基于GIS的地下管線探測(cè)技術(shù)探討

劉彥祥，胡麗達(dá)，韓伯利，崔青軸

（交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456）

地下管線是城市規(guī)劃、建設(shè)的重要組成部分，種類繁多、形式復(fù)雜，主要有給水、排水、燃?xì)?、熱力、工業(yè)、電力（信）、綜合管溝和人防管線等，是保障城市功能正常發(fā)揮和人民安居樂業(yè)的神經(jīng)與血管，被稱為城市的“生命線”[1]。

地理信息系統(tǒng)是融計(jì)算機(jī)圖形和數(shù)據(jù)庫于一體、存儲(chǔ)和處理空間信息的高新技術(shù)，把管線的地理位置和相關(guān)屬性有機(jī)結(jié)合起來，根據(jù)需要把資料準(zhǔn)確、圖文并茂地輸出給用戶，進(jìn)而滿足城市規(guī)劃建設(shè)、企業(yè)管理、居民生活對(duì)空間信息的要求，并能借助其空間分析功能和可視化表達(dá)進(jìn)行各種輔助決策。利用具有空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的地理信息系統(tǒng)來管理錯(cuò)綜復(fù)雜的地下管線，可以實(shí)現(xiàn)地下管線數(shù)據(jù)的集中、科學(xué)、動(dòng)態(tài)管理，從而更好地為建設(shè)高質(zhì)量、高效率的現(xiàn)代化城市服務(wù)。

1 工程實(shí)例

工程項(xiàng)目為2008年10月完成的某工程區(qū)域的地下管線，管線覆蓋面積約13.6 km2，調(diào)查探測(cè)的地下管線長度約184.2 km。管線類型有：電力（信）、路燈、給（排）水、熱力等。調(diào)查內(nèi)容有：平面位置、埋深、走向、材質(zhì)、規(guī)格、權(quán)屬等。

1.1 技術(shù)依據(jù)及工作流程

工程作業(yè)按照現(xiàn)行國家規(guī)范[2-4]標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。工作流程如圖1所示。

1.2 儀器及人員配備

管線探測(cè)采用RD400 PXL2與LD 500型管道探測(cè)儀，定位儀器采用Trimble 5800 RTK GPS雙頻接收機(jī)，動(dòng)態(tài)定位精度為±1 cm+1 ppm（水平）/±2c m+1 ppm（垂直）。所使用儀器均經(jīng)具有儀器檢定資質(zhì)的部門鑒定合格，并在有效期內(nèi)。

本項(xiàng)目設(shè)項(xiàng)目總負(fù)責(zé)1名，物探、測(cè)量、內(nèi)業(yè)技術(shù)負(fù)責(zé)各1名，質(zhì)檢員2名（兼），安全員1名（兼），3個(gè)探測(cè)組，3個(gè)測(cè)量組，1個(gè)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理組，共計(jì)15人。

2 資料收集及管線分布情況分析

在開展工作之前，需要收集測(cè)區(qū)內(nèi)地形成果圖、管線設(shè)計(jì)圖和施工竣工圖，以此作為管線調(diào)查的基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)。

地下管線探測(cè)的前提條件是管線與周圍介質(zhì)存在地球物理性質(zhì)差異。由于本測(cè)區(qū)內(nèi)地下管線敷設(shè)的管材介質(zhì)多樣如鑄鐵、聚乙烯、混凝土等，金屬管線與周圍介質(zhì)具有明顯的物性差異。金屬管線很容易對(duì)外來電磁場(chǎng)形成通道，利用高精度的儀器對(duì)這種管線周圍輻射的電磁場(chǎng)接收處理，可以確定被探測(cè)管線的位置和埋深。金屬管線的物理特征為在該測(cè)區(qū)內(nèi)開展地下管線調(diào)查施工選擇有效的儀器和物探方法提供了依據(jù)。

測(cè)區(qū)地下管線一般敷設(shè)在道路兩側(cè)及綠化帶范圍內(nèi)，有給水、雨水、污水、電力、電信等，埋設(shè)密集。測(cè)區(qū)內(nèi)排水管道埋深變化較大，一般在1.0～3.0 m，有的地段達(dá)4.0～7.0 m；其他管線埋設(shè)深度一般在0.5～2.0 m。

本次測(cè)量的首級(jí)控制采用天津港基礎(chǔ)控制網(wǎng)成果?？刂葡到y(tǒng)與采用的基礎(chǔ)控制網(wǎng)系統(tǒng)相同。

3 地下管線探查

3.1 管線探查遵循原則

從已知到未知、從簡單到復(fù)雜，優(yōu)先選用輕便、有效、快捷、成本低的方法。復(fù)雜條件下的管線探測(cè)采用多種探測(cè)方法相結(jié)合的方式。

3.2 方法試驗(yàn)與儀器一致性檢驗(yàn)

測(cè)區(qū)內(nèi)管線材質(zhì)多為金屬，所以探測(cè)時(shí)主要以電磁法探測(cè)為主。探查工作前，對(duì)RD400和LD500兩種儀器進(jìn)行收發(fā)距、工作頻率、信號(hào)施加方式及定位定深方法的有效性、精度試驗(yàn)。在方法試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在躍進(jìn)路、新港七號(hào)路選擇了5個(gè)不同已知點(diǎn)進(jìn)行了儀器一致性校驗(yàn)。

從試驗(yàn)結(jié)果可知，以感應(yīng)法探測(cè)時(shí)，收發(fā)距應(yīng)大于15 m，最佳收發(fā)距應(yīng)選擇在15～25 m。外業(yè)工作時(shí)，RD400工作頻率宜選擇65和33 kHz，RD500宜選擇38和65 kHz。對(duì)金屬管道探查首選直接連接法，對(duì)電纜類管線首選夾鉗法；多條平行管線探測(cè)，宜采用直接法、旁側(cè)激發(fā)法或選擇激發(fā)法等信號(hào)施加方式；平面定位及測(cè)深分別采用極大值及百分比（70%）法，結(jié)果接近真值。從校驗(yàn)結(jié)果可知，投入的管線探測(cè)儀滿足規(guī)程要求，可投入工程使用。

3.3 管線探查類型及方法

對(duì)隱蔽地下管線的探測(cè)，根據(jù)不同材質(zhì)、不同地球物理?xiàng)l件采用不同的物探方法進(jìn)行探測(cè)。對(duì)導(dǎo)電性能較好的金屬管線采用有源法探測(cè)來確定管線的空間位置。有源法包括直接法、夾鉗法和感應(yīng)法。當(dāng)管線材質(zhì)為金屬且埋深在2 m內(nèi)時(shí)該方法為本次工程的首選方法，根據(jù)管線的敷設(shè)狀況，選擇使用直接法或感應(yīng)法等。

3.3.1 明顯管線點(diǎn)調(diào)查

檢修井、裸露地表的管線點(diǎn)及與管線相連的附屬物、建（構(gòu)）筑物等為明顯管線點(diǎn)。明顯點(diǎn)調(diào)查內(nèi)容為：排水管道、方溝及電力溝道等量測(cè)管底或溝道底至地面垂直距離，其他管線埋深量測(cè)管頂至地面垂直距離。埋深量測(cè)采用經(jīng)檢驗(yàn)合格的鋼卷尺和量桿，讀數(shù)至厘米。

實(shí)際工作中，雨、污水管道通過用L尺量取管徑和深度，個(gè)別地方工作人員直接下井量測(cè)。電信類窨井直接放置木梯，工作人員下井量測(cè)、記錄。給水閥門井、檢修井采用鋼尺直接量取，為進(jìn)一步采用儀器探查打下良好的基礎(chǔ)。

3.3.2 隱蔽管線點(diǎn)調(diào)查

對(duì)于給水、熱力、電纜等金屬管線來說，由于其與周圍介質(zhì)存在明顯的電性差異，具備電磁法探測(cè)條件，多采用感應(yīng)法進(jìn)行探測(cè)。其中，具有接地條件的路段，為了增強(qiáng)信號(hào)的傳遞，增大分辨率，采用了直接法或夾鉗法。實(shí)踐證明，探測(cè)效果非常明顯。

電信、電力電纜的埋設(shè)多為管埋、管塊，部分為直埋。電信、電纜手孔檢查井較多，具備用夾鉗激發(fā)信號(hào)的條件采用夾鉗法，個(gè)別地段采用感應(yīng)法。定位、定深時(shí)根據(jù)被夾電纜在管組中的實(shí)際位置校正到管組中心位置及其外頂埋深。路燈電纜井室少，無法使用夾鉗，主要由燈桿接線直接連接施加信號(hào)探測(cè)。

非金屬管線主要有排水管道及電信預(yù)埋空管。排水管線埋深較大但檢修井較多，通常采用實(shí)地調(diào)查的方法確定。電信、電力等預(yù)埋空管，通常套管內(nèi)穿有鐵絲或保護(hù)材料本身為金屬套管，因此可通過對(duì)內(nèi)穿鐵絲或金屬套管施加信號(hào)采用電磁法探測(cè)。

3.3.3 疑難管線與疑難地段管線的探測(cè)方法

在一定的激發(fā)方式下，近間距并行管線上常會(huì)有感應(yīng)電流，它們的磁場(chǎng)相互疊加，使基于管線電流磁場(chǎng)特征的定位、定深方法的應(yīng)用條件無法得到滿足，致使探測(cè)誤差增大。因此，對(duì)近間距并行管線探測(cè)的技術(shù)關(guān)鍵，是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管線埋設(shè)的不同特點(diǎn)，靈活選擇最合適的激發(fā)方式，使目標(biāo)管線上產(chǎn)生的電流最大，并使鄰近的非目標(biāo)管線上的電流相對(duì)于目標(biāo)管線而言可以忽略。如，躍進(jìn)路上給水管道和電力管線相互交叉敷設(shè)，對(duì)淺埋電纜通過夾鉗法施加信號(hào)可準(zhǔn)確探測(cè)；而深埋給水管道在主線上感應(yīng)及巷口分支閥門直接連接探測(cè)均無法分辨，最后通過在遠(yuǎn)離巷口的分支管線上采用感應(yīng)法（即差異激發(fā)法）施加信號(hào)達(dá)到了減弱主線附近淺埋電纜的影響，準(zhǔn)確測(cè)定其位置和埋深。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)施測(cè)

3.4.1 管線點(diǎn)編號(hào)和實(shí)地標(biāo)注

管線點(diǎn)及管線附屬設(shè)施（各種井、閥等）外業(yè)編號(hào)均為管線代碼+編號(hào)，且物探點(diǎn)號(hào)必須唯一，如JSxxxx，其中JS為管線代號(hào)、xxxx為編號(hào)。經(jīng)探查定位后的管線點(diǎn)及附屬設(shè)施，在實(shí)地用紅油漆標(biāo)記。無法用紅油漆做標(biāo)記的地方用鐵釘或木樁做標(biāo)記，并在附近明顯并易于保存的地方標(biāo)注其點(diǎn)號(hào)并繪制示意圖。

3.4.2 管線點(diǎn)平面、高程測(cè)量

這幅作品不是賽努奇本人的收藏，入藏賽努奇博物館的時(shí)間也較為晚近，但在趣味上卻有相承之妙。這幅作品吸引了法國新一代學(xué)者的關(guān)注和研究。賽努奇博物館館長易凱說：“有專家根據(jù)左下角的人物在往左上方看，似乎是在看另外的人，認(rèn)為畫的是八仙，但我們其實(shí)可以看出他看的不是外面，另外上面的一個(gè)人，身份比較難以確定?？傊?，這些人物也沒有明顯的八仙的特點(diǎn)，只可以判斷出他們是仙人但不一定是八仙?！雹兖^長易凱（Eric Lefebvre）接受筆者采訪時(shí)口述。

平面與高程測(cè)量使用Trimble 5800 RTK GPS。RTK（Real Time Kinematic）技術(shù)又稱為載波相位差分技術(shù)，它通過實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站載波相位觀測(cè)，進(jìn)行求差解算坐標(biāo)，可實(shí)時(shí)獲得具有厘米級(jí)精度的點(diǎn)位坐標(biāo)[5]。測(cè)量時(shí)選取點(diǎn)測(cè)量模式，將測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)存儲(chǔ)于控制手簿中，并由專業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)勾繪草圖，并詳細(xì)記錄點(diǎn)號(hào)、相應(yīng)的屬性，以便于內(nèi)業(yè)成圖。

3.4.3 草圖編繪

草圖編繪遵循原則：管線點(diǎn)號(hào)應(yīng)做到實(shí)地、草圖、探查記錄、測(cè)量手簿四統(tǒng)一。管線之間的相對(duì)位置、連接關(guān)系必須正確、清楚。連接關(guān)系復(fù)雜的地段應(yīng)適當(dāng)放大比例繪制示意圖。專業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)勾繪外業(yè)草圖，并詳細(xì)記錄點(diǎn)號(hào)、屬性和相對(duì)位置，以便于內(nèi)業(yè)成圖使用。

3.5 內(nèi)業(yè)資料處理

3.5.1 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與成圖

當(dāng)天的外業(yè)工作結(jié)束后，由內(nèi)業(yè)人員將探查采集的管線數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和保存，通過數(shù)據(jù)處理生成空間數(shù)據(jù)庫與管線圖。

3.5.2 管線的分類和分層表示情況

在管線綜合圖中，為了便于對(duì)各種管線進(jìn)行管理和應(yīng)用，必須對(duì)其進(jìn)行分類和分層處理。內(nèi)業(yè)人員對(duì)每種管線進(jìn)行分類，并對(duì)每類管線的屬性做了5種分層處理。現(xiàn)以給水管線為例加以說明，見表1。

表1 給水管線的分類和分層表示

3.5.3 管線種類、代碼、顏色及分層表示標(biāo)準(zhǔn)

管線種類、代碼、顏色及分層表示標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 管線種類、代碼、顏色與分層表示

數(shù)字化圖經(jīng)質(zhì)檢檢查合格后，在GIS平臺(tái)上將成果數(shù)據(jù)入庫（建庫），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理。

4 應(yīng)注意問題及解決方法

綜合以上實(shí)例，總結(jié)了在基于GIS平臺(tái)建立的地下管線信息系統(tǒng)作業(yè)過程中應(yīng)注意的問題及相應(yīng)的解決方法。

4.1 工作前的準(zhǔn)備

充分、合理的做好工作前的準(zhǔn)備是項(xiàng)目順利開展的關(guān)鍵。這一步的主要工作是人員及設(shè)備的合理安排與配置，測(cè)區(qū)已有資料的收集與分析，編寫項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)書等。容易出現(xiàn)的問題有：沒有充分考慮到工作的環(huán)節(jié)，不能對(duì)收集的資料合理利用，導(dǎo)致工作事倍功半，貽誤工作進(jìn)程。解決方法為：充分、合理地做好前期工作準(zhǔn)備，并認(rèn)真地分析所收集資料的可利用性。

4.2 管線調(diào)查與數(shù)據(jù)采集

嚴(yán)格按照技術(shù)設(shè)計(jì)書中相關(guān)工作流程、逐步進(jìn)行外業(yè)調(diào)查與數(shù)據(jù)采集，是工作的核心所在。容易出現(xiàn)的問題有：為了省事，不嚴(yán)格遵循技術(shù)設(shè)計(jì)書中的工作流程，如RTK GPS測(cè)量工作前不檢驗(yàn)儀器或者采用了錯(cuò)誤的工作項(xiàng)目；不能對(duì)相對(duì)復(fù)雜區(qū)域的管線采用多種管線探測(cè)方式相結(jié)合的方法進(jìn)行探測(cè)；對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果與收集到的資料中有沖突的情況不予以處理或重視等。解決方法為：認(rèn)真、嚴(yán)格地按照技術(shù)設(shè)計(jì)書進(jìn)行工作，出現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)與項(xiàng)目技術(shù)主管溝通、交流。

4.3 資料整理、建庫

資料整理與數(shù)據(jù)入庫是決定工作成敗的關(guān)鍵所在。經(jīng)檢查準(zhǔn)確無誤后的基礎(chǔ)資料按照既定的格式錄入并形成GIS數(shù)據(jù)庫，由此生成面向地下管網(wǎng)的信息系統(tǒng)。由于這一階段的數(shù)據(jù)量非常大，數(shù)據(jù)類型也很復(fù)雜，所以這一步的工作要更加細(xì)致。容易出現(xiàn)的問題有：不遵循技術(shù)設(shè)計(jì)書中的數(shù)據(jù)編輯格式與要求，混淆了不同類型管線的相關(guān)屬性，如本應(yīng)屬于排水管線點(diǎn)的管井、埋深等信息卻錯(cuò)誤地嫁接到給水或其他類型管線上；對(duì)補(bǔ)測(cè)得到的數(shù)據(jù)不能及時(shí)加載并更新到成果數(shù)據(jù)庫中等。解決方法為：嚴(yán)格地按照技術(shù)設(shè)計(jì)書進(jìn)行工作，及時(shí)將當(dāng)天的數(shù)據(jù)按照相應(yīng)的管線類型分類并形成相應(yīng)的管線圖與管線數(shù)據(jù)，將補(bǔ)測(cè)的資料及時(shí)加載并更新到成果數(shù)據(jù)庫中，確保管線資料的現(xiàn)勢(shì)性，并及時(shí)與項(xiàng)目技術(shù)主管溝通、交流，使成果資料準(zhǔn)確而完整。

5 結(jié)語

地下管線信息系統(tǒng)的建設(shè)對(duì)提高城市建設(shè)的決策、規(guī)劃和管理水平，提高城市建設(shè)的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等的綜合效率，改善城市的可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃都起到十分重要的作用。近年來，國內(nèi)許多城市如天津、廣州、深圳、石家莊等均已進(jìn)行了地下管線普查，并建立了管線信息管理系統(tǒng)。實(shí)踐證明，采用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)地下管網(wǎng)的數(shù)字化、信息化是必然的。

（1）通過實(shí)例總結(jié)了基于GIS地下管線調(diào)查的過程，以此得到在地下管線探測(cè)過程中易出現(xiàn)的問題及其相應(yīng)的解決方法。

（2）GIS已成為解決地下管線各種問題的先進(jìn)手段，通過地理信息系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種管線信息的輸入、存儲(chǔ)、查詢、檢索、處理、分析、顯示、快速定位等實(shí)用功能，從而得到各種管線的信息系統(tǒng)。

[1]龔俊，王新洲，王文慶，等.城市地下管線信息管理系統(tǒng)的探討[J].地理空間信息，2005，3（3）：10-11.

[2]CJJ 61-2003/J 271-2003，城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]GB/T 18314-2001，全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范[S].

[4]CJJ 8-1999，城市測(cè)量規(guī)范[S].

[5]劉彥祥，隋海琛，田春和，等.載波相位差分技術(shù)在河道斷面測(cè)量中的應(yīng)用[J].水道港口，2004，25（S1）：112-113.