新技术、新装备在北京市地下管线基础信息普查中的应用

陈建军，徐家峰

(北京同创达勘测有限公司，北京 100044)

1 引 言

随着国家经济的迅猛发展、各城市建设步伐的加快，城市基础建设变化比较大，特别作为市政建设重要组成部分的地下管网变得日趋复杂，地下管线建设规模不足、管理水平不高等问题日益凸显，一些城市相继发生大雨内涝、管线泄漏爆炸、路面塌陷等事件，严重影响了人民群众生命财产安全和城市运行秩序，为更好地管理城市建设，加快对基础地形信息的更新，2015年4月3日，北京市有关领导主持召开地下管线基础信息普查工作会议，部署城市地下管线基础信息普查工作。按照国务院及住房城乡建设部要求，将利用一年的时间，完成北京市城市范围内中心城区主要道路的地下管线基础信息普查工作，形成地下管线基础信息普查数据库，并建立综合管理系统，实现数据动态更新、共建共享，为首都城市地下空间的合理开发利用、综合管理、城市数字化、智慧城市建设等奠定坚实的基础。

北京市规划委员会于2015年9月组织了北京市地下管线基础信息普查-城六区外业普查项目的招标工作，经过公开招投标，北京同创达勘测有限公司中标04包，并受北京市规划委员会委托，承担北京市地下管线基础信息普查-城六区外业普查项目(04包)管线基础信息普查工作，本文作者通过总结新技术新装备在该项目中的具体运用，提出一些解决管线疑难问题的方法、思路，供大家参考。

04包位于北京市朝阳区，西至东四环路东侧，南至王四营北路南侧，东至温榆河，北至坝河，主要涉及将台地区、东风地区、平房地区、高碑店地区、常营地区、管庄地区等。该项目完成图根控制点 1 769个，施测四等水准 210.625 km，等外水准 234.215 km，管线总长度 2 857.5 km，测量管线点 123 993个(包括明显点和隐蔽点)。

我公司于2015年11月15日进入现场作业，2016年5月10日完成外业数据采集及内业数据录入检查工作，5月30日完成项目部质量检查，6月15日完成公司级质量检查，向监理单位提交片区的全部普查成果资料，7月15日完成监理单位的检查验收。

2 新技术、新装备的具体运用

2.1 建立临时单基站CORS

CORS系统作为城市空间数据的基础设施，要求其在城市行政区域内实现厘米级的定位精度，即RTK的测量精度达到厘米级，对于受到大中城市青睐的网络RTK能够达到这一要求，而单基站CORS的RTK作业模式标称精度能够在 50 km范围内实现厘米级定位。

单基站CORS与网络CORS分别是目前应用较为广泛的局域差分和广域差分技术的两种形式，RTK是两种系统在生产与生活中的主要运用手段之一，但在具体运用中略有不同。

首先，单基站CORS与网络CORS在建设费用上有巨大差异，单基站CORS系统具有建设、维护费用低、易与升级、安全、稳定等优势，单基站CORS更适合中小城市(或中小项目)的运用。

其次，在北京地区使用网络CORS，每个用户单位只能申请一个账号(一个账号只能满足一台仪器实时定位)，对于大面积的管普项目而言，控制测量显然是力不从心，很难在规定的时间内完成控制测量任务。而单基站CORS系统可以同时满足多个测量小组同时作业，可以节省大量时间。

我们在测区中央(项目部房顶)建立临时单基站CORS系统，通过采集测区内及周边的C级GPS控制点的CGCS 2000系大地坐标，获得该区域的平面四参数。按照规范要求对新建的CORS系统进行测试，以下主要介绍单基站CORS系统的稳定性(内符合精度)测试及外符合精度测试。

CORS系统的稳定性(内符合精度)测试：在基站东西南北4个方向上分别选取4个点位进行RTK观测，每个点位每半点钟观测一次，每个测回观测20个历元，测回间间隔大于 1 min，观测时间从上午9点至下午4点，每个点位至少观测14次，然后分别求取4个点位的X方向、Y方向、H方向的内符合中误差，如图1所示。

图1 坐标分量误差统计(内符合精度测试)

从图1测试结果来看，4个测试点位X、Y方向上坐标分量误差均小于 1.0 cm，H(椭球高)方向误差均小于 1.5 cm，H方向误差略大于X、Y坐标分量误差，数据结果相对稳定，数据准确可靠。满足《卫星定位城市测量技术规范》中“坐标分量内符合中误差不应超过 2 cm”的要求。

CORS系统的外符合精度测试：选取了测区内及周边的48个已知高等级控制点进行RTK观测。每个点位观测3个测回，每个测回观测20个历元，测回间间隔大于 1 min。将测试的结果与已知数据成果进行比对，坐标分量误差分布如图2、图3所示。

图2 X坐标分量误差统计

图3 Y坐标分量误差统计

从系统的平面精度测试结果可以看出，测试点的平面坐标分量误差整体优于 2.0 cm，测试点的平面点位外符合中误差MP=3.0 cm，满足《卫星定位城市测量技术规范》中“平面点位外符合中误差不应超过 5 cm”的要求。

以上测试结果符合相关规范要求后，才将相关参数信息设置在GPS接收机手簿中，同时组织多个作业组进行平面控制测量，相比较使用北京网络RTK而言，大大缩短了时间，为项目争取了时间。该项目结束后，对临时基准站进行了拆除。

2.2 开发地下管线采集移动端

多年来，城市地下管线数据采集和处理工作一直是耗时易错的工作，传统的作业方法是在外业绘制管线草图，记录采集的相关属性信息，内业根据外业草图进行数据录入。近年来，各个部门对管线普查信息数据的要求不断加大，同时管线权属单位对管线数据的管理和分析需求也在加大，对数据成果的要求也发生了很大的变化，海量的二维数据管理和三维数据可视化分析逐渐成为应用主流。

随着“3S”技术、传感器技术和计算机及网络技术的不断发展，尤其是移动GIS、基于位置的服务以及安卓平板的出现，使得移动GIS在安卓平板的应用在采集空间位置、属性信息、图片、视频、音频和信息传输上都有集大成的优势，且能与其他传感器互联。

同时，随着管线数据成为地下空间的基础数据，基于管线的应用和管理日益多元化，地下管线的安全、数据的共享、管线设施的管理，对数据的内容和获取方式有了更高的要求，传统的管线信息采集无法实现全部信息的有序、合理的采集要求。

基于以上原因，我公司自主研发地下管线采集移动端。该移动端具有以下优点：

(1)“所见即所得”的采集方式：在地形底图或影像地图上直接采集矢量的管线数据，可符号化的显示管线图形。根据管点和管线特征，输入必填属性。同类型管线的需重复采集的信息自动继承，只需采集差异化的属性，加快采集效率。

(2)多元信息采集：可采集除图形和属性外的照片信息和小室涂鸦，为后期的质量问题追根溯源打下基础，同时为内业解析生成小室图形提供原始数据。

(3)第一时间检校数据，确保数据质量：可及时发现管线的逻辑错误和空间错误。数据保存时，验证属性的完整性、正确性和逻辑一致性，并能对管线碰撞等空间错误进行检查。

(4)采用通用的GIS格式数据存储：采用通用的shape格式数据进行存储，打通内外业数据链。

(5)数据实时上传：可实时上传采集数据，做到内外业同步。数据更新时，可用于数据实时更新。

(6)测绘新技术的应用：将传统的纸质调查方式改为电子平板调查方式。

使用移动端进行管线数据采集改变了传统的管线数据采集方式，大大提高了管线数据采集的效率、准确率，提高了管线数据的兼容性，基本实现了无纸化作业，基本消除了作业人员对照草图录入数据容易出错的弊端，节省了人力，提高了效率，为项目的顺利实施提供有力保障。

2.3 开发井下管线摄影测量仪

地下管线调查一般以开井调查为主，外业虽然配备了相关的安全设施，但是测区内还是存在部分井下空间不具备调查量测的条件，主要情况有井下通风条件不好、井下空间狭小等作业人员无法直接调查量测的井下空间，对于这类空间采集，我们运用了自主研发的井下摄影测量仪进行拍摄、调查、量测，以补充井下空间的数据信息完整。

井下摄影测量仪，利用近景测量的原理测定井下工程建筑特征点的三维坐标及特征物体尺寸和方位。一次拍照，获取所有可用信息，包括井内影像、几何数据(埋深、规格、种类、病害、形状)均可高精度获得，几何量测精度达到厘米级，完全满足规范规定的精度要求。利用配套的井下影像处理软件，可快速判读井下管线方向、材质、裂缝等信息，同时可量取管线规格、管偏、埋深以及井室净空尺寸等数据；几何及影像信息可提供给三维建模软件建立井室三维模型。

测区范围内有许多管线埋设较深，小室密闭通风条件差且井内有积水，调查人员很难进入小室进行数据采集，将井下摄影测量仪输送至受限井下空间，同步全方位拍摄井下立体照片，并且可快速判读井下管线方向、材质、裂缝等信息，同时可量取管线规格、管偏、埋深等数据。通过井下摄影测量仪的数据量取，代替人工下井调查量测，保护作业人员的安全，提高劳动效率，具有安全、高效率、全方位高精度采集信息等特点，如图4、图5所示：

图4 井下摄影测量仪下井作业

图5 受限小室空间信息的采集

2.4 三维管线陀螺定位仪的运用

目前，传统的地下管线物探的主要方法是电磁法、电磁波法、磁法、地震波法等，最常用的是电磁法，代表性仪器是地下管线探测仪，其原理是以地下管线与周围介质的导电性及导磁性差异为主要物性基础，根据电磁感应原理观测和研究电磁场空间与时间分布规律，从而达到寻找地下管线或解决其他地质问题的目的。电磁法可分为频率域电磁法和时间域电磁法，前者是利用多种频率的谐变地磁场，后者是利用不同形式的周期性脉冲电磁场，由于这两种方法产生异常的原理均遵循电磁感应规律，故基础理论和工作方法基本相同。目前地下管线探测中主要以频率域电磁法为主。

管线探测仪是根据发射机对金属管线施加一次交变地磁场，交变地磁场将在地下金属管线中产生感应电流，并沿着管线向前传导；感应电流又将在管线周围产生二次电磁场，通过接收机在地面上测定二次电磁场的空间分布，根据二次场的分布特征来判断地下管线所在的平面位置及埋设深度。电磁感应类管线探测仪利用地下管线与周围介质的物理特性差异探测地下管线，往往受到管线材质、埋深、周边环境等干扰，无法得到准确的管线数据，尤其是对于非开挖敷设的管线(一般埋设深度大于 5 m)，受周边电磁波干扰大，管线埋设复杂的地段对管线的位置和埋深很容易造成误判。

陀螺仪三维定位技术是一种国际上领先的三维精确定位管线新技术，将陀螺仪原理与计算机三维技术整合在一起，巧妙的综合利用陀螺仪导航技术、重力场、计算机矢量计算等交叉学科原理，自动生成基于X、Y、Z三维坐标的地下管线空间位置曲线图，从而实现精确定位大埋深管线而不再受管线材质、管线埋深、周边环境等条件限制。

陀螺仪三维定位技术作为新的地下管线定位方法，具有以下技术特点。

(1)测量不受地形限制，不受深度限制，不受电磁干扰；

(2)定位精度高；

(3)适用于任何材质的管道；

(4)自动生成三维空间曲线图。

04包测区姚家园路穿越京包铁路段有一趟电力管线，在穿越京包铁路前采取拉管施工的作业方法(拉管施工长度约 60 m，最深处埋深 8.5 m)，使用传统的地下管线探测仪无法满足探测要求。我们在姚家园路京包铁路西侧找到电力管井(施工时的进土点)，发现电力管线断面为4×150的塑料管，其中有一个管孔内未穿线，我们就在京包铁路西侧的电力管井空管内设置传感器，在包铁路东侧找到拉管施工的电力管井(施工时的出土点)，实测进土点、出土点的实际坐标与高程，然后将方位测量器所经路径和已知的出入口点坐标相联系，最后在所选的坐标系统中形成一个准确的三维曲线，在三维曲线图上很直观地看到传感器运行各个阶段的位置与埋深，如图6所示：

图6 距离与埋深曲线图

图6可以看出，陀螺定位仪数据光滑稳定，能很好地反映地下管线的原貌，且受周边施工、复杂管线等外界因素影响极小。陀螺定位仪管线测量只需管线两端预留测量口即可进行测量，大大提高了精度。

如果不使用三维管线陀螺定位仪进行探测，而是直接量取铁路两侧的电力管井埋深数据，就很难发现电力管线地下部分的起伏变化情况，这样的数据对日后的有效利用留下了很大隐患。陀螺仪三维精确定位技术是传统管线定位手段的一个强有力的补充，随着各城市相继开展管线竣工测量工作，陀螺仪必将很快运用到管线竣工测量中，为管线规划和管理提供更准确的依据，城市管网将更加健康有序地运行，城市的地下管线信息将更完善，更准确。

2.5 地质雷达的运用

管线探测仪是城市管线普查的主要探测设备，但管线探测仪也有自身的缺点，主要表现在：容易受到目标管线周围距离相近管线和周围铁栅栏的干扰，当周围有高压线时也有较强的影响；用管线仪的接收机探测管线埋深时必须远离三通和发射机的位置，否则探测出来的埋深不准；只能探测导电性好的金属管线，对于非金属管线则没有效果。随着城市现代化的发展，地下管线探测难度不断增加。日趋复杂的城市管网，越来越多的信号干扰以及场地施工条件限制等，使得单一物探方法越来越难解决城市工程物探问题，而采用多种物探方法相结合的方式已经成为城市物探的发展趋势。

对于测区内较为重要的非金属管线及重要的深埋主干线，主要使用地质雷达进行探测。地质雷达探测的工作原理，简单地说是天线以一定的波束角向地下发射电磁波，电磁波在介质中传播，当遇到存在电性差异的地下目标体分界面时，如管线壁等，电磁波便发生反射，返回到地面时由接收天线所接收。对接收天线接收到的雷达波进行处理和分析的基础上，根据接收到的雷达波形、强度、双程时间等便可推断地下目标体的空间位置、结构及几何形态，从而达到对地下隐蔽目标物的探测。

地质雷达对于各种材质的管线或沟渠，只要存在介电常数的差异，理论上都能够探测出来。通过现场的速度标定，能够较为准确探测出管线的埋深，现场采集的数据可以永久保存。我们采用了加拿大EKKO pro多功能地质雷达，以补充管线点段的数据完整及管线的空间信息。

根据现场待测管线埋深、规格等因素需要，设置不同采样时窗、选用不同频率天线探测；道间距一般设置为：50M天线设置为 0.2 m，100M、200M设置为 0.1 m，天线间距50M天线设置为 2 m，100M、200M分别设置为 1 m和 0.5 m，叠加次数根据现场波形波动率设定在32～512不等。

剖面尽量选在了地势平坦，地面平整，避开电杆、路灯的空旷位置，从而确保探测剖面数据线性连续性和信号的高信噪比。地质雷达剖面方向均沿垂直管线走方向布置，并以等间距进行连续取样，每处疑点布置至少两条测线以排除地下独立干扰体给管线探测结果带来的假象。

图7中红色方框内为管径800 mm的PE给水管成像剖面图(100 MHz天线)，图8红色方框内为 200 MHz天线的剖面图(与图4中属同一根管线)，可见在选择地质雷达进行探测时要根据实际情况综合考虑目标体探测深度和规模大小，在分辨率和探测指标上进行综合考量，以选择合适的天线。图9中蓝色框内为 300 mm管径的PE给水管成像图，图10中红色框内为 300 mm管径天然气管道，可以看出PE燃气管反射信号比PE水管差，说明管线内运输载体对影像成图质量也有影响，即介质分界面电性的差异。

图7 800 mm PE给水管线成像剖面图(100 MHz天线)

图8 800 mm PE给水管线成像剖面图(200 MHz天线)

图9 300 mm PE给水管线成像剖面图

图10 300 mm PE燃气管线成像剖面图

尽管地质雷达进行管线探测有许多优点，但也有自身的缺点：如果覆盖在管线上的土质比较疏松，电磁波衰减很快，使得探测精度与准确度大大减低；如果地表存在较厚的植被或者凸凹不平，对探测也有较大的影响；探测信噪比不高，经常有管线探测不出来。

因此，在地下管线探测时，应根据不同的管线类型和周边环境，选择不同的地球物理方法进行探测。当一种方法探测效果不明显时，可以采用多种方法综合探测，各方法之间互相弥补，多种探测方法的综合运用，相互验证，才能避免单一方法的局限性，充分发挥各种方法的优势。综合考虑目标体的物理特性与探测环境，采用合适的地球物理方法组合解决工程问题，是综合地球物理发展的趋势。

3 结 语

地下管线普查是一项跨学科、多专业的综合性强的系统工程，普查成果不仅为智慧城市提供基础数据支持，更为城市管线的正常安全运行和城市功能的正常运行提供有力保障。高质量的普查成果不仅要采取有效的技术路线和先进的管理模式，更要注重创新技术的应用；不仅要加快系统开发与应用，还要加大科技开发力度，利用新技术、新装备有效解决管线探测工程中的难题，从而提高管线普查成果质量，提高作业效率。

[1] 苗长青. 单基站CORS与网络CORS适用性比较[J]. 河北北方学院学报·自然科学版，2012，28(2)：35～38.

[2] 张劲松. 北京市地下管线普查技术回复总结探讨[J]. 北京测绘，2016(3)：154～157.

[3] 董博. 地下管线竣工验收方法探讨[J]. 北京测绘，2013(2)：58～61.

[4] 李海军. 广州琶洲地块地下管线普查新技术应用[J]. 测绘通报，2016(S2)：146～149.

[5] 沙拉依丁·沙地克，于鹏. 综合探测方法在城市污水管探查中的应用[J]. 矿山工程，2016，4(4)：131～138.

[6] 杨伯钢. 地下管线普查100问[M]. 北京：测绘出版社，2016：51～52.