陳建軍，徐家峰

(北京同創(chuàng)達勘測有限公司，北京 100044)

1 引 言

隨著國家經(jīng)濟的迅猛發(fā)展、各城市建設步伐的加快，城市基礎建設變化比較大，特別作為市政建設重要組成部分的地下管網(wǎng)變得日趨復雜，地下管線建設規(guī)模不足、管理水平不高等問題日益凸顯，一些城市相繼發(fā)生大雨內(nèi)澇、管線泄漏爆炸、路面塌陷等事件，嚴重影響了人民群眾生命財產(chǎn)安全和城市運行秩序，為更好地管理城市建設，加快對基礎地形信息的更新，2015年4月3日，北京市有關領導主持召開地下管線基礎信息普查工作會議，部署城市地下管線基礎信息普查工作。按照國務院及住房城鄉(xiāng)建設部要求，將利用一年的時間，完成北京市城市范圍內(nèi)中心城區(qū)主要道路的地下管線基礎信息普查工作，形成地下管線基礎信息普查數(shù)據(jù)庫，并建立綜合管理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)更新、共建共享，為首都城市地下空間的合理開發(fā)利用、綜合管理、城市數(shù)字化、智慧城市建設等奠定堅實的基礎。

北京市規(guī)劃委員會于2015年9月組織了北京市地下管線基礎信息普查-城六區(qū)外業(yè)普查項目的招標工作，經(jīng)過公開招投標，北京同創(chuàng)達勘測有限公司中標04包，并受北京市規(guī)劃委員會委托，承擔北京市地下管線基礎信息普查-城六區(qū)外業(yè)普查項目(04包)管線基礎信息普查工作，本文作者通過總結新技術新裝備在該項目中的具體運用，提出一些解決管線疑難問題的方法、思路，供大家參考。

04包位于北京市朝陽區(qū)，西至東四環(huán)路東側(cè)，南至王四營北路南側(cè)，東至溫榆河，北至壩河，主要涉及將臺地區(qū)、東風地區(qū)、平房地區(qū)、高碑店地區(qū)、常營地區(qū)、管莊地區(qū)等。該項目完成圖根控制點 1 769個，施測四等水準 210.625 km，等外水準 234.215 km，管線總長度 2 857.5 km，測量管線點 123 993個(包括明顯點和隱蔽點)。

我公司于2015年11月15日進入現(xiàn)場作業(yè)，2016年5月10日完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)錄入檢查工作，5月30日完成項目部質(zhì)量檢查，6月15日完成公司級質(zhì)量檢查，向監(jiān)理單位提交片區(qū)的全部普查成果資料，7月15日完成監(jiān)理單位的檢查驗收。

2 新技術、新裝備的具體運用

2.1 建立臨時單基站CORS

CORS系統(tǒng)作為城市空間數(shù)據(jù)的基礎設施，要求其在城市行政區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)厘米級的定位精度，即RTK的測量精度達到厘米級，對于受到大中城市青睞的網(wǎng)絡RTK能夠達到這一要求，而單基站CORS的RTK作業(yè)模式標稱精度能夠在 50 km范圍內(nèi)實現(xiàn)厘米級定位。

單基站CORS與網(wǎng)絡CORS分別是目前應用較為廣泛的局域差分和廣域差分技術的兩種形式，RTK是兩種系統(tǒng)在生產(chǎn)與生活中的主要運用手段之一，但在具體運用中略有不同。

首先，單基站CORS與網(wǎng)絡CORS在建設費用上有巨大差異，單基站CORS系統(tǒng)具有建設、維護費用低、易與升級、安全、穩(wěn)定等優(yōu)勢，單基站CORS更適合中小城市(或中小項目)的運用。

其次，在北京地區(qū)使用網(wǎng)絡CORS，每個用戶單位只能申請一個賬號(一個賬號只能滿足一臺儀器實時定位)，對于大面積的管普項目而言，控制測量顯然是力不從心，很難在規(guī)定的時間內(nèi)完成控制測量任務。而單基站CORS系統(tǒng)可以同時滿足多個測量小組同時作業(yè)，可以節(jié)省大量時間。

我們在測區(qū)中央(項目部房頂)建立臨時單基站CORS系統(tǒng)，通過采集測區(qū)內(nèi)及周邊的C級GPS控制點的CGCS 2000系大地坐標，獲得該區(qū)域的平面四參數(shù)。按照規(guī)范要求對新建的CORS系統(tǒng)進行測試，以下主要介紹單基站CORS系統(tǒng)的穩(wěn)定性(內(nèi)符合精度)測試及外符合精度測試。

CORS系統(tǒng)的穩(wěn)定性(內(nèi)符合精度)測試：在基站東西南北4個方向上分別選取4個點位進行RTK觀測，每個點位每半點鐘觀測一次，每個測回觀測20個歷元，測回間間隔大于 1 min，觀測時間從上午9點至下午4點，每個點位至少觀測14次，然后分別求取4個點位的X方向、Y方向、H方向的內(nèi)符合中誤差，如圖1所示。

圖1 坐標分量誤差統(tǒng)計(內(nèi)符合精度測試)

從圖1測試結果來看，4個測試點位X、Y方向上坐標分量誤差均小于 1.0 cm，H(橢球高)方向誤差均小于 1.5 cm，H方向誤差略大于X、Y坐標分量誤差，數(shù)據(jù)結果相對穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準確可靠。滿足《衛(wèi)星定位城市測量技術規(guī)范》中“坐標分量內(nèi)符合中誤差不應超過 2 cm”的要求。

CORS系統(tǒng)的外符合精度測試：選取了測區(qū)內(nèi)及周邊的48個已知高等級控制點進行RTK觀測。每個點位觀測3個測回，每個測回觀測20個歷元，測回間間隔大于 1 min。將測試的結果與已知數(shù)據(jù)成果進行比對，坐標分量誤差分布如圖2、圖3所示。

圖2 X坐標分量誤差統(tǒng)計

圖3 Y坐標分量誤差統(tǒng)計

從系統(tǒng)的平面精度測試結果可以看出，測試點的平面坐標分量誤差整體優(yōu)于 2.0 cm，測試點的平面點位外符合中誤差MP=3.0 cm，滿足《衛(wèi)星定位城市測量技術規(guī)范》中“平面點位外符合中誤差不應超過 5 cm”的要求。

以上測試結果符合相關規(guī)范要求后，才將相關參數(shù)信息設置在GPS接收機手簿中，同時組織多個作業(yè)組進行平面控制測量，相比較使用北京網(wǎng)絡RTK而言，大大縮短了時間，為項目爭取了時間。該項目結束后，對臨時基準站進行了拆除。

2.2 開發(fā)地下管線采集移動端

多年來，城市地下管線數(shù)據(jù)采集和處理工作一直是耗時易錯的工作，傳統(tǒng)的作業(yè)方法是在外業(yè)繪制管線草圖，記錄采集的相關屬性信息，內(nèi)業(yè)根據(jù)外業(yè)草圖進行數(shù)據(jù)錄入。近年來，各個部門對管線普查信息數(shù)據(jù)的要求不斷加大，同時管線權屬單位對管線數(shù)據(jù)的管理和分析需求也在加大，對數(shù)據(jù)成果的要求也發(fā)生了很大的變化，海量的二維數(shù)據(jù)管理和三維數(shù)據(jù)可視化分析逐漸成為應用主流。

隨著“3S”技術、傳感器技術和計算機及網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，尤其是移動GIS、基于位置的服務以及安卓平板的出現(xiàn)，使得移動GIS在安卓平板的應用在采集空間位置、屬性信息、圖片、視頻、音頻和信息傳輸上都有集大成的優(yōu)勢，且能與其他傳感器互聯(lián)。

同時，隨著管線數(shù)據(jù)成為地下空間的基礎數(shù)據(jù)，基于管線的應用和管理日益多元化，地下管線的安全、數(shù)據(jù)的共享、管線設施的管理，對數(shù)據(jù)的內(nèi)容和獲取方式有了更高的要求，傳統(tǒng)的管線信息采集無法實現(xiàn)全部信息的有序、合理的采集要求。

基于以上原因，我公司自主研發(fā)地下管線采集移動端。該移動端具有以下優(yōu)點：

(1)“所見即所得”的采集方式：在地形底圖或影像地圖上直接采集矢量的管線數(shù)據(jù)，可符號化的顯示管線圖形。根據(jù)管點和管線特征，輸入必填屬性。同類型管線的需重復采集的信息自動繼承，只需采集差異化的屬性，加快采集效率。

(2)多元信息采集：可采集除圖形和屬性外的照片信息和小室涂鴉，為后期的質(zhì)量問題追根溯源打下基礎，同時為內(nèi)業(yè)解析生成小室圖形提供原始數(shù)據(jù)。

(3)第一時間檢校數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量：可及時發(fā)現(xiàn)管線的邏輯錯誤和空間錯誤。數(shù)據(jù)保存時，驗證屬性的完整性、正確性和邏輯一致性，并能對管線碰撞等空間錯誤進行檢查。

(4)采用通用的GIS格式數(shù)據(jù)存儲：采用通用的shape格式數(shù)據(jù)進行存儲，打通內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)鏈。

(5)數(shù)據(jù)實時上傳：可實時上傳采集數(shù)據(jù)，做到內(nèi)外業(yè)同步。數(shù)據(jù)更新時，可用于數(shù)據(jù)實時更新。

(6)測繪新技術的應用：將傳統(tǒng)的紙質(zhì)調(diào)查方式改為電子平板調(diào)查方式。

使用移動端進行管線數(shù)據(jù)采集改變了傳統(tǒng)的管線數(shù)據(jù)采集方式，大大提高了管線數(shù)據(jù)采集的效率、準確率，提高了管線數(shù)據(jù)的兼容性，基本實現(xiàn)了無紙化作業(yè)，基本消除了作業(yè)人員對照草圖錄入數(shù)據(jù)容易出錯的弊端，節(jié)省了人力，提高了效率，為項目的順利實施提供有力保障。

2.3 開發(fā)井下管線攝影測量儀

地下管線調(diào)查一般以開井調(diào)查為主，外業(yè)雖然配備了相關的安全設施，但是測區(qū)內(nèi)還是存在部分井下空間不具備調(diào)查量測的條件，主要情況有井下通風條件不好、井下空間狹小等作業(yè)人員無法直接調(diào)查量測的井下空間，對于這類空間采集，我們運用了自主研發(fā)的井下攝影測量儀進行拍攝、調(diào)查、量測，以補充井下空間的數(shù)據(jù)信息完整。

井下攝影測量儀，利用近景測量的原理測定井下工程建筑特征點的三維坐標及特征物體尺寸和方位。一次拍照，獲取所有可用信息，包括井內(nèi)影像、幾何數(shù)據(jù)(埋深、規(guī)格、種類、病害、形狀)均可高精度獲得，幾何量測精度達到厘米級，完全滿足規(guī)范規(guī)定的精度要求。利用配套的井下影像處理軟件，可快速判讀井下管線方向、材質(zhì)、裂縫等信息，同時可量取管線規(guī)格、管偏、埋深以及井室凈空尺寸等數(shù)據(jù)；幾何及影像信息可提供給三維建模軟件建立井室三維模型。

測區(qū)范圍內(nèi)有許多管線埋設較深，小室密閉通風條件差且井內(nèi)有積水，調(diào)查人員很難進入小室進行數(shù)據(jù)采集，將井下攝影測量儀輸送至受限井下空間，同步全方位拍攝井下立體照片，并且可快速判讀井下管線方向、材質(zhì)、裂縫等信息，同時可量取管線規(guī)格、管偏、埋深等數(shù)據(jù)。通過井下攝影測量儀的數(shù)據(jù)量取，代替人工下井調(diào)查量測，保護作業(yè)人員的安全，提高勞動效率，具有安全、高效率、全方位高精度采集信息等特點，如圖4、圖5所示：

圖4 井下攝影測量儀下井作業(yè)

圖5 受限小室空間信息的采集

2.4 三維管線陀螺定位儀的運用

目前，傳統(tǒng)的地下管線物探的主要方法是電磁法、電磁波法、磁法、地震波法等，最常用的是電磁法，代表性儀器是地下管線探測儀，其原理是以地下管線與周圍介質(zhì)的導電性及導磁性差異為主要物性基礎，根據(jù)電磁感應原理觀測和研究電磁場空間與時間分布規(guī)律，從而達到尋找地下管線或解決其他地質(zhì)問題的目的。電磁法可分為頻率域電磁法和時間域電磁法，前者是利用多種頻率的諧變地磁場，后者是利用不同形式的周期性脈沖電磁場，由于這兩種方法產(chǎn)生異常的原理均遵循電磁感應規(guī)律，故基礎理論和工作方法基本相同。目前地下管線探測中主要以頻率域電磁法為主。

管線探測儀是根據(jù)發(fā)射機對金屬管線施加一次交變地磁場，交變地磁場將在地下金屬管線中產(chǎn)生感應電流，并沿著管線向前傳導；感應電流又將在管線周圍產(chǎn)生二次電磁場，通過接收機在地面上測定二次電磁場的空間分布，根據(jù)二次場的分布特征來判斷地下管線所在的平面位置及埋設深度。電磁感應類管線探測儀利用地下管線與周圍介質(zhì)的物理特性差異探測地下管線，往往受到管線材質(zhì)、埋深、周邊環(huán)境等干擾，無法得到準確的管線數(shù)據(jù)，尤其是對于非開挖敷設的管線(一般埋設深度大于 5 m)，受周邊電磁波干擾大，管線埋設復雜的地段對管線的位置和埋深很容易造成誤判。

陀螺儀三維定位技術是一種國際上領先的三維精確定位管線新技術，將陀螺儀原理與計算機三維技術整合在一起，巧妙的綜合利用陀螺儀導航技術、重力場、計算機矢量計算等交叉學科原理，自動生成基于X、Y、Z三維坐標的地下管線空間位置曲線圖，從而實現(xiàn)精確定位大埋深管線而不再受管線材質(zhì)、管線埋深、周邊環(huán)境等條件限制。

陀螺儀三維定位技術作為新的地下管線定位方法，具有以下技術特點。

(1)測量不受地形限制，不受深度限制，不受電磁干擾；

(2)定位精度高；

(3)適用于任何材質(zhì)的管道；

(4)自動生成三維空間曲線圖。

04包測區(qū)姚家園路穿越京包鐵路段有一趟電力管線，在穿越京包鐵路前采取拉管施工的作業(yè)方法(拉管施工長度約 60 m，最深處埋深 8.5 m)，使用傳統(tǒng)的地下管線探測儀無法滿足探測要求。我們在姚家園路京包鐵路西側(cè)找到電力管井(施工時的進土點)，發(fā)現(xiàn)電力管線斷面為4×150的塑料管，其中有一個管孔內(nèi)未穿線，我們就在京包鐵路西側(cè)的電力管井空管內(nèi)設置傳感器，在包鐵路東側(cè)找到拉管施工的電力管井(施工時的出土點)，實測進土點、出土點的實際坐標與高程，然后將方位測量器所經(jīng)路徑和已知的出入口點坐標相聯(lián)系，最后在所選的坐標系統(tǒng)中形成一個準確的三維曲線，在三維曲線圖上很直觀地看到傳感器運行各個階段的位置與埋深，如圖6所示：

圖6 距離與埋深曲線圖

圖6可以看出，陀螺定位儀數(shù)據(jù)光滑穩(wěn)定，能很好地反映地下管線的原貌，且受周邊施工、復雜管線等外界因素影響極小。陀螺定位儀管線測量只需管線兩端預留測量口即可進行測量，大大提高了精度。

如果不使用三維管線陀螺定位儀進行探測，而是直接量取鐵路兩側(cè)的電力管井埋深數(shù)據(jù)，就很難發(fā)現(xiàn)電力管線地下部分的起伏變化情況，這樣的數(shù)據(jù)對日后的有效利用留下了很大隱患。陀螺儀三維精確定位技術是傳統(tǒng)管線定位手段的一個強有力的補充，隨著各城市相繼開展管線竣工測量工作，陀螺儀必將很快運用到管線竣工測量中，為管線規(guī)劃和管理提供更準確的依據(jù)，城市管網(wǎng)將更加健康有序地運行，城市的地下管線信息將更完善，更準確。

2.5 地質(zhì)雷達的運用

管線探測儀是城市管線普查的主要探測設備，但管線探測儀也有自身的缺點，主要表現(xiàn)在：容易受到目標管線周圍距離相近管線和周圍鐵柵欄的干擾，當周圍有高壓線時也有較強的影響；用管線儀的接收機探測管線埋深時必須遠離三通和發(fā)射機的位置，否則探測出來的埋深不準；只能探測導電性好的金屬管線，對于非金屬管線則沒有效果。隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，地下管線探測難度不斷增加。日趨復雜的城市管網(wǎng)，越來越多的信號干擾以及場地施工條件限制等，使得單一物探方法越來越難解決城市工程物探問題，而采用多種物探方法相結合的方式已經(jīng)成為城市物探的發(fā)展趨勢。

對于測區(qū)內(nèi)較為重要的非金屬管線及重要的深埋主干線，主要使用地質(zhì)雷達進行探測。地質(zhì)雷達探測的工作原理，簡單地說是天線以一定的波束角向地下發(fā)射電磁波，電磁波在介質(zhì)中傳播，當遇到存在電性差異的地下目標體分界面時，如管線壁等，電磁波便發(fā)生反射，返回到地面時由接收天線所接收。對接收天線接收到的雷達波進行處理和分析的基礎上，根據(jù)接收到的雷達波形、強度、雙程時間等便可推斷地下目標體的空間位置、結構及幾何形態(tài)，從而達到對地下隱蔽目標物的探測。

地質(zhì)雷達對于各種材質(zhì)的管線或溝渠，只要存在介電常數(shù)的差異，理論上都能夠探測出來。通過現(xiàn)場的速度標定，能夠較為準確探測出管線的埋深，現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)可以永久保存。我們采用了加拿大EKKO pro多功能地質(zhì)雷達，以補充管線點段的數(shù)據(jù)完整及管線的空間信息。

根據(jù)現(xiàn)場待測管線埋深、規(guī)格等因素需要，設置不同采樣時窗、選用不同頻率天線探測；道間距一般設置為：50M天線設置為 0.2 m，100M、200M設置為 0.1 m，天線間距50M天線設置為 2 m，100M、200M分別設置為 1 m和 0.5 m，疊加次數(shù)根據(jù)現(xiàn)場波形波動率設定在32～512不等。

剖面盡量選在了地勢平坦，地面平整，避開電桿、路燈的空曠位置，從而確保探測剖面數(shù)據(jù)線性連續(xù)性和信號的高信噪比。地質(zhì)雷達剖面方向均沿垂直管線走方向布置，并以等間距進行連續(xù)取樣，每處疑點布置至少兩條測線以排除地下獨立干擾體給管線探測結果帶來的假象。

圖7中紅色方框內(nèi)為管徑800 mm的PE給水管成像剖面圖(100 MHz天線)，圖8紅色方框內(nèi)為 200 MHz天線的剖面圖(與圖4中屬同一根管線)，可見在選擇地質(zhì)雷達進行探測時要根據(jù)實際情況綜合考慮目標體探測深度和規(guī)模大小，在分辨率和探測指標上進行綜合考量，以選擇合適的天線。圖9中藍色框內(nèi)為 300 mm管徑的PE給水管成像圖，圖10中紅色框內(nèi)為 300 mm管徑天然氣管道，可以看出PE燃氣管反射信號比PE水管差，說明管線內(nèi)運輸載體對影像成圖質(zhì)量也有影響，即介質(zhì)分界面電性的差異。

圖7 800 mm PE給水管線成像剖面圖(100 MHz天線)

圖8 800 mm PE給水管線成像剖面圖(200 MHz天線)

圖9 300 mm PE給水管線成像剖面圖

圖10 300 mm PE燃氣管線成像剖面圖

盡管地質(zhì)雷達進行管線探測有許多優(yōu)點，但也有自身的缺點：如果覆蓋在管線上的土質(zhì)比較疏松，電磁波衰減很快，使得探測精度與準確度大大減低；如果地表存在較厚的植被或者凸凹不平，對探測也有較大的影響；探測信噪比不高，經(jīng)常有管線探測不出來。

因此，在地下管線探測時，應根據(jù)不同的管線類型和周邊環(huán)境，選擇不同的地球物理方法進行探測。當一種方法探測效果不明顯時，可以采用多種方法綜合探測，各方法之間互相彌補，多種探測方法的綜合運用，相互驗證，才能避免單一方法的局限性，充分發(fā)揮各種方法的優(yōu)勢。綜合考慮目標體的物理特性與探測環(huán)境，采用合適的地球物理方法組合解決工程問題，是綜合地球物理發(fā)展的趨勢。

3 結 語

地下管線普查是一項跨學科、多專業(yè)的綜合性強的系統(tǒng)工程，普查成果不僅為智慧城市提供基礎數(shù)據(jù)支持，更為城市管線的正常安全運行和城市功能的正常運行提供有力保障。高質(zhì)量的普查成果不僅要采取有效的技術路線和先進的管理模式，更要注重創(chuàng)新技術的應用；不僅要加快系統(tǒng)開發(fā)與應用，還要加大科技開發(fā)力度，利用新技術、新裝備有效解決管線探測工程中的難題，從而提高管線普查成果質(zhì)量，提高作業(yè)效率。

[1] 苗長青. 單基站CORS與網(wǎng)絡CORS適用性比較[J]. 河北北方學院學報·自然科學版，2012，28(2)：35～38.

[2] 張勁松. 北京市地下管線普查技術回復總結探討[J]. 北京測繪，2016(3)：154～157.

[3] 董博. 地下管線竣工驗收方法探討[J]. 北京測繪，2013(2)：58～61.

[4] 李海軍. 廣州琶洲地塊地下管線普查新技術應用[J]. 測繪通報，2016(S2)：146～149.

[5] 沙拉依丁·沙地克，于鵬. 綜合探測方法在城市污水管探查中的應用[J]. 礦山工程，2016，4(4)：131～138.

[6] 楊伯鋼. 地下管線普查100問[M]. 北京：測繪出版社，2016：51～52.