地下管線探測數據處理及可視化技術研究

張巍偉，高 聰

（河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450053）

1 地下管線探測工作開展的意義

地下管線又被譽為城市的生命線，這是因為城市的地下管線是對城市所有管線的有效連接。地下管線不僅為城市用水、天然氣以及電力能源提供了輸送條件，其高效率運行還能夠保障城市居民在城市內的正常活動。我國許多城市仍舊存在對地下管線的分布趨勢以及分布數量并不了解的問題，再加上對于地下管線的檔案資料管理并不規(guī)范，導致城市地下管線即便出現管線損壞問題，也不能及時了解并處理，給企業(yè)發(fā)展以及城市建設帶來了一定的負面影響。對地下管線的不當使用及維護，將會使城市發(fā)生大規(guī)模的停水停電事件，甚至還會引發(fā)重大的人員傷亡事故。為了避免上述情況的出現，需要在市政工程項目施工前借助地下管線探測技術對地下管線的具體位置以及運行情況進行探測，避免在進行市政項目工程施工時對地下管線造成破壞。同時地下管線維護人員也可借助地下管線探測技術及時發(fā)現存在問題的地下管線并對其進行更換，避免受到損害的地下管線威脅市政工程的施工安全。

2 地下管線探測數據處理分析

2.1 地下管線探測數據采集

我國人口數量龐大、城市建設規(guī)模龐大，因此我國的地下管線長度數據較大，給地下管線探測數據采集人員帶來了一定的困難，采集人員需要借助相關儀器設備得出地下管線測量數據。例如可以應用探地雷達成像技術進行地下管線探測數據采集。探地雷達成像技術利用了雷達的相對運動原理，將單個固定形式下的發(fā)射天線以及接收天線作為主要組合，在地表不斷移動的過程中實現對于組合目標的反射探測，繼而了解地下目標的需求信息。探地雷達（Ground Penetrating Radar，GPR）的反射測量模式如圖1所示。

2.2 地下管線探測數據存儲

地下管線探測數據采集完成后就需要對采集的數據進行存儲。數據存儲工作主要是利用計算機技術進行數據庫存儲。數據存儲管理人員在地下管線探測數據采集完成后，及時對已采集到的地下管線探測數據進行數據庫導入，同時對導入的地下管線探測數據進行說明，便于后續(xù)工作人員查找相關數據。地下管線數據種類較多，應用的材質比較豐富，因此地下管線探測數據存儲人員需要對探測數據進行全面系統(tǒng)的記錄。

圖1 探地雷達的反射測量模式

2.3 地下管線探測數據傳輸

在地下管線探測數據存儲工作完成后則需要進行數據傳輸工作。在項目數據傳輸過程中可先對傳輸數據進行加工處理，對探測數據進行分類標記，便于工作人員查找傳輸數據。地下管線探測數據存儲類型較多，存儲的數據量極為龐大，因此數據傳輸過程中需先對地下管線探測數據進行備份，避免數據丟失問題。地下管線探測數據傳輸工作的開展離不開計算機軟件的支持，需要根據實際情況對傳輸軟件進行更新應用。

3 可視化技術分析

3.1 數據信息可視化技術

數據信息可視化技術是將數據、知識以及相關信息轉換為能夠以視覺直觀表現出來的形式。數據信息可視化技術的應用利用了人類腦力對于圖像、圖形快速直接識別的可視化能力，通過對相關數據進行解釋分析，將大規(guī)模數據內容以及大數據主體進行直觀、形象的表現。

第一，應用可視化技術，能夠將地下管線的管線位置以及管線形狀表現出來，便于工作人員開展下一步的工作。地下管線探測中應用可視化技術可分為四個階段：組織調度階段、靜態(tài)可視化階段、模擬地下管線探測過程階段以及數據探索分析階段。組織調度階段主要是指工作人員根據地下管線的實際探測情況，對探測出的大規(guī)模數據信息進行簡化處理以及快速調動處理。靜態(tài)可視化階段主要是指工作人員可利用符號系統(tǒng)中符號所代表的特性意義，對地下管線的質量特征以及外觀特征等相關信息進行標注。模擬地下管線探測過程階段主要是指工作人員對地下管線探測技術的引導工作、監(jiān)控工作以及跟蹤工作等，實現對地下管線探測信息的有效處理分析，確保地下管線探測信息使用質量，為地下管線探測信息可視化技術的應用提供參考。數據探索分析階段主要是指利用數學分析模式對相關數據內容進行分析，如工作人員可利用交互式建模分析方法以及多維角度分析方法等，為地下管線探測信息中可視化技術的應用提供安全可靠的數據來源。

第二，數據信息可視化技術的應用本質在于在數據信息可視化轉變過程中構建人與地下管線信息之間的可視化界面。數據信息可視化的基礎內容可分為兩個方面：圖形設計和認知心理學。其中圖形設計內容給數據信息可視化技術的應用提供了藝術性的表現方法，讓地下管線探測數據信息內容能夠生動形象地表現在工作人員眼前，給工作人員開展的實際操作活動提供相應的指導信息。認知心理學內容則是關于人類認知與信息感知的過程，主要是對人類認知世界、感知世界的理論研究。數據信息可視化技術的外延研究，主要是對人與計算機之間如何相互影響以及增加對信息交流傳達的技術研究，地下管線探測在進行可視化技術應用的過程中，利用數字技術、計算機技術以及信息技術，將人們并未設想到的環(huán)境以及不能直接接觸的事物進行直觀性展示，進而對地下管線的形態(tài)特征以及地下管線的周邊環(huán)境進行探究。

3.2 地下管線要素可視化技術

第一，三維建模。地下管線探測數據可視化技術應用過程中，工作人員在進行管線要素三維建模期間，需提前做好管線段的表面微分建模工作。由于大多數地下管線的內部為中空樣式，其內外徑劃分極為明顯，常規(guī)三維場景只能對地下管線的外部進行設計觀測，不能對地下管線的內部進行觀測，因此工作人員可利用表面微分建模方法建設三維管線，在與多個矩形進行相互連接構成中實現對三維地下管線圖形的系統(tǒng)化構造。地下管線是由多個管線段構成，因此需要保證地下管線段首尾相連。對管線段銜接處進行圓滑處理的過程中，工作人員常常應用折線方式進行設計，因此管線段連接處不閉合情況時常發(fā)生，嚴重影響單位圖像效果?？衫脠A弧代替折線拐角，實現對管線段的分段處理，同時對其進行數字編號。管線拐角處圓弧分段的大小是由圓弧弧度所決定的，圓弧分段與圓滑程度呈反比例關系，即圓弧分段越大圓滑程度越低。

第二，三維可視化。地下管線要素的可視化內容可分為組件對象模型管點要素可視化以及管線段銜接處的平滑處理。其中組件對象模型管點要素可視化主要是指借助支持開發(fā)功能的組件框架，對各個軟件的交互工作方式進行統(tǒng)一，確保交互工作開展具備規(guī)范性，組間對象不會受到特定語言的制約。在進行管線三維建模過程中，工作人員需要借助專業(yè)性極高的三維建模軟件來確保地下管線設施的可視化，在集合地下管線空間走線的條件下，對管線設施角度進行細致調整。管線段銜接處的平滑處理部分，管線段銜接處理需要耗費大量的時間與資源，繼而導致管線的管點數據量大幅度增加，同樣也會降低繪制效率。借助定點混合技術能夠對管線銜接處進行無縫連接，確保地下管線表面的完整性與平滑性，最大程度優(yōu)化三維管線的可視化效果，有效提升工作人員的三維渲染速度。定點混合技術能夠對人體的運動方式進行模仿，繼而為動畫繪制工作的開展提供所需要的集合模型以及信息。CPU三維圖形編程主要是利用運算器進行圖形計算，將頂點處理器與片元處理器作為運算器的主要處理器，有效提升運算器的運算速度以及計算精確度。

第三，資源管理。資源管理工作主要包括管點資源以及管線紋理，大多數的數據庫應用都是二維表，每一項二維表都是單獨處理不會受到外界影響，借助外碼索引表進行數據庫建立，可將外碼作為數據庫系統(tǒng)中的關鍵詞，在數據庫內進行文字定位，進而提升管理人員獲取相關信息的速度。

4 結束語

綜上所述，將可視化技術應用至地下管線探測工作中，可對管道以及電纜等地下管線特征進行探測，將地下管線信息全面完整地展現出來，從而進一步推進地下管線的探測管理工作。