李志刚，赵艳珍，董绍环，刘宝华

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032； 2.青岛市地下空间地理信息工程研究中心，山东 青岛 266032)

1 引 言

城市地下综合管廊就像建在地下的房子一样，是城市地下管线之家。一般是在城市地下建造，将电力、通信、供水、热力等管线根据规划要求集中敷设在同一构筑物内，实现统一规划、设计、施工和管理的市政公用隧道空间。我国正处在城镇化快速发展时期，地下基础设施建设滞后。因此，改变现有管线的管理方式迫在眉睫[1]。为统筹各类市政管线规划、建设和管理，解决反复开挖路面、架空线网密集、管线事故频发等问题，目前我国正大力引导和推进城市地下综合管廊建设。

城市地下综合管廊投入使用后，为确保其正常和稳定运行，需要重点考虑其管理和维护等问题。国内目前在城市地表以上和地下管线三维可视化管理方面研究得比较多，如毛健、苏笛对地理场景三维可视化系统建设中的关键问题进行了分析探讨[2]，王春青、窦伟通等针对三维可视化地理信息系统的实现进行了分析与研究[3]；卢丹丹、谭仁春等针对地下管线三维建模的高精度自动化、局部更新快速化和地上地下一体化等关键技术提出了一些新的方法与思路[4]。目前，在城市地下综合管廊信息化管理方面的研究偏少，这与我国在城市地下综合管廊建设方面起步晚有很大关系。本文着眼于下一步城市地下综合管廊全面建设且投入使用后，必须借助信息化管理技术手段实现其科学化、可视化与智慧化管理，重点研究三维可视化技术如何应用于城市地下综合管廊运行管理工作。

2 技术标准建设

目前，在城市地下综合管廊数据采集、处理、建库及信息系统建设等方面尚未有国家标准或行业标准作为指导。与其他市政管线比较，地下综合管廊具有综合性、长效性、可维护性、高科技性、复杂性等特点，除了综合管廊本体及其附属设施之外，其内部还布设了多种管线，通过制定一套技术标准以规范基础数据建设及信息系统开发，从而为综合管廊管理工作提供科学高效的可视化管理手段显得十分必要。借鉴郑持辉、陈良超针对城市三维仿真模型数据标准研究中提出的在标准制定时需要重点关注的几个因素，包括基础数据来源、数学基础、模型组织和数学精度等几方面[5]，本文以面向城市地下综合管廊三维可视化管理为目标，在基础数据采集、纹理材质信息采集、三维模型制作、信息系统建设等方面展开研究。其中，在基础数据采集方面，规定除了需获取管廊本体的三维空间坐标之外，还要对出入口、逃生口、吊装口、进风口、排风口、管线分支口、设备铭牌、变配电间、监控中心等附属设施采集其坐标及高程信息，必要时还要采集其形状及口径大小等基础信息，便于对其进行真实地三维展现；在纹理材质信息采集方面，规定了应采集城市地下综合管廊三维模型制作所需的地表、地物顶面和立面等信息，同时应重点采集管廊舱室内部宣传栏、设备铭牌、警示牌、里程与方向标识牌、传感器、摄像头、照明设施等纹理信息；在三维模型制作方面，规定了管廊舱室和附属设施三维模型宜采用人工方式构建，并应准确表达其形状、位置、结构、尺寸、纹理等特征，模型应按类别统一制定命名规则；管廊内部管线三维模型宜采用软件自动化构建，并应与管廊舱室、管线支架等三维模型的位置相匹配，同时与管廊外部其他管线的三维模型无缝衔接；在信息系统建设方面，提出采用三维仿真与可视化技术实现地下综合管廊在三维基础地理空间下的可视化渲染与表达，并实现数据存储与管理、信息检索与查询、数据统计与分析、运行监测与预警等功能，用于辅助日常城市地下综合管廊的运行管理与应急决策等工作。

3 基础数据采集与处理

一套标准规范的基础数据是实现城市地下综合管廊三维可视化管理的关键所在。因此，在基础数据采集与处理方面，经过反复试验与研究，本文提出了通过开展城市地下综合管廊覆土前竣工测量工作，可准确获取其本体的三维空间信息；在此基础上，通过采用投点法，使用钢尺来量测内部管线与管廊本体的相对位置，从而获得其平面位置及高程信息。具体作业过程如图1所示，说明如下：

(1)使用投点尺将检修孔的中心位置投到管廊内底，利用T型尺标定所投点位的位置，并量取管点到管廊内壁的距离A1和管线到管廊内底的距离C；

(2)以T型尺为基准，依次量取各个管点到所投点的距离B1、B2，并通过与相邻检修孔的距离进行检核；

(3)管点1的平面位置为管廊内壁平移距离A1后与所投点作管廊内壁的垂线且平移距离B1后的交点；管点1的高程H=h+C，h为管廊内底高程；管点2的平面位置与高程参照管点1的方法获取并处理；

(4)对位于地下综合管廊转折点、变坡点位置处的管点位置，可以参考该特征点进行量测并获取。

图1 地下综合管廊内部管线测量示意图

除了采用上述方法之外，还可采用三维激光扫描仪获取地下综合管廊舱室及其内部管线和附属设施的点云数据，通过内业数据处理进一步获取特征点、线的三维空间几何信息，作为三维模型制作及信息系统建设所需的基础数据。

4 三维模型制作与加工

三维空间数据模型是城市地下空间信息基础平台建设的基础，空间数据模型问题已成为城市地下空间信息基础平台构建过程中首先要解决的关键问题[6]。因此，本文在研究建设城市地下综合管廊信息系统之前，首先针对其三维模型制作与加工的关键技术进行分析与研究。

在获取地下综合管廊基础数据之后，依据其三维模型表达要求，分别针对综合管廊本体及其附属设施、入廊管线等进行三维模型制作与加工。借鉴朱合华、李晓军提出的实体建模方法[7]，针对综合管廊本体以及内壁、支架及通风口等附属设施，可通过使用3ds Max、Revit等建模软件进行人工建模；入廊管线及其附属设施则采用软件构建的方法进行自动建模；对于管线间相连接的附属物，如检修井、阀门等，则需要制作样本模型，用于建模工具自动调用。通过上述技术路线，成功对青岛市已建成的地下综合管廊进行了三维模型建设，取得了较好的效果，如图2所示。

图2 地下综合管廊及其附属设施和廊内管线三维模型效果图

5 信息系统建设

随着城市地下空间的广泛开发和利用，对实现信息化管理的需求也日益紧迫。目前，国内有很多专家和学者对城市地下空间信息化进行了相关研究与探索[8～10]。本文在三维模型建设基础上，提出了实现地下综合管廊三维可视化管理的关键技术体系。系统建设主要包括两方面内容，其一是为地下综合管廊的三维可视化管理提供地上及地下周边环境的三维场景，作为系统功能正常运行的基础支撑；其二是根据各方面需求，面向应用层开发有关功能，以满足城市地下综合管廊在规划设计、施工建设、集成控制、资产管理、巡检维护、应急处置、大数据智能分析与预警等方面的要求。此外，还应配套建设各种软硬件和网络环境，以满足系统正常、安全运行的要求，主要包括数据库管理平台、三维GIS平台、各类感知设备、服务器、存储设备、专用网络等。

此外，本文针对地下综合管廊基础数据管理与应用等内容进行重点研究与实现。其中，在基础数据管理方面，提出将管廊本体及附属设施、内部管线等模型进行单独存储和管理，并对附属设施如：检修井及井盖和内部阀门等做了单体化管理，便于在实际工作中随时打开井盖查看其内部阀门，这样也可为爆管分析功能提出的关阀方案进行直观展示与表达，体现了精细化管理的特点；在系统建设方面，主要采用的关键技术包括：地上与地下一体化以及二三维一体化管理技术、入廊管线三维模型自动构建技术、多源数据集成表达与管理技术、地上地下与室内室外三维场景漫游浏览技术等。如图3所示，系统针对综合管廊各组成部分实现了单体化方式的管理，并且实现了各配套设施相关属性信息的查询与统计等功能。

在实现地下综合管廊基础数据管理与应用的基础上，可对数据与功能进行扩展，将视频监控数据、运行环境与状态监测数据、人工巡检数据、日常管理与维护数据等进行整合与统一管理，采用物联网、云计算、大数据等先进技术，实现管廊及配套设施的在线实时监控、动态与智能化管理、安全风险预警与报警等功能，从而全面提升城市地下综合管廊“管、控、营”一体化的智能管理水平。

图3地下综合管廊数据单体化管理及信息查询功能实现效果图

6 结 语

目前，国内正在大力推进城市地下综合管廊规划建设工作。随着进程的加快，将来会有越来越多的地下综合管廊投入使用。本文主要提出采用三维可视化的技术手段辅助其日常管理工作，并且成功应用于青岛市红岛经济区地下综合管廊日常运维管理。一方面为综合管廊管理提供了一种实用、先进的信息化技术手段，大大提高了工作效率，收到了很好的应用效果；另一方面为智慧管廊建设提供了基础保障。借助物联网、智能传感等先进技术，可实时获取地下综合管廊内部运行环境及其配套设施的运行状态等信息，并对其进行分析和预警，从而提高管理工作效率与智能化水平，确保城市地下综合管廊的安全运行。