地下綜合管廊三維可視化管理關鍵技術研究

李志剛，趙艷珍，董紹環(huán)，劉寶華

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島市地下空間地理信息工程研究中心，山東 青島 266032)

1 引 言

城市地下綜合管廊就像建在地下的房子一樣，是城市地下管線之家。一般是在城市地下建造，將電力、通信、供水、熱力等管線根據(jù)規(guī)劃要求集中敷設在同一構筑物內，實現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)劃、設計、施工和管理的市政公用隧道空間。我國正處在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展時期，地下基礎設施建設滯后。因此，改變現(xiàn)有管線的管理方式迫在眉睫[1]。為統(tǒng)籌各類市政管線規(guī)劃、建設和管理，解決反復開挖路面、架空線網(wǎng)密集、管線事故頻發(fā)等問題，目前我國正大力引導和推進城市地下綜合管廊建設。

城市地下綜合管廊投入使用后，為確保其正常和穩(wěn)定運行，需要重點考慮其管理和維護等問題。國內目前在城市地表以上和地下管線三維可視化管理方面研究得比較多，如毛健、蘇笛對地理場景三維可視化系統(tǒng)建設中的關鍵問題進行了分析探討[2]，王春青、竇偉通等針對三維可視化地理信息系統(tǒng)的實現(xiàn)進行了分析與研究[3]；盧丹丹、譚仁春等針對地下管線三維建模的高精度自動化、局部更新快速化和地上地下一體化等關鍵技術提出了一些新的方法與思路[4]。目前，在城市地下綜合管廊信息化管理方面的研究偏少，這與我國在城市地下綜合管廊建設方面起步晚有很大關系。本文著眼于下一步城市地下綜合管廊全面建設且投入使用后，必須借助信息化管理技術手段實現(xiàn)其科學化、可視化與智慧化管理，重點研究三維可視化技術如何應用于城市地下綜合管廊運行管理工作。

2 技術標準建設

目前，在城市地下綜合管廊數(shù)據(jù)采集、處理、建庫及信息系統(tǒng)建設等方面尚未有國家標準或行業(yè)標準作為指導。與其他市政管線比較，地下綜合管廊具有綜合性、長效性、可維護性、高科技性、復雜性等特點，除了綜合管廊本體及其附屬設施之外，其內部還布設了多種管線，通過制定一套技術標準以規(guī)范基礎數(shù)據(jù)建設及信息系統(tǒng)開發(fā)，從而為綜合管廊管理工作提供科學高效的可視化管理手段顯得十分必要。借鑒鄭持輝、陳良超針對城市三維仿真模型數(shù)據(jù)標準研究中提出的在標準制定時需要重點關注的幾個因素，包括基礎數(shù)據(jù)來源、數(shù)學基礎、模型組織和數(shù)學精度等幾方面[5]，本文以面向城市地下綜合管廊三維可視化管理為目標，在基礎數(shù)據(jù)采集、紋理材質信息采集、三維模型制作、信息系統(tǒng)建設等方面展開研究。其中，在基礎數(shù)據(jù)采集方面，規(guī)定除了需獲取管廊本體的三維空間坐標之外，還要對出入口、逃生口、吊裝口、進風口、排風口、管線分支口、設備銘牌、變配電間、監(jiān)控中心等附屬設施采集其坐標及高程信息，必要時還要采集其形狀及口徑大小等基礎信息，便于對其進行真實地三維展現(xiàn)；在紋理材質信息采集方面，規(guī)定了應采集城市地下綜合管廊三維模型制作所需的地表、地物頂面和立面等信息，同時應重點采集管廊艙室內部宣傳欄、設備銘牌、警示牌、里程與方向標識牌、傳感器、攝像頭、照明設施等紋理信息；在三維模型制作方面，規(guī)定了管廊艙室和附屬設施三維模型宜采用人工方式構建，并應準確表達其形狀、位置、結構、尺寸、紋理等特征，模型應按類別統(tǒng)一制定命名規(guī)則；管廊內部管線三維模型宜采用軟件自動化構建，并應與管廊艙室、管線支架等三維模型的位置相匹配，同時與管廊外部其他管線的三維模型無縫銜接；在信息系統(tǒng)建設方面，提出采用三維仿真與可視化技術實現(xiàn)地下綜合管廊在三維基礎地理空間下的可視化渲染與表達，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲與管理、信息檢索與查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析、運行監(jiān)測與預警等功能，用于輔助日常城市地下綜合管廊的運行管理與應急決策等工作。

3 基礎數(shù)據(jù)采集與處理

一套標準規(guī)范的基礎數(shù)據(jù)是實現(xiàn)城市地下綜合管廊三維可視化管理的關鍵所在。因此，在基礎數(shù)據(jù)采集與處理方面，經(jīng)過反復試驗與研究，本文提出了通過開展城市地下綜合管廊覆土前竣工測量工作，可準確獲取其本體的三維空間信息；在此基礎上，通過采用投點法，使用鋼尺來量測內部管線與管廊本體的相對位置，從而獲得其平面位置及高程信息。具體作業(yè)過程如圖1所示，說明如下：

(1)使用投點尺將檢修孔的中心位置投到管廊內底，利用T型尺標定所投點位的位置，并量取管點到管廊內壁的距離A1和管線到管廊內底的距離C；

(2)以T型尺為基準，依次量取各個管點到所投點的距離B1、B2，并通過與相鄰檢修孔的距離進行檢核；

(3)管點1的平面位置為管廊內壁平移距離A1后與所投點作管廊內壁的垂線且平移距離B1后的交點；管點1的高程H=h+C，h為管廊內底高程；管點2的平面位置與高程參照管點1的方法獲取并處理；

(4)對位于地下綜合管廊轉折點、變坡點位置處的管點位置，可以參考該特征點進行量測并獲取。

圖1 地下綜合管廊內部管線測量示意圖

除了采用上述方法之外，還可采用三維激光掃描儀獲取地下綜合管廊艙室及其內部管線和附屬設施的點云數(shù)據(jù)，通過內業(yè)數(shù)據(jù)處理進一步獲取特征點、線的三維空間幾何信息，作為三維模型制作及信息系統(tǒng)建設所需的基礎數(shù)據(jù)。

4 三維模型制作與加工

三維空間數(shù)據(jù)模型是城市地下空間信息基礎平臺建設的基礎，空間數(shù)據(jù)模型問題已成為城市地下空間信息基礎平臺構建過程中首先要解決的關鍵問題[6]。因此，本文在研究建設城市地下綜合管廊信息系統(tǒng)之前，首先針對其三維模型制作與加工的關鍵技術進行分析與研究。

在獲取地下綜合管廊基礎數(shù)據(jù)之后，依據(jù)其三維模型表達要求，分別針對綜合管廊本體及其附屬設施、入廊管線等進行三維模型制作與加工。借鑒朱合華、李曉軍提出的實體建模方法[7]，針對綜合管廊本體以及內壁、支架及通風口等附屬設施，可通過使用3ds Max、Revit等建模軟件進行人工建模；入廊管線及其附屬設施則采用軟件構建的方法進行自動建模；對于管線間相連接的附屬物，如檢修井、閥門等，則需要制作樣本模型，用于建模工具自動調用。通過上述技術路線，成功對青島市已建成的地下綜合管廊進行了三維模型建設，取得了較好的效果，如圖2所示。

圖2 地下綜合管廊及其附屬設施和廊內管線三維模型效果圖

5 信息系統(tǒng)建設

隨著城市地下空間的廣泛開發(fā)和利用，對實現(xiàn)信息化管理的需求也日益緊迫。目前，國內有很多專家和學者對城市地下空間信息化進行了相關研究與探索[8～10]。本文在三維模型建設基礎上，提出了實現(xiàn)地下綜合管廊三維可視化管理的關鍵技術體系。系統(tǒng)建設主要包括兩方面內容，其一是為地下綜合管廊的三維可視化管理提供地上及地下周邊環(huán)境的三維場景，作為系統(tǒng)功能正常運行的基礎支撐；其二是根據(jù)各方面需求，面向應用層開發(fā)有關功能，以滿足城市地下綜合管廊在規(guī)劃設計、施工建設、集成控制、資產(chǎn)管理、巡檢維護、應急處置、大數(shù)據(jù)智能分析與預警等方面的要求。此外，還應配套建設各種軟硬件和網(wǎng)絡環(huán)境，以滿足系統(tǒng)正常、安全運行的要求，主要包括數(shù)據(jù)庫管理平臺、三維GIS平臺、各類感知設備、服務器、存儲設備、專用網(wǎng)絡等。

此外，本文針對地下綜合管廊基礎數(shù)據(jù)管理與應用等內容進行重點研究與實現(xiàn)。其中，在基礎數(shù)據(jù)管理方面，提出將管廊本體及附屬設施、內部管線等模型進行單獨存儲和管理，并對附屬設施如：檢修井及井蓋和內部閥門等做了單體化管理，便于在實際工作中隨時打開井蓋查看其內部閥門，這樣也可為爆管分析功能提出的關閥方案進行直觀展示與表達，體現(xiàn)了精細化管理的特點；在系統(tǒng)建設方面，主要采用的關鍵技術包括：地上與地下一體化以及二三維一體化管理技術、入廊管線三維模型自動構建技術、多源數(shù)據(jù)集成表達與管理技術、地上地下與室內室外三維場景漫游瀏覽技術等。如圖3所示，系統(tǒng)針對綜合管廊各組成部分實現(xiàn)了單體化方式的管理，并且實現(xiàn)了各配套設施相關屬性信息的查詢與統(tǒng)計等功能。

在實現(xiàn)地下綜合管廊基礎數(shù)據(jù)管理與應用的基礎上，可對數(shù)據(jù)與功能進行擴展，將視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、運行環(huán)境與狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、人工巡檢數(shù)據(jù)、日常管理與維護數(shù)據(jù)等進行整合與統(tǒng)一管理，采用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等先進技術，實現(xiàn)管廊及配套設施的在線實時監(jiān)控、動態(tài)與智能化管理、安全風險預警與報警等功能，從而全面提升城市地下綜合管廊“管、控、營”一體化的智能管理水平。

圖3地下綜合管廊數(shù)據(jù)單體化管理及信息查詢功能實現(xiàn)效果圖

6 結 語

目前，國內正在大力推進城市地下綜合管廊規(guī)劃建設工作。隨著進程的加快，將來會有越來越多的地下綜合管廊投入使用。本文主要提出采用三維可視化的技術手段輔助其日常管理工作，并且成功應用于青島市紅島經(jīng)濟區(qū)地下綜合管廊日常運維管理。一方面為綜合管廊管理提供了一種實用、先進的信息化技術手段，大大提高了工作效率，收到了很好的應用效果；另一方面為智慧管廊建設提供了基礎保障。借助物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感等先進技術，可實時獲取地下綜合管廊內部運行環(huán)境及其配套設施的運行狀態(tài)等信息，并對其進行分析和預警，從而提高管理工作效率與智能化水平，確保城市地下綜合管廊的安全運行。