動態(tài)精密工程測量技術(shù)及應用

　　摘要:動態(tài)精密工程測量可用于監(jiān)測工程結(jié)構(gòu)物的建設(shè)期和運營期的狀態(tài)變化.隨著各類傳感器以及智能車、無人機、無人船、機器人等自動化移動平臺的快速普及,工程測量逐漸向自動化、動態(tài)化、智能化方向發(fā)展,具備了運動狀態(tài)下的測量能力.同時,也發(fā)展了系列成熟的測量設(shè)備,如測量機器人、移動測量車、專用集成測量裝備等,它們可進行動態(tài)精密的位置、姿態(tài)、表觀形狀、內(nèi)部狀態(tài)等參數(shù)測量.本文圍繞專用集成的智能化測量裝備,首先梳理了智能化感知設(shè)備集成和智能化數(shù)據(jù)處理方法,然后闡述了在公路路面病害監(jiān)測、大壩內(nèi)部變形監(jiān)測、城市排水管網(wǎng)病害監(jiān)測、輸水工程安全監(jiān)測等不同場景下的應用實例.

　　關(guān)鍵詞:動態(tài)精密工程測量;智能化測繪;智能化測量裝備;公路測量;堆石壩內(nèi)部形變測量

　?。玻笔兰o以來,我國工程建設(shè)突飛猛進,工程建筑物規(guī)模迅速擴大.截至２０１９年,我國高速公路通車里程增長至１４２６００km,高速鐵路通車里程３５０００km,摩天大樓超過１００棟,公路隧道和鐵路隧道超過３５０００座,跨江大和跨海大橋數(shù)百座.這些大規(guī)模工程建筑物的服役狀態(tài)不斷發(fā)生變化,變化超過一定限度時將會引發(fā)事故,威脅人民生命財產(chǎn)安全.因此,必須對重大工程建筑物的幾何形狀和物理屬性進行高精度、高頻次精密測量,以精準評估其服役狀態(tài)[１Ｇ５].

　　傳統(tǒng)精密工程測量一般通過精心布設(shè)平面控制網(wǎng)或高程控制網(wǎng),在若干重要位置處布設(shè)精密測量儀器,進行空間抽樣測量,自動化程度低,測量成本高,難以實現(xiàn)全覆蓋、高效率、高精度的工程結(jié)構(gòu)物服役狀態(tài)檢測[６].例如:道路彎沉是表征道路承載能力或結(jié)構(gòu)強度的重要力學指標,反映路面使用性能.傳統(tǒng)方法一般通過貝克曼梁法測量道路彎沉,通過對路面施加一定的載荷力,使路面充分變形后移除載荷,測量路面回彈彎沉,測量效率較低,約為１~３km/h,而且需要封閉道路,如果將我國高速公路道路彎沉全部檢測一次,需要近百臺設(shè)備,近千人,連續(xù)工作一年,并且難以實現(xiàn)空間連續(xù)的普查檢測[２].彎沉動態(tài)連續(xù)測量是實現(xiàn)解決問題的有效途徑.另一方面,一些工程建筑物在提供服務時不可被干擾,留給運營維護的窗口時間非常短.高速鐵路每天都有上百對高速列車通過,只有２~４h的時間窗口進行高鐵軌道檢測,其日常檢測若要求無縫覆蓋全部高鐵軌道,僅武廣高鐵每晚就要有上千人上路檢測,在高鐵沿線布設(shè)固定檢測設(shè)備成本高昂,難以承受[３].因此,必須將測量儀器安裝在沿著高鐵軌道行駛的檢測平臺上,進行動態(tài)測量.

　　隨著工程科技、計算機、電子信息和人工智能的發(fā)展,智能車、無人機、無人船、機器人等自動化移動平臺的快速普及,工程測量逐漸向自動化、動態(tài)化、智能化方向發(fā)展,逐步具備了運動狀態(tài)下的測量能力.動態(tài)精密工程測量指的是測量平臺或測量對象處于運動狀態(tài)下的精密工程測量[７].測量平臺指的是布設(shè)測量儀器的基礎(chǔ)平臺,包括固定精密測量儀器的基座,例如:移動車輛、無人機、艦船、機器人等,以及安置在平臺上的多種測量儀器和傳感器.被測對象指的是被觀測的對象,例如:建筑物、橋梁、隧道、道路、大壩、管道等.和傳統(tǒng)精密工程測量不同,動態(tài)精密工程測量通常指測量平臺或者測量目標這兩個要素中至少有一個是運動的.動態(tài)精密工程測量的測量平臺既可以成熟測量設(shè)備,如測量機器人,移動測量車等;也有研制專用集成測量裝備,可進行精密動態(tài)的位置、姿態(tài)、表觀形狀或內(nèi)部狀態(tài)測量.后者的位置和姿態(tài)測量主要靠集成高精度全球?qū)Ш叫l(wèi)星(GNSS)接收機、慣性傳感器(IMU)、里程計、跟蹤儀等傳感器來實現(xiàn);表觀測量則主要采用高清可見光或紅外相機、激光雷達、線結(jié)構(gòu)光測量傳感器等;內(nèi)部測量主要采用探地雷達、多波束聲吶、管線機器人等傳感器來實現(xiàn).集成測量裝備通過快速獲取目標對象的多源幾何和非幾何數(shù)據(jù),利用智能化數(shù)據(jù)處理方法進行高效處理和識別,從而實現(xiàn)目標對象的變化特征測量,在此基礎(chǔ)上對測量目標的狀態(tài)進行評估和分析,為其安全運行和維護提供可靠依據(jù).動態(tài)精密工程測量已經(jīng)廣泛用于大范圍的公路鐵路、橋梁隧道、水利樞紐等精密工程測量[６Ｇ９]本文針對動態(tài)精密工程測量的智能化感知技術(shù)、智能化數(shù)據(jù)處理方法,及其在公路、鐵路、橋梁、隧道、大壩等工程中的應用展開論述.

　　１智能化信息感知

　　為精細而高效測量目標對象的位置、形狀、紋理、材質(zhì)等特征,動態(tài)精密工程測量需要根據(jù)適當?shù)妮d體平臺和配套系統(tǒng),集成多種類型傳感器,形成多傳感器集成的動態(tài)測量系統(tǒng),實現(xiàn)對目標的多源、多視角、多尺度智能感知.其中,測量裝備專業(yè)化、感知自動化、數(shù)據(jù)標準化是當前智能化信息感知的研究熱點和發(fā)展趨勢.

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　　公路、鐵路、橋梁、隧道、大壩、地下管網(wǎng)等工程結(jié)構(gòu)物形面尺度多變(例如:尺寸從厘米至千米)、形態(tài)復雜、空間分布廣泛、病害形式多樣、觀測環(huán)境惡劣且時間窗口受限(例如:高鐵有效觀測時間僅為凌晨３~４h)等固有的復雜性,對精密測量提出了巨大挑戰(zhàn)[１０].根據(jù)病害發(fā)生的位置,可分為內(nèi)部病害和外部病害;根據(jù)病害的結(jié)構(gòu)影響,可分為結(jié)構(gòu)破壞和表觀損壞;根據(jù)病害的表現(xiàn)形式,可分為幾何形狀變化和表觀性狀變化;根據(jù)病害影響分布,可分為大范圍病害和局部病害等.病害成因機理不同、表現(xiàn)各異,因此針對不同病害特征,應采取不同技術(shù)進行測量,表觀的形變可采用三維技術(shù),性狀變化如表觀破損、溫度變化等可采用攝影技術(shù)[１１],對于大范圍病害如橋梁變形可采用雷達干涉測量(InSAR)技術(shù)等[１２].這些測量技術(shù)采用不同傳感器,采集的數(shù)據(jù)也表現(xiàn)為不同格式.如圖１所示,激光雷達、多目攝影測量以及結(jié)構(gòu)光測量等技術(shù)測量可采集不同場景和精度的點云數(shù)據(jù)[１３][１４],線陣或面陣等相機組合可獲取高質(zhì)量可見光獲紅外圖像數(shù)據(jù),合成孔徑成像傳感器可以獲得SAR圖像數(shù)據(jù).

　　１．２感知時空基準

　　多傳感器集成不僅要解決不同傳感器之間存在的電氣屬性、工作特性、數(shù)據(jù)協(xié)議等差異的問題,更重要的是要求傳感器測量的數(shù)據(jù)能準確描述時間和空間信息[１７Ｇ１９].例如,路面檢測使用線掃描相機獲取路面圖像,間隔１mm采樣;使用線結(jié)構(gòu)光測量車轍,間隔１０~１００mm采樣;使用加速度計與測距機結(jié)合測量平整度,以固定周期采樣,采樣間隔與行駛速度相關(guān).準確描述各傳感器數(shù)據(jù)的獲取時間和空間位置,則需要建立一個統(tǒng)一的時間和空間基準,以同步所有傳感器數(shù)據(jù).對于任何一個傳感器而言,每次獲取一個新的數(shù)據(jù)則和最新的時間和空間基準進行關(guān)聯(lián).不同數(shù)據(jù)時間和空間維度粒度的不一致時,可以根據(jù)實際需要進行內(nèi)插和外推,從而實現(xiàn)高動態(tài)環(huán)境下高頻采樣的時間和空間的精確傳遞.

　?。仓悄芑瘮?shù)據(jù)處理

　　智能化感知獲得的測量數(shù)據(jù)具有明顯的多源特征,如:激光點云、影像數(shù)據(jù)、慣性測量數(shù)據(jù)、里程計數(shù)據(jù)等;同時具有多尺度特征,即不同測量數(shù)據(jù)的精度不同,如可能既有亞毫米級精度,也有分米級精度;此外,還有動態(tài)大數(shù)據(jù)特征,即測量數(shù)據(jù)每秒可達幾百兆甚至更多.傳統(tǒng)測量數(shù)據(jù)處理理論和方法無法處理此類測量數(shù)據(jù),需要更加智能化的處理手段.

　?。玻苯?jīng)典測量數(shù)據(jù)處理

　　測量數(shù)據(jù)處理的目的通過降低觀測誤差,實現(xiàn)對模型中待估參數(shù)的最優(yōu)求解.在經(jīng)典測量數(shù)據(jù)處理問題中,線性參數(shù)估計占據(jù)主導地位.在數(shù)理統(tǒng)計中最優(yōu)估計量應具備無偏性、一致性和有效性[２０].最小二乘準測以估計的誤差向量加權(quán)平方和最小作為最優(yōu)估計準測,基于該準則估計的參數(shù)能滿足最優(yōu)的統(tǒng)計性質(zhì),從而在測量數(shù)據(jù)處理中被廣泛采用.

　?。玻仓悄芑瘻y量數(shù)據(jù)處理

　　傳統(tǒng)以代數(shù)為主的平差理論和方法不能適用于復雜場景中的動態(tài)數(shù)據(jù)處理.為應對動態(tài)測量大數(shù)據(jù)處理的新要求,新的研究熱點是進一步將概率統(tǒng)計學、優(yōu)化理論與測量數(shù)據(jù)處理融合為一體,吸收融合計算機視覺和機器學習領(lǐng)域的眾多方法和技術(shù)[２３],進行測量數(shù)據(jù)的智能化分析.

　?。持悄芑O(jiān)測應用

　　傳統(tǒng)意義上測量工作的輸出就是傳感器輸出的數(shù)據(jù),但在基礎(chǔ)設(shè)施運維檢測中,測量的目的并不僅僅是為了獲得數(shù)據(jù),而是為了了解基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)并對其是否異常進行評估,即需要從測量數(shù)據(jù)得到知識并利用知識輔助決策,這也是智能化應用的要求.公路、鐵路、橋梁、隧道、大壩、城市管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施在運營過程中由于外界環(huán)境、材料性能、施工工藝等原因會發(fā)生各自病害,影響其正常服務能力并威脅到運行安全,基礎(chǔ)設(shè)施檢測需要得到檢測數(shù)據(jù)結(jié)果所對應的設(shè)施狀態(tài)并按照行業(yè)規(guī)范和標準進行評定.

　　３．１道路路面

　　公路路面檢測依據(jù)?公路技術(shù)狀況評定標準?,規(guī)定通過路面技術(shù)狀況指數(shù)MQI對路面技術(shù)狀況進行等級評定,評定結(jié)果分為優(yōu)、良、中、次、差５個等級,MQI的分項指標包括路面技術(shù)狀況(PQI)、路基技術(shù)狀況(SCI)、橋隧構(gòu)造物技術(shù)狀況(BCI)和沿線設(shè)施技術(shù)狀況(TCI).傳統(tǒng)靜態(tài)測量效率低、影響正常交通、無法反映行車動力特征,需要對這些指標進行動態(tài)快速測量.當前,PQI所有指標都已經(jīng)實現(xiàn)了快速檢測,特別是在快速彎沉裝備上集成傳統(tǒng)路面檢測技術(shù),實現(xiàn)了在統(tǒng)一時空基準下的PQI指標一體化檢測.BCI指標中的隧道襯砌裂損和水凍害指標也已經(jīng)實現(xiàn)快速檢測.SCI和TCI指標大都以調(diào)查方式進行評定.各指標評定等級劃分標準見表１.表１公路技術(shù)狀況評定等級劃分標準Tab．１Maintenancequalityindicatorsoftheroadcondition評價等級優(yōu)良中次差MQI≥９０≥８０,＜９０≥７０,＜８０≥６０,＜７０＜６０PQI≥９０≥８０,＜９０≥７０,＜８０≥６０,＜７０＜６０PQI分項≥９０≥８０,＜９０≥７０,＜８０≥６０,＜７０＜６０路面技術(shù)狀況(PQI)的分項指標包括路面損壞(PCI)、路面平整度(RQI)、路面車轍(RDI)、抗滑性能(SRI)、結(jié)構(gòu)強度(PSSI)指標、路面跳車(PBI)、路面磨耗(PWI)指數(shù).目前檢測裝備路面檢測的結(jié)果,包括路面平整度、彎沉和抗滑系數(shù),以及路面變形病害如裂縫、坑槽、擁包、修補、車轍、跳車、磨耗等[２８][２９].平整度反應路面縱剖面起伏情況,規(guī)范規(guī)定每１０m一個代表值;彎沉反應路面結(jié)構(gòu)強度,快速彎沉每１m輸出一個彎沉值,規(guī)范規(guī)定每２０m一個代表值;抗滑系數(shù)反應某個輪跡帶的抗滑情況,規(guī)范規(guī)定每１０m一個代表值.路面病害檢測技術(shù)已由傳統(tǒng)的可視技術(shù)過度到三維測量技術(shù),可建立路面高精度三維模型,計算出路面技術(shù)狀況指標并進行評級,如圖７所示.該技術(shù)實現(xiàn)變形病害的“一測多用”,未來將可能用于計算更多指標[３０].

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　　堆石壩因其良好的安全性、經(jīng)濟性和適用性,成為我國水利水電開發(fā)的優(yōu)選壩型.堆石壩的內(nèi)部變形監(jiān)測是安全監(jiān)測的重要內(nèi)容,目前常用水管式沉降儀、鋼絲位移計等點式傳感器,需布設(shè)大量傳感器,存在傳感器死亡率高等問題.特別是對于近些年發(fā)展的高堆石壩,沉降儀水準管路和鋼絲長度幾乎達到性能極限,傳感器的測量精度和測量量程受到嚴重挑戰(zhàn),亟需發(fā)展更加可靠的內(nèi)部變形監(jiān)測技術(shù)[２８Ｇ３２].

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　　改革開放以來,隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)突飛猛進,動態(tài)精密工程測量為基礎(chǔ)設(shè)施安全運維提供重要保障.本文主要介紹了動態(tài)精密工程測量的關(guān)鍵技術(shù)及基礎(chǔ)設(shè)施應用,涉及智能化信息感知、智能化數(shù)據(jù)處理、及典型智能化監(jiān)測應用.隨著人類改造自然能力和需求的不斷增加,基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)建設(shè)規(guī)模不斷擴大,工程結(jié)構(gòu)越來越復雜,建設(shè)環(huán)境復雜多變,運營過程安全風險也在增加.工程測量作為工程項目規(guī)劃、建設(shè)和運營全過程重要的基礎(chǔ)技術(shù),對測量的效率、精度、質(zhì)量和可靠性的要求也越來越高.為了應對不斷出現(xiàn)的新挑戰(zhàn),動態(tài)精密工程測量技術(shù)需要向智能化測繪邁進,實現(xiàn)信息感知智能化、數(shù)據(jù)處理智能化、測量服務智能化,只有這樣才能不斷滿足日益增長的基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測需求.

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　　李清泉,張德津,汪馳升,陳智鵬,涂偉

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