管道工程数字测绘关键技术研究与应用

程 钢，贾 宝，冉艳艳，毛明楷，郭玉祥

(1.河南理工大学 矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室，河南 焦作 454000；2.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000；3.中国矿业大学，北京 100083)

管道工程数字测绘关键技术研究与应用

程 钢1,2，贾 宝1,2，冉艳艳3，毛明楷1,2，郭玉祥1,2

(1.河南理工大学 矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室，河南 焦作 454000；2.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000；3.中国矿业大学，北京 100083)

随着现代测绘技术的发展和管道施工工艺的进步，管道工程测绘有了新的内涵和技术方法。以南水北调某供水配套工程的测绘工作为例，探讨数字测绘的技术背景下，管道工程数字测绘的基本内容及关键技术，包括坐标系转换、RTK和全站仪结合的放样，三角测量配合水准的高程测绘，基于AutoCAD的断面快速生成等，为同类管道工程提供借鉴和参考作用。

管道工程;数字测绘; GPS-RTK;全站仪；AutoCAD;工程测量

随着现代城市化的发展，作为城市基础设施的地下管道对于城市的规划建设和日常管理越来越重要[1]。管道工程测绘是各种管道工程建设的基础和必要手段，它贯穿于管道工程的设计、施工、竣工验收的全过程，从而为工程的质量提供可靠的保证。

随着测绘科学技术、新型测量仪器的发展，管道工程的测绘与管理的内涵和技术有了很大的发展和变化[2-3]。本文以南水北调工程某管道工程测绘项目为例，对管道工程测绘尤其是施工测绘的基本内涵和关键技术进行总结和探索，以期为同类工程的实施提供参考和依据。

1 管道工程测绘概述

城市管道工程测绘的任务根据时间分为3个阶段：①勘测设计阶段，为管道工程的设计提供地形图和断面图；②施工阶段，按设计要求放样管道的平面和高程位置；③竣工后,进行验收测量，按照工程实际现状测绘竣工平面图和断面图。勘测和竣工阶段的测绘工作，内容和过程比较简单，与普通地形图及断面测绘方法基本一致。施工阶段的测绘工作与施工环境、工艺方法关系密切，过程和方法较为复杂，其内容主要包括交桩、实地踏勘、复测、布设导线控制网加密控制点、实测、内业处理、放样等[4-5]。本文以管道施工测绘为主要研究对象，探讨其关键方法及技术。

2 管道测绘关键方法及技术

随着GNSS、高精度智能全站仪、数字摄影测量技术等先进设备和技术的发展，施工测绘技术也有了长足的发展[6]。控制测量是对工程全局的控制，限制测量误差累计，是后期一切测绘工作的基础，管道工程控制网多为沿管道走向的条带形控制网，多采用GNSS静态测量或全站仪导线测量等形式。为满足施工放样的要求，往往还要布设专用控制网，作为放样和变形观测的依据。地形测量主要指管道沿线周围地物、地貌的测绘，用于确定征地范围、土石方计算、竣工测量等，目前使用的主要方法为RTK动态测绘和全站仪数字测绘等方法[7]。

2.1 投影坐标系到工程坐标系的转换

控制测量通常情况下要联测国家等级控制点，其测量成果多采用投影坐标系或地方坐标系。为了方便施工放样，往往沿管道前进方向和垂直管道前进方向建立工程坐标系。因而，需要确定这两套坐标系的关系，建立投影坐标系到工程坐标系的转换模型。

图1 施工坐标与测量坐标的换算

(1)

通常可以利用最小二乘原理，在保证变形最小的前提下，计算转换参数，进而实现坐标转换。工程中常用excel计算功能或CASIO计算器进行转换。CASIO计算器具有携带方便、使用灵活等优点，本文主要介绍CASIO fx-5800p计算器坐标转换方法，分为两个步骤：

1)方位角解算。解算时首先借助两个已知点的投影坐标(A,B)和(C,D),反算出该直线的方位角，即工程坐标系x轴在投影坐标系中的方位角，具体程序如下：

“A=”?A:“B=”?B:Lbl 0:“C=”?C:“D=”?D

Pol(C-A,D-B)

“L=”:I→L◢

J≤0 => J+360°→J

“Q=”:J→Q◢

2)利用求得的方位角，将起点投影坐标和桩号作为已知数据，带入坐标转换公式，即可求得任意转换点的投影坐标对应的工程坐标。如用(C,D)表示起算点的投影坐标，O为起算点桩号，Q表示该直线方位角，(X,Y)为待转换的投影坐标，程序实现过程如下：

“C=”?C:“D=”?D:“Q=”?Q:“O=”?O:Lbl 0:“X=”?X:“Y=”?Y

“A=”:(X-C)COS(Q)+(Y-D)SIN(Q)+O→A◢

“B=”:-(X-C)SIN(Q)+(Y-D)COS(Q) →B◢

得到的坐标对(A,B)就是(X,Y)转换后的工程坐标。使用此程序在野外随工程进度，可灵活计算各桩点的工程坐标，以便进行边线放样、断面测量等工作。

2.2 RTK、全站仪放样方法

基于RTK技术和全站仪的数字化测绘放样方法，是当前管道工程施工放样中较为常用的方法[8-9]。

RTK技术能够在野外实时得到厘米级定位精度。基准站架好后，一个人即可完成流动站的操作和放样工作。将线路的起点、终点坐标、曲线转角、半径等参数输入手簿中，系统就会自动计算并显示流动站与实际点位的差值。根据仪器手簿所显示的数据，可以定出中线上的任一点位。

全站仪放样时，首先在测站点上架站，后视定向，输入待放样点的坐标，然后根据角度和距离指挥棱镜移动，最终确定放样点的具体位置，放样精度较高。该方法使用工程坐标较为方便，便于放样数据的实时检核。

GPS RTK技术和全站仪技术也可以根据工程具体情况联合应用，发挥各自的优势，达到简化程序、减少误差、提高效率、保证质量、节省人力和物力的效果。

2.3 水准和三角测量配合的高程测量

管道工程高程测量主要包括高程控制测量和高程放样两个部分。在地势平坦、通视良好的测区，通常使用水准测量方法，可以保证较高的精度；对于地势起伏较大的区域，为了提高作业效率，可以采用三角高程代替水准测量的方法。相关研究表明[10-12]，通过改进仪器、作业流程和方法，三角高程测量可以替代二等水准测量,在特定条件下能达到一等水准测量的要求。该方法施测速度较快，改变了平面、高程分两步走的作业程序，可快速建立三维控制网,能有效及时地确定点位的三维坐标，极大提高工作效率。三角高程放样，同样具有方便灵活的特点，其放样精度是关注的重点。下文着重对管道工程三角高程放样精度做分析和探讨。三角高程测量中单向观测计算高差的算式为

(2)

式中：S0为水平距离;α为竖直角;k为大气垂直折光系数;i为仪器高;v为觇标高或棱镜高;R为地球半径。

由误差传播定量，可知其误差关系式为

(3)

由此可以看出，三角高程测量的精度mh主要受测距误差、垂直角观测误差、仪器和觇标量高误差、大气折光和地球曲率等影响。采用缩短视距等方法，可以减少大气折光和地球曲率的影响，利用小钢卷尺多次测量，取平均值的方法可使得仪器高和目标高误差控制在毫米级。因此，短距离放样过程中，测距和竖直角误差是三角高程测量的主要误差源。

由式(3)可知，测距对mh的影响为

(4)

表1 不同α和S0时，mS0和mα对mh的影响 mm

从表1可得出以下规律：

1)mα对mh的影响远远小于mS0对mh的影响；

2)mS0对mh的影响随角度增加的变化量较大，而随距离增加的变化量较小；

3)mα对mh的影响随角度增加的变化量较小，而随距离增加的变化量较大。

根据上述规律，为减小竖直角误差和距离误差对结果的影响，需平衡角度和距离之间的关系，可根据现场情况采用适当增加距离、尽量减小竖直角的方法。通过上述分析，三角高程测量选择在较好观测条件和一定的操作方法前提下，可以达到较高的精度，能够满足断面高程测量及开挖时的高程控制。

2.4 CAD快速断面生成法

AutoCAD是计算机辅助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计,其具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行进行各种操作。本文利用AutoCAD提供的绘制功能，设计了工程断面模板，利用其快速生成管道各纵横断面图。设测区高程变化范围约为90～106 m，横断面的左右范围为-20～20 m，以沿管道走向方向中心线左侧为负，右侧为正，可按照纵横向1:1的比例预先绘制一个模板，如图2所示，然后根据实测的高程数据生成断面图。生成断面图时，可采用两个步骤将该断面坐标系原点指定为用户坐标系的原点，首先利用ucs命令，将断面中心(0,90)的位置指定为新坐标系的原点，再输入M命令，将该原点向下移动90至断面原点(0，0)的位置，这样用户坐标系与断面坐标系一致，然后将用(偏距，高程)形式表达的坐标对从excel表格粘贴出来，在CAD中使用多段线pl命令进行绘制，实例见3.3。

图2 CAD断面图模板 (m)

2.5 开槽线放样

对于采用开槽方式铺设的管道，开挖前需要进行放线，根据实测横断面和沟槽的设计坡度，确定沟槽的深度和宽度。沟槽边线的精确放样，既可以保证渠道的准确位置，又能提高工作效率，避免浪费不必要的施工工程量。设右侧开槽线离中心线的距离为S，设槽底设计宽度为S0，设计高程为h，设计坡度i原始地形与坡度线交点A处的高程H，见图3，则S的具体计算式见式(5)。设某管道中心里程为M，则(M,S)即为右侧开槽线上的待放样点，用于指导现场开槽。

(5)

图3 开槽线计算示意图

3 地下管线测量工程实例

3.1 工程概况

南水北调某供水配套工程(见图4)从27号分水口输水线路，向某水厂供水。该管道途经某村庄、某园林环卫设施有限公司、某公路机械工程处、某农场、某农副业示范基地，全长1.84 km，分配水量9600万m3,管道走向平面见图4。输水管线选用PCCP管材，管径为1800 mm，输水形式为有压重力流，管道设计流量3.4 m3/s。该配套给水工程位于山前冲积倾斜平原上，地形平坦，沿渠线范围内地势总体呈西北高、东南低，地面高程98.6～104.1 m。地层岩性为中粉质壤土，土质较疏松，见有铁质浸染，土质不均一，局部为轻粉质壤土，采用开槽铺设管道施工方法。

图4 管道走向平面图

3.2 控制测量

本工程采用导线测量进行加密控制点，遵循“从整体到局部，先控制后碎步”的测量实施原则，布设导线如图5所示。

图5 附合导线

由于全站仪直接测定各导线点的近似坐标值，工程采用直接按坐标平差计算，计算更为简便，可以达到和满足管道测量所要求的精度。为后期工程放样方便，还需将加密的控制点转换为工程坐标，如表3所示，其中起点、终点代表FC0+505.422和FC1+227.252的镇墩位置，二者之间的管道为直线，D2703、D2704为已知控制点，01、02、03为用于放样的加密控制点，Q为管道直线方位角，投影坐标转换到工程坐标结果如表2中倾斜部分。这些坐标可以直接用于后续放样过程。

3.3 管道中线、纵断面和横断面测量

管道原始地形纵断面图，用于反映沿管道方向原始地面的起伏状况，了解原始地面与设计断面的关系，图6为管道走向纵断面示意图。

表2 投影坐标转换工程坐标

注：直线方位角为：Q=76°21′39.3″

图6 管道走向纵断面图(m)

根据监理单位的要求，沿管道走向方向每20 m测量原始地形高程，绘制垂直于管道中线的横断面图，对所测的横断面位置在中线上用桩确定，在桩上注明里程。

以表3的高程数据为例，利用上文的横断面模板，则可快速生成图7的横断面图。

表3 某一横断面测量数据 m

图7 某桩号原始地形横断面图(m)

3.4 成果资料

成果资料作为后续其他工作的基础和各项施工工作的依据，是测绘工作的重要内容，主要包括以下几个方面：

1)控制成果。包括导线点坐标、加密控制点坐标、原始测量数据表；

2)土方开挖资料。主要有施工测量成果报验单、测量数据、原始地形横断面图、施测说明、土方量计算表、介绍开挖的桩号和深度等；

3)管道安装资料。检验管道质量，并做记录表，记录管道安装的桩号位置、高程信息；

4)土方回填。记录回填的土方量、土的压实度。

4 结 论

管道测绘技术是管道工程科学规划、准确施工、严格竣工等各项工作的关键，包含的内容纷繁错杂。本文对开槽铺管式管道工程的数字测绘关键技术尤其是施工测绘中的各项实用技术，进行总结和探讨，并以南水北调某配套工程为例，对各项技术进行验证，效果良好，具有一定的推广价值。

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[责任编辑：张德福]

Research and application of key technologies topipeline engineering digital Mapping

CHENG Gang1,2,JIA Bao1,2,RAN Yan-yan3,MAO Ming-kai1,2,GUO Yu-xiang1,2

(1.Key Laboratory of Mine Spatial Information Technologies, National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, He’nan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 2.School of Surveying and Land Information Engineering, He’nan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 3.China University of Mining &Technology, Beijing 100083， China)

With the development of modern surveying and mapping technology and the progress of pipeline construction technology,the connotation and technologies of surveying and mapping for pipeline engineering have made considerable development. Taking the work of digital surveying and mapping in some water supply project of the South-to-North Water Diversion Project for example, it discusses the basic content of the pipeline engineering under the background of digital surveying and mapping, including the coordinate system transformation, the layout with combination of RTK and total station, elevation surveying and mapping under the cooperation of triangulation and leveling,and the rapid generation of sectional view based on AutoCAD, which provides reference for the similar pipeline engineering.

pipeline project；digital surveying and mapping；GPS-RTK; total station；AutoCAD；engineering survey

2014-01-24

国家自然科学基金资助项目(41001226);河南省高等学校骨干教师资助计划(2012GGJS-055);河南省教育厅自然科学研究计划项目(2010B170006); 矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室开放基金(KLM201202);数字制图与国土信息应用工程国家测绘地理信息局重点实验室开放基金项目(GCWD201002); 河南理工大学博士基金(B2010-9)

程 钢(1981-)，男，副教授，博士.

P258

：A

：1006-7949(2014)08-0045-05