樊濟(jì)
(湖南省第一測繪院,湖南 衡陽 421000)
城市化建設(shè)腳步的不斷推進(jìn),我國城市基礎(chǔ)測繪的工作量日益增加,特別地下管線的探測工作,大量非金屬管線的應(yīng)用,增加了地下管線的探測難度,傳統(tǒng)的金屬管線探測方法顯然難以適用,而探地雷達(dá)的應(yīng)用,不僅具有無損、精準(zhǔn)、快速的特點(diǎn),同時探測范圍也比較大,操作相對簡單,極大地減輕了工作量。隨著探測技術(shù)的不斷發(fā)展,探地雷達(dá)在房屋測繪與地下管線探測方面的應(yīng)用優(yōu)勢,逐漸為人所關(guān)注。基于此,本文對探地雷達(dá)在城市管線測量中的應(yīng)用進(jìn)行研究,具有重要的實(shí)踐意義。
探地雷達(dá),簡稱GPR,是近年來新興起的一項(xiàng)電磁探測技術(shù)。探地雷達(dá)應(yīng)用的主要優(yōu)勢為高分辨率、定位準(zhǔn)確、圖像實(shí)時顯示,且不需要開挖地表便可以進(jìn)行探測,因而不會對地表產(chǎn)生破壞。其探測的主要原理為,利用特殊儀器,將106~109Hz波段的高頻電磁波,以寬頻帶短脈沖的形式,發(fā)射到地下,并借助土壤進(jìn)行傳播,當(dāng)電磁波在地下遇到具有電性差異的地下目標(biāo)體時,便會出現(xiàn)反射,這一反射回來的電磁波會被地面上的接收裝置接收,通過分析接收電磁波的波形與振幅強(qiáng)度,結(jié)合雙程時間等參數(shù),確定地下目標(biāo)物的深度與位置,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測量[1]。
需要注意的是,面對不同性質(zhì)或者材料的地下管線,探地雷達(dá)所能起到的探測效果也是不相同的,這主要是因?yàn)椴煌牧辖橘|(zhì)自身的介電常數(shù)以及波速存在很大差異。金屬類管線的介電常數(shù)為0,探地雷達(dá)在探測金屬類管線時,探測效果比較顯著,而對于其他類型物質(zhì),雷達(dá)接收器上顯示的圖像信息就相對較弱。根據(jù)這一特性,也可以迅速判斷出區(qū)域地下是否存在金屬類管線。
探地雷達(dá)的參數(shù),包括觸發(fā)方式、天線類型、時窗范圍以及采樣點(diǎn)數(shù)等。首先,按照城市地質(zhì)選擇適合的天線類型,其次按照預(yù)估的地下管線的最大埋深,選擇合理的時窗范圍,而采樣點(diǎn)數(shù)為單位距離的測距輪標(biāo)準(zhǔn)值45,即采樣間距為2.2cm,觸發(fā)方式可以根據(jù)實(shí)際需求選擇距離觸發(fā)與測距輪觸發(fā)等方式。
探地雷達(dá)的增益獲取是通過指數(shù)增益的方式來實(shí)現(xiàn)的,最大增益為60dB,最小增益為-20dB。需要注意的是,正增益一般情況下應(yīng)用于放大信號強(qiáng)度之上,而負(fù)增益一般情況下應(yīng)用于縮小信號強(qiáng)度上。對于與地表相距較近的數(shù)據(jù),可通過負(fù)增益的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,而針對中層深度返回的數(shù)據(jù),則需要采用正增益的方式進(jìn)行處理。
在數(shù)據(jù)采集時,可通過推動天線小車,在顯示屏幕上得到采集數(shù)據(jù)的波形圖像,這種情況下,可以通過分析不同波形圖像的特征,來獲得不同的地下管線。
通過振幅譜、相位譜、頻率譜等方式,對波形圖像進(jìn)行分析,進(jìn)而推斷出地下管線的定位,并且還可以推測出地下管線分布的大概平面位置,以及地下管線的性質(zhì)。此外,還可以利用波形圖像的大小,來預(yù)估管線直徑,在反射面不夠明顯的情況下,則可以通過同相軸的連續(xù)判斷,來推測出地下管線的平面位置。
數(shù)據(jù)處理適用于城市地質(zhì)環(huán)境相對復(fù)雜,探地雷達(dá)難以在探測現(xiàn)場獲得地下管線的分布情況的情形中。利用軟件切除圖像中的干擾波形與濾波,同時還要對處理掉波形的增益以及剖面偏移,以此來提高管線反射圖像的分辨率,便于更加清晰的觀察,進(jìn)而推測出管線的實(shí)際分布情況。
一方面,現(xiàn)場勘探試驗(yàn)。在現(xiàn)場勘探的過程中,為了將探地雷達(dá)的探測效果充分發(fā)揮出來,工作人員應(yīng)首先做好所探測地區(qū)的地下管線的相關(guān)資料,包括地下管線的直徑大小、才智等,同時還要調(diào)查目標(biāo)探測地的溫度、地質(zhì)情況、溫度等條件,并根據(jù)實(shí)際情況,選擇合適的探測參數(shù)。另一方面,剖面探測。在應(yīng)用剖面探測的方式對地下管線進(jìn)行測量時,一是要做好探測前的準(zhǔn)備工作,包括標(biāo)志其真實(shí)位置、測量線的布置等,二是要做好目標(biāo)管線是否異常的判斷工作。
為了做好城市地下管線的規(guī)劃建設(shè)工作,東莞市積極開展中心鎮(zhèn)的地下綜合管線普查工作,并將第一批中心鎮(zhèn)地下管線的普查劃分成12個包,本文研究以J包地下管線的普查為例展開研究。本次探測的地點(diǎn)在塘廈鎮(zhèn)與鳳崗鎮(zhèn)部分區(qū)域的J包,區(qū)域面積為55.28km2,主要工作量為:探查各類管線點(diǎn)91087個,其中調(diào)查明顯點(diǎn)53650個,探測隱蔽點(diǎn)37437個。管線長度總計(jì)1496.149km。探測結(jié)果經(jīng)處理后如圖1所示,而同一位置現(xiàn)有的管線圖資料如圖2所示。
圖1 經(jīng)處理后的探地雷達(dá)測量影像
圖2 雷達(dá)探測影像對應(yīng)的管線圖資料
由圖1與圖2可以看出,若將路邊看作是起始點(diǎn),那么雨水管道與起始點(diǎn)之間的距離為2.7m,而自來水管道的距離則為8.4m,煤氣管道的距離為7.5m,電力管線與起始點(diǎn)的距離為12.5m,兩條熱力管線與起始點(diǎn)的距離分別為13.2m與13.8m。與此同時,探地雷達(dá)所探測的影像,和實(shí)際的城市管線分布圖恰好吻合,并且探測雷達(dá)獲得的影像中,很多管線的探測感知效果較好,管線分布明顯,可以在雷達(dá)影像中清晰地看到。這說明,探地雷達(dá)的探測效果較好,定位比較精準(zhǔn)。
城市地下管線的探測工作對城市化建設(shè)具有重要影響,而通過本文中對探地雷達(dá)測量原理、測量方法的分析,結(jié)合實(shí)際案例的探測結(jié)果,可以看出探地雷達(dá)作為一種新型探測手段,在城市地下管線的探測中具有非常好的應(yīng)用效果,不僅探測精準(zhǔn)性較高,且雷達(dá)圖像分辨率高,亦不會對地表產(chǎn)生破壞。所以,探地雷達(dá)在城市地下管線的探測中具有較好的應(yīng)用前景??偠灾?,在我國城市化建設(shè)的進(jìn)程中,城市地下管線的探測工作任重而道遠(yuǎn),行業(yè)工作人員應(yīng)積極應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對地下管線的快速探測,以及高精準(zhǔn)定位。