基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的排水管道形變類(lèi)缺陷定量檢測(cè)技術(shù)

李 屹，董思奇，史 巖 ，陳 琪

(1.長(zhǎng)江地球物理探測(cè)(武漢)有限公司,湖北 武漢 4300010;2.城市智慧管網(wǎng)湖北省工程研究中心,湖北 武漢 430010;3.長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)保集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430000)

1 引言

近年來(lái)隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,城市排水管網(wǎng)建設(shè)也得到迅速發(fā)展,截至2021年底,我國(guó)排水管網(wǎng)總長(zhǎng)超過(guò)87.2 萬(wàn)km[1]。由于早期管網(wǎng)設(shè)計(jì)施工不規(guī)范及雨污水腐蝕、車(chē)輛荷載等原因,造成現(xiàn)有城鎮(zhèn)存量管網(wǎng)普遍存在管道破裂、滲漏等結(jié)構(gòu)性缺陷問(wèn)題[2]。管道缺陷如未及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù),將進(jìn)一步惡化從而影響城市的排水系統(tǒng),甚至引發(fā)路面塌陷、水體污染等嚴(yán)重事故[3]。為最大限度地發(fā)揮現(xiàn)有管道的排水能力,延長(zhǎng)管道使用壽命,準(zhǔn)確、高效的管道檢測(cè)與狀況評(píng)估,是及時(shí)發(fā)現(xiàn)排水管道安全隱患的有效措施和制定管道養(yǎng)護(hù)和修復(fù)計(jì)劃的依據(jù)[4]。

為更加科學(xué)而全面地評(píng)估排水管道的狀況,多種檢測(cè)技術(shù)被應(yīng)用于排水管道缺陷的檢測(cè)中[5],其中,管道閉路電視(Closed Circuit Television,CCTV)檢測(cè)是最常用的管道缺陷檢測(cè)方法[6]。CCTV檢測(cè)作業(yè)可分為外業(yè)和內(nèi)業(yè),外業(yè)為通過(guò)控制帶攝像機(jī)的機(jī)器人系統(tǒng)記錄管道內(nèi)部視頻和圖像信息,內(nèi)業(yè)為作業(yè)人員依據(jù)《城鎮(zhèn)排水管道檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)程》(CJJ181—2012)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《技術(shù)規(guī)程》)對(duì)檢測(cè)視頻和圖像進(jìn)行缺陷判讀。在管道CCTV 檢測(cè)內(nèi)業(yè)成果判讀過(guò)程中,由于圖像變形、作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)不豐富或疲勞[7]等原因,極易出現(xiàn)誤檢、漏檢等情況。雖然卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等人工智能算法[8]被應(yīng)用于管道CCTV檢測(cè)成果缺陷判讀中,提高了CCTV檢測(cè)的評(píng)估準(zhǔn)確性,但圖像和視頻檢測(cè)成果難以表現(xiàn)排水管網(wǎng)的三維空間信息,在排水管道缺陷定量化檢測(cè)如缺陷位置、缺陷長(zhǎng)度等方面依然存在明顯不足。

相較于管道圖像和視頻檢測(cè)成果,管道三維激光點(diǎn)云成果包含管道內(nèi)表面空間信息,可對(duì)管道進(jìn)行三維測(cè)量與重構(gòu)[9]。目前,基于地面激光掃描系統(tǒng)的三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于城市地下河箱涵[10]、地下綜合管廊[11]建模等大型地下管網(wǎng)工程測(cè)繪和建模項(xiàng)目中。在工業(yè)管道檢測(cè)領(lǐng)域,采用輪式機(jī)器人搭載激光傳感器的基于圓結(jié)構(gòu)光三維視覺(jué)原理[12]和基于線結(jié)構(gòu)光三維視覺(jué)原理[13]的管道內(nèi)表面檢測(cè)方法被相繼提出,實(shí)現(xiàn)了中小型管道內(nèi)表面三維測(cè)量。但目前基于排水管道激光檢測(cè)數(shù)據(jù)的管道缺陷自動(dòng)化判讀方法依然缺乏研究。

因此,針對(duì)排水管道缺陷自動(dòng)化判讀難題,本文根據(jù)《技術(shù)規(guī)程》中對(duì)管道變形和起伏的定義,構(gòu)建管道點(diǎn)云數(shù)據(jù)的變形和起伏參數(shù),并且提出管道變形和起伏缺陷定量化檢測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)排水管道變形及起伏缺陷的自動(dòng)化、定量化檢測(cè)。

2 檢測(cè)方法和流程

2.1 管道三維激光檢測(cè)原理

由于排水管道內(nèi)空間較小,傳統(tǒng)地面三維激光儀器難以在檢查井內(nèi)布設(shè),且排水管道呈線性分布,地面式三維激光掃描采集范圍有限,因此,可采用管道機(jī)器人搭載激光檢測(cè)儀的方式進(jìn)行三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。管道激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取方式如圖1所示,將搭載激光器與探頭的檢測(cè)機(jī)器人放入管道中,調(diào)整機(jī)器人高度,使接收器與激光器居中。儀器在管道中勻速運(yùn)動(dòng),并對(duì)管壁進(jìn)行激光掃描,雷達(dá)探頭記錄掃描結(jié)果,通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可得表示三維信息的管道內(nèi)表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)[11]。

圖1 管道激光檢測(cè)示意圖Fig1 Schematic diagram of pipeline laser detection

2.2 管道三維激光檢測(cè)技術(shù)路線

排水管道三維激光檢測(cè)技術(shù)路線如圖2所示,接受檢測(cè)任務(wù)后,首先開(kāi)展作業(yè)前的資料收集、現(xiàn)場(chǎng)踏勘等工作,并根據(jù)實(shí)際情況制定實(shí)施方案,初步收集及現(xiàn)場(chǎng)踏勘的資料包括已有管網(wǎng)排查檢測(cè)成果、檢測(cè)范圍內(nèi)排水設(shè)施分布、現(xiàn)場(chǎng)交通占道情況、管網(wǎng)運(yùn)行狀況等。在開(kāi)展檢測(cè)施工作業(yè)前需對(duì)班組進(jìn)行安全和技術(shù)交底,對(duì)管道進(jìn)行封堵清淤工作后,采用檢測(cè)設(shè)備排水管道逐段進(jìn)行三維激光檢測(cè)。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、處理與分析,完成管道缺陷檢測(cè)與評(píng)估。

圖2 管道激光檢測(cè)技術(shù)路線Fig.2 The technical route of pipeline laser detection

3 變形類(lèi)缺陷定量檢測(cè)算法

3.1 管道點(diǎn)云去噪

在管道機(jī)器人進(jìn)行三維激光掃描時(shí),受各種因素的影響,不可避免地會(huì)產(chǎn)生部分點(diǎn)云噪聲,常用的點(diǎn)云去噪方法包括統(tǒng)計(jì)濾波、半徑濾波等。

統(tǒng)計(jì)濾波指對(duì)查詢(xún)點(diǎn)與鄰域點(diǎn)集之間的距離進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并去除一些不在設(shè)定范圍內(nèi)點(diǎn)的濾波方法。對(duì)點(diǎn)集中任意一點(diǎn)q,令Di表示該點(diǎn)到其k個(gè)鄰域內(nèi)其他點(diǎn)qi的距離,并假設(shè)該距離符合高斯分布,由均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ決定,可分別由式(1)和式(2)計(jì)算得到。對(duì)于管道破裂處點(diǎn)云,由于點(diǎn)云分布較正常管道點(diǎn)云數(shù)據(jù)較為稀疏,對(duì)占大部分的正常管道點(diǎn)云而言,其可被視為平均距離在標(biāo)準(zhǔn)范圍(μ-std·σ,μ+std·σ)之外的點(diǎn),因此可通過(guò)統(tǒng)計(jì)濾波刪除。

半徑濾波是指規(guī)定每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)在指定半徑內(nèi)至少要有一定數(shù)目的近鄰,并去除不滿(mǎn)足該規(guī)定條件的濾波方法。由于破裂處的點(diǎn)云數(shù)據(jù)較為稀疏,因此采用半徑濾波能更徹底地去除破裂處的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.2 管道變形缺陷表征

引發(fā)管道變形的因素很多,諸如地面沉降、施工擠壓、車(chē)輛過(guò)載等,其中主要的判斷參數(shù)為管道變形。《技術(shù)規(guī)程》將管道變形缺陷定義為管道受外力擠壓造成形狀變異,根據(jù)管道變形值與直徑比值的大小不同,將管道變形缺陷分為四個(gè)等級(jí),詳見(jiàn)表1缺陷描述部分。然而在實(shí)際情況中,由于管道受力大小和方向均不相同,造成的管道變形表觀形態(tài)各異,導(dǎo)致人工視頻判讀在對(duì)變形缺陷的等級(jí)判斷上存在嚴(yán)重的主觀性。為統(tǒng)一缺陷判讀標(biāo)準(zhǔn),精確判斷管道變形缺陷長(zhǎng)度,可構(gòu)造管道截面的擬合橢圓,通過(guò)計(jì)算擬合橢圓的變形參數(shù)進(jìn)行管道變形缺陷定量化判讀。根據(jù)《技術(shù)規(guī)程》中對(duì)管道變形的定義,參考變形率計(jì)算公式,構(gòu)造管道變形缺陷表征參數(shù)MBX如下：

(3)

式中,b為變形后管道最小內(nèi)徑,即管道截面擬合橢圓短軸長(zhǎng)度,單位為mm;d為管道直徑,單位為mm;。因此,可以通過(guò)管道激光檢測(cè)得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)求取管道截面擬合橢圓,通過(guò)擬合橢圓信息求取管道變形表征參數(shù)。

在二維平面內(nèi),橢圓的一般方程F(x,y)可定義為

F(x,y)=Ax2+Bxy+Cy2+Dx+y+1

(4)

其中：A、B、C、D、E分別為空間的曲線參數(shù)。采用最小二乘法擬合橢圓曲線以及橢圓圓心,對(duì)式(4)中各個(gè)參數(shù)分別求偏導(dǎo)數(shù),并令偏導(dǎo)數(shù)為零,即可求得式(4)中的曲線參數(shù),進(jìn)而可以求解得到橢圓方程長(zhǎng)軸a和短軸b與橢圓圓心坐標(biāo)(xcentre,zcentre),即

(5)

因此,通過(guò)求取管道截面點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合橢圓參數(shù),可以得到管道變形缺陷表征參數(shù)MBX,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管道變形缺陷定量化判讀。管道變形缺陷等級(jí)表征參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 排水管道變形判讀標(biāo)準(zhǔn)及表征參數(shù)

3.3 管道起伏缺陷表征

引起管道起伏缺陷的主要因素包含管道不均勻沉降和不當(dāng)施工等,《技術(shù)規(guī)程》將管道起伏缺陷定義為：接口位置偏移,管道豎向位置發(fā)生變化,在低處形成洼水。根據(jù)管道起伏高與直徑比值的大小不同將管道變形缺陷分為四個(gè)等級(jí),詳見(jiàn)表2缺陷描述部分。在實(shí)際缺陷判讀過(guò)程中,由于檢測(cè)機(jī)器人在管道內(nèi)部行走,內(nèi)窺檢測(cè)視頻無(wú)法判斷管道傾角,只能依靠管道接口位置和積水進(jìn)行起伏缺陷判讀。對(duì)于塑料材質(zhì)無(wú)流水的排水管網(wǎng),或者由于檢測(cè)前清淤處理中低洼處積水被清理的排水管網(wǎng),常常出現(xiàn)管道起伏缺陷的漏判和等級(jí)判斷錯(cuò)誤的情況。由于管道激光檢測(cè)設(shè)備搭載慣性陀螺儀,可得到管道三維空間信息,因此,根據(jù)管道起伏定義,在鉛垂面內(nèi),可通過(guò)計(jì)算管道截面中心點(diǎn)與中心點(diǎn)擬合線之間的距離,進(jìn)行管道起伏缺陷定量化判讀。根據(jù)《技術(shù)規(guī)程》中對(duì)管道起伏的定義,可構(gòu)造管道起伏缺陷表征參數(shù)MQF如下：

(6)

式中,Δd為管道截面擬合橢圓圓心點(diǎn)到管道中軸線的距離,單位為mm。管道中軸線可由所有擬合橢圓中心點(diǎn)的空間坐標(biāo)擬合而成。

使用最小二乘擬合法[14]擬合管道中心軸線時(shí)會(huì)將管道起伏處中心點(diǎn)考慮在內(nèi),導(dǎo)致管道中心軸線受到起伏缺陷的影響,因此,可以基于隨機(jī)抽樣一致算法[15]求取管道中心軸。求取管道中軸線的具體流程如下：

1)計(jì)算排水管道各截面點(diǎn)云的擬合橢圓參數(shù),進(jìn)行鉛垂面投影和平滑處理,得到擬合橢圓中心點(diǎn)集合。

2)在中心點(diǎn)集合中隨機(jī)選取兩個(gè)點(diǎn),計(jì)算剩余點(diǎn)到直線的距離,根據(jù)閾值判斷其余點(diǎn)是處在同一直線內(nèi)。

3)如果處在同一平面的點(diǎn)超過(guò)一定個(gè)數(shù),便將組成該直線的點(diǎn)集合保存下來(lái),并標(biāo)記匹配。

4)重復(fù)步驟2)、步驟3),多次迭代后提取出擁有最大匹配點(diǎn)個(gè)數(shù)的直線,直到?jīng)]有可匹配的點(diǎn)為止。

因此,通過(guò)以上步驟得到管道中心軸參數(shù)方程,可以得到管道起伏缺陷表征參數(shù)MBX,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管道起伏缺陷定量化判讀。管道起伏缺陷等級(jí)表征參數(shù)公式見(jiàn)表2。

表2 排水管道起伏判讀標(biāo)準(zhǔn)及表征參數(shù)

4 實(shí)證分析

4.1 數(shù)據(jù)采集及處理

為驗(yàn)證本方法的有效性,選擇武漢市東湖新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)九峰一路一段雨水管道進(jìn)行技術(shù)實(shí)證,該段雨水管網(wǎng)長(zhǎng)度約為38 m,管徑為600 mm。采用管道三維激光檢測(cè)技術(shù)對(duì)這段管道進(jìn)行激光檢測(cè),檢測(cè)成果如圖3(a)所示,其中包含點(diǎn)云數(shù)據(jù)565 598個(gè)。為消除環(huán)境、設(shè)備等因素影響,分別采用半徑濾波和統(tǒng)計(jì)濾波方法對(duì)管道點(diǎn)云進(jìn)行去噪處理。去噪后的管道點(diǎn)云結(jié)果如圖3(b)所示,濾波后點(diǎn)云數(shù)據(jù)為563 665個(gè),對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),檢查井點(diǎn)云數(shù)據(jù)被明顯消除,部分噪聲點(diǎn)被消除。

圖3 管道點(diǎn)云成果Fig.3 Pipeline point cloud result map

4.2 管道變形缺陷分析

為便于點(diǎn)云模型處理和展示,將管道劃分為間距為5 m的八個(gè)區(qū)塊,分別對(duì)每個(gè)區(qū)塊內(nèi)管道截面點(diǎn)云求取擬合橢圓參數(shù),再通過(guò)式(1)求取每個(gè)管道截面的管道變形缺陷表征參數(shù),判斷管道變形程度。通過(guò)計(jì)算各區(qū)塊管道截面變形缺陷表征參數(shù)得到管道點(diǎn)云變形檢測(cè)成果如表3所示,全段管道存在6處變形,最大變形缺陷表征參數(shù)為12 %,最大變形長(zhǎng)度為1.2 m,而CCTV檢測(cè)成果中判斷該管道變形缺陷僅存在1處。圖4為區(qū)塊三和區(qū)塊四中點(diǎn)云變形檢測(cè)結(jié)果與CCTV檢測(cè)視頻對(duì)比,通過(guò)計(jì)算點(diǎn)云變形缺陷表征參數(shù)可得,圖4(a)所示管道點(diǎn)云中變形缺陷(綠色部分)長(zhǎng)度為1.1 m,最大變形缺陷表征參數(shù)MBX為8.09 %,變形缺陷等級(jí)為2級(jí),變形最大處點(diǎn)云擬合橢圓信息如圖5(a)所示。圖4(c)為區(qū)塊三變形處CCTV視頻,由于該段管道變形不明顯,且管道變形率變化緩慢,因此人工CCTV判讀未能準(zhǔn)確識(shí)別該處變形缺陷。圖4(b)所示管道點(diǎn)云中變形缺陷(綠色部分)長(zhǎng)度為0.7 m,最大變形缺陷表征參數(shù)MBX為12.01 %,變形缺陷等級(jí)為2級(jí),變形最大處點(diǎn)云擬合橢圓信息如圖5(b)所示。圖4(d)為區(qū)塊四變形處CCTV視頻,在CCTV判讀成果中,該處變形同時(shí)存在1處2級(jí)破裂,由于管道變形率變化較強(qiáng),人工判讀容易判斷變形缺陷等級(jí),但變形長(zhǎng)度需要依靠經(jīng)驗(yàn)判斷。

表3 各區(qū)塊點(diǎn)云變形缺陷檢測(cè)成果

圖4 變形處點(diǎn)云和視頻成果Fig.4 Comparison of point cloud and CCTV

圖5 變形處管道點(diǎn)云擬合橢圓信息Fig.5 Fit ellipse information at the deformation area

4.3 管道起伏缺陷分析

根據(jù)4.1節(jié)計(jì)算得到的各區(qū)塊管道點(diǎn)云截面擬合橢圓中心點(diǎn)坐標(biāo)信息,本文對(duì)該雨水管道起伏缺陷進(jìn)行了定量分析。圖6為平滑前后管道點(diǎn)云截面擬合橢圓中心點(diǎn)對(duì)比,其中藍(lán)點(diǎn)為處理前點(diǎn)云擬合橢圓中心點(diǎn),紅點(diǎn)為平滑后的中心點(diǎn)。從圖中可以看出,由于機(jī)器人行走晃動(dòng)等原因,在原始管道點(diǎn)云擬合橢圓中心點(diǎn)坐標(biāo)中存在部分離散點(diǎn),通過(guò)高斯平滑可以消除這些離散點(diǎn),使管道中心點(diǎn)連續(xù)性更好。采用隨機(jī)一致性抽樣算法計(jì)算得到的平滑前后管道點(diǎn)云擬合橢圓中軸線分別如圖中藍(lán)線和紅線所示,中軸線斜率分別為-3.94×10-4和-3.96×10-4。根據(jù)式(4)計(jì)算整段最大管道起伏缺陷表征參數(shù)MQF為3.93 %,因此,判斷該段雨水排水管道不存在起伏缺陷。

圖6 平滑前后管道點(diǎn)云截面擬合橢圓中心點(diǎn)及擬合中軸線對(duì)比Fig.6 Comparison of fit ellipse center points and axis for pipeline point cloud cross section before and after smoothing

5 結(jié)論

基于三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的排水管網(wǎng)缺陷識(shí)別方法具有重要的理論研究和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。文中提出了一種基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的排水管網(wǎng)變形和起伏缺陷定量化檢測(cè)方法,實(shí)證分析結(jié)果表明,該方法可以準(zhǔn)確得到管道變形和起伏缺陷的位置、等級(jí)及長(zhǎng)度等關(guān)鍵信息,且在管道變形缺陷識(shí)別的準(zhǔn)確率上優(yōu)于人工CCTV缺陷判讀。與傳統(tǒng)視頻類(lèi)檢測(cè)方法相比,管道激光檢測(cè)成果具有數(shù)字化優(yōu)勢(shì),本文為管道形變類(lèi)缺陷檢測(cè)提供了有效的自動(dòng)化判讀思路及方法。