田瑜基

（廈門精圖信息技術有限公司，福建 廈門 361008）

0 引 言

城市的正常運作需要多種基礎設施的服務，地下管線是其中重要的基礎設施之一[1]。城市地下管線在城市安全管理中扮演重要角色，與百姓的生活緊密相關，是城市規(guī)劃建設管理工作的重要內容。國務院辦公廳在2014年發(fā)布了指導意見，要求加強城市地下管線的建設和管理。同年住建部下發(fā)了工作通知，開展城市地下管線的普查工作，要求同時做好城市地下管線的信息化系統(tǒng)建設[2-4]。

液體輸送管線是多種管線的其中之一[5]。液體輸送管線包括供水管線、排水管線、石油管線等用于輸送液體的管線，大部分埋設于地下。管線的材質有多種類型，但所有液體運輸管線都具備一項共有特征，即管線內部的液體流動軌跡與管線的埋設軌跡完全相同。隨著北斗定位系統(tǒng)建設的逐步完善，利用北斗定位技術計算位置信息已經(jīng)普及，將北斗定位技術應用于測繪行業(yè)已經(jīng)成為趨勢。

1 數(shù)據(jù)采集端設計與實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集端設計為球體，球體內部分為上下兩個封閉的腔室，頂部腔內充有氦氣，其作用是增加測繪球的浮力。在不同液體中通過改變預裝氦氣的量，使得測繪球懸浮在液體中。測繪球底部腔室中裝有振動發(fā)電機構，在振動發(fā)電機構與底部腔的頂面之間的間隙中，裝有定位模塊和通信模塊。數(shù)據(jù)采集端結構如圖1所示。

將測繪球從管線上游的某一開口處放入液體管線內，測繪球懸浮在液體中并隨著液體的流動向下游移動。在測繪球的移動過程中，振動發(fā)電機構產(chǎn)生電能，定位模塊通過接收北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)計算出位置信息，通信模塊將測繪球的位置數(shù)據(jù)傳遞到系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫。

圖1 數(shù)據(jù)采集端結構

在液體管線下游的某開口處設置濾網(wǎng)結構，濾網(wǎng)結構的網(wǎng)孔的孔徑小于測繪球的球徑。當測繪球到達濾網(wǎng)結構時會被阻攔繼續(xù)向下游移動，此時即可將測繪球從管線中取出。

2 數(shù)據(jù)處理端的設計與實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)接收

每件測繪球的通信模塊中設有唯一編碼。數(shù)據(jù)采集端將位置數(shù)據(jù)從管線內部傳遞到系統(tǒng)后臺，系統(tǒng)后臺設計有數(shù)據(jù)處理控制軟件。數(shù)據(jù)處理控制軟件可以選擇開始接收某個數(shù)據(jù)采集端的位置數(shù)據(jù)，位置數(shù)據(jù)的坐標采用的是北斗坐標系。測繪數(shù)據(jù)采集控制界面如圖2所示。

圖2 測繪數(shù)據(jù)采集控制界面

2.2 數(shù)據(jù)坐標轉換

2000國家大地坐標系在2008年被我國正式啟用，北斗定位系統(tǒng)建設初期計劃采用2000國家大地坐標系，但實施過程根據(jù)實際情況又提出北斗坐標系。北斗坐標系采用WGS84（World Geodetic System 1984）參考框架[6]，2000國家大地坐標系的坐標參考框架[7]是ITRF1997。將測繪球獲取的位置數(shù)據(jù)坐標轉換到2000國家大地坐標，需要先將WGS84參考框架轉換成ITRF2000框架，然后再利用框架轉換法，將ITRF2000框架轉換為ITRF1997框架。

2.3 WGS84參考框架和ITRF2000參考框架間的轉換

式中：m是尺度變化參數(shù)；(εX,εY,εZ)是旋轉參數(shù)；(?X, ?Y,?Z)是平移參數(shù)。

當有3個以上或更多公共點時，先利用最小二乘法求解，然后再利用式（1）將WGS84 參考框架轉換為ITRF2000參考框架。

2.4 ITRF2000參考框架和ITRF1997參考框架間的轉換

ITRF參考框架轉換已經(jīng)在文獻[8-9]得到了驗證。本文采用該方法實現(xiàn)ITRF參考框架間轉換。ITRF參考框架間的轉換共有三種方法：第一種轉換方法是采用七參數(shù)法進行坐標轉換，其缺點是誤差不斷累積，導致精度降低；第二種方法是先進行參考框架的轉換，再進行歷元的轉換；第三種方法是先對歷元進行統(tǒng)一，再進行參考框架的轉換。本文使用第三種轉換方法。

2.4.1 統(tǒng)一歷元

地殼處于不斷運動中，北斗測站在參考框架內的位置會隨時間而改變，因為這種運動比較緩慢，所以近似于勻速線性運動，因此相同參考框架內的歷元的坐標計算公式為[10]：

2.4.2 框架轉換

根據(jù)IERS（International Earth Rotation Service）公布的參考框架間14個轉換參數(shù)（包括7個轉換參數(shù)、7個轉換參數(shù)速率），求出t歷元下參考框架間轉換的7個轉換參數(shù)。設tK歷元為參考歷元，那么：

式中：T為平移量；D為尺度因子；R為旋轉量；為轉換參數(shù)速率。

求出轉換參數(shù)后，采用七參數(shù)轉換模型即可實現(xiàn)參考框架間的轉換，其公式為：

式中：T1,T2,T3為平移量；D為尺度因子；R1,R2,R3為旋轉量。

從ITRF2000到2000國家大地坐標系的轉換參數(shù)及速率見表1所列。其中，IGS（ITRF2000）→IGS（2000國家大地坐標系）有14個轉換參數(shù)，ppb=10-9m，mas=4.848 13×10-9rad。

表1 從ITRF2000到2000國家大地坐標系的轉換參數(shù)及速率（歷元1997）

2.5 坐標轉換到T歷元下的2000國家大地坐標

先將坐標轉換至t歷元下的坐標，然后將其轉換至T歷元下的坐標，即：

3 成果輸出及預警

3.1 測繪數(shù)據(jù)輸出

測繪結果可以以2000國家大地坐標系的坐標形式直接展示在現(xiàn)有底圖上，現(xiàn)有底圖有2D平面圖、3D俯視圖或衛(wèi)星圖三種模式。采用ArcMAP中的菜單Tools-Add XY Data，構建新的圖層，所有的位置點添加至新的圖層。隨著時間的推移，測繪數(shù)據(jù)采集端沿著液體管線的路徑移動，隨著數(shù)據(jù)采集端位置數(shù)據(jù)的輸出，在底圖上以多個點的形式展示。測繪成果點圖顯示如圖3所示。

圖3 測繪成果點圖顯示

采用Arcgis中Toolbox工具，將隨時間變化的點文件轉換成線文件，多個數(shù)據(jù)采集端的位置點連接成線，形成該條液體管線的路徑曲線。測繪成果線圖顯示如圖4所示。

圖4 測繪成果線圖顯示

在測繪數(shù)據(jù)采集控制界面可以選擇是輸出點圖或線圖，線圖的生成本質上也是先生成點圖，再由點圖轉換成線圖。

3.2 管線堵塞預警

目前以管線方式運輸液體的規(guī)模日益擴大，液體管線特別是運輸黏度較大的液體時，管線會發(fā)生堵塞的現(xiàn)象。當利用本文的測繪方法進行液體管線測繪時，測繪數(shù)據(jù)采集端依次將位置數(shù)據(jù)傳遞到系統(tǒng)后臺，因為位置數(shù)據(jù)傳遞間隔時間是固定的，當水平位置數(shù)據(jù)變得接近時，說明管線內的液體流速降低，系統(tǒng)根據(jù)流速變化值，分別設有藍色預警、黃色預警、紅色預警三種級數(shù)遞增的預警模式。管線管理人員根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的預警信息，在核實后進行相應的處理工作。

3.3 地下金屬管線測繪

目前液體運輸管線的材質主要有鋼管、塑料管、陶土管、水泥管和有色金屬管，當測繪埋設在地下較深的鋼管和有色金屬管時，有時會出現(xiàn)BDS信號收接不良的現(xiàn)象。所以在進行地下金屬管線測繪工作時，可以利用裝載BDS接收機的金屬探測裝置，或者利用RTK技術實現(xiàn)金屬管線的精確測繪。

4 結 語

本文詳細闡述了基于北斗定位技術的液體運輸管線的測繪系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)原理。在設計可以懸浮在液體中的測繪結構的基礎上，利用液體運輸管線的特征，將液體中測繪數(shù)據(jù)采集端的移動路線轉換為管線的測繪路徑數(shù)據(jù)，同時利用位置數(shù)據(jù)的改變值，做出不同等級的管線堵塞預警。本系統(tǒng)將測繪與安全應急管理兩個不同領域，在液體管線測繪工作中實現(xiàn)良好融合。