SLAM激光扫描技术在电力改造工程建筑地下结构探测的辅助应用.pdf

72http:/电 力 勘 测 设 计增刊1革、淘汰落后产能、强化煤炭清洁高效利用、积极发展非化石能源、持续深化电力体制改革的要求，一批老旧电厂陆续开展能源升级或转DOI：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2023.S1.015SLAM激光扫描技术在电力改造工程建筑地下结构探测的辅助应用潘际伟，郑勇峰，汪建林(中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，浙江杭州310000)摘要：随着激光雷达技术和惯导技术的日益成熟，SLAM 激光扫描设备对隐蔽、狭窄区域高效、高精度的三维模型重建能力得到测绘行业广泛的关注和认可，并被越来越多地应用到工程测绘中。将 SLAM 激光扫描技术引入到电力改造工程中，通过某具体项目应用试验，对缺少基础资料的老旧建筑的地面部分进行激光扫描、建模，通过对模型进行分析得出地面支撑梁柱准确三维坐标位置，进而确定建筑物不明地下部分的范围，为物探专业快速、高效、低成本实现建筑物不明地下结构部分的探测提供辅助作用。关键词：电力改造工程 SLAM 激光扫描技术；地下建筑物结构；探测中图分类号：P2 文献标志码：A 文章编号：1671-9913(2023)增刊1-72-04Auxiliary Application of SLAM Laser Scanning Technology in the Detection of Building Underground Structure in Power Transformation EngineeringPAN Jiwei,ZHENG Yongfeng,WANG Jianlin(China Energy Construction Group Zhejiang Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Hangzhou 310000,China)Abstract:With the increasing maturity of LiDAR technology and inertial navigation technology,The ability of SLAM laser scanning equipment to reconstruct 3D models with high efficiency and precision in hidden and narrow areas has been widely concerned and recognized in the surveying and mapping industry and has been increasingly applied to engineering surveying and mapping.This paper introduce SLAM laser scanning technology into the electric power project,through a specific project application test,Laser scanning and modeling on the ground part of the old buildings lacking basic data.the accurate three-dimensional coordinate position of the ground support beam and column is obtained through analysis of the model,and determine the scope of the unknown underground buildings,It provides a strong support for geophysical prospecting to realize the detection of unidentified underground structure parts of buildings quickly,efficiently and at low cost.Keywords:SLAM laser scanning;Underground building structure;detect*收稿日期：2023-02-28 第一作者简介：潘际伟(1980)，男，高级工程师，主要从事电力工程测绘等工作。0引言近年来，为响应我国深入推进能源结构改73SLAM激光扫描技术在电力改造工程建筑地下结构探测的辅助应用http:/ 工程勘测 增刊1 型改造。改造过程中发现很多建(构)筑物基础图纸因设计年代久远或档案管理不完善等原因出现与现况不符或遗失的现象，需要对建(构)筑物立面进行采集，恢复基础图纸，同时对地下支撑承台和桩基位置进行探测。在获取建(构)筑物立面信息时，传统的GNSS 卫星定位设备加全站仪的测量方式存在人力投入大、作业效率低、多次转站后精度低等问题，无法满足工程需要。SLAM 激光扫描技术在软硬件上都有了很大的进步，设备也逐步平民化，能够在隐蔽、狭窄区域高效获取百万级高精度、高密度点云数据，数据经处理后生成建筑零米层剖面图。为物探专业进行建(构)筑物地下结构探测提供基础图纸和三维坐标信息。1基础原理和作业流程1.1 基础原理激光扫描技术是将一种新兴的集光、机、电以及计算机技术于一体的高科技技术，主要是通过激光收发装置发射大量高速电子激光束并接收回波来对物体表面进行扫描，然后分析扫描数据获得被测物体相关信息数据。惯性导航技术是一种通过在载体上安装陀螺和加速计来测量载体的角速度和加速度信息，然后经积分运算得到载体的速度和位置信息的高新技术。SLAM 激光扫描测量技术是一种融合了以上 2 种高科技技术的新兴测量技术，能够快速测量并记录目标表面的海量三维坐标、激光反射强度和纹理方面的信息，然后通过一系列复杂的算法和计算，以精确的三维数据模式将被测物体信息呈现给测量人员。具有集成度高、使用简单、高效、受光照和空间等环境因素制约小等特点。手持式旋转激光扫描仪是一种利用 SLAM激光扫描测量技术原理开发的测量设备，具有重量轻、体积小、测量环境要求低、测量精度高、操作简单、数据处理快速、软件支持度高等特点，被广泛应用于林区、窄巷、室内和地下空间等遮挡度高、狭窄隐蔽区域的测量作业。1.2 作业流程文 章 采 用 手 持 三 维 激 光 扫 描 仪 搭 配IRTK5GNSS卫星定位设备辅助绝对定位对主厂房和集控楼区域地面层进行三维数据采集和拼接，利用 LiDAR360 点云处理软件进行点云去噪、抽稀等数据预处理，然后利用 EPS 三维测图软件和Cass10.0 配合 AutoCAD 2013 绘制零米层布置图，最后通过分析、量测剖面图中支撑柱、墙体位置得出地下承台、桩基位置数据，指导现场施工和地质雷达探测工作。其主要流程图如图 1 所示。GNSS?GNSS?图1作业流程图为对文章中三维激光扫描设备点云测量结果进行精度评定，现场同时采用 GNSS 卫星定位设备加全站仪的传统模式对被测区域选取拐角内、外角，墙面部分特征点进行位置数据采集。2工程应用与分析2.1 工程介绍及需求本次试验项目为浙江安吉天然气发电项目。浙江安吉梅溪电厂建造于 20 世纪 70 年代初，1998 年电厂停止运营至今闲置超过 20 余年，厂内主要建(构)筑物基本荒废、破损。该项目需要先拆除原有建(构)筑物然后新建燃气蒸汽联合循环发电机组。前期收资发现相关基础图纸基本缺失，考虑到桩基施工安全和质量的要求，业主要求对原主厂房等主要区域建(构)筑物基础图纸进行恢复，对新主厂房区域地下障碍物进行地质物探详勘，对影响新桩基施工的地下(建)构筑物进行清理。2.2 数据采集根据上一章作业流程办法结合现场踏勘情74http:/电 力 勘 测 设 计增刊1况，本实验项目制定三条数据扫描采集路线，每条路线采集时间不超过 15 min，同时路线迁入、迁出点均配合 GNSS 卫星定位设备以图根点测量模式进行绝对位置定位。采集全过程大约花费 50 min。为对文章中三维激光扫描设备点云测量结果进行精度评定，现场同时采用传统测量数据采集模式对被测区域随机选取较为隐蔽的支撑柱上的 10 个角点进行位置数据采集。本次校验设备为 IRTK5GNSS 卫星定位设备和 ts50 全站仪。2.3 数据处理在三维激光扫描的过程中，会无差别扫描并记录所有地物表面数据。如图 2 所示，原始点云数据量庞大，其中含有因扫描设备传感器本身精度、作业人员操作、采集路线选取和外界环境干扰等因素的影响产生的噪点，有车辆、植被、杂物甚至空中的灰尘等与工程需求要素无关数据以及工程需求特征地物的重复观测数据，因此使用前需要对原始点云进行去噪、剔除无关要素点、精简等操作处理，如图 3 所示。图2外部原始点云图 图3外部剔除无关地物点云图本工程需求要素为零米层墙体和柱体数据，需要对建筑上部点云进行处理。使用 LiDAR360点云处理软件先设置适当高度范围进行点云切片得到零米层切片数据，如图 4 所示。然后对切片后的数据局部进行手工处理，包括孤立点、植物覆盖点、设备点等无关要素点的剔除，最后进行点云抽稀精简得到准确的墙体主体要素数据，表面点云厚度基本在 2 cm 以内，如图 5 所示。图4零米层粗切片数据图5剔除无关要素后切片数据将处理完成后的切片数据加载进 EPS 三维测图软件中，绘制墙体、立柱等特征要素平面图。然后导出 dwg 格式平面图。使用 CASS10.0 对dwg 格式平面图进行处理，包括拐角直角修饰，标绘立柱图示等操作，最终反向建模生成可量测零米层布置图，如图 6 所示。图6零米层布置图75SLAM激光扫描技术在电力改造工程建筑地下结构探测的辅助应用http:/ 工程勘测 增刊1 3)辅助开展现场地下建筑物清理工作，减少盲挖、漏挖等情况，提供工作效率，加快工程节点进度。4)能精确放样现场承重柱、墙位置，对提高重点区域建筑物地下部分物探精度有较好效果。相比优势，本方法缺点也很明显，主要有以下 3 点：1)介入阶段多，时间跨度长，需要了解工程节点进度，提前做好项目计划。2)涉及使用的软件多，步骤较多。3)只能根据上部建筑结构推测出下部建筑位置，无法直接判断其大小、深度等信息。3结语文章通过具体项目实例将 SLAM 激光扫描技术引入到电力工程改造项目中，对数据采集及处理、目标图纸成果生成到现场物探和施工处理辅助应用的全流程进行了分析总结，得出文章中办法具有图纸成果还原度高、可量测、精度高等特点，可辅助现场老旧地下建筑物位置详细探测、清理以及新桩基施工工作，具有一定的实用性。以传统工程测量方式完成本实验区域的建筑地下结构探测任务，需要至少 3 名测量人员，外业测图需要 4 5 d，内业绘图需要 2 3 d，现场放样需要 2 d，需要地质或土建人员现场配合，工程机械全部开挖。本文提出方法完成实验区域的建筑地下结构探测任务，仅需最多2 名测量人员，外业采集半天时间，内业绘图1 2 d，且无需其他专业现场配合，工程机械仅需选点开挖，节省了人力和时间以及机械成本，大大提升了工作效率和经济效益。参考文献1 周腾飞，赵丹琴，高梓成.基于手持激光SLAM的厂房改造应用J.科学技术创新，2020(6)：2.2 魏来，宁新国.三维激光扫描技术在旧城改造中的应用J.测绘与空间地理信息，2018(8)：170-171.3 龙润泽，鲁明军.三维激光扫描技术用于老旧小区改造中二维信息提取与平面制图J.测绘通报，2020(9)：5.4 温泉.浅析惯性导航技术的应用和发展J.中国设备工程，2019(20)：2.(编辑 卢靖冉)2.4 成果分析成果分析包含与传统测量方法精度比较和现场地下建筑物准确性验证 2 个部分。文章对外业选取的 10 个特征点与剖面图中提取的位置数据进行比对，其结果见表 2 所列。表1成品剖面图量取数据与传统测量数据精度比较表cm点号X坐标偏差 Y坐标偏差距离偏差备注1-1.7-3.23.6拐角内角22.20.52.3拐角内角33.42.74.3拐角内角40.5-1.41.5拐角内角5-2.51.83.1拐角外角6-3.5-0.73.6拐角外角73.82.94.8拐角外角81.5墙面距离90.9墙面距离100.7 cm墙面距离从表 1 可以看出内外角拐角处误差较大(1.5 4.8 cm)，墙面点偏差均较小(2 cm 以内)，分析引起误差的原因主要有点云数据拐角处存在盲区需要手工补角，可能原因是采集路线规划、设备误差环境影响以及数据处理方式等。现场验证主要是待现场地面建筑物拆除后，通过现场放样剖面图上柱体位置辅助施工挖掘、重点区域采用低应变探测或跨孔 CT 详探的方式进行探测求证。经现场验证，支撑柱下部均找到承台基础或桩基，但部分墙体下也找到少量桩基基础，存在遗漏问题。2.5 优劣势分析将 SLAM 激光扫描技术引入到电力改造工程中建筑地下结构的探测中，具有以下 4 点优势：1)外业数据采集过程简单，采集数据自校核方法简单，采集效率相比传统模式优势明显，大大节省了外业人员数量和作业时间，经济效益优势明显。采集要素全面无需现场辨识，能做到“走到即测到”。2)数据具有可视性、可量测性，跨专业可读性高，反向建模图纸恢复全面。