多源数据融合的埋地管道三维空间可视化构建

刘鑫 ,  唐雨 ,  李建军 ,  曾庆成 ,  林冬 ,  舒洁 ,  涂圣文

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (18) :7683-7693

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科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (18) :7683-7693 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2504541
石油、天然气工业

多源数据融合的埋地管道三维空间可视化构建

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Three-dimensional Spatial Visualization Construction of Buried Pipelines Based on Multi-source Data Fusion

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摘要

为解决管道泄漏事故应急维抢修开挖过程中泄漏点地下空间不可视、相邻管道及管-土空间位置不清晰的问题,结合快速探测、快速响应的实际需求,提出了一种基于多源数据融合的埋地管道三维空间可视化构建技术。首先,分类整合管道内、外检测设备多源数据格式,通过空间坐标转换与里程插值算法生成可视化要素信息;其次,开发基于中心线坐标的管道一体化建模方法,实现直管段和弯头的精确构建;同时,建立管道典型缺陷与附属物模型库,开发基于空间几何约束的自适应构筑算法,实现缺陷与附属物模型的精确定位与自适应姿态调整。最后,集成草地、沙地、跨越河流等典型服役场景,开发具备视角控制、管道缺陷信息交互展示、土壤剖面及透明度调整功能的三维可视化平台,清晰展示相邻管道、管-土位置关系及缺陷特征信息,为管道泄漏应急维抢修开挖及完整性管理提供三维可视化支持。

Abstract

To address the challenges such as invisibility of the underground environment and the unclear spatial relationships of adjacent pipelines encountered during emergency excavation for buried pipeline leakage repair, a method was proposed to construct the three-dimensional underground space by multi-source data fusion technique. Various data acquired from in-line and external inspection technologies were classified, formatted and integrated firstly. Through spatial coordinate transformation and mileage interpolation algorithms, the data were converted into visualizable spatial features. In the following, an integrated pipeline modeling approach was developed based on centerline coordinates, enabling accurate construction of straight segments and bends. Meanwhile, a library of typical defect and pipeline appurtenance models was established, and an adaptive construction algorithm driven by spatial geometric constraints was proposed to achieve precise positioning and automated pose adjustment of defects and appurtenances. Finally, typical service scenarios such as grassland, desert, and river crossings were incorporated, and a three-dimensional visualization platform was developed, featuring viewpoint control, interactive defect information display, and soil-profile and transparency adjustment. The platform features clear visualization of adjacent pipelines, pipeline-soil spatial relationships, and defect characteristics, providing technique support during emergency leak excavation operations of buried pipelines and pipeline integrity management.

Graphical abstract

关键词

油气管道 / 建模 / 三维可视化 / 多源数据 / 维抢修

Key words

oil and gas pipeline / modeling / 3D(three-dimensional) visualization / multi-source data / maintenance and rush repair

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刘鑫, 唐雨, 李建军, 曾庆成, 林冬, 舒洁, 涂圣文. 多源数据融合的埋地管道三维空间可视化构建[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(18): 7683-7693 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504541
LIU Xin, TANG Yu, LI Jian-jun, ZENG Qing-cheng, LIN Dong, SHU Jie, TU Sheng-wen. Three-dimensional Spatial Visualization Construction of Buried Pipelines Based on Multi-source Data Fusion[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(18): 7683-7693 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504541

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管道运输是油气输送的主要方式,具有长距离、低成本、大输量等优点[1]。埋地油气管道作为国家能源大动脉,承担着油气资源安全供应与灵活调配的重要职责,为中国生产建设提供了有力保障[2]。油气管道受土壤条件、地质运动的影响,因腐蚀、第三方破坏等易造成泄漏,甚至引发燃烧或爆炸事故[3]。在管道泄漏事故应急维抢修及日常运维管理中,如何基于实地探测数据快速构建埋地管道三维空间可视化模型,直观展示相邻管道、管-土空间位置关系及管道缺陷特征,对于保障抢修作业安全高效开展、缩短施工周期至关重要。
随着管道数字化移交工程建设的推进,数字高程模型、数字正射影像图、基础地理信息、站场三维模型、设计数据及采办数据等关键要素已逐步实现数字化交付,有效保障了数据的时效性,并为数据的直观展示与高效管理奠定了基础[4]。然而,在地质活动频发区域,管道易因弯曲、局部位移等现象发生位置偏移[5],导致其实际位置与初始交付坐标存在偏差,进而在泄漏事故应急抢修及日常运维管理中出现定位偏差。此外,早期建设管道普遍缺乏完备的数字化移交数据,制约维抢修高效进行。数字管道三维空间可视化建模技术可有效弥补传统二维图纸、三维模型及数字化移交数据在空间关系表达与管理方面的不足,通过精细刻画相邻管道及管-土空间位置关系,保障管道泄漏应急维抢修安全开挖,提升响应效率,缩短施工周期,降低次生灾害风险,支撑管道全生命周期的智能化管理,显著降低运维成本,推动管道行业可持续发展[6]。
数字管道三维可视化系统构建是近年来油气储运工程的热点问题,相关建设主要采用以下3个技术[6]。
(1)三维建模软件技术。Yin等[7]开发了一种基于工业基础类(industry foundation class,IFC)标准的自动化参数建模方案。该方法通过智能图层辨识技术从设计图纸中捕获管线信息,自动对齐管道的空间位置与截面尺寸,实现三维模型的自主构建,解决了二维CAD(computer-aided design)管道设计图纸在三维模型转换过程中依赖人工导致效率低下的问题。在复杂管道曲面拐角构建方面,Cheng[8]采用高密度点云特征匹配技术,结合多控制点样条曲面重构算法,建立了基于点云拼接的三维管道建模框架。Samanta[9]基于3ds Max(3D Studio Max),利用标准几何体与修改器完成管道模型构建,同时借助材质编辑和光照设置增强模型的真实感,从而优化整体设计效果。
(2)已有组件二次开发技术。已有组件二次开发技术通过利用现有地理信息系统(geographic Information system, GIS)等平台进行功能扩展,实现管道可视化系统构建。Srivastava[10]提出了一种离散几何管道建模方法,采用三角带与多面体逼近圆柱截面,通过中心线拉伸完成网格化建模,但在弯管连接处存在网格断裂问题。Li等[11]基于ArcGIS Engine开发了采用Multipatch方法的管道自动建模系统,通过集成高保真纹理映射和多尺度渲染技术,显著提升了模型质量。Li[12]利用ArcGIS的API(application programming interface)/SDK(software development kit)开发了基于Web的数字管道框架,通过管道空间数据模型(pipeline spatial data model)实现了埋地管道数据的实时共享。针对Cesium原生引擎无法直接渲染地下管网的问题,窦世卿等[13]提出基于四叉树结构将二维Shapefile管网数据自动转换为3D Tiles模型,并通过二次开发构建了包含地表透明化、地下视角观测等一系列功能的埋地管道可视化系统。
(3)底层开发技术。Xu等[14]基于开放图形库(open graphics library, OpenGL),采用多面体网格逼近与Grid空间分割算法,有效解决了管道模型中直管与弯管的平滑过渡问题。Han等[15]结合OpenGL透视投影技术与3ds Max建模工具,基于Visual C++开发了三维管件可视化系统,实现了良好的实时渲染效果和人机交互功能。刘斌等[16]采用J2EE(Java 2 platform enterprise edition)技术框架和模型-视图-控制器(model-view-controller, MVC)架构,结合Oracle数据库构建了石油管道安全管理系统,实现了管道数据的可视化监控与分析。
当前,管道三维可视化建模技术虽已实现基础模型构建,但仍面临以下技术瓶颈:①建模过程依赖人工特征点标注与参数输入,由于缺乏与管道内、外检测设备的直接数据对接,难以高效处理大批量管道数据,不能满足管道泄漏事故应急抢险快速响应的实际需求;②建模过程多采用“直管段+预制弯头”的组合模式,预制弯头模型受限于标准角度库(如90°/120°),和实际管道弯头效果具有一定偏差;③缺乏对地质沉降、外力挤压等复杂工况引起的管道连续弯曲变形的表征能力。上述问题导致现有技术难以支撑管道泄漏事故快速应急响应,无法满足泄漏点相邻管道、管-土空间位置精确可视的要求,制约大规模管网数字化管理系统的建设。
综上所述,面向管道维抢修作业快速响应的实际需求,现构建一套融合多源探测数据,实现管道、缺陷、附属物一体化构筑,精准展示泄漏点相邻管道、管-土空间位置关系及缺陷信息的埋地管道三维可视化系统,研究结果具有重要的工程应用价值和现实意义。

1 多源数据整合处理

为提升管道泄漏事故应急抢险与日常运维效率,需构建与现行探测设备相匹配的多源数据处理方法。通过系统分析探测数据特征与格式,建立标准化处理流程,实现从原始探测数据到可视化要素的高效转换,为后续系统构建提供可靠数据基础。

1.1 数据来源分析

埋地管道三维可视化系统的核心数据源涵盖管道移交数据(管径、材质等基础属性)、管道探测数据(中心线坐标与埋深等空间信息)及缺陷检测数据(缺陷空间坐标、方位与形状表征)。检测设备依据部署方式分为内检测[17-18]与外检测[19-20]两类,输出数据类型如表1所示。

管道探测方面,内检测设备集成惯性测量单元(inertial measurement unit, IMU),通过融合GNSS(global navigation satellite system)基准点坐标与惯性里程计数据,实现管道中心线大地坐标(λ, φ, h)的精准解算;外检测设备基于探地雷达等技术,结合GNSS定位获取管道地理坐标与埋深参数。

缺陷检测方面,内检测设备主要采用漏磁检测、超声检测、涡流检测等技术,获取管体均匀腐蚀、点蚀及裂纹等缺陷的空间位置、里程、方位角与几何参数,同步采集环焊缝三维坐标;外检测设备基于无人机视觉检测、多频激励、磁层成像及三维激光扫描等技术,实现泄漏点识别与裂纹等缺陷的空间位置、里程及形貌特征的解析。

1.2 数据处理

上述多源数据主要包含大地坐标(经度λ、纬度φ、高程h、埋深d)及里程计累积距离s两类参数。通过空间数据融合算法,将异构坐标系转换至以首段管道起始点地面坐标为原点的局部笛卡尔坐标系(X, Y, Z)相对坐标,支撑三维可视化建模。

1.2.1 大地坐标转换

对于管道的经纬度与埋深数据,首先需将其统一为中心线的空间坐标(经度λ、纬度φ和高程h)。如图1所示为坐标示意图,大地坐标的处理流程如下:在选定地球椭球模型(如 WGS84 或 CGCS2000)的基础上,根据椭球几何参数将大地坐标转换为地固直角坐标系(x, y, z);随后利用局部坐标旋转矩阵将其转换至东北天坐标系(e, n, u),从而获得满足可视化需求的局部相对坐标(X, Y, Z)。

1.2.2 里程数据转换

在获取管道中心线离散点序列空间坐标(Xi, Yi, Zi)及缺陷里程参数s后,采用空间线性插值算法实现缺陷里程数据转换。首先基于管道中心线坐标计算相邻点距离Δdi,即

Δdi=$\sqrt{({\mathit{X}}_{\mathit{i}}-{\mathit{X}}_{\mathit{i}-1}{)}^{2}+({\mathit{Y}}_{\mathit{i}}-{\mathit{Y}}_{\mathit{i}-1}{)}^{2}+({\mathit{Z}}_{\mathit{i}}-{\mathit{Z}}_{\mathit{i}-1}{)}^{2}}$

式(1)中:Δdi为相邻中心线坐标点距离,m;i为管道中心线坐标点序列号。

继而计算累计里程序列,即

${\mathit{D}}_{\mathit{k}}=\stackrel{\mathit{k}}{\sum _{\mathit{i}=1}}\mathrm{\Delta }{\mathit{d}}_{\mathit{i}}$

式(2)中:Dk为中心线k点累计里程,m;k为管道中心线坐标点序列号。

对于给定缺陷里程s,在累计里程序列中定位满足Dm≤s≤Dm+1的区间段,计算插值系数α。

$\mathit{\alpha }=\frac{\mathit{s}-{\mathit{D}}_{\mathit{m}}}{{\mathit{D}}_{\mathit{m}+1}-{\mathit{D}}_{\mathit{m}}}$

式(3)中:α为插值系数;s为缺陷检测出里程,m;Dm为第m个中心线点的里程值,m;Dm+1为第m+1个中心线点的里程值,m。

最终通过线性插值计算缺陷空间直角坐标,即

$\left[\begin{array}{l}{\mathit{X}}_{\mathit{j}}\\ {\mathit{Y}}_{\mathit{j}}\\ {\mathit{Z}}_{\mathit{j}}\end{array}\right]=(1-\mathit{\alpha })\left[\begin{array}{l}{\mathit{X}}_{\mathit{m}}\\ {\mathit{Y}}_{\mathit{m}}\\ {\mathit{Z}}_{\mathit{m}}\end{array}\right]+\mathit{\alpha }\left[\begin{array}{l}{\mathit{X}}_{\mathit{m}+1}\\ {\mathit{Y}}_{\mathit{m}+1}\\ {\mathit{Z}}_{\mathit{m}+1}\end{array}\right]$

通过大地坐标转换与里程数据处理,将原始探测数据转化为三维可视化建模的空间要素集,为管道自动建模与缺陷自适应构筑提供基础数据支撑。

2 可视化系统构建

Unity引擎作为主流实时三维交互开发平台,具备开放性、跨平台性与稳定性优势,集成数据交互、仿真可视化及强大的API功能。鉴于该引擎在三维可视化领域的综合优势,如图2所示,采用Unity引擎构建埋地管道三维空间可视化系统。

可视化系统架构以Unity 3D为核心,包含数字化接口、功能操作及可视化展示三大模块。数据管理通过硬盘驱动器及服务器实现管道数据、缺陷数据与服役场景要素的存储:少量数据采用NPOI库结合StreamReader(·)/StreamWriter(·)方法读写.xlsx与.txt格式文件;大量数据则依托MySQL数据库并通过TCP/IP协议在服务器端完成高效存储。功能操作层利用API与C#脚本实现多源探测数据的整合处理、管道三维模型一体化建模与缺陷及附属物自适应构筑,并提供土层剖面分析、土层透明度调整及缺陷信息交互展示等功能。可视化主界面直观呈现相邻管道、管-土空间位置关系。

2.1 管道一体化建模

如图3所示,管道建模步骤为:设置管道中心线坐标、绘制基准圆面、绘制直管段、绘制弯头。图3中A、B、C、D表示相邻两基准圆截面上沿周向对应的离散节点,用于构建相邻截面之间的三角形网格单元,其拓扑关系及具体实现方法见2.1.3节。

2.1.1 设置管道中心线坐标

一条管道可能包含若干个(至少两个)中心线坐标节点,每两个相邻节点之间的管道可视为一段直管段连接,管道中心线走势方向由式(5)确定。

r=(Xn,j+1,Yn,j+1,Zn,j+1)-(Xn,j,Yn,j,Zn,j)

2.1.2 基准圆面绘制

采用计算机图形学中的角度微分法,通过内接正多边形逼近管道截面基准圆。在XY平面上,将圆形均匀离散为n个点,每个点的参数方程如式(6)所示。初始基准面位于标准XY平面,其法向量为Z(0,0,1)。

$\mathit{P}\mathit{\text{'}}{}_{\mathit{k}}=\mathit{R}\left[\begin{array}{l}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left(\mathit{k}\frac{2\mathrm{\pi }}{\mathit{n}}\right)\\ \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\mathit{k}\frac{2\mathrm{\pi }}{\mathit{n}}\right)\\ 0\end{array}\right],\mathit{　}\mathit{k}=\mathrm{0,1},\dots,\mathit{n}-1$

式(6)中:P'k为XY平面下离散点坐标向量;R为管道半径,m;k为离散点序号,X轴处为0,逆时针增加;n为多边形边数,取值越大,拟合效果越好。

如图4所示,需将标准XY平面上计算出的管道基准面平移至相应管道中心线节点i处,并将其法向量由Z(0,0,1)旋转至该节点对应的方向向量r。首先,对方向向量r归一化处理,如式(7)所示。

$u\left(u_{x}, u_{y}, u_{z}\right)=\frac{r}{\|r\|}$

进一步,计算将基准截面法向量Z(0,0,1)旋转至中心线节点i方向向量r所对应的旋转四元数q。

$\mathit{q}=\left\{\begin{array}{l}[\mathrm{0,1},\mathrm{0,0}],\mathit{　}\mathit{　}\mathit{u}=(\mathrm{0,0},-1)\\ \left[\sqrt{\frac{1+{\mathit{u}}_{\mathit{z}}}{2}},\frac{-{\mathit{u}}_{\mathit{y}}}{2\sqrt{\frac{1+{\mathit{u}}_{\mathit{z}}}{2}}},\frac{{\mathit{u}}_{\mathit{x}}}{2\sqrt{\frac{1+{\mathit{u}}_{\mathit{z}}}{2}}},0\right],\\ \mathit{　}\mathit{　}\mathit{　}\mathit{　}\mathit{　}\mathit{　}\mathit{　}\mathit{u}\ne (\mathrm{0,0},-1)\end{array}\right.$

利用旋转四元数q可计算管道上基准圆截面各离散点的实际空间位置坐标为

${\mathit{P}}_{\mathit{k}}=\mathit{q}\mathit{P}\mathit{\text{'}}{}_{\mathit{k}}+\mathit{i}$

式(9)中:Pk转换处理后基准圆面离散点实际坐标向量P'k为XY平面下离散点坐标向量;k为离散点序号,X轴处为0,逆时针增加;i为管道中心线节点坐标向量。

2.1.3 直管段拉伸

如图3所示,直管段表面通过连接相邻基准圆截面的顶点构建连续三角网格。对于含L个基准截面、每截面含C个顶点的管道模型,顶点索引由截面序号i(0≤i<L)和圆周序号j(0≤j<C)通过式(10)确定。

$\mathit{V}(\mathit{i},\mathit{j})=\mathit{i}\mathit{C}+\mathit{j}$

相邻截面间通过三角形带(triangle strip)连接,每个截面间隔生成2C个三角形。以截面i与i+1间的三角形网格单元为例。

第1个三角形单元(△ACD)顶点索引为

$\left\{\begin{array}{l}{{\mathit{T}}^{\mathrm{v}}}_{1}=\mathit{V}(\mathit{i},\mathit{j})\\ {{\mathit{T}}^{\mathrm{v}}}_{2}=\mathit{V}[\mathit{i}+1,(\mathit{j}+1\left)\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d}\mathit{C}\right]\\ {{\mathit{T}}^{\mathrm{v}}}_{3}=\mathit{V}(\mathit{i}+1,\mathit{j})\end{array}\right.$

第2个三角形单元(△ABD)顶点索引为

$\left\{\begin{array}{l}{\mathit{T}}_{1}^{\mathit{\text{'}}\mathrm{v}}=\mathit{V}(\mathit{i},\mathit{j})\\ {\mathit{T}}_{2}^{\mathit{\text{'}}\mathrm{v}}=\mathit{V}[\mathit{i},(\mathit{j}+1\left)\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d}\mathit{C}\right]\\ {\mathit{T}}_{3}^{\mathit{\text{'}}\mathrm{v}}=\mathit{V}[\mathit{i}+1,(\mathit{j}+1\left)\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d}\mathit{C}\right]\end{array}\right.$

式中:mod C表示以圆周离散点数C为模的取模运算,用于保证周向索引的周期性与闭合性,即当索引达到末端j=C-1时,有(j+1)mod C=0。

通过在相邻截面循环绘制三角形网格,最终构建直管段圆柱体表面。

2.1.4 弯头构建

对于采用IMU等设备获取的高密度管道中心线坐标数据,采用上述直管段三角网格化方法,可直接实现弯曲管段的自动建模。然而,在依赖探地雷达等外检测设备的工程场景中,通常无法获取完整的弯头中心线坐标数据。为此,如图5所示,通过入弯直管段(AB)与出弯直管段(CD)的中心线坐标点,采用弯头参数化自动拟合方法,在弯曲区域生成列插值点U、V、W,通过对插值点序列进行空间重构,完成弯头几何形态的构建。

基于入弯直管道中心线坐标点(A、B)及出弯直管道中心线坐标点(C、D),建立空间直线参数方程为

${\mathit{P}}_{1}\left(\mathit{t}\right)=\mathit{A}+\mathit{t}{\mathit{d}}_{1}$
${\mathit{P}}_{2}\left(\mathit{s}\right)=\mathit{C}+\mathit{s}{\mathit{d}}_{2}$

式中:A为点A坐标向量;d1为入弯直管段中心线AB方向向量;P1(t)为入弯直管道中心线上的点(位置向量);P2(s)为出弯直管道中心线上的点(位置向量);C为点C坐标向量;d2出弯直管段中心线CD方向向量。

联立方程式(13)和式(14),求解参数t,即

$\mathit{t}=\frac{(\overrightarrow{\mathit{A}\mathit{C}}\times {\mathit{d}}_{2})\mathit{c}}{=\mathit{c}={}^{2}}$

式(15)中:$\overrightarrow{\mathit{A}\mathit{C}}$为点A至点C向量;c为d1、d2两向量叉积向量,即c=d1 ×d2。

继而,将t代入式(13)中得到交点P坐标。计算向量$\overrightarrow{\mathit{P}\mathit{B}}\mathit{、}\overrightarrow{\mathit{P}\mathit{C}},$并根据式(16)计算$\overrightarrow{\mathit{P}\mathit{B}}\mathit{、}\overrightarrow{\mathit{P}\mathit{C}}$和向量$\overrightarrow{\mathit{P}\mathit{O}}$的单位向量v0,即

${\mathit{v}}_{0}=\frac{\overrightarrow{\mathit{P}\mathit{B}}+\overrightarrow{\mathit{P}\mathit{C}}}{=\overrightarrow{\mathit{P}\mathit{B}}+\overrightarrow{\mathit{P}\mathit{C}}=}$

计算$\overrightarrow{\mathit{P}\mathit{B}}$与v0夹角θ,即

$\mathit{\theta }=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\frac{\overrightarrow{\mathit{P}\mathit{B}}·\overrightarrow{\mathit{P}\mathit{O}}}{=\overrightarrow{\mathit{P}\mathit{B}}==\overrightarrow{\mathit{P}\mathit{O}}=}$

计算交点P到圆心距离d,即

$\mathit{d}=\frac{=\overrightarrow{\mathit{P}\mathit{B}}=}{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\theta }}$

计算弯头处圆弧圆心坐标向量,即

$\mathit{O}={\mathit{v}}_{0}\mathit{d}+\mathit{P}$

式(19)中:P为点P坐标向量。

将圆心O至入弯处管道中心点B距离||OB||作为内切圆弧半径r。计算$\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{B}}$与$\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{C}}\mathit{。}$进一步计算向量$\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{V}}\mathit{、}$向量$\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{U}}\mathit{、}$向量$\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{W}},$即

$\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{V}}=\frac{\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{B}}+\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{C}}}{=\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{B}}+\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{C}}=}\mathit{r}$
$\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{U}}=\frac{\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{B}}+\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{V}}}{=\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{B}}+\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{V}}=}\mathit{r}$
$\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{W}}=\frac{\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{C}}+\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{V}}}{=\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{C}}+\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{V}}=}\mathit{r}$

最终,求得管道弯头路径点U、V、W坐标为

$\mathit{U}=\mathit{O}+\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{U}}$
$\mathit{V}=\mathit{O}+\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{V}}$
$\mathit{W}=\mathit{O}+\overrightarrow{\mathit{O}\mathit{W}}$

按顺序连接点B→U→V→W→C形成弯头中心线路径,相邻路径点之间采用三角网格化方法进行构建,从而实现弯头自动建模。如需提升管道弯头圆滑程度,可在B、U、V、W、C间增加插值点。

2.1.5 截面椭圆化及凹陷精细刻画

管道在长期服役或受地质活动影响时,易产生连续弯曲变形,导致截面椭圆化或局部凹陷,从而影响可视化模型精度及维抢修定位可靠性。为提高模型精度,引入三维扫描[21-22]获取高密度点云数据,通过噪声去除和圆柱面初步拟合,将点云与原网格匹配,根据截面椭圆度和局部凹陷特征对网格单元进行几何修正,并在此基础上调整网格密度与拓扑结构,从而构建兼顾整体连续性和局部几何异常的高精度三维实体管道模型,为管道可视化、泄漏事故应急维抢修开挖及运维提供可靠支撑。

2.2 缺陷、附属物自适应构筑

采用Blender、3ds MAX等三维建模软件,通过NURBS曲面与多边形网格混合建模等技术,对环焊缝、阀门、三通接口等附属物与体积型缺陷、均匀腐蚀等缺陷进行刻画,构建包含附属物与典型缺陷的预制体模型库,如图6所示。预制模型以.FBX格式导出,并在Unity引擎中进行LOD(level of detail)分级处理,优化复杂场景下的渲染性能。

针对预制模型与实际管道几何走势的空间对齐问题,采用基于空间几何约束的自适应构建算法。该算法依据管道中心线坐标与缺陷/附属物位置信息,通过几何匹配实现模型的自动定位、姿态调整、钟点方向映射与尺寸适配。

2.2.1 姿态调整

姿态调整的目的是将缺陷或附属物模型的轴线方向与目标位置处管道中心线的走势方向对齐。其几何原理如图7所示。

对于整合处理后缺陷或附属物坐标点Q(XQ, YQ, ZQ),管道中心线坐标集合{Ci(Xi, Yi, Zi)},首先计算点Q到各中心线点Ci的距离,确定距离最近的两个相邻中心线点Cm、Cn。计算管道在点Q邻近区域的中心线方向向量v2,即

${\mathit{v}}_{2}=\frac{{\mathit{C}}_{\mathrm{n}}-{\mathit{C}}_{\mathrm{m}}}{={\mathit{C}}_{\mathrm{n}}-{\mathit{C}}_{\mathrm{m}}=}$

以y轴正方向单位向量v1=(0,1,0)作为模型初始轴线姿态。计算旋转轴单位向量r,即

$\mathit{r}=\frac{{\mathit{v}}_{1}\times {\mathit{v}}_{2}}{={\mathit{v}}_{1}\times {\mathit{v}}_{2}=}$

计算v1与v2两向量夹角,即

$\mathit{\theta }=\mathrm{c}\mathrm{o}{\mathrm{s}}^{-1}\left(\frac{{\mathit{v}}_{1}·{\mathit{v}}_{2}}{={\mathit{v}}_{1}=={\mathit{v}}_{2}=}\right)$

最终,得到姿态调整的旋转矩阵R为

$\mathit{R}=\left[\begin{array}{lll}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\theta }+{\mathit{r}}_{\mathit{x}}^{2}(1-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\theta })& {\mathit{r}}_{\mathit{x}}{\mathit{r}}_{\mathit{y}}(1-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\theta })-{\mathit{r}}_{\mathit{z}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\theta }& {\mathit{r}}_{\mathit{x}}{\mathit{r}}_{\mathit{z}}(1-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\theta })+{\mathit{r}}_{\mathit{y}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\theta }\\ {\mathit{r}}_{\mathit{y}}{\mathit{r}}_{\mathit{x}}(1-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\theta })+{\mathit{r}}_{\mathit{z}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\theta }& \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\theta }+{\mathit{r}}_{\mathit{y}}^{2}(1-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\theta })& {\mathit{r}}_{\mathit{y}}{\mathit{r}}_{\mathit{z}}(1-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\theta })-{\mathit{r}}_{\mathit{x}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\theta }\\ {\mathit{r}}_{\mathit{z}}{\mathit{r}}_{\mathit{x}}(1-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\theta })-{\mathit{r}}_{\mathit{y}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\theta }& {\mathit{r}}_{\mathit{z}}{\mathit{r}}_{\mathit{y}}(1-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\theta })+{\mathit{r}}_{\mathit{x}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\theta }& \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\theta }+{\mathit{r}}_{\mathit{z}}^{2}(1-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\theta })\end{array}\right]$

2.2.2 钟点方向映射

钟点方位映射旨在确定缺陷或附属物模型在管道圆周方向上的精确位置(如3点钟、6点钟方向)。根据预设的钟点方位参数c(1点~12点)及管道内流体流向,以管道顶部(12点钟位置)为基准进行环向调整。当管道中心线坐标走势与管内流体流向相同,旋转角度α = ( c-12 )×30°;若相反,α=( c-12 )×(-30°)。

以方向向量v2为旋转轴,生成钟点方向映射的旋转矩阵Rclock,即

${\mathit{R}}_{\mathit{c}\mathit{l}\mathit{o}\mathit{c}\mathit{k}}=\left[\begin{array}{lll}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\alpha }+{\mathit{v}}_{2\mathit{x}}^{2}(1-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\alpha })& {\mathit{v}}_{2\mathit{x}}{\mathit{v}}_{2\mathit{y}}(1-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\alpha })-{\mathit{v}}_{2\mathit{z}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\alpha }& {\mathit{v}}_{2\mathit{x}}{\mathit{v}}_{2\mathit{z}}(1-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\alpha })+{\mathit{v}}_{2\mathit{y}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\alpha }\\ {\mathit{v}}_{2\mathit{y}}{\mathit{v}}_{2\mathit{x}}(1-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\alpha })+{\mathit{v}}_{2\mathit{z}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\alpha }& \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\alpha }+{\mathit{v}}_{2\mathit{y}}^{2}(1-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\alpha })& {\mathit{v}}_{2\mathit{y}}{\mathit{v}}_{2\mathit{z}}(1-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\alpha })-{\mathit{v}}_{2\mathit{x}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\alpha }\\ {\mathit{v}}_{2\mathit{z}}{\mathit{v}}_{2\mathit{x}}(1-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\alpha })-{\mathit{v}}_{2\mathit{y}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\alpha }& {\mathit{v}}_{2\mathit{z}}{\mathit{v}}_{2\mathit{y}}(1-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\alpha })+{\mathit{v}}_{2\mathit{x}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\alpha }& \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\alpha }+{\mathit{v}}_{2\mathit{z}}^{2}(1-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\alpha })\end{array}\right]$

2.2.3 尺寸适配

根据管道的直径D以及缺陷或附属物的具体尺寸参数,计算模型尺寸适配的调整矩阵S,即

$\mathit{S}=\left[\begin{array}{lll}{\mathit{s}}_{\mathit{x}}& 0& 0\\ 0& {\mathit{s}}_{\mathit{y}}& 0\\ 0& 0& {\mathit{s}}_{\mathit{z}}\end{array}\right]$
$\left\{\begin{array}{l}{\mathit{s}}_{\mathit{x}}=\frac{\mathit{D}}{{\mathit{D}}_{0}}{\mathit{k}}_{1}\\ {\mathit{s}}_{\mathit{y}}=\frac{\mathit{h}}{{\mathit{h}}_{0}}{\mathit{k}}_{2}\\ {\mathit{s}}_{\mathit{z}}=\frac{\mathit{l}}{{\mathit{l}}_{0}}{\mathit{k}}_{3}\end{array}\right.$

式中:D、h、l为缺陷及附属物实际尺寸,m;D0、h0、l0为缺陷及附属物模型初始尺寸,m;k1、k2、k3为相关调整系数。

综合姿态调整、钟点方位映射和尺寸适配3个步骤的空间变换,得到缺陷或附属物预制模型的自适应构筑矩阵T为

$\mathit{T}=\mathit{R}{\mathit{R}}_{\mathit{c}\mathit{l}\mathit{o}\mathit{c}\mathit{k}}\mathit{S}$

通过构筑矩阵,结合缺陷初始位置信息,即可实现缺陷、附属物模型自适应构筑。

2.3 管道服役场景构建

为真实还原埋地管道的实际服役场景,提升三维可视化效果,首先,利用三维建模软件创建标准化地形单元、土壤/岩石材质库及常见地表覆盖物(如草地、灌木)模型,形成包含地形地貌、地质属性及地表覆盖物等要素的基础场景模型库。继而,结合中国长输油气管道典型服役工况(如草地、沙地、跨越河流、斜坡),通过基础要素资源整合构建管道服役三维场景。如图8所示,管道跨越河流场景通过集成河床地形、水体材质及岸坡植被模型实现。同时,为提升特定区域场景的真实性与地理精度,可集成Mapbox地理信息服务。通过调用Mapbox API获取目标区域的高程数据(digital elevation model, DEM)、卫星影像及矢量路网,并转换为Unity引擎兼容的格式(如地形高度图、纹理贴图),实现真实地理环境的三维重建,为管道可视化提供更贴近实际的服役场景支持。

2.4 可视化功能设计

为满足管道泄漏事故应急抢修的实际需求,构建了多视角控制、土壤剖面、服役场景透明度调节及缺陷信息交互等核心可视化功能。在此基础上开发的埋地管道三维可视化系统具备多源数据整合处理、管道-缺陷-服役场景一体化构建及可视化交互能力,系统支持操作人员通过多视角观察、剖面分析及透明化展示掌握相邻管道和管-土空间位置,保障应急维抢修与日常运维安全、高效开展。

3 应用

为检验可视化系统性能,研究小组在某试验场开展了实景化应用。如图9所示,应用场地敷设813 mm钢管、610 mm钢管、PVC管及水泥管各一根,其中钢管预制若干缺陷。现场利用探地雷达获取管道经纬度与埋深信息,并采用多频激励设备获取钢管表面体积型金属损失缺陷的经纬度、方位及深度等表征数据。

获取管道及缺陷探测数据后,利用可视化系统对多源数据进行整合处理,完成管道-缺陷-沙漠服役场景的一体化构建。图10(a) 展示了调整服役场景透明度后的系统效果,可同时观察埋地管道、缺陷、附属物及环焊缝的空间分布。系统由主视角和右上副视角组成,前者用于实时查看相邻管道位置关系,后者用于整体场景的全局把控。图10(b)为土壤剖面下的可视化效果,可清晰呈现管-土空间位置关系,并通过缺陷列表实现缺陷的视角跟踪与信息交互。系统可与开挖装置联动,通过左下角实时更新挖掘机坐标,保障无人化远程安全开挖。基于该实景化应用,可验证系统在直管段建模中的准确性及不同管径下缺陷与附属物的自动适配能力;结合图8管道跨越河流服役场景,则可进一步验证系统在弯管建模及缺陷、附属物对不同管道走势的自适应姿态调整能力。

4 结论

为满足管道泄漏事故应急维抢修快速响应需求,提出并实现了一种多源数据融合的埋地管道三维空间可视化构建技术。该技术通过自动化处理管道内外检测设备输出的多源数据,生成可视化要素信息,实现管道主体、环焊缝、附属物及缺陷的一体化快速建模,并基于Unity引擎构建典型服役场景与交互功能模块,得出如下结论。

(1)构建了IMU、探地雷达和多频激励等多源探测数据的整合与自动化处理流程,显著提升了原始数据向可视化模型的转换效率,为管道应急响应和日常运维提供了可靠的时效性保障。

(2)提出的管道一体化建模方法基于中心线坐标与管径等参数,实现了直管段与任意角度弯管段的一体化精确建模,能够准确刻画跨越河流、占压及外力作用导致的管道复杂三维空间弯曲形态。

(3)开发的基于空间几何约束的自适应构筑算法,实现了管道附属物及缺陷模型的精确定位、尺寸匹配与自适应姿态调整,并支持缺陷信息的可视化交互展示。

(4)开发的埋地管道三维可视化系统集成草地、沙地和跨越河流等典型服役场景,具备视角转换、土壤剖面及服役场景透明度调节等功能,可清晰呈现相邻管道及管-土空间位置关系,为管道泄漏事故应急维抢修开挖与完整性管理提供直观、可交互的技术支撑。

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基金资助

国家重点研发计划(2023YFC3011300)

国家自然科学基金青年科学基金(12302100)

陕西省“三秦英才”优秀青年工程技术人才项目(2023SYJ31)

陕西省秦创原高层次创新创业人才项目(QCYRCXM-2023-058)

西安交通大学青年拔尖人才项目(11301223010729)

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