地下排水管線信息可視化研究

黃爽，伍亮，馬圣敏，蔡永香，王雨軒，王倩

(1.長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430000； 2.長江地球物理探測(武漢)有限公司，湖北 武漢 430000)

1 引 言

長江經濟帶橫跨中國東中西三大區域11個省市，以21.4%的國土面積承載全國42.8%的人口數量和42.2%的經濟總量，是中國新時期經濟發展的重要戰略支撐。但是，隨著工業化和城市化的持續推進，長江水環境質量受到嚴重的影響。長江沿岸化工產量在全國占比約為46%，聚集了全國43%的廢水排放量[1]，此外，因受技術、理念、經濟的制約，市政排水管道建設方案與小區排水管道建設方案不一致，城市管道混接現象比較普遍。各個排水分區內合流制[2]與分流制交替存在，很多城鎮的排水系統紊亂[3]，導致廢水無序排放，嚴重影響了長江流域水環境狀況。針對以上狀況三峽集團提出了城鎮污水處理和環境綜合治理問題的系統方案，以城鎮污水處理為切入點，開展地下排水管線信息化排查工作，并實現排水管網的數字化和可視化，為后續的雨污分流[2]改造工程提供詳細數據支持。

2 城鎮地下排水管線信息可視化方案

地下排水管線作為城鎮的重要基礎設施，是城鎮建設的“里子”工程，擔負著城鎮雨、污水排放等重要任務[4]。完整的地下排水管線資料是對管網排水能力、雨污分流改造可行性進行評估分析以及建立排水模型的基礎。雖然在城鎮新建區域，地下管線數據數字化建設已經得到較大程度改善，但城鎮整體管線數據數字化建設中依舊存在如下問題：

(1)老舊城區地下排水管線信息沒有數字化。這些信息主要依靠紙質記錄，隨著時間的推移，易于發生記錄丟失的情況；此外，紙質版本資料零散，沒有形成一個完整的體系，對新的工程建設無法發揮指導作用。

(2)地下排水管線“家底”不清，無法應對管線工程改造。伴隨擴建改造和部分居民用戶私接混接，城鎮部分區域的地下管線變得更加復雜，在沒有進行相關區域的地下管線摸查工作前，無法掌握確切的管線資料，導致不能較好地應對后期地下管線雨污分離工程改造。

針對城鎮管線數據信息化建設的現狀，我們提出了一套地下管線信息可視化的方案，包括地下管線探測、數據錄入與檢查、數據可視化(成圖)三部分，如圖1所示。

圖1 管線信息化可視化流程

3 地下管線探測

針對明顯易測管線采用的探測方法是開井量測、調查為主。通過采集管底埋深和管線點的平面坐標、地面高程、管線橫截面的高度(管徑和溝渠的高度)，計算出排水管線管底(頂)高程，由此可獲得排水管線空間數據。調查對象包含排水防癆設施、管/溝渠的各種屬性信息。其中管/溝渠的基本屬性有材質、斷面尺寸、類別、埋深、管線權屬、載體、埋設方式等；排澇設施基本屬性包括名稱(雨/污水井、進/出水口等)、類別(雨水與污水)、類型(市政與非市政)、井深、特征。

目前，針對埋深隱蔽，流向不明等疑難管線的主流探測方法有地球物理方法(如：電磁感應法、探地雷達法)和非地球物理方法(如：慣性陀螺儀定位法、聲學探測法)。其中，使用電磁感應法[5]探測金屬管線具有顯著的優勢，在探查小口徑電力、通訊電纜時都能保證較高的精準度。探地雷達作為一種高效的淺層地層探測技術，具有快速無損(不用開挖)、非接觸、經濟實惠等優點。而且該方法能探測金屬和非金屬管線，是目前探測PVC、PE、混凝土等非金屬管線的首選。但以上兩種探測方法的缺點都是其抗干擾能力和儀器的探測精度仍然有待提高。

近幾年來，慣性陀螺儀定位法、聲學探測法等非物理方法也逐漸得到應用和推廣。其中慣性陀螺儀定位法[6，7]與探地雷達法相比，其優勢在于不受電磁干擾，不受外部環境影響，不受管道材質和埋深影響。適用于非開挖、超長埋深管道探測。其缺點也是顯而易見的，如使用成本高，探測管線必須有出入口等，故無法探測被堵塞管線，適用于測量新建成管線。聲波反射法屬于非接觸方法，通過分析反射聲波的特性來達到探測目的。該方法與探測雷達相比具有精度高、抗干擾能力高，可探測小口徑管線的優勢，其缺點則是探測深度更加有限，探測效果受地下介質密實度的影響較大，通常會和其他方法結合使用[8，9]。

在探測過程中常會面臨不同種類、不同規格以及管線埋設混亂的情況，單一方法通常無法精確的探測所有管線，此時只能綜合各法之所長，聯合多種方法進行綜合探測，才能實現對地下管線的精準定位。綜合探測相比于單一方法探測要花費更多的人力、物力、財力，適合在工程施工的關鍵過程中使用。

4 數據錄入與數據檢查

采集的數據可通過手工錄入或者文件導入的方式形成初探管線/點屬性表。數據檢查工作就是對采集的管線數據的屬性檢查、邏輯一致性檢查以及進行三維碰撞分析[10]，進一步提高數據的正確性和真實性。

4.1 管線數據屬性檢查

(1)檢查唯一性。保證各管線點和管線段分別在各自對應的庫表中是唯一的存在，除特殊情況外各個管線點坐標在相應庫中也應是唯一的存在。

(2)檢查一致性。保證線庫中包含的管線點必須存在于點庫中，并具有唯一性。點庫中的點會在線庫中出現一次或者多次，特殊情況除外(如孤立井)，總體而言，二者應滿足一對一或者一對多的點線關系。

(3)檢查字段(屬性)內容。檢查各字段中的填寫內容是否符合相關屬性要求。如管線表中的流向要使用數字0和1來標識順流和逆流。

(4)檢查數據結構。檢查各管線數據表名是否正確，字段名是否完整以及數據表字段屬性是否滿足規范要求。

4.2 管線數據邏輯一致性檢查

(1)點庫表與線庫表中相關字段匹配檢查。如點特征為出水口、進水口、預留口時，該管線點在對應線庫表中只具有一個連接關系；線庫中的管線埋深不能超過點庫表中對應點井深，此外還需檢查管線類型與斷面尺寸數據間的合理性。

(2)線庫表屬性之間約束性檢查。此項檢查在所有檢查中是最復雜，最煩瑣的一項，但對保證管線數據的正確性和真實性卻是不可或缺的。要根據不同管線類型及不同屬性之間的關聯關系建立邏輯關系，對線庫中的數據進行細致的分析和檢查。例如：對管線的不同字段進行極值檢查，線庫表中的管徑為 500 mm的管線埋深不應小于 0.5 m；斷面值為 300 mm 3 400 mm的磚石溝，其埋深不應小于自身深度與蓋板厚度的總和。

4.3 三維碰撞檢查

目前，三維碰撞檢測首選方法是利用CAD平臺建立三維模型，用其提供的三維實體進行布爾運算，查找出管線間存在的碰撞。其主要步驟包括：①根據管線位置坐標、埋深來計算管線軸線位置；②依據管線中軸線位置和管線橫截面來建立管線三維模型；③利用管線三維模型間的布爾運算來判斷管線是否碰撞。

雖然上述方法能夠較好地完成三維碰撞檢查，但存在效率低，對現有商用平臺依賴性強等問題。韓李濤等[11]提出了一種沿公垂線方向投影的城市地下管線高效精準碰撞檢測算法，該算法可脫離于CAD平臺實現對三維空間管線碰撞檢測，且具有精準的檢查結果和良好的計算效率。

5 管線數據可視化

目前AutoCAD二次開發主要采用的是VBA、LISP、.NET、ObjectARX四種開發方式，從易學易用、滿足實際工作需要角度來看，采用.NET進行管線數據可視化成圖開發是一個較好的選擇[12]。本文采取的方法是在AutoCAD平臺上基于.NET進行管線成圖插件開發。

5.1 插件定制與開發的基本要求

在進行插件開發的基本過程中不僅要遵循軟件設計的一般原則，還需根據現場的實際工作情況滿足以下三個基本要求：①科學可靠：對程序的結構設計，數據的管理、編繪出圖應滿足工程要求規范和工程實際需求；②易用性：開發過程中應該充分考慮操作人員的實際素質，以建立界面友好，操作便捷，性能穩定的插件為目標。③可擴展性：采用模塊化設計，為不斷增長的數據提供靈活擴展業務。

5.2 構建DWT模板

構建DWT模板流程主要包含進行圖層設計、進行符號庫設計、導出DWT文件模板，如圖2所示。

圖2 構建DWT模板流程

(1)雨污圖層設計

為能夠更好地對管線數據進行管理，對采集的地下排水管線按照雨污類型進行分類，分為雨水管線和污水管線。污水管線顏色設置為暗紅色(RGB(127，0，0))，雨水管線顏色設置為青色(RGB(0，255，255))，使其在圖紙上能有明顯的區別。管線成圖有管點，管線，流向等要素，為了能將要素合理分類展示，在AutoCAD中設計建立如下圖層，如表1所示。

圖層設計表 表1

(2)符號庫設計

CAD中的圖塊就是將多個實體組合成一個整體，并給這個整體命名保存，在以后的圖形編輯中這些實體就會被視為一個整體的符號。圖塊能幫我們更好地組織工作，快速創建與修改圖形，減少圖形文件的大小，使用圖塊，可以創建自己所需的符號庫，以備使用。我們根據不同管線點類型，分別設計了如下圖3中所示的部分符號，并將其添加在當前文件的自定義塊中。完成圖層和符號庫制作后，并保存為DWT模板文件。

圖3 點狀符號

5.3 進行CAD二次開發

程序設計主要過程包含兩個部分①計算點狀符號位置屬性信息。如：使用數據庫中的管線點屬性表和管線線屬性表，計算出流向符號的坐標(通常使用管線段的中點)、旋轉角度②進行成圖操作：調用制作的DWT模板文件，在對應的圖層中繪制相關的線形、符號、注記等。程序繪制流程如圖4所示。

圖4 管線可視化成圖流程

本文以ACCESS數據庫作為數據載體，在Visual Studio 2019平臺上，采用C#語言對AutoCAD 2016進行插件開發，以滿足客戶對管線的成圖需求，成圖效果如圖5所示。

圖5 管線可視化效果

6 結 論

本文提出了一套地下管線信息可視化方案，包括地下管線探查、數據采集及檢測、實現管線可視化等內容。結合創建的DWT文件模板，利用C#語言開發實現了管線的信息可視化。這能為城鎮實現雨污水的綜合治理提供翔實的基礎數據，促進長江流域生態環境可持續發展。