基于可视化技术的地下管线探测研究

张志刚

近年来，我国的城市化建设越来越完善，地下管线的建设既是城市建设的基础也是关键，可以说是城市运行中的“生命线”。城市地下的管线主要包括一些电力、通信、工业等管道，可以向城市的各个地方输送能源，是城市正常运行的保障。很多地区由于技术和时间的原因，地下管线的位置与深度已经无从知晓，如果还运用传统的探测方法很难进行，因此，利用可视化技术对城市的地下管线进行探测是必然趋势。

本实用新型提供了一种可视化地下管线探查仪,它包括可伸缩的操作杆，在操作杆的一端设有用于测量人员操作的手持部，另一端固定设有用于采集地下管线图像信息的视频采集机构，所述视频采集机构上集成有WIFI发射器，并设有电源机构，所述电源机构的电源输出端连接视频采集机构，视频采集机构通过WIFI发射器与外部测量人员手中的移动可视终端无线连接。本实用新型结构简单、功能完善，不仅能够为测量人员提供更为安全的工作环境，同时对地下线路的检测结果更为精确。本实用新型适用于对任意设于地下的设备进行信息采集。

1 地下管线探测相关概述

城市的地下管线的情况影响着城市的发展建设，因此要掌握地下管线的实际情况，对其进行数据采集，建立相关的数据库，有利用对管线的实际情况进行实时监控，保障正常运行。

1.1 地下管线的管理现状

（1）地下管线资料的更新问题。很多城市针对已经扩建、新建以及修改过的地下管线相关资料，并没有及时的将档案报送给档案部门，对修改过的地下管线专业图没有进行及时的补充，导致地下管线的真实情况不能得到准确的反映出来，影响工作人员对管线的准确探测。

（2）管线数据的质量问题。在探测的过程中，所用探测仪器以及方法不同，那么获取到的管线数据是存在差异的，有的探测数据甚至存在很大的误差，就不能作为数据参考。

（3）对城市管线建设的规划问题。一些城市对地下管线的建设缺乏合理的规划，还有的对制定的计划没有严格的执行，并且在管理上也比较混乱。由于管线的种类很多，并且都隶属于各个不同的工作单位，存在着很多设计上、管理方法上的不同意见，做不到统一，致使管线的管理和埋设比较混乱。

（4）对地下管线数据的管理问题。在地下管线的管理中，最重要的就是地下管线的数据管理，管线的数据要具备有效性、权威性以及现势性，就一定要建立一个现代化的管理机制。各个地方对地下管线数据的管理水平和方法不同，还有的地区甚至没有建立管线的数据管理系统，有些地方即使建立了，由于建立的平台和方法的不同，而导致数据不能交换、共享。

（5）地下管线的动态更新机制问题。很多发达城市已经对地下管线情况进行普查，将获取到的数据信息建立了综合的数据信息系统。但是，近些年随着城市的不断发展，地下管线的规模也不断的扩大，若要保证地下管线信息的现势性，就要建立动态的更新机制。

（6）对地下管线普查多通过窨井、管沟进行探查。现今地下管线普查中对窨井、管沟中管线的调查还停留在人工下井作业的方式，而窨井、管沟内通常空间狭窄，导致测量人员作业困难，工作人员在井下测量时无法直接测量管线点，造成测量的结果存在测量误差，而且测量人员需要在现场以手工绘制草图和填表进行记录，增大了测量误差，甚至产生错误记录。

1.2 地下管线探测特点及内容

由于地下管线是埋藏在地下的，只能通过一些专业的检测设备进行检测，埋藏在地下的管线情况具有很多的未知性，对于管道的属性、所处的空间位置及其之间的联系都是看不见的，在没有掌握精准的情况下进行探测，会对检测结果的质量产生影响的。因此，要想保证探测结果的准确性，必须要制定相关完善的探测流程。地下探测项目由探查和测量组成，探查的对象主要是地下管线的铺设情况、找到在地面上的投影位置并做好相关标记，测量工作主要任务就是对地下管线图进行测绘。两者虽然是处于不同阶段的工作，但是互相之间是需要紧密配合完成的。

1.3 可视化系统技术

可视化主要是将一些没有规律的数据转化成可视化的图像，地下管线的地理位置与联系错综复杂，数据也是十分多样化的，因此，可视化技术可以通过计算机的图形学原理和对数字图像的处理技术，把收集到的复杂数据转化成图像，从而准确了解地下管线的实际情况。

2 地下管线的探测研究

2.1 地下管线数据模型

地下管线大致由7个大类组成，一般主要包括热力、排水、电信、工业等，每个大类还可以更细致清晰的分成各小类。地下管线的分布十分错综复杂，形状也各有不同，通常是以环状、辐射状、树枝状等形式存在，可以将变径点的位置每一条线都分成若干条管线段，交叉点的位置也是一样，在将相应的观点用线段连接起来，这样一来，就变成了一条连续的管线段。

2.2 地下管线模型的计算

假设一个三维空间的坐标图，O-XYZ和o-XYZ分别代表的是固定坐标系和参考坐标系，图中管线中心线的节点起始点与参考坐标系的原点相重合。将参考坐标系进行旋转后平移可以得到固定坐标系，通过几何知识解析，将管线的边缘上任意选取一个顶点，用a来表示，那么参考坐标系与固定坐标系的关系表达式可以表示为：

如果将公式用矩阵的形式可以表示为：

将矩阵中参考坐标系的源点坐标在固定坐标系中用（x0,y0,z0）坐标点表示，那么两轴系间的方向余弦就是a1-c3,也就表示为：

通过上述的公式和相关条件就可以得出，在固定坐标系中管线的起始点位置中每个顶点的坐标，就是最终真实的三维坐标。

2.3 可视化系统技术

2.3.1 地下管线探测的精度要求

地下管线隐蔽管线点探查的精度要求。对于明显的管线点的探测精度也是有要求的，埋深测量的最大误差要限制到±5㎝，平面位置的测量误差不能超过±5㎝。隐蔽管线点探查精度要求。

2.3.2 地下管线的探测方法及仪器的选择

在地下管线的探测过程中，首先要考虑到不同种类、不同材质的管线间存在着物性参数的差异，而探测仪器的选择正是由它们之间的物性差异决定的。选择合适的探测仪器后就要考虑管线的探测方法，地下管线的探测方法主要有地质雷达法、电磁感应法、高精度磁法以及高密度电法等。

（1）地质雷达法。该检测方法主要是通过脉冲雷达系统向地下连续发射高频的电磁波，地下管线的种类不同，周围的介质也不同，就会有不同的反射电磁波被接收到，并且以反射图像的形式在显示器上呈现出来。工作人员会利用相应的软件对图像进行分析，最后就可以确定出地下管线的深度及埋设位置的相关信息等。

（2）电磁感应法。电磁感应法可以说是在地下管线的探测中最常用的方法，该方法主要是通过电磁场激发管线使其产生感应电流，形成相应的电磁场，再利用仪器探测该磁场的分布情况，从而探测出地下管线的具体位置。

（3）高密度电法。该探测方法主要是通过管线和周围的不同介质间所存在的差异性出发，观测和分析不同极距之间的电位差，从而确定出地下管线的平面位置和深度。在使用该方法对地下管线探测过程中，可以把电极一次性的布置完成，再利用程控方式将供电极和接受极进行自用的组合和相互切换，这样一来，一次探测就可以收集到大量的数据信息，通过对数据的分析处理能够准确的得出地下管线的位置。

（4）高精度磁测法。该检测方法主要是利用管线和周围介质的磁性差异，对地质体的次方分布特征进行分析来完成的。高精度磁测法在探测过程中主要是通过仪器来确定地下管线的具体位置的，相对于其他方法，这种检测方法更加的简便、易操作。但由于该方法主要是将磁铁性的管线通过地磁场的作用进行磁化，最终导致磁场和周围的介质产生差异来完成的，所以，很容易受到外界信号的干扰，对探测结果产生影响。目前，高精度磁测法一般用来探测一些铁磁性的地下管线。

2.4 可视化系统技术

利用可视化技术对地下管线进行探测，主要是把地下错综复杂的管线转变成可以看得清楚的仿真模型，以供工作人员检查和研究。在现实地下管线的探测中是将二维GIS技术与三维GIS技术相结合的条件下进行的，三维可视化应用系统要从模型中获得数据，建立系统数据库。城市的地下管线数据库包括了二维和三维的地下管线数据库，主要是实现地下管线在三维的空间中进行查询、统计、分析等功能

3 城市地下管线可视化系统建设案例分析

3.1 地下管线的探测工作流程

首先要准确了解该城市所探测的地下管线的具体情况后，制定具体的工作流程。流程如下：收集资料→现场踏勘→物探方法试验与仪器性能的校验→填写技术设计书，接下来要分别进行物探和测量，并分别建立数据库，最后将收集到的数据进行合并，三维建模，在进行系统调试，最后技术总结、成果提交、工程验收。

3.2 数据的标准化处理

由于城市的地下管线数据种类繁多、数据庞大，直接进行数据分析相对比较困难，因此，我们将数据信息进行有效的分类、标准化。网管的数据标准化主要从要求和内容上来分，根据要求可以具体分为两个方面：

（1）专题数据，主要是对地下管线数据信息建立数据库的标准和地下管线要素编码的规范等。

（2）对数据中心数据的管理，其主要包括地下管网数据的管理、数据的核查管理、数据信息的变更、发布、安全等，要形成一个系统的、统一的数据管理体系。根据数据的标准化内容主要从对信息的需求调查分析、将系统信息建立分类体系、对系统的各项进行标准化的确定、制定地下管线数据的管理制度等几个方面进行标准化。

3.3 建立数据库及成果分析

（1）首先对管线的属性进行检查，例如地下水管线的编码和对应的种类是否符合，管线的类别与其连接的物品要一致，各类数据要检查清楚，管线的坐标位置也要检查。其次，逻辑顺序要进行排查，一般来说，管线在连接的时候是具有一定的逻辑性的，例如水道管线，多条管线在连接时，可以将某一段管子作为一个衡量的点，之后定点穿过即可。最后，要检查图形标准规范化，各类管线在绘图时，要以不同的颜色和图形进行区分。

（2）利用相关软件对管线的情况进行绘图，在绘图时所有的相关数据情况要经过认真的核查之后再进行，要确保各个线路之间的分布排列要合理，首先要绘制形成一个草图，再对草图进行检查和数据的核查，在保证管线的各个方面准确无误的情况下，最终绘制成准确的1:500的数字化管线图。

（3）实验成果分析。通过二维GIS和三维GIS技术的相结合，三维模型在实测到的1:500数字化地形图上提取路网数据，在通过对道路的中心线、斑马线、以及车道线的信息进行采集，利用Photoshop软件制作网路数据。根据1:500的数字地形图中的建筑物信息进行实景建模，制作地面的三维的城市模型，最终完成地下管线的二维和三维一体化的可视系统。传统的二维图形无法准确的展示出城市地下各个管线之间的相互关系，利用三维可视技术建模可以更加直观准确的呈现出地下管线的分布情况，三维可视技术的应用不仅可以准确的完成对地下管线的探测，还可以对已经完成的模型进行编辑、修改以及删除的相关工作。在确保方案的可行性之后，根据初步的实验成果和相关数据资料，制定出最后比较完善的实验成果。三维可视技术软件在应用过程中更加直观、数据精准、效率高、用户体验感很好。成果表明实验设计具有科学性、可靠性和可行性，不仅提高了数据的利用率，同时也提升了地下管线探测的工作效率。

4 结语

随着地下管线规模的扩大，各个管线之间的分布排列情况也更加的错综复杂，对于传统的二维图形很难表示出管线之间复杂的空间关系，三维可视技术应用弥补了二维图形的缺陷。三维可视技术可以更好的呈现出管线之间的空间关系，让各个管线之间的分布、排列更加的直观、清晰，并且可以对地下管线进行编辑、修改、分析等操作，不仅实现了地下管线的探测，还很大程度上提高了探测工作的效率与精准程度，为建筑施工及地下勘探提供有力的技术保障。