三維可視技術(shù)在地下管廊管線探測(cè)中的應(yīng)用

丁小彭 李文鵬 徐萬(wàn)祥

摘 要：隨著社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，城市的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，如何合理地開(kāi)發(fā)和利用城市的地下空間逐漸被人們所重視。近些年來(lái)，地下管線的數(shù)量在不斷的增加，種類(lèi)也越來(lái)越復(fù)雜，和地上工程建設(shè)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(guān)。地下管線的探測(cè)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(shù)的應(yīng)用可以幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。文章介紹了地下管線探測(cè)的方法，以及三維可視化技術(shù)在地下管線探測(cè)中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)三維可視化技術(shù)的應(yīng)用能很大程度的提高地下管線探測(cè)的工作效率和準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：三維可視技術(shù);地下管廊;地下管線;探測(cè)方法;地下管線信息系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：U990.3;TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，我國(guó)的城市化建設(shè)也取得了一定成果，城市的基本設(shè)施建設(shè)也日益完善，地下管線的鋪設(shè)是城市建設(shè)中重要的部門(mén)之一，地下管線是確保城市正常運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也是城市運(yùn)行的“生命線”，它包括城市中的燃?xì)?、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(shè)施。對(duì)城市各種地下管線的探查和測(cè)繪即為地下管線的探測(cè)。由于技術(shù)和歷史原因，對(duì)很對(duì)已經(jīng)建成的地下管線的準(zhǔn)確位置和埋深都已經(jīng)無(wú)法得知，這使得如今日益擴(kuò)大的管網(wǎng)系統(tǒng)的的維護(hù)和管理變得非常困難，因此需要技術(shù)人員應(yīng)用科學(xué)合理地探測(cè)技術(shù)對(duì)地下管線進(jìn)行探測(cè)，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(shè)奠定基礎(chǔ)。而在對(duì)地下管線的建模過(guò)程中，由于地下管線的錯(cuò)綜復(fù)雜，又沒(méi)有二維矢量圖作為參考，應(yīng)用傳統(tǒng)測(cè)繪方法很難對(duì)地下管線進(jìn)行測(cè)繪，所以科研人員采用三維可視化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管廊管線的建模測(cè)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(shí)體模型和拓?fù)潢P(guān)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?fù)潢P(guān)系模型中應(yīng)用的是Polyvrt結(jié)構(gòu)，其主要記錄的是鏈信息，相同的節(jié)點(diǎn)可以由多個(gè)不同的對(duì)象共同使用，能有效的節(jié)省存儲(chǔ)空間，拓?fù)潢P(guān)系模型的缺點(diǎn)就是其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，很難對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯和維護(hù)?？臻g實(shí)體模型則不同，盡管其公共節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)重復(fù)存儲(chǔ)的現(xiàn)象，但是在對(duì)模型中的某個(gè)對(duì)象進(jìn)行更改時(shí)不會(huì)對(duì)其他的對(duì)象造成影響，空間數(shù)據(jù)的可維護(hù)性大大提高。將這兩種數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，可以得出一種既利于數(shù)據(jù)維護(hù)和編輯，又能節(jié)省存儲(chǔ)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(gè)大類(lèi)：熱力、燃?xì)?、排水、給水、電信、電力、工業(yè)，個(gè)大類(lèi)下面還可以進(jìn)行更細(xì)致的分類(lèi)，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(jié)合點(diǎn)、端點(diǎn)、附屬設(shè)施特征點(diǎn)以及變徑點(diǎn)等，將這節(jié)都成為管點(diǎn)。管線的在地下的分布形式較為多樣，常有環(huán)狀、樹(shù)枝狀、輻射狀等形狀，從變徑點(diǎn)和交叉點(diǎn)的位置可以將每一條管線分成多條管線段，相應(yīng)的管點(diǎn)將管線段連接起來(lái)，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(rèn)為是附屬設(shè)施和管線段的組成。

1.2 管線模型構(gòu)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(lái)表示的，在圖上一段管線會(huì)由一條直線來(lái)表示，但是在三維透視圖中，通常用圓柱面來(lái)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(shí)中管線都是中空的，利用點(diǎn)-線-體的思想能夠幫助點(diǎn)-面-體的實(shí)現(xiàn)，也就是利用特征點(diǎn)來(lái)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(gòu)成，對(duì)管線連接處進(jìn)行圓滑過(guò)渡處理，能使虛擬的管線更加形象逼真，同時(shí)對(duì)整個(gè)三維系統(tǒng)的運(yùn)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(guò)圓滑處理后再對(duì)管線中性線進(jìn)行分段處理。每段管線用圓柱面進(jìn)行模擬，用斜圓柱面對(duì)拐彎處進(jìn)行模擬，最后將所有的圓柱面進(jìn)行收尾相接，最后在三維場(chǎng)景中進(jìn)行光照設(shè)置，就能實(shí)現(xiàn)虛擬管線與真實(shí)管線在視覺(jué)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(shí)際生活中，都是由變徑接頭、閥門(mén)、三通都附屬設(shè)施進(jìn)行連接的[3]，所系在三維系統(tǒng)中，會(huì)將其進(jìn)行抽象建模，將它們作為立體符號(hào)在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)。在三維透視圖中顯示時(shí)，可以由管線的走向?qū)Ω綄僭O(shè)施的角度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)管線與附屬設(shè)施之間的緊密結(jié)合。

1.3 管線模型計(jì)算

1.3.1 管線起始處各個(gè)頂點(diǎn)的計(jì)算

管線中心線在三維空間中的方向可以由中心線的兩個(gè)其實(shí)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)確定，將O-XYZ作為固定坐標(biāo)系，而o-XYZ作為參考坐標(biāo)系，這里定義參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)和管線中心線起始節(jié)點(diǎn)相重合，規(guī)定固定坐標(biāo)系的某個(gè)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(biāo)系可以由參考坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)平移獲得，根據(jù)空間解析幾何的知識(shí)可以知道[4]，在管線邊緣任取一個(gè)頂點(diǎn)a，其在固定坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系中的關(guān)系式可以表達(dá)成：

將關(guān)系式用矩陣的形式可以表示為：

矩陣中坐標(biāo)點(diǎn)代表的是在固定坐標(biāo)系中參考系坐標(biāo)的源點(diǎn)的坐標(biāo)，而這就個(gè)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(biāo)系中的 X 軸與參考系坐標(biāo)系中的軸之間的方向余弦，也就是這兩個(gè)軸之間的夾角的余弦，夾角的范圍在0～180°。根據(jù)以上關(guān)系式以及已知條件，既可以獲得固定坐標(biāo)系中管線起始點(diǎn)位置各個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)，也就是我們需要的真實(shí)三維坐標(biāo)。

1.3.2 管線中心線其余分段點(diǎn)處邊緣頂點(diǎn)坐標(biāo)的推算

根據(jù)之前已有的起算數(shù)據(jù)，在進(jìn)行一定的代數(shù)運(yùn)算，即可一步步算的其他邊緣頂點(diǎn)的坐標(biāo)。

2 管線系統(tǒng)交互操作

2.1 管線的編輯

因?yàn)槲覀円呀?jīng)將每一條管線都分成了多個(gè)單一的管線段，所以在對(duì)管線進(jìn)行編輯操作時(shí)會(huì)非常的簡(jiǎn)單。例如進(jìn)行管線添加操作時(shí)，只要在系統(tǒng)中輸入增加管線的各個(gè)管線段的起始節(jié)點(diǎn)與中間節(jié)點(diǎn)的顏色、半徑以及空間坐標(biāo)即可，輸入這些數(shù)據(jù)后系統(tǒng)就能夠自動(dòng)地將虛擬管線建立并顯示出來(lái)，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)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?fù)潢P(guān)系，如果管線之間有連接關(guān)系。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)指定的管件自動(dòng)匹配連接。管線刪除操作就更為簡(jiǎn)單了，直接選取要?jiǎng)h除的管線進(jìn)行刪除即可。

2.2 管線的查詢(xún)分析

管線的三維空間查詢(xún)可以分為兩種查詢(xún)，即從屬性到圖形的查詢(xún)和從圖形到屬性的查詢(xún)，同時(shí)還可以對(duì)所查詢(xún)的管線進(jìn)行分析，例如報(bào)關(guān)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(diǎn)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(biāo)直接選取虛擬管線的表面，然后將獲取到的窗口坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為實(shí)際空間坐標(biāo)，即可選中某條管線段。對(duì)管線段的空間數(shù)據(jù)文件進(jìn)行搜索，能夠得到這條管線段的標(biāo)識(shí)符以及其所在的管網(wǎng)層，根據(jù)管線段的標(biāo)識(shí)符可以對(duì)管線的空間數(shù)據(jù)文件進(jìn)行索引，即可獲取這條管線段所在的管線的標(biāo)識(shí)符，進(jìn)而就確定了所選取的管線。

2.3 三維管線系統(tǒng)的構(gòu)件

根據(jù)文中所分析的建模方法和管線數(shù)據(jù)組織，結(jié)合OpenGL和Visual C++開(kāi)發(fā)工具，即可實(shí)現(xiàn)三維管線系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)中重點(diǎn)對(duì)地下管線進(jìn)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(jiǎn)單表示，將地面設(shè)置為半透明，這樣即可是地下管線的可見(jiàn)度大大提高，操所人員可以通過(guò)控制鍵盤(pán)和鼠標(biāo)，在多建立的三維場(chǎng)景中隨意瀏覽，對(duì)管線進(jìn)行編輯、查詢(xún)以及分析操作。

3 地下管線的探測(cè)

地下管線是一種隱蔽性工程，因此在確定地下管線的準(zhǔn)確位置時(shí)，有很高的技術(shù)要求，在地下管線的探測(cè)過(guò)程中需要科學(xué)的探測(cè)技術(shù)，只有這樣才能獲得準(zhǔn)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(cè)的精度要求

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

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

3.2 探查方式的有效性分析

在對(duì)地下管線進(jìn)行探測(cè)時(shí)，需要結(jié)合儀器探測(cè)和實(shí)地調(diào)查的方法進(jìn)行，第一步需要確定的就是探測(cè)區(qū)域內(nèi)埋設(shè)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(duì)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行探測(cè)。此外在對(duì)管線進(jìn)行探測(cè)之前，需要選取具有代表性的路段進(jìn)行物探試驗(yàn)，以及探測(cè)儀一致性對(duì)比試驗(yàn)，這樣可以確定探測(cè)應(yīng)的性能，對(duì)探測(cè)儀的各種探測(cè)數(shù)據(jù)誤差進(jìn)行掌控，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確保儀器功能正常后，才可以將其應(yīng)用到地下管線的正式探測(cè)中。

3.3 地下管線的探測(cè)方法和儀器選擇

在對(duì)地下管線進(jìn)行實(shí)際探測(cè)時(shí)，第一步需要考慮的就是地下管線的不同類(lèi)型、不同材質(zhì)同周?chē)橘|(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(jìn)行探測(cè)，然后結(jié)合考慮工期和成本因素，選擇合適的探測(cè)方法，例如常用的有地質(zhì)雷達(dá)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(dá)法

該方法也被稱(chēng)為地質(zhì)雷達(dá)剖面掃描發(fā)和探地抵達(dá)法，它是由脈沖雷達(dá)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(huì)接受到不同的反射電磁波，并且會(huì)在顯示器上顯示反射圖像，然后應(yīng)用相應(yīng)的軟件對(duì)圖像進(jìn)行分析，就可以確定地下管線的深度和埋設(shè)位置等信息。

3.3.2 電磁感應(yīng)法

目前地下管線探測(cè)中最常用的方法就是電磁感應(yīng)法，它是通過(guò)電磁場(chǎng)對(duì)管線進(jìn)行激發(fā)，是管線中產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而進(jìn)程相應(yīng)的電磁場(chǎng)，然后通過(guò)探測(cè)儀器對(duì)磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行探測(cè)，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?chē)橘|(zhì)所尋在的電性差異為基礎(chǔ)，然后對(duì)不同極距的電位差進(jìn)行觀測(cè)和分析，最后對(duì)管線的平面位置和深度進(jìn)行確定。在使用高密度電法對(duì)地下管線進(jìn)行探測(cè)時(shí)，其電極布置可以一次性完成，然后通過(guò)程控方式可以實(shí)現(xiàn)供電極與接收極的自動(dòng)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(yīng)用相應(yīng)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析即可達(dá)到探測(cè)地下管線準(zhǔn)確位置的目的。

3.3.4 高精度磁測(cè)法

這種探測(cè)方法的探測(cè)基礎(chǔ)是管線和周?chē)橘|(zhì)所存在的磁性差異，通過(guò)對(duì)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(huì)在地磁場(chǎng)的作用下被磁化，導(dǎo)致其磁場(chǎng)和周?chē)橘|(zhì)存在明顯的差異。高精度磁測(cè)法正是通過(guò)相應(yīng)的儀器來(lái)確定地下管線的具體位置的，這種方法施工簡(jiǎn)便、儀器輕便，但是其信號(hào)容易收到干擾，此外這種方法更適合用來(lái)探測(cè)鑄鐵管道這一類(lèi)的鐵磁性地下管線。

4 地下管線探測(cè)中可視化技術(shù)的應(yīng)用

地下管線是城市運(yùn)行的生命線，地下管線的探測(cè)目的是為了了解城市地下管線的具體分布狀況，對(duì)城市的規(guī)劃建設(shè)具有重要意義。目前，技術(shù)人員已經(jīng)可以熟練的應(yīng)用各種科學(xué)方法對(duì)地下管線進(jìn)行探測(cè)，并最終確定地下管線的具體位置，然后將這些探測(cè)數(shù)據(jù)收集起來(lái)，編制對(duì)應(yīng)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(wú)法準(zhǔn)確的表現(xiàn)各個(gè)管線之間的空間關(guān)系了，例如有些管線的分布交錯(cuò)縱橫，或者垂直與地面，這樣在二維平面圖上就只能用一個(gè)點(diǎn)來(lái)標(biāo)注，不夠直觀清晰，所以我們需要一種三維的視圖來(lái)更加直觀的顯示地下管線的分布狀況，三維可視化技術(shù)可以幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，利用三維可視技術(shù)對(duì)所收集的管線探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，然后結(jié)合OpenGL和Visual C++等各種開(kāi)發(fā)工具，可以建立一個(gè)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(pán)和鼠標(biāo)即可在三維場(chǎng)景中漫游，隨時(shí)可以對(duì)管線進(jìn)行編輯、查詢(xún)和分析[8]，將這種三維可視化技術(shù)應(yīng)用到地下管線的探測(cè)中，能夠使得探測(cè)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(shí)可以對(duì)視對(duì)地下管線進(jìn)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(cè)的工作效率。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的進(jìn)程不斷加快，城市地下管線的敷設(shè)也日益增加，這也使得地下管線的探測(cè)難度大大增加，在實(shí)際探測(cè)過(guò)程中，根據(jù)管線的類(lèi)型、材質(zhì)以及測(cè)區(qū)地質(zhì)條件選擇合理地探測(cè)方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線下管線的準(zhǔn)確探測(cè)，但是對(duì)著地下管線的日益增加，其分布狀況變得錯(cuò)綜復(fù)雜，二維圖形無(wú)法表示出各個(gè)管線之間的空間關(guān)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(lái)顯示地下管線的分布狀況，將現(xiàn)代三維可視化技術(shù)與OpenGL和Visual C++等各種開(kāi)發(fā)工具相結(jié)合，可以建立一個(gè)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(guān)系，并且隨時(shí)可以對(duì)地下管線進(jìn)行編輯、查詢(xún)和分析，使得地下管線的探測(cè)工作能更加高效的進(jìn)行。

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