丁小彭 李文鵬 徐萬祥

摘 要：隨著社會的不斷發(fā)展進步，城市的規(guī)模在不斷擴大，如何合理地開發(fā)和利用城市的地下空間逐漸被人們所重視。近些年來，地下管線的數(shù)量在不斷的增加，種類也越來越復雜，和地上工程建設的矛盾也漸漸突出，而地下管線是城市生存和發(fā)展的生命線，與人們的日常生活密切相關。地下管線的探測目的是為了明確城市地下管線的現(xiàn)狀分布，建立完善的地下管線信息系統(tǒng)，三維可視化技術的應用可以幫助實現(xiàn)這一目標。文章介紹了地下管線探測的方法，以及三維可視化技術在地下管線探測中的應用，發(fā)現(xiàn)三維可視化技術的應用能很大程度的提高地下管線探測的工作效率和準確度。

關鍵詞：三維可視技術;地下管廊;地下管線;探測方法;地下管線信息系統(tǒng)

中圖分類號：U990.3;TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）06-0178-05

Abstract：With the continuous development and progress of the society， the scale of the city is constantly expanding. How to reasonably develop and utilize the underground space of the city has been paid more and more attention. In recent years， the number of underground pipelines is increasing， and the types are more and more complex. The contradiction between underground pipelines and the construction of above ground projects is gradually prominent. The underground pipelines are the lifeline of urban survival and development， and are closely related to peoples daily life. The purpose of underground pipeline detection is to clarify the current distribution of urban underground pipeline and establish a perfect underground pipeline information system. The application of 3D visualization technology can help to achieve this goal. This paper introduces the method of underground pipeline detection， and the application of 3D visualization technology in underground pipeline detection. It is found that the application of 3D visualization technology can greatly improve the efficiency and accuracy of underground pipeline detection.

Key words：3D visual technology; underground pipe gallery; underground pipeline; detection method; underground pipeline information system

隨著科學技術的發(fā)展進步，我國的城市化建設也取得了一定成果，城市的基本設施建設也日益完善，地下管線的鋪設是城市建設中重要的部門之一，地下管線是確保城市正常運行的重要基礎設施，也是城市運行的“生命線”，它包括城市中的燃氣、供水熱力、排水，通信、電力、工業(yè)、廣播電視等管道以及其他附屬設施。對城市各種地下管線的探查和測繪即為地下管線的探測。由于技術和歷史原因，對很對已經(jīng)建成的地下管線的準確位置和埋深都已經(jīng)無法得知，這使得如今日益擴大的管網(wǎng)系統(tǒng)的的維護和管理變得非常困難，因此需要技術人員應用科學合理地探測技術對地下管線進行探測，明確城市地下管線的現(xiàn)狀分布，為城市地下空間的合理利用和城市化建設奠定基礎。而在對地下管線的建模過程中，由于地下管線的錯綜復雜，又沒有二維矢量圖作為參考，應用傳統(tǒng)測繪方法很難對地下管線進行測繪，所以科研人員采用三維可視化技術來實現(xiàn)對地下管廊管線的建模測繪。地下管線大多都是以圓形管線為主，所以這里研究了地下圓形管線的數(shù)據(jù)組織，以及地下管線的三維可視化。

1 管線數(shù)據(jù)組織

1.1 管線數(shù)據(jù)模型

空間實體模型和拓撲關系模型是商用地理信息系統(tǒng)中最常用的數(shù)據(jù)模型[1]。其中拓撲關系模型中應用的是Polyvrt結構，其主要記錄的是鏈信息，相同的節(jié)點可以由多個不同的對象共同使用，能有效的節(jié)省存儲空間，拓撲關系模型的缺點就是其結構相對復雜，很難對數(shù)據(jù)進行編輯和維護?？臻g實體模型則不同，盡管其公共節(jié)點會出現(xiàn)重復存儲的現(xiàn)象，但是在對模型中的某個對象進行更改時不會對其他的對象造成影響，空間數(shù)據(jù)的可維護性大大提高。將這兩種數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點相結合，可以得出一種既利于數(shù)據(jù)維護和編輯，又能節(jié)省存儲空間的管線數(shù)據(jù)模型，如圖1所示。

地下管線可以分為7個大類：熱力、燃氣、排水、給水、電信、電力、工業(yè)，個大類下面還可以進行更細致的分類，例如排水管線可以分為雨水管線和污水管線等?？梢詫⒐芫€的基本幾何數(shù)據(jù)劃分為管線結合點、端點、附屬設施特征點以及變徑點等，將這節(jié)都成為管點。管線的在地下的分布形式較為多樣，常有環(huán)狀、樹枝狀、輻射狀等形狀，從變徑點和交叉點的位置可以將每一條管線分成多條管線段，相應的管點將管線段連接起來，形成了一整條不間斷的管線段。所以，可以將抽象地將每一條管線認為是附屬設施和管線段的組成。

1.2 管線模型構造原理

1.2.1 多邊形折線逼近法

在該方法中形體的棱邊用直線段表示，形體的表面則用平面表示，如果形體的外表有彎曲則用逼近法表示[2]，也就是形體中的曲線用連續(xù)的小直線段表示，曲面則用連續(xù)的小曲平面表示，如圖2所示。

1.2.2 管線表面的微積分處理

在平面圖3中，管線通常使用管線的中心線來表示的，在圖上一段管線會由一條直線來表示，但是在三維透視圖中，通常用圓柱面來表示一段管線，該圓柱面的軸心即為管線的中心線，其半徑為管線在該處截面半徑?，F(xiàn)實中管線都是中空的，利用點-線-體的思想能夠幫助點-面-體的實現(xiàn)，也就是利用特征點來生成平面，然后利用折線逼近法將生成的平面逼近圓柱表面。

1.2.3 管線連接處圓滑處理

三維透視圖中，管線段是由首尾相接的虛擬圓柱面構成，對管線連接處進行圓滑過渡處理，能使虛擬的管線更加形象逼真，同時對整個三維系統(tǒng)的運行速度不造成影響。處理的方式是用圓弧代替管線中心線的拐角，圓弧的弧度為管線相鄰中心線之間的夾角弧度，半徑與管線的半徑相同，經(jīng)過圓滑處理后再對管線中性線進行分段處理。每段管線用圓柱面進行模擬，用斜圓柱面對拐彎處進行模擬，最后將所有的圓柱面進行收尾相接，最后在三維場景中進行光照設置，就能實現(xiàn)虛擬管線與真實管線在視覺上十分接近。

1.2.4 管線段的連接

管線段與管線段之間的連接處通常為管線變徑或者管線分叉，實際生活中，都是由變徑接頭、閥門、三通都附屬設施進行連接的[3]，所系在三維系統(tǒng)中，會將其進行抽象建模，將它們作為立體符號在數(shù)據(jù)庫中進行存儲。在三維透視圖中顯示時，可以由管線的走向對附屬設施的角度進行調(diào)整，實現(xiàn)管線與附屬設施之間的緊密結合。

1.3 管線模型計算

1.3.1 管線起始處各個頂點的計算

管線中心線在三維空間中的方向可以由中心線的兩個其實節(jié)點坐標確定，將O-XYZ作為固定坐標系，而o-XYZ作為參考坐標系，這里定義參考坐標系的原點和管線中心線起始節(jié)點相重合，規(guī)定固定坐標系的某個軸與x軸方向平行，管線中心線的第一段與z軸重合，如圖4所示。從圖中可以看出固定坐標系可以由參考坐標系旋轉平移獲得，根據(jù)空間解析幾何的知識可以知道[4]，在管線邊緣任取一個頂點a，其在固定坐標系和參考坐標系中的關系式可以表達成：

將關系式用矩陣的形式可以表示為：

矩陣中坐標點代表的是在固定坐標系中參考系坐標的源點的坐標，而這就個系數(shù)是兩軸系間的方向余弦，也就是：

cosXx表示的是固定坐標系中的 X 軸與參考系坐標系中的軸之間的方向余弦，也就是這兩個軸之間的夾角的余弦，夾角的范圍在0～180°。根據(jù)以上關系式以及已知條件，既可以獲得固定坐標系中管線起始點位置各個頂點的坐標，也就是我們需要的真實三維坐標。

1.3.2 管線中心線其余分段點處邊緣頂點坐標的推算

根據(jù)之前已有的起算數(shù)據(jù)，在進行一定的代數(shù)運算，即可一步步算的其他邊緣頂點的坐標。

2 管線系統(tǒng)交互操作

2.1 管線的編輯

因為我們已經(jīng)將每一條管線都分成了多個單一的管線段，所以在對管線進行編輯操作時會非常的簡單。例如進行管線添加操作時，只要在系統(tǒng)中輸入增加管線的各個管線段的起始節(jié)點與中間節(jié)點的顏色、半徑以及空間坐標即可，輸入這些數(shù)據(jù)后系統(tǒng)就能夠自動地將虛擬管線建立并顯示出來，同時通過數(shù)據(jù)庫查找和空間分析可以知道新增管線和已經(jīng)存在的管線之間的拓撲關系，如果管線之間有連接關系。系統(tǒng)會根據(jù)指定的管件自動匹配連接。管線刪除操作就更為簡單了，直接選取要刪除的管線進行刪除即可。

2.2 管線的查詢分析

管線的三維空間查詢可以分為兩種查詢，即從屬性到圖形的查詢和從圖形到屬性的查詢，同時還可以對所查詢的管線進行分析，例如報關分析、橫縱斷面分析、安全間距分析等等。地下管線大都被建筑物和地點多覆蓋，將覆蓋在管線上的建筑物和地面層去除后，可以用鼠標直接選取虛擬管線的表面，然后將獲取到的窗口坐標轉化為實際空間坐標，即可選中某條管線段。對管線段的空間數(shù)據(jù)文件進行搜索，能夠得到這條管線段的標識符以及其所在的管網(wǎng)層，根據(jù)管線段的標識符可以對管線的空間數(shù)據(jù)文件進行索引，即可獲取這條管線段所在的管線的標識符，進而就確定了所選取的管線。

2.3 三維管線系統(tǒng)的構件

根據(jù)文中所分析的建模方法和管線數(shù)據(jù)組織，結合OpenGL和Visual C++開發(fā)工具，即可實現(xiàn)三維管線系統(tǒng)的開發(fā)，系統(tǒng)中重點對地下管線進行三維建立和顯示，地面和地面上的主要建筑物可以用三維文字簡單表示，將地面設置為半透明，這樣即可是地下管線的可見度大大提高，操所人員可以通過控制鍵盤和鼠標，在多建立的三維場景中隨意瀏覽，對管線進行編輯、查詢以及分析操作。

3 地下管線的探測

地下管線是一種隱蔽性工程，因此在確定地下管線的準確位置時，有很高的技術要求，在地下管線的探測過程中需要科學的探測技術，只有這樣才能獲得準確的數(shù)據(jù)，并編制成圖，也利于后面地下管網(wǎng)信息系統(tǒng)的建立。

3.1 地下管線探測的精度要求

地下管線隱蔽管線點的探查精度埋深測量要求如表1所示。明顯的管線點的探測精度要求埋深測量限差為±5cm[5]。

地下管線點的測量精度要求中，平面位置的測量誤差要小于±5cm，高程測量誤差要小于±3cm。

3.2 探查方式的有效性分析

在對地下管線進行探測時，需要結合儀器探測和實地調(diào)查的方法進行，第一步需要確定的就是探測區(qū)域內(nèi)埋設的地下管線和土壤是否尋在明顯的物性差異，這樣才可以采用物探的方法對探測區(qū)域進行探測。此外在對管線進行探測之前，需要選取具有代表性的路段進行物探試驗，以及探測儀一致性對比試驗，這樣可以確定探測應的性能，對探測儀的各種探測數(shù)據(jù)誤差進行掌控，經(jīng)過試驗確保儀器功能正常后，才可以將其應用到地下管線的正式探測中。

3.3 地下管線的探測方法和儀器選擇

在對地下管線進行實際探測時，第一步需要考慮的就是地下管線的不同類型、不同材質(zhì)同周圍介質(zhì)之間的物性參數(shù)差異，根據(jù)物性參數(shù)差異確定是否是適合用儀器進行探測，然后結合考慮工期和成本因素，選擇合適的探測方法，例如常用的有地質(zhì)雷達法、電磁法、高密度電法、高精度磁法以及淺層地震波法等[6]。

3.3.1 地質(zhì)雷達法

該方法也被稱為地質(zhì)雷達剖面掃描發(fā)和探地抵達法，它是由脈沖雷達系統(tǒng)向地下連續(xù)的發(fā)射高頻電磁波，由于地下管線都不同物質(zhì)的介質(zhì)不同，會接受到不同的反射電磁波，并且會在顯示器上顯示反射圖像，然后應用相應的軟件對圖像進行分析，就可以確定地下管線的深度和埋設位置等信息。

3.3.2 電磁感應法

目前地下管線探測中最常用的方法就是電磁感應法，它是通過電磁場對管線進行激發(fā)，是管線中產(chǎn)生感應電流，進而進程相應的電磁場，然后通過探測儀器對磁場分布情況進行探測，從而確定地下管線的位置。

3.3.3 高密度電法

這種方法的原理是以管線和周圍介質(zhì)所尋在的電性差異為基礎，然后對不同極距的電位差進行觀測和分析，最后對管線的平面位置和深度進行確定。在使用高密度電法對地下管線進行探測時，其電極布置可以一次性完成，然后通過程控方式可以實現(xiàn)供電極與接收極的自動組合和切換[7]，這樣就能夠一次性采集大量的數(shù)據(jù)，最后應用相應的軟件進行數(shù)據(jù)處理分析即可達到探測地下管線準確位置的目的。

3.3.4 高精度磁測法

這種探測方法的探測基礎是管線和周圍介質(zhì)所存在的磁性差異，通過對地質(zhì)體的次方分布特征的分析可以獲取地下管線的平面位置和深度。鐵磁性的管線會在地磁場的作用下被磁化，導致其磁場和周圍介質(zhì)存在明顯的差異。高精度磁測法正是通過相應的儀器來確定地下管線的具體位置的，這種方法施工簡便、儀器輕便，但是其信號容易收到干擾，此外這種方法更適合用來探測鑄鐵管道這一類的鐵磁性地下管線。

4 地下管線探測中可視化技術的應用

地下管線是城市運行的生命線，地下管線的探測目的是為了了解城市地下管線的具體分布狀況，對城市的規(guī)劃建設具有重要意義。目前，技術人員已經(jīng)可以熟練的應用各種科學方法對地下管線進行探測，并最終確定地下管線的具體位置，然后將這些探測數(shù)據(jù)收集起來，編制對應的城市管線分布圖形，但是以往繪制的大多都是二維圖形，隨著城市的飛速發(fā)展，地下管線的數(shù)量也在急劇增加，傳統(tǒng)的二維圖形已經(jīng)無法準確的表現(xiàn)各個管線之間的空間關系了，例如有些管線的分布交錯縱橫，或者垂直與地面，這樣在二維平面圖上就只能用一個點來標注，不夠直觀清晰，所以我們需要一種三維的視圖來更加直觀的顯示地下管線的分布狀況，三維可視化技術可以幫助實現(xiàn)這一目標，利用三維可視技術對所收集的管線探測數(shù)據(jù)進行建模，然后結合OpenGL和Visual C++等各種開發(fā)工具，可以建立一個三維管線系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中可以能夠十分直觀的看到地下管線的空間分布情況，利用鍵盤和鼠標即可在三維場景中漫游，隨時可以對管線進行編輯、查詢和分析[8]，將這種三維可視化技術應用到地下管線的探測中，能夠使得探測數(shù)據(jù)的利用率大大提高，也能十分直觀的了解到地下管線的空間分布，同時可以對視對地下管線進行編輯，更改、新增、刪除等等都十分便利，能大大提高城市地下管線探測的工作效率。

5 結語

隨著我國城市化建設的進程不斷加快，城市地下管線的敷設也日益增加，這也使得地下管線的探測難度大大增加，在實際探測過程中，根據(jù)管線的類型、材質(zhì)以及測區(qū)地質(zhì)條件選擇合理地探測方法，可以實現(xiàn)對線下管線的準確探測，但是對著地下管線的日益增加，其分布狀況變得錯綜復雜，二維圖形無法表示出各個管線之間的空間關系，圖形也不夠直觀清晰，所以需要一種更加直觀立體的三維視圖來顯示地下管線的分布狀況，將現(xiàn)代三維可視化技術與OpenGL和Visual C++等各種開發(fā)工具相結合，可以建立一個三維管線信息系統(tǒng)，系統(tǒng)可以十分直觀的顯示地下管線的各種空間關系，并且隨時可以對地下管線進行編輯、查詢和分析，使得地下管線的探測工作能更加高效的進行。

參考文獻

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