基于GIS的地下管線探測技術探討

劉彥祥，胡麗達，韓伯利，崔青軸

（交通部天津水運工程科學研究所，天津 300456）

地下管線是城市規劃、建設的重要組成部分，種類繁多、形式復雜，主要有給水、排水、燃氣、熱力、工業、電力（信）、綜合管溝和人防管線等，是保障城市功能正常發揮和人民安居樂業的神經與血管，被稱為城市的“生命線”[1]。

地理信息系統是融計算機圖形和數據庫于一體、存儲和處理空間信息的高新技術，把管線的地理位置和相關屬性有機結合起來，根據需要把資料準確、圖文并茂地輸出給用戶，進而滿足城市規劃建設、企業管理、居民生活對空間信息的要求，并能借助其空間分析功能和可視化表達進行各種輔助決策。利用具有空間數據和屬性數據的地理信息系統來管理錯綜復雜的地下管線，可以實現地下管線數據的集中、科學、動態管理，從而更好地為建設高質量、高效率的現代化城市服務。

1 工程實例

工程項目為2008年10月完成的某工程區域的地下管線，管線覆蓋面積約13.6 km2，調查探測的地下管線長度約184.2 km。管線類型有：電力（信）、路燈、給（排）水、熱力等。調查內容有：平面位置、埋深、走向、材質、規格、權屬等。

1.1 技術依據及工作流程

工程作業按照現行國家規范[2-4]標準執行。工作流程如圖1所示。

1.2 儀器及人員配備

管線探測采用RD400 PXL2與LD 500型管道探測儀，定位儀器采用Trimble 5800 RTK GPS雙頻接收機，動態定位精度為±1 cm+1 ppm（水平）/±2c m+1 ppm（垂直）。所使用儀器均經具有儀器檢定資質的部門鑒定合格，并在有效期內。

本項目設項目總負責1名，物探、測量、內業技術負責各1名，質檢員2名（兼），安全員1名（兼），3個探測組，3個測量組，1個內業數據處理組，共計15人。

2 資料收集及管線分布情況分析

在開展工作之前，需要收集測區內地形成果圖、管線設計圖和施工竣工圖，以此作為管線調查的基礎資料數據。

地下管線探測的前提條件是管線與周圍介質存在地球物理性質差異。由于本測區內地下管線敷設的管材介質多樣如鑄鐵、聚乙烯、混凝土等，金屬管線與周圍介質具有明顯的物性差異。金屬管線很容易對外來電磁場形成通道，利用高精度的儀器對這種管線周圍輻射的電磁場接收處理，可以確定被探測管線的位置和埋深。金屬管線的物理特征為在該測區內開展地下管線調查施工選擇有效的儀器和物探方法提供了依據。

測區地下管線一般敷設在道路兩側及綠化帶范圍內，有給水、雨水、污水、電力、電信等，埋設密集。測區內排水管道埋深變化較大，一般在1.0～3.0 m，有的地段達4.0～7.0 m；其他管線埋設深度一般在0.5～2.0 m。

本次測量的首級控制采用天津港基礎控制網成果。控制系統與采用的基礎控制網系統相同。

3 地下管線探查

3.1 管線探查遵循原則

從已知到未知、從簡單到復雜，優先選用輕便、有效、快捷、成本低的方法。復雜條件下的管線探測采用多種探測方法相結合的方式。

3.2 方法試驗與儀器一致性檢驗

測區內管線材質多為金屬，所以探測時主要以電磁法探測為主。探查工作前，對RD400和LD500兩種儀器進行收發距、工作頻率、信號施加方式及定位定深方法的有效性、精度試驗。在方法試驗的基礎上，在躍進路、新港七號路選擇了5個不同已知點進行了儀器一致性校驗。

從試驗結果可知，以感應法探測時，收發距應大于15 m，最佳收發距應選擇在15～25 m。外業工作時，RD400工作頻率宜選擇65和33 kHz，RD500宜選擇38和65 kHz。對金屬管道探查首選直接連接法，對電纜類管線首選夾鉗法；多條平行管線探測，宜采用直接法、旁側激發法或選擇激發法等信號施加方式；平面定位及測深分別采用極大值及百分比（70%）法，結果接近真值。從校驗結果可知，投入的管線探測儀滿足規程要求，可投入工程使用。

3.3 管線探查類型及方法

對隱蔽地下管線的探測，根據不同材質、不同地球物理條件采用不同的物探方法進行探測。對導電性能較好的金屬管線采用有源法探測來確定管線的空間位置。有源法包括直接法、夾鉗法和感應法。當管線材質為金屬且埋深在2 m內時該方法為本次工程的首選方法，根據管線的敷設狀況，選擇使用直接法或感應法等。

3.3.1 明顯管線點調查

檢修井、裸露地表的管線點及與管線相連的附屬物、建（構）筑物等為明顯管線點。明顯點調查內容為：排水管道、方溝及電力溝道等量測管底或溝道底至地面垂直距離，其他管線埋深量測管頂至地面垂直距離。埋深量測采用經檢驗合格的鋼卷尺和量桿，讀數至厘米。

實際工作中，雨、污水管道通過用L尺量取管徑和深度，個別地方工作人員直接下井量測。電信類窨井直接放置木梯，工作人員下井量測、記錄。給水閥門井、檢修井采用鋼尺直接量取，為進一步采用儀器探查打下良好的基礎。

3.3.2 隱蔽管線點調查

對于給水、熱力、電纜等金屬管線來說，由于其與周圍介質存在明顯的電性差異，具備電磁法探測條件，多采用感應法進行探測。其中，具有接地條件的路段，為了增強信號的傳遞，增大分辨率，采用了直接法或夾鉗法。實踐證明，探測效果非常明顯。

電信、電力電纜的埋設多為管埋、管塊，部分為直埋。電信、電纜手孔檢查井較多，具備用夾鉗激發信號的條件采用夾鉗法，個別地段采用感應法。定位、定深時根據被夾電纜在管組中的實際位置校正到管組中心位置及其外頂埋深。路燈電纜井室少，無法使用夾鉗，主要由燈桿接線直接連接施加信號探測。

非金屬管線主要有排水管道及電信預埋空管。排水管線埋深較大但檢修井較多，通常采用實地調查的方法確定。電信、電力等預埋空管，通常套管內穿有鐵絲或保護材料本身為金屬套管，因此可通過對內穿鐵絲或金屬套管施加信號采用電磁法探測。

3.3.3 疑難管線與疑難地段管線的探測方法

在一定的激發方式下，近間距并行管線上常會有感應電流，它們的磁場相互疊加，使基于管線電流磁場特征的定位、定深方法的應用條件無法得到滿足，致使探測誤差增大。因此，對近間距并行管線探測的技術關鍵，是根據現場管線埋設的不同特點，靈活選擇最合適的激發方式，使目標管線上產生的電流最大，并使鄰近的非目標管線上的電流相對于目標管線而言可以忽略。如，躍進路上給水管道和電力管線相互交叉敷設，對淺埋電纜通過夾鉗法施加信號可準確探測；而深埋給水管道在主線上感應及巷口分支閥門直接連接探測均無法分辨，最后通過在遠離巷口的分支管線上采用感應法（即差異激發法）施加信號達到了減弱主線附近淺埋電纜的影響，準確測定其位置和埋深。

3.4 現場施測

3.4.1 管線點編號和實地標注

管線點及管線附屬設施（各種井、閥等）外業編號均為管線代碼+編號，且物探點號必須唯一，如JSxxxx，其中JS為管線代號、xxxx為編號。經探查定位后的管線點及附屬設施，在實地用紅油漆標記。無法用紅油漆做標記的地方用鐵釘或木樁做標記，并在附近明顯并易于保存的地方標注其點號并繪制示意圖。

3.4.2 管線點平面、高程測量

這幅作品不是賽努奇本人的收藏，入藏賽努奇博物館的時間也較為晚近，但在趣味上卻有相承之妙。這幅作品吸引了法國新一代學者的關注和研究。賽努奇博物館館長易凱說：“有專家根據左下角的人物在往左上方看，似乎是在看另外的人，認為畫的是八仙，但我們其實可以看出他看的不是外面，另外上面的一個人，身份比較難以確定。總之，這些人物也沒有明顯的八仙的特點，只可以判斷出他們是仙人但不一定是八仙。”①館長易凱（Eric Lefebvre）接受筆者采訪時口述。

平面與高程測量使用Trimble 5800 RTK GPS。RTK（Real Time Kinematic）技術又稱為載波相位差分技術，它通過實時處理兩個測站載波相位觀測，進行求差解算坐標，可實時獲得具有厘米級精度的點位坐標[5]。測量時選取點測量模式，將測點的三維坐標存儲于控制手簿中，并由專業人員現場勾繪草圖，并詳細記錄點號、相應的屬性，以便于內業成圖。

3.4.3 草圖編繪

草圖編繪遵循原則：管線點號應做到實地、草圖、探查記錄、測量手簿四統一。管線之間的相對位置、連接關系必須正確、清楚。連接關系復雜的地段應適當放大比例繪制示意圖。專業人員現場勾繪外業草圖，并詳細記錄點號、屬性和相對位置，以便于內業成圖使用。

3.5 內業資料處理

3.5.1 內業數據處理與成圖

當天的外業工作結束后，由內業人員將探查采集的管線數據進行整理和保存，通過數據處理生成空間數據庫與管線圖。

3.5.2 管線的分類和分層表示情況

在管線綜合圖中，為了便于對各種管線進行管理和應用，必須對其進行分類和分層處理。內業人員對每種管線進行分類，并對每類管線的屬性做了5種分層處理。現以給水管線為例加以說明，見表1。

表1 給水管線的分類和分層表示

3.5.3 管線種類、代碼、顏色及分層表示標準

管線種類、代碼、顏色及分層表示標準，見表2。

表2 管線種類、代碼、顏色與分層表示

數字化圖經質檢檢查合格后，在GIS平臺上將成果數據入庫（建庫），進而實現動態管理。

4 應注意問題及解決方法

綜合以上實例，總結了在基于GIS平臺建立的地下管線信息系統作業過程中應注意的問題及相應的解決方法。

4.1 工作前的準備

充分、合理的做好工作前的準備是項目順利開展的關鍵。這一步的主要工作是人員及設備的合理安排與配置，測區已有資料的收集與分析，編寫項目技術設計書等。容易出現的問題有：沒有充分考慮到工作的環節，不能對收集的資料合理利用，導致工作事倍功半，貽誤工作進程。解決方法為：充分、合理地做好前期工作準備，并認真地分析所收集資料的可利用性。

4.2 管線調查與數據采集

嚴格按照技術設計書中相關工作流程、逐步進行外業調查與數據采集，是工作的核心所在。容易出現的問題有：為了省事，不嚴格遵循技術設計書中的工作流程，如RTK GPS測量工作前不檢驗儀器或者采用了錯誤的工作項目；不能對相對復雜區域的管線采用多種管線探測方式相結合的方法進行探測；對實測結果與收集到的資料中有沖突的情況不予以處理或重視等。解決方法為：認真、嚴格地按照技術設計書進行工作，出現異常情況時及時與項目技術主管溝通、交流。

4.3 資料整理、建庫

資料整理與數據入庫是決定工作成敗的關鍵所在。經檢查準確無誤后的基礎資料按照既定的格式錄入并形成GIS數據庫，由此生成面向地下管網的信息系統。由于這一階段的數據量非常大，數據類型也很復雜，所以這一步的工作要更加細致。容易出現的問題有：不遵循技術設計書中的數據編輯格式與要求，混淆了不同類型管線的相關屬性，如本應屬于排水管線點的管井、埋深等信息卻錯誤地嫁接到給水或其他類型管線上；對補測得到的數據不能及時加載并更新到成果數據庫中等。解決方法為：嚴格地按照技術設計書進行工作，及時將當天的數據按照相應的管線類型分類并形成相應的管線圖與管線數據，將補測的資料及時加載并更新到成果數據庫中，確保管線資料的現勢性，并及時與項目技術主管溝通、交流，使成果資料準確而完整。

5 結語

地下管線信息系統的建設對提高城市建設的決策、規劃和管理水平，提高城市建設的環境、經濟、社會等的綜合效率，改善城市的可持續發展規劃都起到十分重要的作用。近年來，國內許多城市如天津、廣州、深圳、石家莊等均已進行了地下管線普查，并建立了管線信息管理系統。實踐證明，采用現代科學技術實現地下管網的數字化、信息化是必然的。

（1）通過實例總結了基于GIS地下管線調查的過程，以此得到在地下管線探測過程中易出現的問題及其相應的解決方法。

（2）GIS已成為解決地下管線各種問題的先進手段，通過地理信息系統可以實現對各種管線信息的輸入、存儲、查詢、檢索、處理、分析、顯示、快速定位等實用功能，從而得到各種管線的信息系統。

[1]龔俊，王新洲，王文慶，等.城市地下管線信息管理系統的探討[J].地理空間信息，2005，3（3）：10-11.

[2]CJJ 61-2003/J 271-2003，城市地下管線探測技術規程[S].

[3]GB/T 18314-2001，全球定位系統（GPS）測量規范[S].

[4]CJJ 8-1999，城市測量規范[S].

[5]劉彥祥，隋海琛，田春和，等.載波相位差分技術在河道斷面測量中的應用[J].水道港口，2004，25（S1）：112-113.