基于全时空增强现实定位与可视化技术的排管埋深探测技术

龚波涛，肖 斌，齐秉柱

(国网上海市电力公司工程建设咨询分公司，上海 200120)

随着城市化发展进程不断加快，各类建筑以及基础设施建设大肆兴起，建筑物与基础设施骤增导致排管铺设量不断增加[1-2]。想要确保地下排管的安全高效运转，就要对城市地下排管进行高效、科学的管理[3-4]。排管的埋深过浅或者过深都会对排管安全高效运行产生非常不利影响，排管埋深过浅会增加各种外力因素破坏排管概率，同样地，如果排管埋深过深，会导致各种排管探测仪器以及探测技术无法对排管运行状态进行有效探测与监管，一旦排管被外力损坏或由于使用年限等因素导致的排管破坏，排管无法正常运行，造成巨大经济损失[5-6]。

为有效避免或减少由于管道埋深问题导致的排管破坏问题，近年来国内外诸多学者对排管埋深探测技术进行了大量研究。比较受欢迎的有文献[7]基于混沌脉冲位置调制信号的排管埋深探测技术，文献[8]基于三维检测仪的激光光斑位敏管道埋深探测技术。这些排管埋深探测技术虽然在一定程度上实现了对排管埋深的探测，但是由于排管被埋于地下，对需要进行排管埋深探测的排管位置难以准确估量，常常导致用于排管埋深探测的探测设备无法获取准确的埋深探测数据，从而影响排管埋深探测工作的进度以及排管埋深的探测精度[9]。

全时空增强现实(Augmented Reality，简称AR)定位与可视化技术，可将虚拟信息与现实世界的数据信息以巧妙的方式进行合理、有效融合。通过这两种信息的融合，可以增强真实世界的数据信息，并以三维可视化的方式呈现增强效果，在定位中也有很好的定位效果。应用于排管埋深检测时，能准确定位排管埋深检测区域，以三维可视化的方式准确反映排管的方位等信息，使得排管埋深探测工作的效率与精度均得到大幅度提升[10]。因此，本文研究基于全时空AR定位技术的排管埋深探测技术，可精准高效完成对排管埋深的探测，更好满足实际排管埋深探测工作需要。

1 全时空AR定位与可视化的排管埋深探测

1.1 排管埋深探测技术总体架构

在进行排管埋深探测时，用于排管埋深探测的数据不仅包含可以进行数据融合的结构化数据，还包含融合难度较大的非结构化数据[11]。采集到的与排管埋深探测相关的管道结构化数据结构比较复杂，包括一些排管CAD图纸数据、排管埋深探测相关的排管埋深属性数据、参数数据以及排管地理位置等信息。为了使AR定位产生良好的定位效果，在进行AR定位时，首先要对排管埋深探测数据进行融合操作，并根据融合后的数据进行AR三维建模，之后通过AR三维建模得到的数据序列进行小波域排管埋深探测区域定位以及执行最小二乘改进电磁法的排管埋深探测操作。最终将得到的计算结果以可视化的形式呈现出来。

排管埋深探测技术总体架构如图1。

图1 排管埋深探测技术总体架构

1.2 AR排管三维自动建模

1.2.1 排管构网

根据排管的中心轴，排管由具有纵向平移方向的模板构成。其工作原理可以表示为：在给定的二维图形中，二维图像的中心点沿管道的中心轴移动。当管道中心轴移动时，二维图像平面垂直于管道中心轴的切线，将二维图形的空间运动轨迹标记为排水管网的顶点坐标[12]。二维图像每平移相应距离，相应地要将二维图形的空间位置标记出来，在排管空间分布规律的基础上，定义紧邻的两个二维图形在进行排管构网时需要遵行的原则。依据这种规律构建出的二维图像的三角网集合在一起便组成了排管三角网。使用圆形来进行排管三角网的构建，根据得到的排管直管网顶点坐标，可将求得的空间圆环用公式表示为C1，C2，…，Cn，其中n代表空间圆环的数量。具体的三维排管三角网的构造步骤可表述如下。

(1)从C1起，按顺序选择紧邻的2个空间圆环的顶点执行构网操作。将C1，C2，…，Cn的顶点用公式表示为Ci，1，Ci，2，…，Ci，n，那么用公式可将Ci+1，1上的点表示为Ci+1，1，Ci+1，2，…，Ci+1，n。基于Delaunnay关于三角网构建的描述，排管三角网构网的规则如图2所示。

图2 展开的三角网侧面示意图

(2)对得到的三角形执行相关存储操作，操作结束后，将所有的三角形组合在一起成为一个关于三角形的集合，该集合即排管三角网。对得到的三角网执行Mesh对象生成操作，得到排管Mesh三维模型。

1.2.2 排管纹理贴图

为了得到更好的三维建模效果，需要对排管进行纹理贴图操作[13]。应用REPEAT方法进行排管贴图，执行排管的侧面展开操作，将长度分段与横截面圆周分段分别表示为B与G。排管横向的纹理贴图数量与纵向的排管贴图数量分别表示为m与n，那么排管在(i，j)处的纹理坐标可表述为

(1)

排管纹理贴图完成后，依次遍历全部排管进行三维模型构建，形成全时空地下排管网的AR可视化场景。

1.3 小波域埋地排管定位

根据小波分析中关于小波伸缩特性的描述，小波分析具有抑制部分信号特征并凸显感兴趣区域的特点[14]。用A代表AR三维排管自动建模后得到的排管数据生成的排管序列。应用一维Mallat分解算法对序列A执行频率分解操作。探地雷达与背景间拥有较高的噪声，导致在对序列A执行频率分解操作后，得到的序列A的空域中雷达与背景具有几乎一致的幅值，而地下埋管部位也会占据一定的区域范围。因而，在进行小波分解操作时，可以通过小波系数进行细节分解将埋地排管区域从探测背景中有效地剥离出来，实现对埋地排管的准确定位。

为了更好实现埋地排管定位，用于匹配目标回波特征的小波具有近似的对称、衰减特征。将Sinc主函数与第一副瓣定义为埋地排管定位时的检测小波，用公式可将其表述为

(2)

式(2)中，媒介衰减因子表示为λ，并且t满足t∈[-2.459，2.459]。具体的小波域自动检测埋地排管定位步骤如下。

(1)对序列执行扫描与四级分解操作，分解尺度选取20、2-1、2-2与2-3。

(2)对小波域执行统计检测操作。分别对序列A执四级分解操作得到的信号执行小波卷积运算：

si⊗θ，i=0，1，2，3

(3)

其中，扫描序列A得到的分解信号与分解的尺度分别用si与i代表；小波系数与卷积运算算子用θ与⊗代表。

快速统计计算小波域，过程如下。

如果将执行卷积运算操作后的小波域序列用公式表示为θi，i=1，2，…，k。

(4)

根据式(4)，对参数执行快速估计操作时的求解方法可以表示为

(5)

(6)

根据式(4)与式(6)有：

(7)

对小波区域的模极大值进行判别操作时，其阈值应满足：

(8)

(3)进行从小波域到时空域的映射，得到目标区域，实现排管定位。

1.4 最小二乘改进电磁法的排管埋深探测

依据埋地排管定位结果，应用最小二乘改进电磁法，实现排管埋深的探测。一般状况下，水平排管周围存在的由交变电形成的电磁场，相当于由长直导线形成的电磁场，依照毕奥—萨伐尔关于磁场强度的阐述[15]，可将距离排管中心点路程为r点的磁场强度表示为

(9)

在排管探测过程中，通常情况下，会对排管的水平与垂直地表分量执行合理有效的测量操作。根据由水平与垂直地表分量变化产生的规律，获得埋管的中心埋深。设线圈面法线与二次场两个方向存在的夹角为α，则埋深探测排管周围的感应电流可表示为

(10)

其中，一个受发射线圈材料与大小等因素影响的常数用C代表。

在实际的排管埋深探测工作中，水平发射线圈得到的探测埋深排管感应电流可表示为

(11)

垂直发射线圈得到的探测埋深排管感应电流可表示为

(12)

若探测埋深排管在探测地面的投影位置(x=0)产生线圈，则此时探测埋深排管与垂直线圈存在最好的耦合与水平线圈不存在耦合，满足：

(13)

将实际排管埋深探测用探测方法得到的排管埋深与实际的排管埋深分别表示为h′与h。h′与h间的关系可表述为

h=ah′+b

(14)

式中a,b——代表常数。

(15)

对式(7)执行最小二乘常数求解操作，求得：

(16)

式(8)中，h与h′满足：

(17)

排管埋深的误差需符合相关规程，才能使修正参数发挥其应有的作用。为此，可执行以下操作

(3)排管埋深修正误差表示为

(18)

排管埋深误差限差表示为

(19)

在满足Mh<0.5ξh情况下，埋深校正呈现合格状态。将通过计算得到的a与b的最终值在式(14)中执行代入操作，得到最终的排管埋深。

2 试验与分析

本文以D市某区埋深为1.5～3 m的排管为试验对象，应用本文方法对排管的实际埋深进行探测，验证该方法在进行排管埋深探测方面的性能。

为验证本文方法的可行性，对D市某区排管上的15个探测点进行埋深探测，得到的排管埋深探测表如表1所示。

表1 排管埋深探测表 m

在表1中，可清晰看到各探测点的视埋深与改进埋深，并且改进后的排管埋深与实际埋深几乎一致。这说明应用本文方法可以很好地实现对排管埋深的探测，满足实际排管埋深探测工作的需要，这验证了本文方法进行排管埋深探测的可行性。

应用本文方法对D市某区的部分排管进行AR排管三维自动建模得到的AR排管三维自动建模效果图如图3所示。

图3 AR排管三维自动建模效果图

在图3中，排管网三维建模部分图效果清晰，细节处理妥当，立体效果显著。这说明应用本文方法不仅可以实现对地下排管的AR三维建模，并且可视化效果较好，可更好地服务于排管埋深探测。

在进行排管埋深探测时，能否精准定位目标探测区域决定了排管埋深的探测效果。为验证应用本文方法进行排管埋深探测时在定位方面的优势，绘制应用本文方法得到目标探测区域与实际埋深探测区域的对比图如图4所示。

图4 目标探测区域图

由图4可知，应用本文方法可以实现对埋深探测区域的定位，并且得到的目标探测区域与实际埋深探测区域基本一致。这说明应用本文方法进行埋深探测区域定位，目标探测区域定位准确，可提高排管埋深探测精度。

3 结语

本文设计了三维排管三角网的构造步骤，应用小波域算法，将埋地排管区域从探测背景中有效地剥离出来，进行从小波域到时空域的映射，根据由水平与垂直地表分量变化产生的规律，获得埋管的中心埋深，可实现对排管埋深的合理有效探测，排管定位与排管埋深探测精度均较高。但是在进行排管埋深探测技术方面的研究只考虑了地下排管结构比较简单的状况，而在实际的排管探测工作中，由于埋于地下的管线不是只有排管一种，排管探测工作面临的探测环境会比较复杂。因此，下一阶段对基于全时空AR定位与可视化技术的排管埋深探测技术的研究将从面对复杂的排管结构角度进行排管埋深探测技术研究。