三维可视技术在地下管廊管线探测中的应用

丁小彭 李文鹏 徐万祥

摘 要：随着社会的不断发展进步，城市的規模在不断扩大，如何合理地开发和利用城市的地下空间逐渐被人们所重视。近些年来，地下管线的数量在不断的增加，种类也越来越复杂，和地上工程建设的矛盾也渐渐突出，而地下管线是城市生存和发展的生命线，与人们的日常生活密切相关。地下管线的探测目的是为了明确城市地下管线的现状分布，建立完善的地下管线信息系统，三维可视化技术的应用可以帮助实现这一目标。文章介绍了地下管线探测的方法，以及三维可视化技术在地下管线探测中的应用，发现三维可视化技术的应用能很大程度的提高地下管线探测的工作效率和准确度。

关键词：三维可视技术;地下管廊;地下管线;探测方法;地下管线信息系统

中图分类号：U990.3;TP391.41 文献标识码：A 文章编号：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

随着科学技术的发展进步，我国的城市化建设也取得了一定成果，城市的基本设施建设也日益完善，地下管线的铺设是城市建设中重要的部门之一，地下管线是确保城市正常运行的重要基础设施，也是城市运行的“生命线”，它包括城市中的燃气、供水热力、排水，通信、电力、工业、广播电视等管道以及其他附属设施。对城市各种地下管线的探查和测绘即为地下管线的探测。由于技术和历史原因，对很对已经建成的地下管线的准确位置和埋深都已经无法得知，这使得如今日益扩大的管网系统的的维护和管理变得非常困难，因此需要技术人员应用科学合理地探测技术对地下管线进行探测，明确城市地下管线的现状分布，为城市地下空间的合理利用和城市化建设奠定基础。而在对地下管线的建模过程中，由于地下管线的错综复杂，又没有二维矢量图作为参考，应用传统测绘方法很难对地下管线进行测绘，所以科研人员采用三维可视化技术来实现对地下管廊管线的建模测绘。地下管线大多都是以圆形管线为主，所以这里研究了地下圆形管线的数据组织，以及地下管线的三维可视化。

1 管线数据组织

1.1 管线数据模型

空间实体模型和拓扑关系模型是商用地理信息系统中最常用的数据模型[1]。其中拓扑关系模型中应用的是Polyvrt结构，其主要记录的是链信息，相同的节点可以由多个不同的对象共同使用，能有效的节省存储空间，拓扑关系模型的缺点就是其结构相对复杂，很难对数据进行编辑和维护。空间实体模型则不同，尽管其公共节点会出现重复存储的现象，但是在对模型中的某个对象进行更改时不会对其他的对象造成影响，空间数据的可维护性大大提高。将这两种数据模型的优点相结合，可以得出一种既利于数据维护和编辑，又能节省存储空间的管线数据模型，如图1所示。

地下管线可以分为7个大类：热力、燃气、排水、给水、电信、电力、工业，个大类下面还可以进行更细致的分类，例如排水管线可以分为雨水管线和污水管线等。可以将管线的基本几何数据划分为管线结合点、端点、附属设施特征点以及变径点等，将这节都成为管点。管线的在地下的分布形式较为多样，常有环状、树枝状、辐射状等形状，从变径点和交叉点的位置可以将每一条管线分成多条管线段，相应的管点将管线段连接起来，形成了一整条不间断的管线段。所以，可以将抽象地将每一条管线认为是附属设施和管线段的组成。

1.2 管线模型构造原理

1.2.1 多边形折线逼近法

在该方法中形体的棱边用直线段表示，形体的表面则用平面表示，如果形体的外表有弯曲则用逼近法表示[2]，也就是形体中的曲线用连续的小直线段表示，曲面则用连续的小曲平面表示，如图2所示。

1.2.2 管线表面的微积分处理

在平面图3中，管线通常使用管线的中心线来表示的，在图上一段管线会由一条直线来表示，但是在三维透视图中，通常用圆柱面来表示一段管线，该圆柱面的轴心即为管线的中心线，其半径为管线在该处截面半径。现实中管线都是中空的，利用点-线-体的思想能够帮助点-面-体的实现，也就是利用特征点来生成平面，然后利用折线逼近法将生成的平面逼近圆柱表面。

1.2.3 管线连接处圆滑处理

三维透视图中，管线段是由首尾相接的虚拟圆柱面构成，对管线连接处进行圆滑过渡处理，能使虚拟的管线更加形象逼真，同时对整个三维系统的运行速度不造成影响。处理的方式是用圆弧代替管线中心线的拐角，圆弧的弧度为管线相邻中心线之间的夹角弧度，半径与管线的半径相同，经过圆滑处理后再对管线中性线进行分段处理。每段管线用圆柱面进行模拟，用斜圆柱面对拐弯处进行模拟，最后将所有的圆柱面进行收尾相接，最后在三维场景中进行光照设置，就能实现虚拟管线与真实管线在视觉上十分接近。

1.2.4 管线段的连接

管线段与管线段之间的连接处通常为管线变径或者管线分叉，实际生活中，都是由变径接头、阀门、三通都附属设施进行连接的[3]，所系在三维系统中，会将其进行抽象建模，将它们作为立体符号在数据库中进行存储。在三维透视图中显示时，可以由管线的走向对附属设施的角度进行调整，实现管线与附属设施之间的紧密结合。

1.3 管线模型计算

1.3.1 管线起始处各个顶点的计算

管线中心线在三维空间中的方向可以由中心线的两个其实节点坐标确定，将O-XYZ作为固定坐标系，而o-XYZ作为参考坐标系，这里定义参考坐标系的原点和管线中心线起始节点相重合，规定固定坐标系的某个轴与x轴方向平行，管线中心线的第一段与z轴重合，如图4所示。从圖中可以看出固定坐标系可以由参考坐标系旋转平移获得，根据空间解析几何的知识可以知道[4]，在管线边缘任取一个顶点a，其在固定坐标系和参考坐标系中的关系式可以表达成：

将关系式用矩阵的形式可以表示为：

矩阵中坐标点代表的是在固定坐标系中参考系坐标的源点的坐标，而这就个系数是两轴系间的方向余弦，也就是：

cosXx表示的是固定坐标系中的 X 轴与参考系坐标系中的轴之间的方向余弦，也就是这两个轴之间的夹角的余弦，夹角的范围在0～180°。根据以上关系式以及已知条件，既可以获得固定坐标系中管线起始点位置各个顶点的坐标，也就是我们需要的真实三维坐标。

1.3.2 管线中心线其余分段点处边缘顶点坐标的推算

根据之前已有的起算数据，在进行一定的代数运算，即可一步步算的其他边缘顶点的坐标。

2 管线系统交互操作

2.1 管线的编辑

因为我们已经将每一条管线都分成了多个单一的管线段，所以在对管线进行编辑操作时会非常的简单。例如进行管线添加操作时，只要在系统中输入增加管线的各个管线段的起始节点与中间节点的颜色、半径以及空间坐标即可，输入这些数据后系统就能够自动地将虚拟管线建立并显示出来，同时通过数据库查找和空间分析可以知道新增管线和已经存在的管线之间的拓扑关系，如果管线之间有连接关系。系统会根据指定的管件自动匹配连接。管线删除操作就更为简单了，直接选取要删除的管线进行删除即可。

2.2 管线的查询分析

管线的三维空间查询可以分为两种查询，即从属性到图形的查询和从图形到属性的查询，同时还可以对所查询的管线进行分析，例如报关分析、横纵断面分析、安全间距分析等等。地下管线大都被建筑物和地点多覆盖，将覆盖在管线上的建筑物和地面层去除后，可以用鼠标直接选取虚拟管线的表面，然后将获取到的窗口坐标转化为实际空间坐标，即可选中某条管线段。对管线段的空间数据文件进行搜索，能够得到这条管线段的标识符以及其所在的管网层，根据管线段的标识符可以对管线的空间数据文件进行索引，即可获取这条管线段所在的管线的标识符，进而就确定了所选取的管线。

2.3 三维管线系统的构件

根据文中所分析的建模方法和管线数据组织，结合OpenGL和Visual C++开发工具，即可实现三维管线系统的开发，系统中重点对地下管线进行三维建立和显示，地面和地面上的主要建筑物可以用三维文字简单表示，将地面设置为半透明，这样即可是地下管线的可见度大大提高，操所人员可以通过控制键盘和鼠标，在多建立的三维场景中随意浏览，对管线进行编辑、查询以及分析操作。

3 地下管线的探测

地下管线是一种隐蔽性工程，因此在确定地下管线的准确位置时，有很高的技术要求，在地下管线的探测过程中需要科学的探测技术，只有这样才能获得准确的数据，并编制成图，也利于后面地下管网信息系统的建立。

3.1 地下管线探测的精度要求

地下管线隐蔽管线点的探查精度埋深测量要求如表1所示。明显的管线点的探测精度要求埋深测量限差为±5cm[5]。

地下管线点的测量精度要求中，平面位置的测量误差要小于±5cm，高程测量误差要小于±3cm。

3.2 探查方式的有效性分析

在对地下管线进行探测时，需要结合仪器探测和实地调查的方法进行，第一步需要确定的就是探测区域内埋设的地下管线和土壤是否寻在明显的物性差异，这样才可以采用物探的方法对探测区域进行探测。此外在对管线进行探测之前，需要选取具有代表性的路段进行物探试验，以及探测仪一致性对比试验，这样可以确定探测应的性能，对探测仪的各种探测数据误差进行掌控，经过试验确保仪器功能正常后，才可以将其应用到地下管线的正式探测中。

3.3 地下管线的探测方法和仪器选择

在对地下管线进行实际探测时，第一步需要考虑的就是地下管线的不同类型、不同材质同周围介质之间的物性参数差异，根据物性参数差异确定是否是适合用仪器进行探测，然后结合考虑工期和成本因素，选择合适的探测方法，例如常用的有地质雷达法、电磁法、高密度电法、高精度磁法以及浅层地震波法等[6]。

3.3.1 地质雷达法

该方法也被称为地质雷达剖面扫描发和探地抵达法，它是由脉冲雷达系统向地下连续的发射高频电磁波，由于地下管线都不同物质的介质不同，会接受到不同的反射电磁波，并且会在显示器上显示反射图像，然后应用相应的软件对图像进行分析，就可以确定地下管线的深度和埋设位置等信息。

3.3.2 电磁感应法

目前地下管线探测中最常用的方法就是电磁感应法，它是通过电磁场对管线进行激发，是管线中产生感应电流，进而进程相应的电磁场，然后通过探测仪器对磁场分布情況进行探测，从而确定地下管线的位置。

3.3.3 高密度电法

这种方法的原理是以管线和周围介质所寻在的电性差异为基础，然后对不同极距的电位差进行观测和分析，最后对管线的平面位置和深度进行确定。在使用高密度电法对地下管线进行探测时，其电极布置可以一次性完成，然后通过程控方式可以实现供电极与接收极的自动组合和切换[7]，这样就能够一次性采集大量的数据，最后应用相应的软件进行数据处理分析即可达到探测地下管线准确位置的目的。

3.3.4 高精度磁测法

这种探测方法的探测基础是管线和周围介质所存在的磁性差异，通过对地质体的次方分布特征的分析可以获取地下管线的平面位置和深度。铁磁性的管线会在地磁场的作用下被磁化，导致其磁场和周围介质存在明显的差异。高精度磁测法正是通过相应的仪器来确定地下管线的具体位置的，这种方法施工简便、仪器轻便，但是其信号容易收到干扰，此外这种方法更适合用来探测铸铁管道这一类的铁磁性地下管线。

4 地下管线探测中可视化技术的应用

地下管线是城市运行的生命线，地下管线的探测目的是为了了解城市地下管线的具体分布状况，对城市的规划建设具有重要意义。目前，技术人员已经可以熟练的应用各种科学方法对地下管线进行探测，并最终确定地下管线的具体位置，然后将这些探测数据收集起来，编制对应的城市管线分布图形，但是以往绘制的大多都是二维图形，随着城市的飞速发展，地下管线的数量也在急剧增加，传统的二维图形已经无法准确的表现各个管线之间的空间关系了，例如有些管线的分布交错纵横，或者垂直与地面，这样在二维平面图上就只能用一个点来标注，不够直观清晰，所以我们需要一种三维的视图来更加直观的显示地下管线的分布状况，三维可视化技术可以帮助实现这一目标，利用三维可视技术对所收集的管线探测数据进行建模，然后结合OpenGL和Visual C++等各种开发工具，可以建立一个三维管线系统，在该系统中可以能够十分直观的看到地下管线的空间分布情况，利用键盘和鼠标即可在三维场景中漫游，随时可以对管线进行编辑、查询和分析[8]，将这种三维可视化技术应用到地下管线的探测中，能够使得探测数据的利用率大大提高，也能十分直观的了解到地下管线的空间分布，同时可以对视对地下管线进行编辑，更改、新增、删除等等都十分便利，能大大提高城市地下管线探测的工作效率。

5 结语

随着我国城市化建设的进程不断加快，城市地下管线的敷设也日益增加，这也使得地下管线的探测难度大大增加，在实际探测过程中，根据管线的类型、材质以及测区地质条件选择合理地探测方法，可以实现对线下管线的准确探测，但是对着地下管线的日益增加，其分布状况变得错综复杂，二维图形无法表示出各个管线之间的空间关系，图形也不够直观清晰，所以需要一种更加直观立体的三维视图来显示地下管线的分布状况，将现代三维可视化技术与OpenGL和Visual C++等各种开发工具相结合，可以建立一个三维管线信息系统，系统可以十分直观的显示地下管线的各种空间关系，并且随时可以对地下管线进行编辑、查询和分析，使得地下管线的探测工作能更加高效的进行。

参考文献

[1]吴良才，陶国强，李大军.城市地下管线三维模型的实现[J].测绘科学，2005，30（06）：109-113.

[2]许婷，景艳龙.基于OpenGL的城市管线GIS系统三维模块的开发[J].地理空间信息，2009，7（2）：126-129.

[3]陈卫青，张健雄.三维数据模型及地下管网的萨内建模[J].测绘与空间地理信息，2007，30（2）：48-53.

[4]刘广社，王浩.基于OpenGL的管线三维显示方法研究[J].城市勘测，2007（1）：48-52.

[5]赵俊兰.地下管线探测综合模式探讨[J].北方工业大学学报，2005（1）：42-46.

[6]杨向东，聂上海.复杂条件下的地下管线探测技术[J].地质科学情报，2005，7（24）：128-133.

[7]杨晓慧，蔡宽余.城市地下管线信息关系系统的设计[J].上海地质，2005（2）：30-35.

[8]杜国明，龚健雅，熊汉江，等.城市三维官网的可视化及其功能实现的关键技术[J].武汉大学学报，2002，27（5）：1-5.