三维激光扫描技术在城市排水暗涵检测评估中的应用

胡 雍

（1.深圳市水务规划设计院股份有限公司,广东 深圳 518000；2.深圳市水务科技发展有限公司,广东 深圳518000）

排水暗涵是城市排水设施中的重要组成部分。深圳在快速城镇化的过程中,采取了先地上后地下、高速度建设、高负荷使用的发展模式,很多历史遗留的老旧暗涵还在持续使用。但因时间久远、资料不完善,导致暗涵的位置、走向等基本情况不明,同时大多数暗涵的检修井间距过大、被埋没甚至根本无检查井,同时老旧暗涵上部常常存在违建、搭建的问题,导致管理单位日常管养维护困难,无法及时发现暗涵存在的隐患[1]。如2019 年8 月28 日,深圳市罗湖区发生的居民楼垮塌事件,从官方通报来看,与楼下的排水暗涵存在关联。由于暗涵一般存在时间较长,在运行过程中,长期被水冲刷,周围边界条件也较早期发生了较大的变化,暗涵内常常存在一定的安全隐患[2],同时这些隐患通常具有隐蔽性强、危害性大的特点[3],在不进入暗涵检测的情况下,不易被发现。因此,对现有的排水暗涵进行全面调查、检测评估有着重要意义。

三维激光扫描技术因其特殊的数据采集模式,在做好安全措施保证作业人员安全的前提下,利用暗涵进出口明显特征点以及暗涵段已有的检查井,可以解决暗涵三维位置的准确测量以及对暗涵外观的全面扫描,是暗涵检测的一大利器。

1 工程概况

本工程位于深圳市光明区新湖街道,暗涵长度约400 m,暗涵出水口接入茅洲河,经前期摸查,暗涵上游大概走向已知,但暗涵地表变化大,从途经学校、从高速公路下方穿过、穿过工业区等,地面检查井稀少,同时局部暗涵段淤积较多、积水较深,常规测量手段开展难度大,为完成暗涵的检测评估,项目组提出了三维激光扫描与地表特征点相结合的工作方法,获取暗涵的三维信息及外观缺陷。以期为下一步暗涵评估及隐患整治提供基础资料。

2 工作方法

三维激光扫描技术被誉为“测绘领域继GPS 技术之后的又一次技术革命”[4],它是一种先进的全自动高精度立体扫描技术[5],可以快速获取目标物体表面大量的点云数据,将实体信息转换为可直接处理的数字信号[6]。仪器启动后,经过自动校准和自动整平后,开始扫描作业。由激光发射器向外发射激光束,通过高速旋转反射镜扫描目标物体表面,信号原路返回,接收器在接收后计算出仪器发射点与目标物体反射点之间的距离,同时记录激光信号的横向角度、纵向角度,以激光发射点为坐标原点,通过三维坐标系即可计算被测点的三维坐标[7]。

为保障测量精度,需保障相邻两个激光扫描测站有一定的重复率,便于后期点云配准、拼接成一个整体。点云配准是将每站扫描出来的仪器自定义的不同坐标系进行旋转和平移,使得每一站的点云数据统一到同一个坐标系下。具体配准原则为：对比待配准测站点云与已配准的基准点云进行对比,找出两个点云间的共同的明显特征点,利用特征点由数据处理软件求解配准参数并配准[8]。

三维激光扫描结束后,根据出入口及检查井的位置,布设控制点,获取特征点（棱角点、检查井等）的真实坐标,控制点坐标应在暗涵的上、中、下游均有布置,并确保控制点已被完整扫描,便于进行地理坐标转换时,提高转换精度。本次使用的激光扫描仪型号为Trimble（天宝）X7,是一款脉冲式激光扫描仪,数据处理软件为Trimble Realworks。

检测过程中,作业人员穿好安全防护用品（氧气瓶、安全帽、雨裤、气体检测仪、对讲机等）,2 人一组开始作业,地表配备通讯人员。作业人员首先在露天的出水口周围架设测站,以便扫描周围特征点信息,然后进入暗涵连续扫描,一般以两倍的涵高作为测站间的距离,在暗涵有明显特征处（如拐弯、检查井、排放口、大体积障碍物等）加密测站,以便完整扫描到暗涵的空间信息。最后通过GPS-RTK 技术获取暗涵外部特征点（检查井、河口护栏等）的绝对坐标,作为后期点云数据地理坐标转换的依据。

3 检测成果分析

经过将外业采集的激光扫描数据进行配准、去噪、地理坐标转换后,得到了具有真实坐标的暗涵点云数据（见图1）。对比地表检查井坐标与三维激光转换后的检查井坐标数据间的误差大小,确保数据精度满足规范要求。

图1 暗涵点云数据

暗涵共分三段（如图2 所示）,第一段暗涵长度为73.4 m,材质为浆砌石盖板涵,从某理工大学教学楼下方穿过,排入茅洲河截流渠；第二段暗涵长度为55.96 m,材质为钢筋混凝土箱涵,从某高速路下方穿过,下游经明渠流入第一段暗涵；第三段与第二段间存在一段天然沟渠,暗涵长度为290.96 m,材质为浆砌石盖板涵,暗涵穿过厂房、工业园区,上游为明渠。

图2 暗涵平面位置示意图

3.1 暗涵外观缺陷

根据深圳市水务局发布的《深圳市暗渠化河流安全检测与评估暂行指南》对暗涵发现的外观缺陷进行分类分级,其中Ⅰ级缺陷危害最严重,Ⅳ级缺陷危害轻微。三段暗涵外观缺陷如下：

（1）影响过流缺陷统计

第一段暗涵：异物侵入Ⅳ级1 处,残墙Ⅳ级1 处,淤积Ⅳ级1 处；

第二段暗涵：淤积Ⅳ级1 处,管线顺穿1 处；

第三段暗涵：异物侵入Ⅰ级1 处,异物侵入Ⅲ级10 处,异物侵入Ⅳ级1 处；

暗涵内的异物穿入、管网顺穿、淤积的典型照片（见图3、图4）。

图3 异物穿入典型照片

图4 淤积、管网顺穿典型照片

（2）结构表观缺陷统计

第一段暗涵：共发现结构表观缺陷11 处,其中Ⅱ级缺陷2 处,Ⅲ缺陷7 处,Ⅳ级缺陷2 处；

第二段暗涵：未发现结构表观缺陷；

第三段暗涵：共发现结构表观缺陷31 处,其中Ⅰ级缺陷1 处,Ⅱ级缺陷0 处,Ⅲ缺陷21 处,Ⅳ级缺陷9 处。

缺陷统计（见表1）。暗涵存在的墙体空洞、墙体裂缝、顶板剥蚀、钢筋裸露、顶板变形、墙体垮塌、砌体松散的典型照片（见图5～图10）。

表1 暗涵结构表观缺陷统计表

图5 墙体空洞典型照片

图6 墙体裂缝典型照片

图7 顶板剥蚀、钢筋裸露典型照片

图8 顶板变形典型照片

图9 墙体垮塌典型照片

图10 砌体松散典型照片

3.2 暗涵排放口调查

根据暗涵点云模型,可获取排放口尺寸、管底标高、平面坐标以及存在的隐患（如堵塞、垮塌等）,结合外业作业记录中记录的管材及水流情况（为排放口定义及后续溯源提供材料）,可以形成排放口台账,样表（见表2）。

表2 暗涵排放口统计表（部分信息）

三段暗涵共发现排放口39 个,其中第一段暗涵有5 个,第三段暗涵有34 个,第二段暗涵无排放口。排放口的材质有HDPE 双壁波纹管、PVC、钢筋混凝土以及砖砌。典型照片（见图11、图12）。

图11 HDPE 双壁波纹管典型照片

图12 钢筋混凝土管典型照片

3.3 暗涵检查井调查

根据暗涵点云模型,可获取检查井尺寸、间距、平面坐标以及检查井存在的隐患,并按指南进行安全等级评估,可以形成检查井检测台账,样表（见表3）。

表3 暗涵检查井统计表（部分信息）

三段暗涵共发现检查井11 个,其中第一段暗涵有3 个（安全等级Ⅰ级1 处,Ⅱ级2 处）,第三段暗涵有8 个（安全等级均为Ⅱ级）,第二段暗涵无检查井。检查井普遍存在无爬梯、无防坠网的问题,部分检查井井壁有裂缝。检查井及无井盖暗井典型照片（见图13、图14）。

图13 检查井典型照片

图14 无井盖暗井典型照片

三维激光扫描获取到测量成果、外观检测成果、排放口检测成果、检查井检测成果可同其他暗涵检测成果（如强度、锈蚀程度、耐久性、周围土体隐患检测等）综合对暗涵整体进行评估。

4 结语

（1）本文以三维激光扫描技术在深圳某暗涵检测评估中的应用为例,对三维激光扫描的原理、优点以及在暗涵内可以解决的问题进行了论述,印证了该技术在定位测量、三维建模、外观检测、排放口调查、检查井检测中的突出作用,为暗涵的检测评估带来了极大便利。

（2）城市暗涵通常有流水或积水,三维激光扫描很难发现暗涵底板存在的缺陷,需要依靠检测人员在进行数据采集时,有针对性的检测,特别是对排口附近的底板（易受冲刷）进行检测,避免遗漏底板的淘空隐患。