樣節(jié)點(diǎn)500個(gè),通過(guò)16位數(shù)據(jù)4次疊加分別對(duì)正常狀態(tài)下和滲漏情況下的管道進(jìn)行信息探測(cè)和數(shù)據(jù)采集。測(cè)線布置方式如圖5所示:

圖5 測(cè)線布置方式

在數(shù)據(jù)采集過(guò)后將兩類數(shù)據(jù)分別整理在對(duì)比樣本數(shù)據(jù)集合中,分別進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化處理。為了提高數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度,需要提高采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信噪比,并對(duì)目標(biāo)管道反射信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí)度優(yōu)化。根據(jù)環(huán)境特征,本文對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行了降噪、零時(shí)校正、信號(hào)糾偏、線性增益和濾波處理,信號(hào)處理流程如圖6所示。

圖6 信號(hào)處理流程

(1)降噪。取所有信號(hào)數(shù)據(jù)的平均值,再?gòu)拿宽?xiàng)數(shù)據(jù)中減去平均值來(lái)達(dá)到去除干擾因素的目的。

(2)零時(shí)校正。主要針對(duì)探測(cè)信號(hào)存在的延時(shí)問(wèn)題進(jìn)行校正,使地表接收反射信號(hào)基本處在零時(shí)刻。

(3)偏移糾正。分別對(duì)二維剖面和三維剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,識(shí)別電磁波信號(hào)偏移情況,對(duì)結(jié)合電磁波傳輸速度進(jìn)行糾偏。

(4)線性增益。針對(duì)探測(cè)信號(hào)傳播過(guò)程中存在的散射和耗損問(wèn)題,為了得到更清晰準(zhǔn)確的探測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)線性增益對(duì)探測(cè)信號(hào)衰減幅值進(jìn)行補(bǔ)償。

(5)濾波處理。通過(guò)濾波裝置對(duì)接收到的信號(hào)中高頻或低頻的電磁波進(jìn)行過(guò)濾,提高反射電磁波信號(hào)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 勘測(cè)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)分別對(duì)偏移前和偏移后的信號(hào)探測(cè)二維剖面圖進(jìn)行了對(duì)比分析。滲透結(jié)果如圖7所示:

圖7 滲透檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于偏移前的二維探測(cè)剖面圖,選取了五條具有代表性的探測(cè)線進(jìn)行測(cè)量,根據(jù)測(cè)量結(jié)果可確定滲透位置約為地下 0.6 m處。機(jī)載LiDAR檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 機(jī)載LiDAR檢測(cè)結(jié)果

局部雷達(dá)圖像如圖9所示:

圖9 局部雷達(dá)圖像

根據(jù)傳輸回的信息數(shù)據(jù)可以看出,距離滲漏區(qū)域距離較遠(yuǎn)的探測(cè)線在滲漏前和滲漏后并無(wú)明顯變化,基本可以確定該位置并未受到滲漏問(wèn)題影響。位于滲漏區(qū)域正上方的探測(cè)線在滲漏前后有明顯的數(shù)據(jù)變化,探索信號(hào)在到達(dá)該區(qū)域時(shí)有強(qiáng)烈的反射信號(hào),并受到了周邊環(huán)境的干擾產(chǎn)生偏移等問(wèn)題,則可以判定這些變化是由于管道滲漏造成的,而且通過(guò)豎井左右兩側(cè)反射信號(hào)的波動(dòng)幅度,能夠更準(zhǔn)確地推測(cè)出滲漏的主要方位。

在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾偏處理后,得到偏移后的二維探測(cè)剖面圖,消除了由于散射效應(yīng)導(dǎo)致信息偏差等問(wèn)題,得到更貼近現(xiàn)實(shí)的滲漏后探測(cè)信號(hào)反射數(shù)據(jù)。探測(cè)信號(hào)滲漏區(qū)域反射數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示:

圖10 探測(cè)信號(hào)滲漏區(qū)域反射數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

觀察圖10可知,滲漏區(qū)土壤含水量增大后,土壤的介電常數(shù)增大,對(duì)于探測(cè)電磁波的反射能力更強(qiáng)。同時(shí)滲透管道位置的信號(hào)數(shù)據(jù)曲線有了更明顯的聚焦,可確定滲透位置約為地下 0.6 m,與實(shí)際滲漏區(qū)域位置相吻合。

二維圖像分析主要選取了典型的探測(cè)線數(shù)據(jù)。為了得到更全面的探測(cè)結(jié)果,需要進(jìn)行三維圖像模型構(gòu)建。三維圖像模型如圖11所示:

圖11 三維圖像模型

分別將水平方向與垂直方向探測(cè)線剖面切片數(shù)據(jù)導(dǎo)入建模程序,綜合各方位數(shù)值構(gòu)建出比例相一致的地下排水管道實(shí)況模型,存在異常變化的數(shù)據(jù)相互結(jié)合,滲漏變化區(qū)域更加具體明顯,不僅能夠確定滲漏位置的深度,還能分辨出基本的水平方位。由此可見(jiàn)機(jī)載LiDAR技術(shù)的勘測(cè)能力更強(qiáng),探測(cè)結(jié)果也更為精準(zhǔn),在城市地下排水滲漏檢測(cè)中能夠發(fā)揮更好的效果。

5 結(jié) 論

本文對(duì)機(jī)載LiDAR技術(shù)在城市地下排水滲漏檢測(cè)中的應(yīng)用效果進(jìn)行了研究,并得出以下結(jié)論:

(1)機(jī)載LiDAR技術(shù)能夠精準(zhǔn)具體地確定管道故障區(qū)域位置,并對(duì)管道周邊受影響情況也有全面地反映。同時(shí)針對(duì)環(huán)境干擾因素有對(duì)應(yīng)的解決措施,最終所得數(shù)據(jù)相比傳統(tǒng)勘測(cè)技術(shù)所得數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)。

(2)該方法注重?cái)?shù)據(jù)分析和模型構(gòu)建,所反映結(jié)果相較于圖像分析更加明顯,且對(duì)設(shè)備要求并不高,成本較低,適用性廣,能夠更好地滿足當(dāng)前城市地下排水管道勘測(cè)需求。

由于本文主要是對(duì)管道滲漏情況進(jìn)行的探測(cè)實(shí)驗(yàn),沒(méi)有充分考慮管道其他未滲漏破損情況,在未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步針對(duì)管道老化、位移等故障問(wèn)題勘測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究完善。