基于北斗系统的地下金属管线测量定位放线误差控制技术研究

刘 伟

（山东鲁迪测绘有限公司，山东 济南 250102）

测量地下金属管线是一种包括地球物理学、测绘、计算机应用科学和其他专业知识的技术。用于完成城市地下金属管线的勘探和测量，并存储测量数据或直接进行分析。地下金属管线测量工程是一项大型工程，非常复杂，需要提前规划、管线检测、资金支持，及多部门协同等多系统协同配合。因此，在复杂作业的背景下，地下金属管线的测量定位放线过程中不可避免地会出现误差。

为减少由于地下金属管线损坏引起的事故，需要研究地下金属管线测量误差控制方法。研究可以证明通过城市地下金属管线的通讯功能，可以控制地下金属管线的测量误差，以及控制误差的重要性，分析地下金属管线测量过程中存在的问题。面对复杂金属管线的测量任务，需要运用多种技术手段，对测量数据进行整合，严格地控制地下金属管线的测量过程，杜绝误差，对加强地下金属管线的标准化建设，促进标准化发展有重要意义。

1 基于北斗系统的管线定位放线误差控制技术设计

1.1 设计管线测量定位放线控制指标

根据测量规范的要求，在管线测量定位和设置误差控制前应进行优化设计。换句话说，控制测量精度、仪器精度要求、测量水平等必须提前设计，以满足特定要求。管线定位具有误差控制成本低，网络内外可靠性高的优点。因此通过找出并去除总误差，来观察数据，此时对最终结果的影响最小[1]。

地下金属管线误差控制网精度标准分为全精度标准和部分精度标准。整体精度标准体现在地下金属管线误差控制网络所有精度信息的协方差矩阵中。总体精度标准分为不同类型，在许多方面反映了地下金属管线误差控制网络的总体精度。标准值的大小反映了整体的点位置误差的大小，当达到最小值时，被称为反映两者所形成的超误差椭球大小的最优准则矩阵，这也是点位置误差的一部分。最大特征值Amax主要反映局部精度标准，即全反射达到最小值时网络中最大点误差的大小，是点精度和相对点精度等一些因素的局部精度和功能精度。

点误差椭圆可以很好的解决这个问题。因此，点误差椭圆可以用来表示一个点的点位置精度。可靠性理论的前提是观测数据需要不但包含随机误差，而且包含总误差。总误差被认为等于正常观测值的方差，但其有不同的期望值，被归类为评价地下金属管线误差控制网络质量的函数模型。网络的可靠性分为内部可靠性和外部可靠性。外部可靠性是检查地下金属管线误差控制能力的基础。内部可靠性是地下金属管线故障控制网络抵抗的剩余总故障数量，依据两种可靠性来判断协调结果的影响能力。

蒙特卡罗方法是一种机械地下金属管线误差控制网络的优化设计方法，主要过程首先需要选取一个点，标记该点，然后根据设计点坐标和已知坐标，对地下金属管线定位放线进行误差控制。金属管线控制网络优化的基本过程是计算所有边长和角度，然后再将测量精度和测量角度调控到可接受的范围内。对于所有边长和角度的随机误差，需要对井下误差控制网进行间接调整。金属管线的整体可靠性需要通过每次观测来实现。

除此之外还需要根据地下金属管线误差控制网的设计可靠性标准和平均重叠观测的特点来降低观测值，使地下金属管线误差控制网的可靠性达到标准。每次观测的可靠性是一致的，粗差检查的标准也考虑到匹配边缘和精度的测量要求，降低了观测成本[2]。最后，对地下金属管线误差控制网络进行二级优化，为每次观测选择最优权重，并根据权重值选择合理的方案。

1.2 基于北斗系统进行误差模拟观测

误差模拟观测阶段主要根据地下金属管线误差控制网络的精度和成本来建立观测计划。该方法基于北斗系统进行误差模拟观测，设计有特殊要求的点精度。例如，在用于管线测量的地上和地下金属管线的误差控制网络中，接触定位点的点精度测量和两个良好定位点的相对定位误差都有特殊要求。地下金属管线误差控制网络二级优化设计的目的是满足具有特殊要求的点位误差要求。第二种优化设计方法是对有特殊要求的点的辅因子进行设计，选择合适的权重，使地下金属管线误差控制网络的网络类型和测量方案更有针对性。

整个观测过程首先要建立初始数学模型，然后根据工程要求和已知点坐标提供设计点坐标值，计算边长和方向的实际值。这些实际坐标设计值用作以下模拟观测的基础。第二步是生成畸变值，根据设计的观测精度使用北斗系统观测误差，并进行伪随机数测试和变换，生成和添加符合标准正态分布的伪随机数，以获得具有相应横向长度的真实世界的模拟观测值[3]，最后需要进行平差计算，将模拟观测值配置成误差方程和函数方程，对模拟地下金属管线误差控制网进行平差计算和数据分析，得到坐标模拟平差值来模拟网络点。

1.3 进行管线定位放线误差的定量化验证

为了分析地下金属管线误差控制网的质量，需要开发地下金属管线误差控制网优化设计程序，该程序可以定量分析可靠性指标、整体精度指标、本地精度指标并利用地下金属管线故障控制网络进行显示。地下金属管线误差控制网络的优化设计得到修正系数的辅因子矩阵和观测值逼近的辅因子矩阵影响。

根据网络可靠性标准，兼顾边角精度匹配，参考最大点误差和最弱侧相对误差的容差要求，对地下金属管线误差控制网络进行整体优化。根据优化设计策略，确保地下金属管线故障控制网局部精度满足使用要求。

管线定位和设置误差的定量验证过程如下。第一步是输入加密点的已知坐标，计算每个边和角的大小。第二步，根据测量误差呈正态分布的理论，将边和边阵列放入MATLAB中。第三步是检索模拟的横向长度和角度观测值，并根据坐标修正计算理论从VC中的已知点中导出所有加密点的近似坐标。第四步，调整理论计算系数矩阵，根据角度观测确定观测的权重矩阵，计算角点权重，根据观测值和近似坐标值计算出的边长差，将矩阵进行平差计算。

2 实验

使用各种技术手段测量金属管线，在测量过程中，不可避免地会出现一些复杂、混乱的管线。在这种情况下，一般的测量方法难以有效地执行测量计划，可采用夹钳法、感应法、盲探法等多种方法与本文设计的方法进行对比迭代验证，确定地下复合金属管线最准确的位置。

2.1 实验准备

根据上述方法，建立了一个全面的误差控制系统。首先制定测量计划，根据历史数据和信息对计划进行修改，明确组间职责和任务，然后测量分组。在这个过程中，历史数据的完整性决定了控制方法的有效性。测量完成后，需要进行自检和抽检，只有通过检测获得的数据才能进入数据库。

2.2 实验结果与讨论

以某地地下金属管线测量为例，采用不同探测方法进行对比实验，实验结果如下表1所示。

表1 实验结果

由表1可知，本文设计的误差控制方法在与各个方法相比时其误差始终处于最低值，因此可以有效地控制误差，具有有效性。

3 结语

综上所述，金属管线测量定位放线误差控制技术是降低金属管线受损导致的关键性技术，可以帮助金属管线达到实施及时修护的目的，进行了实验，证明了本文设计的控制技术具有有效性，可以成功减小误差，但是经过实验可以看出，目前仍有一定的误差，还需要通过后续的研究进行不断完善，尽量使误差降到最低。