張志剛

近年來(lái)，我國(guó)的城市化建設(shè)越來(lái)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(shuō)是城市運(yùn)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(gè)地方輸送能源，是城市正常運(yùn)行的保障。很多地區(qū)由于技術(shù)和時(shí)間的原因，地下管線的位置與深度已經(jīng)無(wú)從知曉，如果還運(yùn)用傳統(tǒng)的探測(cè)方法很難進(jìn)行，因此，利用可視化技術(shù)對(duì)城市的地下管線進(jìn)行探測(cè)是必然趨勢(shì)。

本實(shí)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(cè)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(jī)構(gòu)，所述視頻采集機(jī)構(gòu)上集成有WIFI發(fā)射器，并設(shè)有電源機(jī)構(gòu)，所述電源機(jī)構(gòu)的電源輸出端連接視頻采集機(jī)構(gòu)，視頻采集機(jī)構(gòu)通過(guò)WIFI發(fā)射器與外部測(cè)量人員手中的移動(dòng)可視終端無(wú)線連接。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完善，不僅能夠?yàn)闇y(cè)量人員提供更為安全的工作環(huán)境，同時(shí)對(duì)地下線路的檢測(cè)結(jié)果更為精確。本實(shí)用新型適用于對(duì)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(cè)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(shí)際情況，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)，有利用對(duì)管線的實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保障正常運(yùn)行。

1.1 地下管線的管理現(xiàn)狀

（1）地下管線資料的更新問(wèn)題。很多城市針對(duì)已經(jīng)擴(kuò)建、新建以及修改過(guò)的地下管線相關(guān)資料，并沒(méi)有及時(shí)的將檔案報(bào)送給檔案部門，對(duì)修改過(guò)的地下管線專業(yè)圖沒(méi)有進(jìn)行及時(shí)的補(bǔ)充，導(dǎo)致地下管線的真實(shí)情況不能得到準(zhǔn)確的反映出來(lái)，影響工作人員對(duì)管線的準(zhǔn)確探測(cè)。

（2）管線數(shù)據(jù)的質(zhì)量問(wèn)題。在探測(cè)的過(guò)程中，所用探測(cè)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(cè)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(duì)城市管線建設(shè)的規(guī)劃問(wèn)題。一些城市對(duì)地下管線的建設(shè)缺乏合理的規(guī)劃，還有的對(duì)制定的計(jì)劃沒(méi)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(gè)不同的工作單位，存在著很多設(shè)計(jì)上、管理方法上的不同意見(jiàn)，做不到統(tǒng)一，致使管線的管理和埋設(shè)比較混亂。

（4）對(duì)地下管線數(shù)據(jù)的管理問(wèn)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(shì)性，就一定要建立一個(gè)現(xiàn)代化的管理機(jī)制。各個(gè)地方對(duì)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(méi)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(tái)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(dòng)態(tài)更新機(jī)制問(wèn)題。很多發(fā)達(dá)城市已經(jīng)對(duì)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(shì)性，就要建立動(dòng)態(tài)的更新機(jī)制。

（6）對(duì)地下管線普查多通過(guò)窨井、管溝進(jìn)行探查?，F(xiàn)今地下管線普查中對(duì)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(cè)量人員作業(yè)困難，工作人員在井下測(cè)量時(shí)無(wú)法直接測(cè)量管線點(diǎn)，造成測(cè)量的結(jié)果存在測(cè)量誤差，而且測(cè)量人員需要在現(xiàn)場(chǎng)以手工繪制草圖和填表進(jìn)行記錄，增大了測(cè)量誤差，甚至產(chǎn)生錯(cuò)誤記錄。

1.2 地下管線探測(cè)特點(diǎn)及內(nèi)容

由于地下管線是埋藏在地下的，只能通過(guò)一些專業(yè)的檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，埋藏在地下的管線情況具有很多的未知性，對(duì)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(jiàn)的，在沒(méi)有掌握精準(zhǔn)的情況下進(jìn)行探測(cè)，會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的質(zhì)量產(chǎn)生影響的。因此，要想保證探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須要制定相關(guān)完善的探測(cè)流程。地下探測(cè)項(xiàng)目由探查和測(cè)量組成，探查的對(duì)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(cè)量工作主要任務(wù)就是對(duì)地下管線圖進(jìn)行測(cè)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(méi)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(cuò)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(guò)計(jì)算機(jī)的圖形學(xué)原理和對(duì)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(shí)際情況。

2 地下管線的探測(cè)研究

2.1 地下管線數(shù)據(jù)模型

地下管線大致由7個(gè)大類組成，一般主要包括熱力、排水、電信、工業(yè)等，每個(gè)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(cuò)綜復(fù)雜，形狀也各有不同，通常是以環(huán)狀、輻射狀、樹(shù)枝狀等形式存在，可以將變徑點(diǎn)的位置每一條線都分成若干條管線段，交叉點(diǎn)的位置也是一樣，在將相應(yīng)的觀點(diǎn)用線段連接起來(lái)，這樣一來(lái)，就變成了一條連續(xù)的管線段。

2.2 地下管線模型的計(jì)算

假設(shè)一個(gè)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(diǎn)起始點(diǎn)與參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)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(guò)幾何知識(shí)解析，將管線的邊緣上任意選取一個(gè)頂點(diǎn)，用a來(lái)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(diǎn)坐標(biāo)在固定坐標(biāo)系中用（x0,y0,z0）坐標(biāo)點(diǎn)表示，那么兩軸系間的方向余弦就是a1-c3,也就表示為：

通過(guò)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(diǎn)位置中每個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)，就是最終真實(shí)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(cè)的精度要求

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

2.3.2 地下管線的探測(cè)方法及儀器的選擇

在地下管線的探測(cè)過(guò)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(cè)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(cè)儀器后就要考慮管線的探測(cè)方法，地下管線的探測(cè)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(cè)方法主要是通過(guò)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(huì)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(lái)。工作人員會(huì)利用相應(yīng)的軟件對(duì)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(shuō)是在地下管線的探測(cè)中最常用的方法，該方法主要是通過(guò)電磁場(chǎng)激發(fā)管線使其產(chǎn)生感應(yīng)電流，形成相應(yīng)的電磁場(chǎng)，再利用儀器探測(cè)該磁場(chǎng)的分布情況，從而探測(cè)出地下管線的具體位置。

（3）高密度電法。該探測(cè)方法主要是通過(guò)管線和周圍的不同介質(zhì)間所存在的差異性出發(fā)，觀測(cè)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(duì)地下管線探測(cè)過(guò)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(lái)，一次探測(cè)就可以收集到大量的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)對(duì)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(cè)法。該檢測(cè)方法主要是利用管線和周圍介質(zhì)的磁性差異，對(duì)地質(zhì)體的次方分布特征進(jìn)行分析來(lái)完成的。高精度磁測(cè)法在探測(cè)過(guò)程中主要是通過(guò)儀器來(lái)確定地下管線的具體位置的，相對(duì)于其他方法，這種檢測(cè)方法更加的簡(jiǎn)便、易操作。但由于該方法主要是將磁鐵性的管線通過(guò)地磁場(chǎng)的作用進(jìn)行磁化，最終導(dǎo)致磁場(chǎng)和周圍的介質(zhì)產(chǎn)生差異來(lái)完成的，所以，很容易受到外界信號(hào)的干擾，對(duì)探測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。目前，高精度磁測(cè)法一般用來(lái)探測(cè)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(duì)地下管線進(jìn)行探測(cè)，主要是把地下錯(cuò)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(shí)地下管線的探測(cè)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(kù)。城市的地下管線數(shù)據(jù)庫(kù)包括了二維和三維的地下管線數(shù)據(jù)庫(kù)，主要是實(shí)現(xiàn)地下管線在三維的空間中進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)、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(cè)工作流程

首先要準(zhǔn)確了解該城市所探測(cè)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(chǎng)踏勘→物探方法試驗(yàn)與儀器性能的校驗(yàn)→填寫(xiě)技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)，接下來(lái)要分別進(jìn)行物探和測(cè)量，并分別建立數(shù)據(jù)庫(kù)，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(yàn)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(duì)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(lái)分，根據(jù)要求可以具體分為兩個(gè)方面：

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

（2）對(duì)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(gè)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(duì)信息的需求調(diào)查分析、將系統(tǒng)信息建立分類體系、對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)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(gè)方面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

3.3 建立數(shù)據(jù)庫(kù)及成果分析

（1）首先對(duì)管線的屬性進(jìn)行檢查，例如地下水管線的編碼和對(duì)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(lái)說(shuō)，管線在連接的時(shí)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(shí)，可以將某一段管子作為一個(gè)衡量的點(diǎn)，之后定點(diǎn)穿過(guò)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(shí)，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(duì)管線的情況進(jìn)行繪圖，在繪圖時(shí)所有的相關(guān)數(shù)據(jù)情況要經(jīng)過(guò)認(rèn)真的核查之后再進(jìn)行，要確保各個(gè)線路之間的分布排列要合理，首先要繪制形成一個(gè)草圖，再對(duì)草圖進(jìn)行檢查和數(shù)據(jù)的核查，在保證管線的各個(gè)方面準(zhǔn)確無(wú)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(shí)驗(yàn)成果分析。通過(guò)二維GIS和三維GIS技術(shù)的相結(jié)合，三維模型在實(shí)測(cè)到的1:500數(shù)字化地形圖上提取路網(wǎng)數(shù)據(jù)，在通過(guò)對(duì)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(shí)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(wú)法準(zhǔn)確的展示出城市地下各個(gè)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(duì)地下管線的探測(cè)，還可以對(duì)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(shí)驗(yàn)成果和相關(guān)數(shù)據(jù)資料，制定出最后比較完善的實(shí)驗(yàn)成果。三維可視技術(shù)軟件在應(yīng)用過(guò)程中更加直觀、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、效率高、用戶體驗(yàn)感很好。成果表明實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)也提升了地下管線探測(cè)的工作效率。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著地下管線規(guī)模的擴(kuò)大，各個(gè)管線之間的分布排列情況也更加的錯(cuò)綜復(fù)雜，對(duì)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(bǔ)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(gè)管線之間的分布、排列更加的直觀、清晰，并且可以對(duì)地下管線進(jìn)行編輯、修改、分析等操作，不僅實(shí)現(xiàn)了地下管線的探測(cè)，還很大程度上提高了探測(cè)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。