基于三維GIS技術的地下金屬管線探測數據參數測試方法

楊建峰，魏春曉，徐 曉

（1.煙臺帝峰信息技術有限公司，山東 煙臺 264010；2.煙臺市地理信息中心，山東 煙臺 264010）

目前為減少因施工而導致意外停水停電的情況、降低人員傷亡事故的發生[1]，以此為目的進行地下金屬管線探測已經成為施工前必不可少的環節之一，基于三維GIS技術對地下金屬管線進行探測，獲取數據參數，本文主要對獲取的數據參數進行測試。運用三維GIS技術獲取金屬管線探測數據參數，將數據輸入到GPR參數測試模型中，通過模型的測試，對管線定位區域的覆蓋面進行掃描處理，得到雙曲線圖像，根據雙曲線圖像得出參數測試的結果。本文通過實驗論證分析，以傳統測試方法進行對比，論證本文設計的方式具有可行性，其測試結果更加準確，耗用時間更短。

1 三維GIS技術概述

三維GIS系統主要應用于探測地理信息，又稱為地理信息系統，可以針對地面表層的物質及其分布特征進行分析，收取目標樣本進行預存，將所設目標地理區域進行全面系統的分析處理。

三維GIS技術主要需要在計算機的支持下，通過樣本采集對其進行分析計算，最終形成一個三維立體的模型，相比于二維GIS技術，三維技術能夠更加直觀地觀察到地表特征與其對應的信息數據，使一個地表的立體三維模型在一個空間中呈現出來，將二維轉換成三維，平面轉換成立體，可以針對行業外的人員進行更加詳細的補充說明，三維GIS技術在提高工作效率的同時，針對計算機等硬件軟件的配置的要求也有所提高，需要與CAD制圖進行同時連接，形成一個連續性的制圖流程，最終在平面上成立一個三維立體圖形。三維GIS技術在多種領域中都有相應的實際應用，可以將地理信息由復雜變為簡單，由抽象變為寫實，將整個模型都以最簡約的形態呈現在圖層上，其中還包括淹沒分析等空間中相對復雜的分析計算，可以包容多種復雜的功能。

因此，在三維GIS技術應用于地下金屬管線探測中，可應用其對管線的數據參數進行獲取，其獲取的數據參數誤差值很小。

2 地下管線探測數據參數測試方法設計

2.1 運用三維GIS技術獲取數據參數

為獲取數據參數，運用三維GIS技術探測地下金屬管線的數據參數，在需要進行測量的地域面積范圍內進行四周的標記點設置，確定長寬的實際數據以及整體的面積。根據計算出的整體面積，先在計算機上進行預成像設置，創建好形成面板。

形成圖像面板后，將三維GIS技術機器置于需要進行探測的地面表層上，保持機器不動，同時將機器與計算機相連，運用CAD制圖同步針對所探測到的數據進行繪制圖像。在探測過程中，需要探頭進入地面表層，根據地下的金屬管線的具體分布位置進行探測，從而獲得管線的探測數據參數。三維GIS技術可以通過掃描成圖，形成三維立體模型，將探測到的數據連同圖像一并標注在繪制的圖像中，例如管道的直徑、厚度以及其組成成分的信息，可以獲得管線具體的參數數值，將獲取到的參數數值單獨形成報表，進行后續的測試工作。

2.2 輸入數據至GPR參數測試模型

將通過三維GIS技術獲取到的數據參數輸入到GPR參數測試模型中，將其進行分析處理，進一步得到相關曲線圖[2]。

目前GPR模型主要應用在數據檢測、地面雷達探測等領域中，主要以二維為主，其形成的模型可以根據數據的大小進行調整，以地下目標進行二次建模，通過輸入的數據進行，反復修改，最終得到通過輸入的參數數據而形成的二次建模模型，通過該模型的數據形成雙曲線特征圖形。根據模型得到的原理公式如下：

其中，σx、σy為模型的電導率，σmx與σmy為容阻率，μ與ε為所測得的參數。當模型中的一側電導率為0時，公式（1）成立，形成兩個比值相等的情況，從而可以根據所測得的參數大小，得到不同的數值，將得到的不同參數反復代入得知多個測試點，根據不同的測試點鎖定管線定位區域的覆蓋面積，從而利用模型對其整個覆蓋面進行掃描，得到雙曲線圖像，從而對所獲取的參數測試得出測試結果。

2.3 利用模型掃描管線定位區域覆蓋面

通過上述GPR參數測試模型，確定參數μ與ε的數值，對應其二次建模的模型，利用該模型對管線定位區域的覆蓋面進行掃描，形成雙曲線圖像。

通過模型得出的測試點，將每個測試點以相等距離進行分布，按照順序進行掃描，將得到管線定位區域內的二維平面剖面圖，根據每個測試點的位置不同，將整個定位區域分成面積相等的多個部分，從而形成一個具有整體性的測試網。每個測試網是由多個線路以及測試點所組成，每個測試點之間的距離均相等，可通過測試點分布的密度進行數據測試，工作人員通過每個測試網的面積及數據形成一個以數量為標準的圖表，從密度中得出不同測試點的數據，將數據連成兩條曲線從而形成雙曲線圖像。

雙曲線圖像的形成是根據原有參數數據μ與ε而形成的，可針對其數據參數本身進行測試，從而得出測試結果。

2.4 基于雙曲線圖像得出測試結果

通過測試網的測試數據，可以對其進行雙曲線的繪制，根據參數數值大小的不同與金屬管線直徑的不同，其雙曲線的特征與折點的角度也不同，下圖1為本方法設計中的雙曲線圖像[3]。

圖1 雙曲線圖像

由上圖1可以得出，當金屬管線數據參數通過GPR測試模型得到兩種不同參數的不同曲線，其變化主要與管線的直徑與深淺有關。當深淺的參數越大，管線的直徑越大，中心點與雙曲線之間的距離越遠，參數越小，管線的直徑越小，中心點與雙曲線之間的距離越小。當直徑的參數越小，則埋入地下的深度越小，雙曲線的尖銳程度越大，夾角越小，反之，當直徑的參數越大，埋入地下的深度越大，雙曲線的尖銳程度越小，夾角越大。

因此可以得出，通過雙曲線的特征，探測出的地下金屬線的數據參數測試結果準確。

3 實驗論證分析

3.1 實驗背景

本文通過對地下金屬管線探測數據的參數的測試方法進行了設計，通過GPR模型與雙曲線特征對數據進行分析對比，最終對檢測出的參數數據得到測試結果，與傳統測試方法進行對比論證，探討本文方法的可行性與準確性，通過對比實驗數據進行論證研究。

3.2 實驗準備

在實驗準備階段，將本文設計的測試方法設為實驗A組，運用傳統測試方法的對照組設為實驗B組，分成兩組，同時進行實驗，確保其探測的地下金屬管線為同一條線路，地下表層的組成成分均相同，其他外界條件均不變，由此進行實驗，實驗結果以參數測試的準確率為標準。

3.3 實驗結果分析

通過針對參數數據進行測試，運用兩種不同測試方法形成實驗A組與實驗B組，兩組測試結果如下表1所示。

表1 實驗A、B組參數測試結果對比表

如上表所示，運用不同的參數測試方法，得到的測試結果不同，實驗A組參數μ為0.6254、參數ε為1.8956，實驗B組參數μ為0.6123，參數ε為1.3658，實驗A組兩組參數的測試結果準確率分別高達98%與97%，實驗B組兩組參數的測試結果準確率分別為92%與89%。其中參數μ的測試結果準確率差值為6%，參數ε的測試結果準確率差值為8%。

由此可見，運用本文設計的參數測試方法的測試結果更準確，能夠使對應的探測工作效率提高，起到了相輔相成的作用，減少了工作時間，對參數測試的準確率更高。

4 結束語

本文利用三維GIS技術獲取地下金屬管線探測數據的參數值，對參數結果進行測試，利用測試模型掃描管線定位區域覆蓋面，從而得到雙曲線圖像，利用雙曲線圖像的原理，計算出測試結果是否有誤，在數據參數的測試上起到了有效的作用，本文在測試過程中仍存在不足之處，希望在今后進一步的研究中能夠將不足之處完善，為相關領域研究測試方法提供了思路依據。