慣性定位儀檢校場管徑中心基準三維坐標獲取方法的探討

程寶巖,王 彤

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

0 引 言

隨著城市化進程的深入,電力、燃氣、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設施進行敷設。為了減少對城市運行的影響,地下管線常采用非開挖敷設施工。由于敷設管線的埋深、位置信息不準確等問題,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,獲取現場非開挖管線施工時的準確三維姿態(tài)信息至關重要。慣性定位儀的引進和使用可以作為一種有效途徑,能夠最大程度獲取現場管線的真實三維坐標數據,并在非開挖管線施工、檢測行業(yè)中逐漸占據主流。與此同時,如何保證慣性定位儀本身測量成果質量,儀器的定期比對校準工作必須引起重視,檢校場地提供校準比對的管線中心三維坐標數據的準確性顯得十分重要。

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計出來?；驹硎沁\用物體高速旋轉時,角動量很大,旋轉軸會一直穩(wěn)定指向一個方向的性質,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)和側滾位置R(翻滾Roll)。儀器工作時，其在測量主機中高速旋轉,而高速旋轉均衡的儀器旋轉軸具有定軸性[1]。定軸性是指儀器沿旋轉軸的垂直方向無力矩作用時,旋轉軸在慣性空間中保持指向不變的性質,由于測量主機移動到不同的位置時,慣性定位儀沿旋轉軸的垂直方向有力矩作用,導致旋轉軸方向發(fā)生改變,而測量主機自帶的多組傳感器實時讀取儀器旋轉軸所指示的方向,這樣就能使測量主機在管道內移動的過程中,記錄管道每個連續(xù)點的前后空間位置變化關系,同時通過輸入管道兩端的坐標,就能得到整個管道的三維坐標。

2 檢校場地管徑中心三維坐標獲取

2.1 場地簡介

本檢校場位于本公司辦公場地南側，沿公司圍墻附近綠化帶內建設模擬頂管施工架空電纜保護管1孔，通信保護管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，同時為合作單位預留管道位置，設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沉降監(jiān)測點(共計55個)，定期使用高精度電子水準儀進行沉降觀測(圖2)每月觀測1次，累計共觀測6次并跨越一個雨季。觀測數據分析表明：所有監(jiān)測點近3次的沉降速率均小于0.2 mm/月，各點起始累積沉降量均小于2 mm。基于上述數據判斷，龍門架基礎已基本趨于穩(wěn)定。

圖1 場地平面布置圖

圖2 龍門架支架沉降觀測標布設

2.2 管道外壁中心三維坐標測量

在管道外壁上利用水平尺和游標卡尺,每間隔1 m標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記好的管外壁中心位置重合(圖3)。利用公司辦公場地內2個已知坐標點(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,利用測量數據制作生成管道軌跡,測量頻率同樣為每月1次,累計測量6次,3個測繪班組數據處理后得到管道軌跡數據平面中誤差小于±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;但是由于管道材質本身受太陽光照影響較大,受熱膨脹,導致測試結果偏差較大;本文分析時,將各班組采集的6次數據平均值作為管道外壁三維坐標基準值,后續(xù)繼續(xù)上述周期性作業(yè),增加測繪頻率,調整測繪時間段,最終各個點位利用多次測量數據的均值作為管道外壁中心三維坐標基準值。

圖3 管道三維坐標觀測標

2.3 管道中心坐標三維坐標的間接獲取

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,但慣性定位儀在管線內移動時所測量的數據是管徑中心三維坐標,顯然全站儀測量的管道外壁中心位置的三維坐標不是最終所需要的成果,本文采用了構建管線三維模型的方法來獲取管徑中心的三維坐標。

本次使用三維軟件3ds Max 2019進行建模。管線三維模型與全站儀所測三維坐標保持同精度,以提供的三維坐標的精度為準,進行放樣建模,其三維坐標精度點位中誤差不大于±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點導入到3ds Max 2019軟件中,利用管線外壁中心三維坐標點(圖4)連線,做出放樣線段,同時根據管線管徑大小,做出管線的放樣段;本文以175 mm管徑為參照進行說明,其中放樣段宜在一二象限內,以軸中心為中點(圖5)。

圖4 管線外壁中心三維坐標點

圖5 管線模型放樣段

然后,在3ds Max 2019軟件中,根據管線外壁中心三維坐標連線來生成管線三維模型,單獨選中管線外壁中心三維坐標連線線段,在軟件中的工具欄里點擊“放樣”命令,選擇管徑為175 mm的放樣段進行放樣,點擊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命令,生成管線管徑中心點(圖8),然后將管線管徑中心點數據以其他開放平臺可識別的輸出格式導出,如csv、txt格式等。

圖8 三維建模獲取管徑中心點三維坐標

2.4 管道三維加密掃描數據采集

為了更加精確地獲得模擬管道的三維坐標數據,并進一步驗證全站儀觀測數據建模的方法所獲取的管徑中心坐標的準確性,使用全站儀影像掃描儀(集測量、影像和高速3D掃描于一體),對場地內模擬管道等設施進行了高精度的三維掃描(圖9),該設備既可高精度全站儀測量(精度可達到0.5″),又具備高速掃描能力(掃描速度26 600點/s),將掃描獲得的三維管道模型數據與全站儀測量數據生成的三維模型進行對比(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),兩者模型數據一致性較好;兩條線的數據對比,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差值比較

管道全長范圍內,在有代表性的位置選取三維掃描成果數據和全站儀測量數據,共130組/點進行對比分析: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符合精度要求,可靠性也較高。

2.5 慣性定位儀實測管道中心三維坐標

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

選擇場地內管徑為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,采集數據間隔為1 m,共測4組數據。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(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線與全站儀測量間接獲得的管線三維坐標線對比(圖13),圖中紅色為全站儀測量間接獲得的管線數據,藍色為陀螺定位儀實測生成的管線數據,可以看出兩者之間的平面最大差值小于±6 cm。上述比對分析結果表明慣性定位儀檢校場地管線三維坐標數據的高可靠性。

圖13 兩種采集管道三維坐標線對比

3 結 語

以本公司校準場地為依托,對場地內管道中心三維坐標的獲取方法進行了比較探討,得出如下結論:

(1)常規(guī)全站儀人工測量采集管道外壁中心坐標數據,結合三維軟件生成模擬管線模型,間接獲取管徑中心坐標值方法應用于實際工程中是可行的,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與常規(guī)全站儀人工測量采集管道外壁中心坐標數據間接獲取管道中心三維坐標進行對比,平面中誤差為2cm以內,高程中誤差為1 cm以內,精度能夠滿足實際工程中的應用,能夠為設備比對校準提供精確的參考基準,但是耗費成本較高。

(3)利用目前最先進的慣性陀螺定位儀對管道進行直接測繪,得到的管道中心三維坐標數據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進行對比,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值的可靠性。

本文探討的檢校場管徑中心基準三維坐標的獲取方法,綜合分析其測量數據精度較高,經濟性好,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結果的準確性提供可靠保證。