地下排水管线信息可视化研究

2022-05-09黄爽伍亮马圣敏蔡永香王雨轩王倩

城市勘测 2022年2期

黄爽，伍亮，马圣敏，蔡永香，王雨轩，王倩

(1.长江大学地球科学学院，湖北武汉 430000； 2.长江地球物理探测(武汉)有限公司，湖北武汉 430000)

1 引言

长江经济带横跨中国东中西三大区域11个省市，以21.4%的国土面积承载全国42.8%的人口数量和42.2%的经济总量，是中国新时期经济发展的重要战略支撑。但是，随着工业化和城市化的持续推进，长江水环境质量受到严重的影响。长江沿岸化工产量在全国占比约为46%，聚集了全国43%的废水排放量[1]，此外，因受技术、理念、经济的制约，市政排水管道建设方案与小区排水管道建设方案不一致，城市管道混接现象比较普遍。各个排水分区内合流制[2]与分流制交替存在，很多城镇的排水系统紊乱[3]，导致废水无序排放，严重影响了长江流域水环境状况。针对以上状况三峡集团提出了城镇污水处理和环境综合治理问题的系统方案，以城镇污水处理为切入点，开展地下排水管线信息化排查工作，并实现排水管网的数字化和可视化，为后续的雨污分流[2]改造工程提供详细数据支持。

2 城镇地下排水管线信息可视化方案

地下排水管线作为城镇的重要基础设施，是城镇建设的“里子”工程，担负着城镇雨、污水排放等重要任务[4]。完整的地下排水管线资料是对管网排水能力、雨污分流改造可行性进行评估分析以及建立排水模型的基础。虽然在城镇新建区域，地下管线数据数字化建设已经得到较大程度改善，但城镇整体管线数据数字化建设中依旧存在如下问题：

(1)老旧城区地下排水管线信息没有数字化。这些信息主要依靠纸质记录，随着时间的推移，易于发生记录丢失的情况；此外，纸质版本资料零散，没有形成一个完整的体系，对新的工程建设无法发挥指导作用。

(2)地下排水管线“家底”不清，无法应对管线工程改造。伴随扩建改造和部分居民用户私接混接，城镇部分区域的地下管线变得更加复杂，在没有进行相关区域的地下管线摸查工作前，无法掌握确切的管线资料，导致不能较好地应对后期地下管线雨污分离工程改造。

针对城镇管线数据信息化建设的现状，我们提出了一套地下管线信息可视化的方案，包括地下管线探测、数据录入与检查、数据可视化(成图)三部分，如图1所示。

图1 管线信息化可视化流程

3 地下管线探测

针对明显易测管线采用的探测方法是开井量测、调查为主。通过采集管底埋深和管线点的平面坐标、地面高程、管线横截面的高度(管径和沟渠的高度)，计算出排水管线管底(顶)高程，由此可获得排水管线空间数据。调查对象包含排水防痨设施、管/沟渠的各种属性信息。其中管/沟渠的基本属性有材质、断面尺寸、类别、埋深、管线权属、载体、埋设方式等；排涝设施基本属性包括名称(雨/污水井、进/出水口等)、类别(雨水与污水)、类型(市政与非市政)、井深、特征。

目前，针对埋深隐蔽，流向不明等疑难管线的主流探测方法有地球物理方法(如：电磁感应法、探地雷达法)和非地球物理方法(如：惯性陀螺仪定位法、声学探测法)。其中，使用电磁感应法[5]探测金属管线具有显著的优势，在探查小口径电力、通讯电缆时都能保证较高的精准度。探地雷达作为一种高效的浅层地层探测技术，具有快速无损(不用开挖)、非接触、经济实惠等优点。而且该方法能探测金属和非金属管线，是目前探测PVC、PE、混凝土等非金属管线的首选。但以上两种探测方法的缺点都是其抗干扰能力和仪器的探测精度仍然有待提高。

近几年来，惯性陀螺仪定位法、声学探测法等非物理方法也逐渐得到应用和推广。其中惯性陀螺仪定位法[6，7]与探地雷达法相比，其优势在于不受电磁干扰，不受外部环境影响，不受管道材质和埋深影响。适用于非开挖、超长埋深管道探测。其缺点也是显而易见的，如使用成本高，探测管线必须有出入口等，故无法探测被堵塞管线，适用于测量新建成管线。声波反射法属于非接触方法，通过分析反射声波的特性来达到探测目的。该方法与探测雷达相比具有精度高、抗干扰能力高，可探测小口径管线的优势，其缺点则是探测深度更加有限，探测效果受地下介质密实度的影响较大，通常会和其他方法结合使用[8，9]。

在探测过程中常会面临不同种类、不同规格以及管线埋设混乱的情况，单一方法通常无法精确的探测所有管线，此时只能综合各法之所长，联合多种方法进行综合探测，才能实现对地下管线的精准定位。综合探测相比于单一方法探测要花费更多的人力、物力、财力，适合在工程施工的关键过程中使用。

4 数据录入与数据检查

采集的数据可通过手工录入或者文件导入的方式形成初探管线/点属性表。数据检查工作就是对采集的管线数据的属性检查、逻辑一致性检查以及进行三维碰撞分析[10]，进一步提高数据的正确性和真实性。

4.1 管线数据属性检查

(1)检查唯一性。保证各管线点和管线段分别在各自对应的库表中是唯一的存在，除特殊情况外各个管线点坐标在相应库中也应是唯一的存在。

(2)检查一致性。保证线库中包含的管线点必须存在于点库中，并具有唯一性。点库中的点会在线库中出现一次或者多次，特殊情况除外(如孤立井)，总体而言，二者应满足一对一或者一对多的点线关系。

(3)检查字段(属性)内容。检查各字段中的填写内容是否符合相关属性要求。如管线表中的流向要使用数字0和1来标识顺流和逆流。

(4)检查数据结构。检查各管线数据表名是否正确，字段名是否完整以及数据表字段属性是否满足规范要求。

4.2 管线数据逻辑一致性检查

(1)点库表与线库表中相关字段匹配检查。如点特征为出水口、进水口、预留口时，该管线点在对应线库表中只具有一个连接关系；线库中的管线埋深不能超过点库表中对应点井深，此外还需检查管线类型与断面尺寸数据间的合理性。

(2)线库表属性之间约束性检查。此项检查在所有检查中是最复杂，最烦琐的一项，但对保证管线数据的正确性和真实性却是不可或缺的。要根据不同管线类型及不同属性之间的关联关系建立逻辑关系，对线库中的数据进行细致的分析和检查。例如：对管线的不同字段进行极值检查，线库表中的管径为 500 mm的管线埋深不应小于 0.5 m；断面值为 300 mm 3 400 mm的砖石沟，其埋深不应小于自身深度与盖板厚度的总和。

4.3 三维碰撞检查

目前，三维碰撞检测首选方法是利用CAD平台建立三维模型，用其提供的三维实体进行布尔运算，查找出管线间存在的碰撞。其主要步骤包括：①根据管线位置坐标、埋深来计算管线轴线位置；②依据管线中轴线位置和管线横截面来建立管线三维模型；③利用管线三维模型间的布尔运算来判断管线是否碰撞。

虽然上述方法能够较好地完成三维碰撞检查，但存在效率低，对现有商用平台依赖性强等问题。韩李涛等[11]提出了一种沿公垂线方向投影的城市地下管线高效精准碰撞检测算法，该算法可脱离于CAD平台实现对三维空间管线碰撞检测，且具有精准的检查结果和良好的计算效率。

5 管线数据可视化

目前AutoCAD二次开发主要采用的是VBA、LISP、.NET、ObjectARX四种开发方式，从易学易用、满足实际工作需要角度来看，采用.NET进行管线数据可视化成图开发是一个较好的选择[12]。本文采取的方法是在AutoCAD平台上基于.NET进行管线成图插件开发。

5.1 插件定制与开发的基本要求

在进行插件开发的基本过程中不仅要遵循软件设计的一般原则，还需根据现场的实际工作情况满足以下三个基本要求：①科学可靠：对程序的结构设计，数据的管理、编绘出图应满足工程要求规范和工程实际需求；②易用性：开发过程中应该充分考虑操作人员的实际素质，以建立界面友好，操作便捷，性能稳定的插件为目标。③可扩展性：采用模块化设计，为不断增长的数据提供灵活扩展业务。

5.2 构建DWT模板

构建DWT模板流程主要包含进行图层设计、进行符号库设计、导出DWT文件模板，如图2所示。

图2 构建DWT模板流程

(1)雨污图层设计

为能够更好地对管线数据进行管理，对采集的地下排水管线按照雨污类型进行分类，分为雨水管线和污水管线。污水管线颜色设置为暗红色(RGB(127，0，0))，雨水管线颜色设置为青色(RGB(0，255，255))，使其在图纸上能有明显的区别。管线成图有管点，管线，流向等要素，为了能将要素合理分类展示，在AutoCAD中设计建立如下图层，如表1所示。

图层设计表表1

(2)符号库设计

CAD中的图块就是将多个实体组合成一个整体，并给这个整体命名保存，在以后的图形编辑中这些实体就会被视为一个整体的符号。图块能帮我们更好地组织工作，快速创建与修改图形，减少图形文件的大小，使用图块，可以创建自己所需的符号库，以备使用。我们根据不同管线点类型，分别设计了如下图3中所示的部分符号，并将其添加在当前文件的自定义块中。完成图层和符号库制作后，并保存为DWT模板文件。