GNSS RTK在城市地下管网测量中的应用研究

谢裕群

（平远县自然资源局，广东 梅州 514600）

1 引言

地下管线是城市基础设施的重要组成部分，包括给水、污水、燃气、广电、电力、通信等管线，它们担负着输送介质或传送信息等工作，是城市的生命线[1-2]。城市地下管线数据是智慧城市、国家基础地理信息建设的重要组成部分，也是构建智慧管线的基础数据[3]。随着全球定位系统GNSS 技术的快速发展，GNSS RTK实时三维定位精度不断提高，具有测量时间短、全天候、高度集成、自动化、无需通视、远距离测量等优点，已广泛应用于控制测量、工程测量、地形及地籍测量中[4]。本文利用GNSS RTK 技术对城市地下管线点进行测量，提高了工作效率，对加快城市地下管线信息化建设具有重要意义。

2 GNSS 定位基本原理

GNSS 定位的基本原理是空间距离后方交会原理[5]，即由卫星至接收机的距离与卫星的空间坐标，推算出接收机天线相位中心P 的空间坐标（如图1 所示）。

图1 GNSS定位基本原理示意图

图1 中，已知量有3 颗卫星S1、S2和S3的空间坐标分别为[X1,Y1,Z1]、[X2,Y2,Z2]、[X3,Y3,Z3]，卫星至接收机的距离为ρ1、ρ2、ρ3；未知量有接收机天线相位中心P 的坐标为[X,Y,Z]。根据空间两点的距离公式，则有如下三元二次方程组：

显然，通过公式可求解出测站P 的坐标[X,Y,Z]。

随着GNSS 定位技术的发展，GNSS 载波信号已由最初的载体功能逐渐变为重要的观测信号之一，因为通过GNSS 载波信号的相位观测和解算，求得接收机到GNSS 卫星的距离，可以获得毫米级测距精度，进一步可得到毫米级的静态和厘米级的动态导航定位结果[6]，是目前大地测量和工程测量的主要测量方法。

3 地下管线探测原理与方法

3.1 工作原理

地下管线探测的基本原理是根据探测地下管线与其周围介质明显的地球物理性差异而判断出地下管线的位置。常用的探测方法包括电磁波法、电磁法、直流电法、地震波法等。其中，电磁法是管线探测工程中最常用和精度较高的方法，其原理是将一交变电磁信号施加于地下的金属管线，金属管线与大地之间构成回路，由于金属管线的集流效应而产生一个交变线电流，用仪器在地面检测这个线电流产生的交变电磁信号，从而确定地下管线的空间位置[7-8]。对于非金属管道和疑难问题的探测则采用电磁波法。

3.2 探查方法

地下管线探查的原则是：从已知到未知，从简单到复杂，方法有效、快速，复杂条件下采用综合方法。

地下管线点分为明显管线点和隐蔽管线点。明显管线点通过直接对地下管线进行实地调查和量测获取，隐蔽管线点用仪器探查地下管线的地面投影位置及埋深，对于不具备仪器探测条件的复杂地段，采用地质雷达探测、钎探、开挖调查。

明显管线点采用校验过的钢卷尺直接测量，读至厘米，若明显管线点密度符合相关规程布点要求，中间无转弯分支等，直接连接各个明显点，正确反映管线空间位置。若明显点密度分布不满足要求（相邻明显点间距大于75 米），则采用适当探测方法补加若干隐蔽点。隐蔽管线点的探测是管线探查的关键性工作，合理的探测方法是准确定位、定深的关键。

3.3 探查内容与要求

地下管线探查需要对每种管线的属性数据进行采集。地下管线探查时需要调查与注明的项目如表1 所示，各类管线探查范围及取舍标准如表2 所示。

表1 地下管线探查须查明与量注的项目

表2 地下管线探查取舍标准

4 案例应用

4.1 测区概况

测区位于某市新城区，地势平坦，道路较少。测区总占地面积约16 平方公里，主要分布在新城区各大主次干道。主要管线有给水、排水、燃气等管道以及电力（含路灯）、通信等电缆类管线，以金属管线为主。测区大部分区域管线密集，较为复杂，交通流量较大，并且部分管线材质为非金属管线。

4.2 地下管线物探及管线点测量

根据测区概况结合收集的资料实地踏勘，分析资料的可利用性，制定探测方案，采用全数字化、内外业一体化模式，将地质雷达物探技术、GNSS RTK 测绘技术和计算机技术有机地结合起来，可实现地下管线数据精细化、高效化、现代化建设。工作流程如图2所示。

图2 地下管线测量工作流程图

测区共采集管线点28600 个。管线点的测量通过GNSS RTK 采集平面坐标和高程。对消防栓、通信箱、电力和通信上杆点等高程测至地面。为确保平面和高程精度，测量时实时检查RTK 仪器的定位精度，同时测量点号和物探组实地编号一一对应，并与外业草图、探测记录本点号一致。

4.3 地下管线图编绘

地下管线图编绘包括数据录入、管线数据属性检查、综合管线图编绘、专业管线图编绘、管线点成果表编制。

（1）数据录入。首先，利用Access 数据库技术将外业探查获取的管线属性数据录入物探数据库，并进行100%校对检查，确认无误后建立管线探查属性数据库；其次，外业测量采集的管线空间属性数据转换到测量数据库，并进行100%校对检查，无误后利用控制数据库计算形成管线空间属性数据库，并对两个数据之间进行管线点的关联检查。

（2）管线数据属性检查。利用专业的检查软件对管线探查属性数据库和管线空间属性数据库进行检查，主要包括外业点号重号、测量点号重号和连接点号重号、重线、探查属性库代码规范性、探查属性库方向错误、管线属性数据库连接关系、管线点特征代码是否有误、管线空间属性是否有误、管线属性是否统一、管线高程合理性、数据接边各种属性（平面位置、材质、规格、年代等）检查。对完成管线数据检查和修改的数据进行最终检查，无误后形成最终管线探查属性数据库和管线空间属性数据库。

（3）综合管线图编绘。管线图编绘以1∶1000 数字化地形图作为管线图的背景图，每幅图均在AUTOCAD软件的平台上进行编辑、注记。管线图编辑之前，按管线不同专业，将坐标数据和属性数据进行分类，利用成图软件和野外记录的数据连接关系绘制成管线草图，以1∶1000 地形图分幅为标准将管线图按50×50标准分幅。局部综合管线图如图3 所示。

（4）专业管线图编绘。专业管线图在综合图的基础上进行编绘，将各类专业管线分别从不同的图层提取，增加专业信息注记，修改图名和图外整饰，保存为专业管线图。路灯局部专业管线图如图4 所示。

（5）管线点成果表。管线点成果表编制内容包括管线点号、管线种类、规格、类型、材质、电缆根数或孔数、埋深、权属单位及管线点的特征、附属物、坐标、高程等。中国移动地下管线点部分成果如表3所示。

图3 局部综合管线图

图4 局部专业管线图

表3 中国移动地下管线点部分成果表

5 结语

城市综合地下管线普查作为数字城市的基础性数据保障，对城市的信息化建设起着重要作用。通过研究GNSS RTK 技术的作业模式在城市地下管网测量中应用，表明该技术测量精度高，可达到厘米级，满足城市地下管线点测量精度，且不累计传递误差，观测时间短，可实时提供三维坐标，降低劳动强度，提高工作效率，为城市地下管网三维信息化建设提供借鉴。