地下管线探测数据处理及可视化技术研究

张巍伟，高 聪

（河南省航空物探遥感中心，河南 郑州 450053）

1 地下管线探测工作开展的意义

地下管线又被誉为城市的生命线，这是因为城市的地下管线是对城市所有管线的有效连接。地下管线不仅为城市用水、天然气以及电力能源提供了输送条件，其高效率运行还能够保障城市居民在城市内的正常活动。我国许多城市仍旧存在对地下管线的分布趋势以及分布数量并不了解的问题，再加上对于地下管线的档案资料管理并不规范，导致城市地下管线即便出现管线损坏问题，也不能及时了解并处理，给企业发展以及城市建设带来了一定的负面影响。对地下管线的不当使用及维护，将会使城市发生大规模的停水停电事件，甚至还会引发重大的人员伤亡事故。为了避免上述情况的出现，需要在市政工程项目施工前借助地下管线探测技术对地下管线的具体位置以及运行情况进行探测，避免在进行市政项目工程施工时对地下管线造成破坏。同时地下管线维护人员也可借助地下管线探测技术及时发现存在问题的地下管线并对其进行更换，避免受到损害的地下管线威胁市政工程的施工安全。

2 地下管线探测数据处理分析

2.1 地下管线探测数据采集

我国人口数量庞大、城市建设规模庞大，因此我国的地下管线长度数据较大，给地下管线探测数据采集人员带来了一定的困难，采集人员需要借助相关仪器设备得出地下管线测量数据。例如可以应用探地雷达成像技术进行地下管线探测数据采集。探地雷达成像技术利用了雷达的相对运动原理，将单个固定形式下的发射天线以及接收天线作为主要组合，在地表不断移动的过程中实现对于组合目标的反射探测，继而了解地下目标的需求信息。探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）的反射测量模式如图1所示。

2.2 地下管线探测数据存储

地下管线探测数据采集完成后就需要对采集的数据进行存储。数据存储工作主要是利用计算机技术进行数据库存储。数据存储管理人员在地下管线探测数据采集完成后，及时对已采集到的地下管线探测数据进行数据库导入，同时对导入的地下管线探测数据进行说明，便于后续工作人员查找相关数据。地下管线数据种类较多，应用的材质比较丰富，因此地下管线探测数据存储人员需要对探测数据进行全面系统的记录。

图1 探地雷达的反射测量模式

2.3 地下管线探测数据传输

在地下管线探测数据存储工作完成后则需要进行数据传输工作。在项目数据传输过程中可先对传输数据进行加工处理，对探测数据进行分类标记，便于工作人员查找传输数据。地下管线探测数据存储类型较多，存储的数据量极为庞大，因此数据传输过程中需先对地下管线探测数据进行备份，避免数据丢失问题。地下管线探测数据传输工作的开展离不开计算机软件的支持，需要根据实际情况对传输软件进行更新应用。

3 可视化技术分析

3.1 数据信息可视化技术

数据信息可视化技术是将数据、知识以及相关信息转换为能够以视觉直观表现出来的形式。数据信息可视化技术的应用利用了人类脑力对于图像、图形快速直接识别的可视化能力，通过对相关数据进行解释分析，将大规模数据内容以及大数据主体进行直观、形象的表现。

第一，应用可视化技术，能够将地下管线的管线位置以及管线形状表现出来，便于工作人员开展下一步的工作。地下管线探测中应用可视化技术可分为四个阶段：组织调度阶段、静态可视化阶段、模拟地下管线探测过程阶段以及数据探索分析阶段。组织调度阶段主要是指工作人员根据地下管线的实际探测情况，对探测出的大规模数据信息进行简化处理以及快速调动处理。静态可视化阶段主要是指工作人员可利用符号系统中符号所代表的特性意义，对地下管线的质量特征以及外观特征等相关信息进行标注。模拟地下管线探测过程阶段主要是指工作人员对地下管线探测技术的引导工作、监控工作以及跟踪工作等，实现对地下管线探测信息的有效处理分析，确保地下管线探测信息使用质量，为地下管线探测信息可视化技术的应用提供参考。数据探索分析阶段主要是指利用数学分析模式对相关数据内容进行分析，如工作人员可利用交互式建模分析方法以及多维角度分析方法等，为地下管线探测信息中可视化技术的应用提供安全可靠的数据来源。

第二，数据信息可视化技术的应用本质在于在数据信息可视化转变过程中构建人与地下管线信息之间的可视化界面。数据信息可视化的基础内容可分为两个方面：图形设计和认知心理学。其中图形设计内容给数据信息可视化技术的应用提供了艺术性的表现方法，让地下管线探测数据信息内容能够生动形象地表现在工作人员眼前，给工作人员开展的实际操作活动提供相应的指导信息。认知心理学内容则是关于人类认知与信息感知的过程，主要是对人类认知世界、感知世界的理论研究。数据信息可视化技术的外延研究，主要是对人与计算机之间如何相互影响以及增加对信息交流传达的技术研究，地下管线探测在进行可视化技术应用的过程中，利用数字技术、计算机技术以及信息技术，将人们并未设想到的环境以及不能直接接触的事物进行直观性展示，进而对地下管线的形态特征以及地下管线的周边环境进行探究。

3.2 地下管线要素可视化技术

第一，三维建模。地下管线探测数据可视化技术应用过程中，工作人员在进行管线要素三维建模期间，需提前做好管线段的表面微分建模工作。由于大多数地下管线的内部为中空样式，其内外径划分极为明显，常规三维场景只能对地下管线的外部进行设计观测，不能对地下管线的内部进行观测，因此工作人员可利用表面微分建模方法建设三维管线，在与多个矩形进行相互连接构成中实现对三维地下管线图形的系统化构造。地下管线是由多个管线段构成，因此需要保证地下管线段首尾相连。对管线段衔接处进行圆滑处理的过程中，工作人员常常应用折线方式进行设计，因此管线段连接处不闭合情况时常发生，严重影响单位图像效果。可利用圆弧代替折线拐角，实现对管线段的分段处理，同时对其进行数字编号。管线拐角处圆弧分段的大小是由圆弧弧度所决定的，圆弧分段与圆滑程度呈反比例关系，即圆弧分段越大圆滑程度越低。

第二，三维可视化。地下管线要素的可视化内容可分为组件对象模型管点要素可视化以及管线段衔接处的平滑处理。其中组件对象模型管点要素可视化主要是指借助支持开发功能的组件框架，对各个软件的交互工作方式进行统一，确保交互工作开展具备规范性，组间对象不会受到特定语言的制约。在进行管线三维建模过程中，工作人员需要借助专业性极高的三维建模软件来确保地下管线设施的可视化，在集合地下管线空间走线的条件下，对管线设施角度进行细致调整。管线段衔接处的平滑处理部分，管线段衔接处理需要耗费大量的时间与资源，继而导致管线的管点数据量大幅度增加，同样也会降低绘制效率。借助定点混合技术能够对管线衔接处进行无缝连接，确保地下管线表面的完整性与平滑性，最大程度优化三维管线的可视化效果，有效提升工作人员的三维渲染速度。定点混合技术能够对人体的运动方式进行模仿，继而为动画绘制工作的开展提供所需要的集合模型以及信息。CPU三维图形编程主要是利用运算器进行图形计算，将顶点处理器与片元处理器作为运算器的主要处理器，有效提升运算器的运算速度以及计算精确度。

第三，资源管理。资源管理工作主要包括管点资源以及管线纹理，大多数的数据库应用都是二维表，每一项二维表都是单独处理不会受到外界影响，借助外码索引表进行数据库建立，可将外码作为数据库系统中的关键词，在数据库内进行文字定位，进而提升管理人员获取相关信息的速度。

4 结束语

综上所述，将可视化技术应用至地下管线探测工作中，可对管道以及电缆等地下管线特征进行探测，将地下管线信息全面完整地展现出来，从而进一步推进地下管线的探测管理工作。