GNSS RTK在城市地下管網測量中的應用研究

謝裕群

（平遠縣自然資源局，廣東 梅州 514600）

1 引言

地下管線是城市基礎設施的重要組成部分，包括給水、污水、燃氣、廣電、電力、通信等管線，它們擔負著輸送介質或傳送信息等工作，是城市的生命線[1-2]。城市地下管線數據是智慧城市、國家基礎地理信息建設的重要組成部分，也是構建智慧管線的基礎數據[3]。隨著全球定位系統GNSS 技術的快速發展，GNSS RTK實時三維定位精度不斷提高，具有測量時間短、全天候、高度集成、自動化、無需通視、遠距離測量等優點，已廣泛應用于控制測量、工程測量、地形及地籍測量中[4]。本文利用GNSS RTK 技術對城市地下管線點進行測量，提高了工作效率，對加快城市地下管線信息化建設具有重要意義。

2 GNSS 定位基本原理

GNSS 定位的基本原理是空間距離后方交會原理[5]，即由衛星至接收機的距離與衛星的空間坐標，推算出接收機天線相位中心P 的空間坐標（如圖1 所示）。

圖1 GNSS定位基本原理示意圖

圖1 中，已知量有3 顆衛星S1、S2和S3的空間坐標分別為[X1,Y1,Z1]、[X2,Y2,Z2]、[X3,Y3,Z3]，衛星至接收機的距離為ρ1、ρ2、ρ3；未知量有接收機天線相位中心P 的坐標為[X,Y,Z]。根據空間兩點的距離公式，則有如下三元二次方程組：

顯然，通過公式可求解出測站P 的坐標[X,Y,Z]。

隨著GNSS 定位技術的發展，GNSS 載波信號已由最初的載體功能逐漸變為重要的觀測信號之一，因為通過GNSS 載波信號的相位觀測和解算，求得接收機到GNSS 衛星的距離，可以獲得毫米級測距精度，進一步可得到毫米級的靜態和厘米級的動態導航定位結果[6]，是目前大地測量和工程測量的主要測量方法。

3 地下管線探測原理與方法

3.1 工作原理

地下管線探測的基本原理是根據探測地下管線與其周圍介質明顯的地球物理性差異而判斷出地下管線的位置。常用的探測方法包括電磁波法、電磁法、直流電法、地震波法等。其中，電磁法是管線探測工程中最常用和精度較高的方法，其原理是將一交變電磁信號施加于地下的金屬管線，金屬管線與大地之間構成回路，由于金屬管線的集流效應而產生一個交變線電流，用儀器在地面檢測這個線電流產生的交變電磁信號，從而確定地下管線的空間位置[7-8]。對于非金屬管道和疑難問題的探測則采用電磁波法。

3.2 探查方法

地下管線探查的原則是：從已知到未知，從簡單到復雜，方法有效、快速，復雜條件下采用綜合方法。

地下管線點分為明顯管線點和隱蔽管線點。明顯管線點通過直接對地下管線進行實地調查和量測獲取，隱蔽管線點用儀器探查地下管線的地面投影位置及埋深，對于不具備儀器探測條件的復雜地段，采用地質雷達探測、釬探、開挖調查。

明顯管線點采用校驗過的鋼卷尺直接測量，讀至厘米，若明顯管線點密度符合相關規程布點要求，中間無轉彎分支等，直接連接各個明顯點，正確反映管線空間位置。若明顯點密度分布不滿足要求（相鄰明顯點間距大于75 米），則采用適當探測方法補加若干隱蔽點。隱蔽管線點的探測是管線探查的關鍵性工作，合理的探測方法是準確定位、定深的關鍵。

3.3 探查內容與要求

地下管線探查需要對每種管線的屬性數據進行采集。地下管線探查時需要調查與注明的項目如表1 所示，各類管線探查范圍及取舍標準如表2 所示。

表1 地下管線探查須查明與量注的項目

表2 地下管線探查取舍標準

4 案例應用

4.1 測區概況

測區位于某市新城區，地勢平坦，道路較少。測區總占地面積約16 平方公里，主要分布在新城區各大主次干道。主要管線有給水、排水、燃氣等管道以及電力（含路燈）、通信等電纜類管線，以金屬管線為主。測區大部分區域管線密集，較為復雜，交通流量較大，并且部分管線材質為非金屬管線。

4.2 地下管線物探及管線點測量

根據測區概況結合收集的資料實地踏勘，分析資料的可利用性，制定探測方案，采用全數字化、內外業一體化模式，將地質雷達物探技術、GNSS RTK 測繪技術和計算機技術有機地結合起來，可實現地下管線數據精細化、高效化、現代化建設。工作流程如圖2所示。

圖2 地下管線測量工作流程圖

測區共采集管線點28600 個。管線點的測量通過GNSS RTK 采集平面坐標和高程。對消防栓、通信箱、電力和通信上桿點等高程測至地面。為確保平面和高程精度，測量時實時檢查RTK 儀器的定位精度，同時測量點號和物探組實地編號一一對應，并與外業草圖、探測記錄本點號一致。

4.3 地下管線圖編繪

地下管線圖編繪包括數據錄入、管線數據屬性檢查、綜合管線圖編繪、專業管線圖編繪、管線點成果表編制。

（1）數據錄入。首先，利用Access 數據庫技術將外業探查獲取的管線屬性數據錄入物探數據庫，并進行100%校對檢查，確認無誤后建立管線探查屬性數據庫；其次，外業測量采集的管線空間屬性數據轉換到測量數據庫，并進行100%校對檢查，無誤后利用控制數據庫計算形成管線空間屬性數據庫，并對兩個數據之間進行管線點的關聯檢查。

（2）管線數據屬性檢查。利用專業的檢查軟件對管線探查屬性數據庫和管線空間屬性數據庫進行檢查，主要包括外業點號重號、測量點號重號和連接點號重號、重線、探查屬性庫代碼規范性、探查屬性庫方向錯誤、管線屬性數據庫連接關系、管線點特征代碼是否有誤、管線空間屬性是否有誤、管線屬性是否統一、管線高程合理性、數據接邊各種屬性（平面位置、材質、規格、年代等）檢查。對完成管線數據檢查和修改的數據進行最終檢查，無誤后形成最終管線探查屬性數據庫和管線空間屬性數據庫。

（3）綜合管線圖編繪。管線圖編繪以1∶1000 數字化地形圖作為管線圖的背景圖，每幅圖均在AUTOCAD軟件的平臺上進行編輯、注記。管線圖編輯之前，按管線不同專業，將坐標數據和屬性數據進行分類，利用成圖軟件和野外記錄的數據連接關系繪制成管線草圖，以1∶1000 地形圖分幅為標準將管線圖按50×50標準分幅。局部綜合管線圖如圖3 所示。

（4）專業管線圖編繪。專業管線圖在綜合圖的基礎上進行編繪，將各類專業管線分別從不同的圖層提取，增加專業信息注記，修改圖名和圖外整飾，保存為專業管線圖。路燈局部專業管線圖如圖4 所示。

（5）管線點成果表。管線點成果表編制內容包括管線點號、管線種類、規格、類型、材質、電纜根數或孔數、埋深、權屬單位及管線點的特征、附屬物、坐標、高程等。中國移動地下管線點部分成果如表3所示。

圖3 局部綜合管線圖

圖4 局部專業管線圖

表3 中國移動地下管線點部分成果表

5 結語

城市綜合地下管線普查作為數字城市的基礎性數據保障，對城市的信息化建設起著重要作用。通過研究GNSS RTK 技術的作業模式在城市地下管網測量中應用，表明該技術測量精度高，可達到厘米級，滿足城市地下管線點測量精度，且不累計傳遞誤差，觀測時間短，可實時提供三維坐標，降低勞動強度，提高工作效率，為城市地下管網三維信息化建設提供借鑒。