基于可視化技術(shù)的地下管線探測研究

張志剛

近年來，我國的城市化建設(shè)越來越完善，地下管線的建設(shè)既是城市建設(shè)的基礎(chǔ)也是關(guān)鍵，可以說是城市運行中的“生命線”。城市地下的管線主要包括一些電力、通信、工業(yè)等管道，可以向城市的各個地方輸送能源，是城市正常運行的保障。很多地區(qū)由于技術(shù)和時間的原因，地下管線的位置與深度已經(jīng)無從知曉，如果還運用傳統(tǒng)的探測方法很難進(jìn)行，因此，利用可視化技術(shù)對城市的地下管線進(jìn)行探測是必然趨勢。

本實用新型提供了一種可視化地下管線探查儀,它包括可伸縮的操作桿，在操作桿的一端設(shè)有用于測量人員操作的手持部，另一端固定設(shè)有用于采集地下管線圖像信息的視頻采集機構(gòu)，所述視頻采集機構(gòu)上集成有WIFI發(fā)射器，并設(shè)有電源機構(gòu)，所述電源機構(gòu)的電源輸出端連接視頻采集機構(gòu)，視頻采集機構(gòu)通過WIFI發(fā)射器與外部測量人員手中的移動可視終端無線連接。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、功能完善，不僅能夠為測量人員提供更為安全的工作環(huán)境，同時對地下線路的檢測結(jié)果更為精確。本實用新型適用于對任意設(shè)于地下的設(shè)備進(jìn)行信息采集。

1 地下管線探測相關(guān)概述

城市的地下管線的情況影響著城市的發(fā)展建設(shè)，因此要掌握地下管線的實際情況，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，有利用對管線的實際情況進(jìn)行實時監(jiān)控，保障正常運行。

1.1 地下管線的管理現(xiàn)狀

（1）地下管線資料的更新問題。很多城市針對已經(jīng)擴(kuò)建、新建以及修改過的地下管線相關(guān)資料，并沒有及時的將檔案報送給檔案部門，對修改過的地下管線專業(yè)圖沒有進(jìn)行及時的補充，導(dǎo)致地下管線的真實情況不能得到準(zhǔn)確的反映出來，影響工作人員對管線的準(zhǔn)確探測。

（2）管線數(shù)據(jù)的質(zhì)量問題。在探測的過程中，所用探測儀器以及方法不同，那么獲取到的管線數(shù)據(jù)是存在差異的，有的探測數(shù)據(jù)甚至存在很大的誤差，就不能作為數(shù)據(jù)參考。

（3）對城市管線建設(shè)的規(guī)劃問題。一些城市對地下管線的建設(shè)缺乏合理的規(guī)劃，還有的對制定的計劃沒有嚴(yán)格的執(zhí)行，并且在管理上也比較混亂。由于管線的種類很多，并且都隸屬于各個不同的工作單位，存在著很多設(shè)計上、管理方法上的不同意見，做不到統(tǒng)一，致使管線的管理和埋設(shè)比較混亂。

（4）對地下管線數(shù)據(jù)的管理問題。在地下管線的管理中，最重要的就是地下管線的數(shù)據(jù)管理，管線的數(shù)據(jù)要具備有效性、權(quán)威性以及現(xiàn)勢性，就一定要建立一個現(xiàn)代化的管理機制。各個地方對地下管線數(shù)據(jù)的管理水平和方法不同，還有的地區(qū)甚至沒有建立管線的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，有些地方即使建立了，由于建立的平臺和方法的不同，而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能交換、共享。

（5）地下管線的動態(tài)更新機制問題。很多發(fā)達(dá)城市已經(jīng)對地下管線情況進(jìn)行普查，將獲取到的數(shù)據(jù)信息建立了綜合的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)。但是，近些年隨著城市的不斷發(fā)展，地下管線的規(guī)模也不斷的擴(kuò)大，若要保證地下管線信息的現(xiàn)勢性，就要建立動態(tài)的更新機制。

（6）對地下管線普查多通過窨井、管溝進(jìn)行探查?，F(xiàn)今地下管線普查中對窨井、管溝中管線的調(diào)查還停留在人工下井作業(yè)的方式，而窨井、管溝內(nèi)通?？臻g狹窄，導(dǎo)致測量人員作業(yè)困難，工作人員在井下測量時無法直接測量管線點，造成測量的結(jié)果存在測量誤差，而且測量人員需要在現(xiàn)場以手工繪制草圖和填表進(jìn)行記錄，增大了測量誤差，甚至產(chǎn)生錯誤記錄。

1.2 地下管線探測特點及內(nèi)容

由于地下管線是埋藏在地下的，只能通過一些專業(yè)的檢測設(shè)備進(jìn)行檢測，埋藏在地下的管線情況具有很多的未知性，對于管道的屬性、所處的空間位置及其之間的聯(lián)系都是看不見的，在沒有掌握精準(zhǔn)的情況下進(jìn)行探測，會對檢測結(jié)果的質(zhì)量產(chǎn)生影響的。因此，要想保證探測結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須要制定相關(guān)完善的探測流程。地下探測項目由探查和測量組成，探查的對象主要是地下管線的鋪設(shè)情況、找到在地面上的投影位置并做好相關(guān)標(biāo)記，測量工作主要任務(wù)就是對地下管線圖進(jìn)行測繪。兩者雖然是處于不同階段的工作，但是互相之間是需要緊密配合完成的。

1.3 可視化系統(tǒng)技術(shù)

可視化主要是將一些沒有規(guī)律的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成可視化的圖像，地下管線的地理位置與聯(lián)系錯綜復(fù)雜，數(shù)據(jù)也是十分多樣化的，因此，可視化技術(shù)可以通過計算機的圖形學(xué)原理和對數(shù)字圖像的處理技術(shù)，把收集到的復(fù)雜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖像，從而準(zhǔn)確了解地下管線的實際情況。

2 地下管線的探測研究

2.1 地下管線數(shù)據(jù)模型

地下管線大致由7個大類組成，一般主要包括熱力、排水、電信、工業(yè)等，每個大類還可以更細(xì)致清晰的分成各小類。地下管線的分布十分錯綜復(fù)雜，形狀也各有不同，通常是以環(huán)狀、輻射狀、樹枝狀等形式存在，可以將變徑點的位置每一條線都分成若干條管線段，交叉點的位置也是一樣，在將相應(yīng)的觀點用線段連接起來，這樣一來，就變成了一條連續(xù)的管線段。

2.2 地下管線模型的計算

假設(shè)一個三維空間的坐標(biāo)圖，O-XYZ和o-XYZ分別代表的是固定坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系，圖中管線中心線的節(jié)點起始點與參考坐標(biāo)系的原點相重合。將參考坐標(biāo)系進(jìn)行旋轉(zhuǎn)后平移可以得到固定坐標(biāo)系，通過幾何知識解析，將管線的邊緣上任意選取一個頂點，用a來表示，那么參考坐標(biāo)系與固定坐標(biāo)系的關(guān)系表達(dá)式可以表示為：

如果將公式用矩陣的形式可以表示為：

將矩陣中參考坐標(biāo)系的源點坐標(biāo)在固定坐標(biāo)系中用（x0,y0,z0）坐標(biāo)點表示，那么兩軸系間的方向余弦就是a1-c3,也就表示為：

通過上述的公式和相關(guān)條件就可以得出，在固定坐標(biāo)系中管線的起始點位置中每個頂點的坐標(biāo)，就是最終真實的三維坐標(biāo)。

2.3 可視化系統(tǒng)技術(shù)

2.3.1 地下管線探測的精度要求

地下管線隱蔽管線點探查的精度要求。對于明顯的管線點的探測精度也是有要求的，埋深測量的最大誤差要限制到±5㎝，平面位置的測量誤差不能超過±5㎝。隱蔽管線點探查精度要求。

2.3.2 地下管線的探測方法及儀器的選擇

在地下管線的探測過程中，首先要考慮到不同種類、不同材質(zhì)的管線間存在著物性參數(shù)的差異，而探測儀器的選擇正是由它們之間的物性差異決定的。選擇合適的探測儀器后就要考慮管線的探測方法，地下管線的探測方法主要有地質(zhì)雷達(dá)法、電磁感應(yīng)法、高精度磁法以及高密度電法等。

（1）地質(zhì)雷達(dá)法。該檢測方法主要是通過脈沖雷達(dá)系統(tǒng)向地下連續(xù)發(fā)射高頻的電磁波，地下管線的種類不同，周圍的介質(zhì)也不同，就會有不同的反射電磁波被接收到，并且以反射圖像的形式在顯示器上呈現(xiàn)出來。工作人員會利用相應(yīng)的軟件對圖像進(jìn)行分析，最后就可以確定出地下管線的深度及埋設(shè)位置的相關(guān)信息等。

（2）電磁感應(yīng)法。電磁感應(yīng)法可以說是在地下管線的探測中最常用的方法，該方法主要是通過電磁場激發(fā)管線使其產(chǎn)生感應(yīng)電流，形成相應(yīng)的電磁場，再利用儀器探測該磁場的分布情況，從而探測出地下管線的具體位置。

（3）高密度電法。該探測方法主要是通過管線和周圍的不同介質(zhì)間所存在的差異性出發(fā)，觀測和分析不同極距之間的電位差，從而確定出地下管線的平面位置和深度。在使用該方法對地下管線探測過程中，可以把電極一次性的布置完成，再利用程控方式將供電極和接受極進(jìn)行自用的組合和相互切換，這樣一來，一次探測就可以收集到大量的數(shù)據(jù)信息，通過對數(shù)據(jù)的分析處理能夠準(zhǔn)確的得出地下管線的位置。

（4）高精度磁測法。該檢測方法主要是利用管線和周圍介質(zhì)的磁性差異，對地質(zhì)體的次方分布特征進(jìn)行分析來完成的。高精度磁測法在探測過程中主要是通過儀器來確定地下管線的具體位置的，相對于其他方法，這種檢測方法更加的簡便、易操作。但由于該方法主要是將磁鐵性的管線通過地磁場的作用進(jìn)行磁化，最終導(dǎo)致磁場和周圍的介質(zhì)產(chǎn)生差異來完成的，所以，很容易受到外界信號的干擾，對探測結(jié)果產(chǎn)生影響。目前，高精度磁測法一般用來探測一些鐵磁性的地下管線。

2.4 可視化系統(tǒng)技術(shù)

利用可視化技術(shù)對地下管線進(jìn)行探測，主要是把地下錯綜復(fù)雜的管線轉(zhuǎn)變成可以看得清楚的仿真模型，以供工作人員檢查和研究。在現(xiàn)實地下管線的探測中是將二維GIS技術(shù)與三維GIS技術(shù)相結(jié)合的條件下進(jìn)行的，三維可視化應(yīng)用系統(tǒng)要從模型中獲得數(shù)據(jù)，建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。城市的地下管線數(shù)據(jù)庫包括了二維和三維的地下管線數(shù)據(jù)庫，主要是實現(xiàn)地下管線在三維的空間中進(jìn)行查詢、統(tǒng)計、分析等功能

3 城市地下管線可視化系統(tǒng)建設(shè)案例分析

3.1 地下管線的探測工作流程

首先要準(zhǔn)確了解該城市所探測的地下管線的具體情況后，制定具體的工作流程。流程如下：收集資料→現(xiàn)場踏勘→物探方法試驗與儀器性能的校驗→填寫技術(shù)設(shè)計書，接下來要分別進(jìn)行物探和測量，并分別建立數(shù)據(jù)庫，最后將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，三維建模，在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，最后技術(shù)總結(jié)、成果提交、工程驗收。

3.2 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于城市的地下管線數(shù)據(jù)種類繁多、數(shù)據(jù)龐大，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)分析相對比較困難，因此，我們將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效的分類、標(biāo)準(zhǔn)化。網(wǎng)管的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化主要從要求和內(nèi)容上來分，根據(jù)要求可以具體分為兩個方面：

（1）專題數(shù)據(jù)，主要是對地下管線數(shù)據(jù)信息建立數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)和地下管線要素編碼的規(guī)范等。

（2）對數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)的管理，其主要包括地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)的管理、數(shù)據(jù)的核查管理、數(shù)據(jù)信息的變更、發(fā)布、安全等，要形成一個系統(tǒng)的、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理體系。根據(jù)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容主要從對信息的需求調(diào)查分析、將系統(tǒng)信息建立分類體系、對系統(tǒng)的各項進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的確定、制定地下管線數(shù)據(jù)的管理制度等幾個方面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

3.3 建立數(shù)據(jù)庫及成果分析

（1）首先對管線的屬性進(jìn)行檢查，例如地下水管線的編碼和對應(yīng)的種類是否符合，管線的類別與其連接的物品要一致，各類數(shù)據(jù)要檢查清楚，管線的坐標(biāo)位置也要檢查。其次，邏輯順序要進(jìn)行排查，一般來說，管線在連接的時候是具有一定的邏輯性的，例如水道管線，多條管線在連接時，可以將某一段管子作為一個衡量的點，之后定點穿過即可。最后，要檢查圖形標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化，各類管線在繪圖時，要以不同的顏色和圖形進(jìn)行區(qū)分。

（2）利用相關(guān)軟件對管線的情況進(jìn)行繪圖，在繪圖時所有的相關(guān)數(shù)據(jù)情況要經(jīng)過認(rèn)真的核查之后再進(jìn)行，要確保各個線路之間的分布排列要合理，首先要繪制形成一個草圖，再對草圖進(jìn)行檢查和數(shù)據(jù)的核查，在保證管線的各個方面準(zhǔn)確無誤的情況下，最終繪制成準(zhǔn)確的1:500的數(shù)字化管線圖。

（3）實驗成果分析。通過二維GIS和三維GIS技術(shù)的相結(jié)合，三維模型在實測到的1:500數(shù)字化地形圖上提取路網(wǎng)數(shù)據(jù)，在通過對道路的中心線、斑馬線、以及車道線的信息進(jìn)行采集，利用Photoshop軟件制作網(wǎng)路數(shù)據(jù)。根據(jù)1:500的數(shù)字地形圖中的建筑物信息進(jìn)行實景建模，制作地面的三維的城市模型，最終完成地下管線的二維和三維一體化的可視系統(tǒng)。傳統(tǒng)的二維圖形無法準(zhǔn)確的展示出城市地下各個管線之間的相互關(guān)系，利用三維可視技術(shù)建?？梢愿又庇^準(zhǔn)確的呈現(xiàn)出地下管線的分布情況，三維可視技術(shù)的應(yīng)用不僅可以準(zhǔn)確的完成對地下管線的探測，還可以對已經(jīng)完成的模型進(jìn)行編輯、修改以及刪除的相關(guān)工作。在確保方案的可行性之后，根據(jù)初步的實驗成果和相關(guān)數(shù)據(jù)資料，制定出最后比較完善的實驗成果。三維可視技術(shù)軟件在應(yīng)用過程中更加直觀、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、效率高、用戶體驗感很好。成果表明實驗設(shè)計具有科學(xué)性、可靠性和可行性，不僅提高了數(shù)據(jù)的利用率，同時也提升了地下管線探測的工作效率。

4 結(jié)語

隨著地下管線規(guī)模的擴(kuò)大，各個管線之間的分布排列情況也更加的錯綜復(fù)雜，對于傳統(tǒng)的二維圖形很難表示出管線之間復(fù)雜的空間關(guān)系，三維可視技術(shù)應(yīng)用彌補了二維圖形的缺陷。三維可視技術(shù)可以更好的呈現(xiàn)出管線之間的空間關(guān)系，讓各個管線之間的分布、排列更加的直觀、清晰，并且可以對地下管線進(jìn)行編輯、修改、分析等操作，不僅實現(xiàn)了地下管線的探測，還很大程度上提高了探測工作的效率與精準(zhǔn)程度，為建筑施工及地下勘探提供有力的技術(shù)保障。