地下管網(wǎng)可視化研究與應(yīng)用

于明亮

（大連金帝建設(shè)工程有限公司，遼寧 大連 116033）

關(guān)鍵字：地下管網(wǎng)；可視化；智慧城市

0 引 言

城鎮(zhèn)地下管網(wǎng)系統(tǒng)是城市建設(shè)的重要部分，承擔(dān)著城鎮(zhèn)能源輸送和信息傳遞等職能，是城鎮(zhèn)發(fā)展的生命線。隨著城鎮(zhèn)建設(shè)的不斷發(fā)展，各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施逐步完善，地下管網(wǎng)系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜。地下管網(wǎng)系統(tǒng)包括電力、供暖、燃?xì)?、排水及工業(yè)等地下管道及其附屬設(shè)備。目前，我國城鎮(zhèn)地下管道系統(tǒng)存在相關(guān)數(shù)據(jù)缺失等現(xiàn)象，對(duì)后續(xù)的管道施工保養(yǎng)工作產(chǎn)生一定的影響。在施工過程中容易出現(xiàn)挖壞管道的現(xiàn)象，造成停水、停電、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)中斷等問題，影響人們的正常生活，甚至威脅到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。為了更好地對(duì)城鎮(zhèn)地下管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行管理，需要將地下管網(wǎng)的建設(shè)工作變得可視化，利用新一代信息技術(shù)對(duì)地下管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行綜合管理，提高使用者對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理能力，更有利于了解地下管網(wǎng)系統(tǒng)的分布和運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管網(wǎng)的可視化動(dòng)態(tài)管理。

1 地下管網(wǎng)可視化研究概述

可視化研究指的是人們將一些數(shù)據(jù)信息通過計(jì)算機(jī)技術(shù)轉(zhuǎn)化為更加直觀的圖像形式。相對(duì)于堆列的數(shù)據(jù)而言，人們往往對(duì)圖像、圖形等信息的接收更加迅速，再通過圖像等內(nèi)容對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理?？梢暬夹g(shù)可以生動(dòng)形象地表達(dá)大量數(shù)據(jù)的規(guī)律和主題。目前可視化研究已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，極大提高了人們的工作效率。

城鎮(zhèn)地下管網(wǎng)包括燃?xì)狻⑴潘?、電力、通信等多個(gè)種類的管道。工作人員通過各類管道的數(shù)據(jù)信息難以直觀地了解管網(wǎng)系統(tǒng)，施工過程中可能會(huì)產(chǎn)生一些問題。地下管網(wǎng)可視化是利用計(jì)算機(jī)將管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為易于理解的圖像信息，使人們看起來更加直觀。實(shí)現(xiàn)地下管網(wǎng)可視化需要借助地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)，將地下管道的位置、形狀、尺寸等信息呈現(xiàn)出來，有利于工作人員針對(duì)后續(xù)的工作制定科學(xué)的計(jì)劃和措施。

2 城鎮(zhèn)地下管網(wǎng)可視化在建設(shè)中存在的困難

隨著城鎮(zhèn)建設(shè)的不斷發(fā)展，地下管網(wǎng)系統(tǒng)及其附屬設(shè)施越來越復(fù)雜，地下管網(wǎng)信息管理平臺(tái)已經(jīng)難以滿足當(dāng)前的發(fā)展需求。目前，我國在城鎮(zhèn)地下管網(wǎng)的管理方面，信息化技術(shù)的運(yùn)用程度還普遍較低，即使有部分城鎮(zhèn)在地下管道的建設(shè)和管理方面使用信息化技術(shù)，也只是針對(duì)少數(shù)種類的管道，并且鋪設(shè)范圍較小。這些問題對(duì)城鎮(zhèn)的發(fā)展和規(guī)劃產(chǎn)生了一定的阻礙，為了解決這些問題，需要對(duì)這些問題進(jìn)行分析研究。

2.1 缺乏統(tǒng)一平臺(tái)監(jiān)管協(xié)調(diào)

目前我國城鎮(zhèn)地下管網(wǎng)系統(tǒng)由許多不同的部門監(jiān)管，沒有統(tǒng)一的管道管理平臺(tái)和數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。各單位只對(duì)自己所監(jiān)管的地下管道相關(guān)信息有所了解，對(duì)其他類型管道信息缺乏了解。例如，供水公司的工作人員只熟悉排水管道相關(guān)數(shù)據(jù)信息，而燃?xì)夤局皇煜と細(xì)夤艿老嚓P(guān)數(shù)據(jù)信息，并且管理部門往往只重視地下管道的施工結(jié)果，而忽視了在地下管道施工過程中的一些相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在存檔方面存在一些問題，就給后續(xù)管道維護(hù)保養(yǎng)及優(yōu)化等工作帶來了困擾[1]。工作人員在施工過程中，由于缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可能出現(xiàn)挖壞、錯(cuò)挖管道等現(xiàn)象，導(dǎo)致城鎮(zhèn)停水、停電，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)受影響，嚴(yán)重影響了人們的正常生活，甚至威脅到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2.2 管道錯(cuò)綜復(fù)雜使可視化不易實(shí)現(xiàn)

城鎮(zhèn)地下管網(wǎng)可視化需要借助相關(guān)信息化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，而目前信息化技術(shù)在我國城鎮(zhèn)地下管網(wǎng)在建設(shè)和規(guī)劃中應(yīng)用程度不高，阻礙了城鎮(zhèn)地下管網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展。城鎮(zhèn)地下管網(wǎng)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展變得越來越復(fù)雜，鋪設(shè)規(guī)模越來越大，大量的數(shù)據(jù)需要借助信息化手段來處理。但目前城鎮(zhèn)地下管網(wǎng)的主要表現(xiàn)形式仍是二維平面圖，缺乏三維模型圖，這就難以使人們對(duì)城鎮(zhèn)地下管道有直觀的了解。工作人員無法通過二維平面圖得到各管網(wǎng)系統(tǒng)的連接情況，地下管路的空間表現(xiàn)力受到一定的阻礙，尤其是對(duì)一些相互交叉的管路系統(tǒng)，工作人員更加難以對(duì)其進(jìn)行空間分析。

2.3 數(shù)據(jù)信息與地圖不一致

管網(wǎng)系統(tǒng)并不是孤立于城鎮(zhèn)地底下，管網(wǎng)鋪設(shè)范圍內(nèi)的地形結(jié)構(gòu)及地面上的建筑設(shè)施直接影響地下管網(wǎng)的建設(shè)和規(guī)劃，地下管網(wǎng)可視化研究需要結(jié)合城鎮(zhèn)實(shí)際地圖。目前我國地下管網(wǎng)系統(tǒng)在定位空間坐標(biāo)方面還不夠精確，對(duì)城鎮(zhèn)地圖的精確性產(chǎn)生一定的影響，在空間數(shù)據(jù)的表達(dá)方面缺乏柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及柵格矢量一體化結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，影響地下管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與實(shí)際地面場景的一致性。

2.4 可視化技術(shù)人員缺乏系統(tǒng)性培訓(xùn)

城鎮(zhèn)地下管網(wǎng)的可視化工程是一個(gè)系統(tǒng)性的工程，要求從業(yè)人員必須能夠熟練掌握可視化軟件的操作。但是大部分的作業(yè)人員都沒有經(jīng)過系統(tǒng)性基礎(chǔ)培訓(xùn)，少部分人員即使在學(xué)校學(xué)過該專業(yè)，但技能掌握并不精通，加上態(tài)度不夠認(rèn)真，畫出的管道圖錯(cuò)漏百出，沒有參考價(jià)值。

3 實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)地下管網(wǎng)可視化的技術(shù)

如果能用技術(shù)手段構(gòu)建統(tǒng)一的協(xié)調(diào)監(jiān)管平臺(tái)，將錯(cuò)綜復(fù)雜的管道3D化，將數(shù)據(jù)信息存檔并及時(shí)更新，便可以解決以上的問題。目前，實(shí)現(xiàn)可視化最方便的三個(gè)技術(shù)分別是OpenGL、GIS以及3DMAX技術(shù)。

3.1 基于OpenGL的管網(wǎng)系統(tǒng)可視化

為了使交互復(fù)雜的城鎮(zhèn)地下管網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可視化，可以借助開放圖形庫（Open Graphics Library，OpenGL）來建立地下管網(wǎng)三維模型。OpenGL通過一定的算法將2D平面圖進(jìn)行渲染，轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的三維立體結(jié)構(gòu)。工作人員將地下管道平移到指定位置，再進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)任意角度的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[2]?；贠penGL的城鎮(zhèn)地下管網(wǎng)系統(tǒng)可視化的程序設(shè)計(jì)如圖1所示。工作人員先對(duì)地下管網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集，將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫（Oracle RDBMS）中；工作人員對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化處理，解析為有序、有起點(diǎn)和終點(diǎn)的數(shù)據(jù)序列，也叫做數(shù)據(jù)流，再根據(jù)數(shù)據(jù)流完善管道場景圖、外觀等信息。

地下管網(wǎng)可視化三維結(jié)構(gòu)可以通過數(shù)據(jù)坐標(biāo)來顯示。先建立地下管道的起點(diǎn)坐標(biāo)（x1，y1），經(jīng)過計(jì)算得出同一平面內(nèi)其他管道連接點(diǎn)的坐標(biāo) （xn，yn），再和數(shù)字高程模型相結(jié)合形成三維坐標(biāo)系（xn，yn，zn）[3]。繪制地下管網(wǎng)三維圖形是將數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為圖像模型的過程，工作人員可以通過一系列空間變換將管道三維效果圖呈現(xiàn)在屏幕上。例如，在OpenGL中的坐標(biāo)變換矩陣線可以對(duì)管道圖像進(jìn)行幾何變換，棧頂是當(dāng)前管道的變換矩陣，管道的齊次坐標(biāo)乘以這個(gè)變換矩陣，就可以得到在場景中的實(shí)際坐標(biāo)。

3.2 基于GIS技術(shù)的數(shù)據(jù)建?？梢暬?/h3>

工作人員可以利用GIS技術(shù)對(duì)城鎮(zhèn)地下管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模。目前越來越多的城鎮(zhèn)地區(qū)建立了基于GIS技術(shù)的地下管網(wǎng)信息平臺(tái)，可以快速將2D地下管網(wǎng)平面圖轉(zhuǎn)化為三維模型。GIS中的坐標(biāo)系與基準(zhǔn)面和投影兩方面參數(shù)有關(guān)，工作人員需要確定地圖投影和基準(zhǔn)面的含義以及它們之間的聯(lián)系，保證GIS系統(tǒng)坐標(biāo)系的準(zhǔn)確性[4]。工作人員先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)包括不同系統(tǒng)的管道尺寸、坐標(biāo)、材質(zhì)等信息，之后創(chuàng)建地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)平臺(tái)會(huì)根據(jù)管道的類別做出智能化響應(yīng)，由起始管道開始讀取數(shù)據(jù)，再將各管道相互連接，最終生成三維可視化模型，包括對(duì)管道起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算及管道角度的信息、管線三通、四通結(jié)構(gòu)模型信息以及管道的紋理、材質(zhì)、顏色等信息。圖2為三維管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)模型建立流程圖。

圖2 三維管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)模型的建立

3.3 基于3DMAX格式文件的三維建模

AutoCAD文件的格式為DXF，它也是國際通用圖形數(shù)據(jù)。工作人員可以利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件對(duì)地下管網(wǎng)進(jìn)行三維建模，生成三維管網(wǎng)圖。這對(duì)城鎮(zhèn)地下管系統(tǒng)可視化研究具有重要的理論和實(shí)踐意義，其建模方式和GIS技術(shù)建模類似。DXF文件各層信息與地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，工作人員利用計(jì)算機(jī)訪問DXF文件，可以有序地讀取文件各層信息，如管網(wǎng)系統(tǒng)的坐標(biāo)數(shù)值、管道分類，再將管道其他附屬信息如管道材質(zhì)、尺寸、結(jié)構(gòu)、紋理等導(dǎo)入到系統(tǒng)中，就可以生成完整的數(shù)據(jù)庫[5]。系統(tǒng)通過讀取地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫信息，計(jì)算出管道的起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)、管道數(shù)量，進(jìn)而分析出管道的連接情況，使各管道的起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)、管徑值通過四角形擬合的形式建立起管道三維模型。工作人員在讀取LWPolyline線的實(shí)體數(shù)據(jù)時(shí)，先打開DXF格式文件，判斷LWPolylin是否在該實(shí)體區(qū)間碼范圍內(nèi)，然后對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析比較，最終讀取坐標(biāo)系、圖層名等相關(guān)信息。

4 結(jié) 語

地下管網(wǎng)系統(tǒng)是城鎮(zhèn)發(fā)展的生命線，加強(qiáng)城鎮(zhèn)地下管網(wǎng)可視化研究，對(duì)城鎮(zhèn)的安全和發(fā)展具有非常重要的意義。目前新一代信息化技術(shù)在我國城鎮(zhèn)地下管網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)中應(yīng)用程度整體還處于一個(gè)比較低的水平，針對(duì)地下管網(wǎng)可視化實(shí)現(xiàn)技術(shù)手段相對(duì)落后的狀況，相關(guān)人員應(yīng)該充分利用信息化技術(shù)，如基于OpenGL、測繪數(shù)據(jù)、CAD文件等形式構(gòu)建地下管道三維模型，實(shí)現(xiàn)地下管網(wǎng)的可視化研究，這對(duì)我國城鎮(zhèn)地下管網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)和規(guī)劃具有一定的促進(jìn)作用，有利于促進(jìn)智慧城市的實(shí)現(xiàn)。