李晨云

（嘉興市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 浙江嘉興 314000）

1 引言

供水管線也稱為城市生命之線，向人類提供賴以生存的水動力，但城市供水管線排列模糊問題突出，一定程度上造成供水管理困難，亟需全面采集供水管線測繪數(shù)據(jù)構(gòu)建管網(wǎng)綜合數(shù)據(jù)庫[1]。以往供水測量工作經(jīng)常使用管線探測儀等單一測量方法完成數(shù)據(jù)采集，此方法缺點是難以兼顧金屬管線和非金屬管線測量準確度，導致管線測繪數(shù)據(jù)誤差較大，不利于構(gòu)建科學的供水管線數(shù)據(jù)庫。為此，本文針對管線材質(zhì)特點選用差異性測繪方法，使金屬管線與非金屬管線的測繪精度大幅度提升，有效避免測繪工作中數(shù)據(jù)誤差大、測繪資源浪費等問題，為構(gòu)建桐鄉(xiāng)市智慧管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫提供精準的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 工程概況

桐鄉(xiāng)市水務(wù)集團對5 個鎮(zhèn)、27 個行政村進行農(nóng)村供水管網(wǎng)改造，期間全面采集供水管線數(shù)據(jù)，測繪工作依據(jù)2000 國家大地平面坐標系基準和1985 國家高程基準展開。本次工作的任務(wù)是完成管線測量658645.3m、采集坐標800380 個，探查明顯點19549個、隱蔽點60831 個，查明水表19263 個。測繪使用的儀器設(shè)備名稱與參數(shù)見表1。

3 供水測繪方案布局

3.1 供水管線測量方案布局

3.1.1 管線探測內(nèi)容

管線探測內(nèi)容包括：查清供水管線埋深、管徑、坐標、附屬物屬性、材質(zhì)等信息，對管線、管配件、附屬設(shè)施關(guān)鍵點進行絕對坐標定位；查明并測水表、管徑、材質(zhì)、埋深及地面高程等參數(shù)信息。管線探測要遵循以下技術(shù)標準：（1）將mm 作為管線管徑與斷面測量單位，標高以米為單位精確至厘米。（2）對水表坐標、用戶號、用戶名稱等信息進行普查，且現(xiàn)場普查數(shù)據(jù)要和水務(wù)集團官方信息一一核對。

表1 項目投入儀器設(shè)備表

本次供水管線測繪區(qū)域包含電信、無線電臺設(shè)備，多種金屬管線相互干擾下管線電磁場頻率和強度有所差異，造成管線探測難題。為此制定了專屬管線探測方案，采用探地雷達探查非金屬管線，利用管線探測儀采用感應(yīng)法探查金屬管線。

3.1.2 基于探地雷達技術(shù)的非金屬供水管線測量

（1）探地雷達數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)

此次測繪采用探地雷達設(shè)備完成地下非金屬管線探測數(shù)據(jù)采集，硬件構(gòu)成如圖1。其中，天線是探地雷達發(fā)射和接收高頻電磁波信號的載體，主機對接收到的信號進行精確處理，并在計算機顯示器上呈現(xiàn)探測結(jié)果[2]。

圖1 探地雷達硬件構(gòu)成示意圖

（2）供水管線的管徑解算

探地雷達測量供水管徑需要以估算得到管徑數(shù)據(jù)，本文基于三點定圓法完成管徑解算[3]，原理如下圖。

圖2 管線管徑“三點定圓”布局

首先，確定三個點A(x1，y1)、B(x2，y2)、C(x3，y3)，三點位于相同測線，確保測線要與管線垂直。其次，根據(jù)確定的三個點信息獲取各點電磁波始于地面到達管道上壁的時間消耗，以長度方式表示，即r1、r2、r3。然后，將各測點與管壁間長度作為半徑畫圓形，此時三個半圓與管線關(guān)系為外切，基于這種幾何關(guān)系解算供水管直徑[4]，計算公式如下：

其中，供水管線的半徑為，圓心坐標為。基于上述公式即可得到管線半徑。

3.1.3 基于管線探測儀的金屬管線測量

采用雷迪RD8000/RD8100 探測儀進行金屬管線探測：（1）基于現(xiàn)場實際環(huán)境，以發(fā)射機為載體采用感應(yīng)法向目標管線加載電流；（2）感應(yīng)磁場產(chǎn)生電流信號，將接收機置于目標管線上方；（3）管線位置、埋深參數(shù)通過電流強弱判斷。以下公式為解析原理[5]：

公式中，地面上探測點與管線投影距離、探測剖面線與管線間的距離分別采用α、9Hα＝μI9/2π（α2＋92）表示，如果探測線位于地面上方則管線深埋即為9 值。另外，電流強度和附近介質(zhì)磁導率描述為I、μ。

3.2 供水管線點測量方案布局

為提高各種環(huán)境下供水管線測繪精度，基于供水管線埋設(shè)環(huán)境差異確定管線點測量方法：

（1）通視條件較好的管線埋設(shè)區(qū)域基于GNSS RTK 測量圖根控制點。RTK 載波相位差分技術(shù)是一種用于實時處理兩個測量站載波相位觀測量的差分方法，此方法運行過程中用戶接收機接收來自基準站的載波相位，以求差的方式解算坐標。

工作流程分析（圖3）如下：

1）首先，參考站由基準站和外接的1 臺接收機構(gòu)成，動態(tài)觀測衛(wèi)星變化；

2）其次，流動站以無線電傳輸設(shè)備為載體，接收參考站觀測數(shù)據(jù)；

3）流動站需接收衛(wèi)星、基準站兩種類型數(shù)據(jù)，所以衛(wèi)星信號接收完畢實時需解算出基準站和流動站坐標差；

4）最后，結(jié)合上述數(shù)據(jù)聯(lián)合基準坐標獲取各點WGS-84 坐標參數(shù)，然后基于坐標轉(zhuǎn)換的方式求取流動站各點的平面坐標與海拔高度，差分處理后即可得到未知圖根控制點信息[6]。

圖3 GNSS RTK 圖根控制測量步驟

（2）極坐標法：對無法采用GNSS RTK 施測的建筑密集、通視條件差的供水管線區(qū)域，以GNSS C 級控制點為起算點，基于全站儀和水準儀按圖根導線方法施測圖根點，采用極坐標法輔助測量[7]。極坐標法測量圖根點的布局見圖4。定義M 為圖根點，E、F表示超出圖根級的控制點，兩點間方位角為a；E 點與M 點間的垂直角為φ，觀測水平角度與觀測距離分別用b、D 表示。那么圖根點M 坐標計算方法如公式（6）所示：

圖4 極坐標測量圖根點的布局

公式中，點坐標為(XE，YE，ZE)，測站中點的儀器高度、M 點的覘標高分別用、描述。兩差系數(shù)的計算方法如下：

其中，η、R 分別為大氣折光系數(shù)、地球曲率半徑?；谏鲜龉降玫綀D根點M 坐標完成供水管線的點測量。

3.3 供水管線數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

3.3.1 數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)資料核查

供水管線數(shù)據(jù)建庫數(shù)據(jù)基礎(chǔ)資料核查與糾正方法見表2。通過質(zhì)檢驗收合格后供水管線數(shù)據(jù)庫才算正式建立。

表2 供水管線數(shù)據(jù)建庫數(shù)據(jù)糾正

3.3.2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)制作

現(xiàn)場測繪工作完成需要從如下方面制作數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)：

（1）采用**.mdb 格式命名供水管線測繪數(shù)據(jù)，外業(yè)管線屬性數(shù)據(jù)、管線點采集坐標等信息均生成表格統(tǒng)一存放，完全校對無誤后錄入數(shù)據(jù)庫。

（2）數(shù)據(jù)入庫后要對數(shù)據(jù)邏輯進行處理、檢查、修正，包括在管線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中核查外業(yè)點號、連接點號、管線段記錄等數(shù)據(jù)的重復情況，以及供水管線數(shù)據(jù)庫代碼規(guī)范性檢查、方向錯誤檢查、孤立點檢查、管線點間距超長檢查等工作。

（3）基于管線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實現(xiàn)供水管線數(shù)據(jù)向管線圖形文件的轉(zhuǎn)換。由外業(yè)組長對照外業(yè)手圖檢查以下內(nèi)容：供水管線數(shù)據(jù)庫連接關(guān)系、管線點特征代碼；供水管線數(shù)據(jù)庫空間屬性。

（4）項目最終檢查。由項目負責人核查完成的管線數(shù)據(jù)，質(zhì)檢負責人對修改數(shù)據(jù)進行最終檢查，無誤后生成供水管線數(shù)據(jù)庫。

（5）數(shù)據(jù)庫管線圖編繪。管線圖編繪需參考以下標準：

1）供水管線圖應(yīng)體現(xiàn)測繪區(qū)域內(nèi)全部供水管線及其附屬設(shè)施和有關(guān)建筑物與地形特征。

2）控制點按圖式標注，管線點不標注高程，在管線復雜、管線點注記密集時，有規(guī)律的管線點可擇要注記。

3）管線圖上管線點編號采用管線代號和點號組成。

4）圖廓整飾應(yīng)遵循《城市測量規(guī)范》標準。

4 供水測繪結(jié)果分析

本次供水管線數(shù)據(jù)庫構(gòu)建工作對測繪數(shù)據(jù)提出較高的誤差要求，測繪誤差不得高于5%。數(shù)據(jù)庫構(gòu)建工作完成后統(tǒng)計，基于本文方法測繪得到的98%供水管線數(shù)據(jù)均達到了數(shù)據(jù)錄入的要求，僅有2%的供水測繪數(shù)據(jù)不符合要求，需要重新測量，證明本文設(shè)計的供水測繪方案精確度較優(yōu)。限于篇幅，本次實驗僅展示部分達標數(shù)據(jù)以驗證本文方法測繪效果，詳情如下。

4.1 非金屬管線與金屬管線的測量結(jié)果

由于測繪數(shù)據(jù)篇幅較大，本次實驗隨機展示6個不同埋深的混凝土管線、6 個不同埋深的金屬管線的測繪精度，分別如表3、表4 所示。

表3 非金屬管線半徑測量結(jié)果

4.2 智慧管網(wǎng)綜合平臺數(shù)據(jù)庫構(gòu)建成果

表4 金屬管線半徑測量結(jié)果

表5 供水管線數(shù)據(jù)庫局部圖

圖5 供水管線可視化局部圖形

由表5 可知，在數(shù)據(jù)庫中可查詢供水管線的起點編號、重點編號、管長、管徑、材質(zhì)等多項信息。圖5 以可視化方式清晰展示測繪區(qū)域的供水管布局情況，直觀了解管線編號信息，便于工作人員對供水管線信息的查詢與管理。總體而言，桐鄉(xiāng)市水務(wù)集團智慧管網(wǎng)綜合平臺數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建滿足了用戶可視化查詢供水管線數(shù)據(jù)的需求。

5 結(jié)束語

本文基于構(gòu)建供水管線數(shù)據(jù)庫目標制定了完善的供水管線測繪方案，始終以獲取精準數(shù)據(jù)為目的細化供水測繪的工作流程。探地雷達技術(shù)、GNSS RTK 測量方法、“全站儀+極坐標”測量先進測量技術(shù)綜合應(yīng)用，實驗展示的部分測繪結(jié)果中非金屬管線半徑測量最高精度達到98.1%、金屬管線半徑測量最高精度達到100%，符合構(gòu)建數(shù)據(jù)庫標準，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫供水數(shù)據(jù)可視化查詢。