不同天氣條件下地下金屬管線探測數(shù)據(jù)誤差特征分析

代祥勇，張先慧，朱重睿

（1.凱里市自然資源局，貴州 凱里 556000；2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局101地質(zhì)大隊(duì)，貴州 凱里 556000；3.凱里市自然資源局，貴州 凱里 556000）

近年來隨著交通需求的不斷增大，地鐵的建設(shè)量隨著需求不斷增大。很容易出現(xiàn)規(guī)劃路線和地下金屬管線的鋪設(shè)位置相沖突，施工將地下管線挖斷的情況。為了避免不必要的城建設(shè)施損壞的情況，相關(guān)部門需要制作地下管線的詳細(xì)布置圖，所以地下金屬管線的探測工作至關(guān)重要。

金屬的導(dǎo)電性是最常被利用的金屬特性，很多探測儀器都是利用金屬的導(dǎo)電性來完成探測的[1]，導(dǎo)電性好的物質(zhì)除了金屬就是水，很多金屬管線探測設(shè)備會(huì)受空氣中的溫度和濕度的含量影響，導(dǎo)致測量的數(shù)據(jù)有一定的誤差。隨著天氣的不斷變化，空氣中的含水量和灰塵含量會(huì)隨之改變，不同季節(jié)的風(fēng)速也有所不同。本文研究在不同的天氣條件下地下金屬管線探測數(shù)據(jù)誤差。

1 不同天氣條件下探測方法誤差分析

傳統(tǒng)的探測原理一般只考慮天氣改變溫度和濕度對地下金屬管線探測的導(dǎo)電性的數(shù)據(jù)誤差影響，當(dāng)然這一點(diǎn)是非常重要的，不過隨著地下定位系統(tǒng)的不斷發(fā)展，使地下定位技術(shù)得到一定的提高。本文利用常規(guī)方式進(jìn)行地下管線數(shù)據(jù)的勘測，分析不同天氣條件下地下金屬管線探測導(dǎo)電性、定位和信號(hào)干擾的誤差所具備的特征。根據(jù)分析出的誤差特征，進(jìn)行探測方式的改良。

1.1 金屬管線探測導(dǎo)電性數(shù)據(jù)誤差特征分析

天氣情況有很多種類，除去發(fā)生頻率不高的極端天氣，大致可以分為晴天、雨天和多云天。晴天和多云天氣下，地下金屬導(dǎo)線在地面產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度受空氣中溫度的影響，溫度的高低和日夜溫差的大小都是導(dǎo)電性的影響因素。由此得出溫度對地下金屬管線探測的系統(tǒng)誤差的關(guān)系計(jì)算公式為：

W為產(chǎn)生的誤差數(shù)值，X1為探測金屬管線信號(hào)接收器接收到的金屬導(dǎo)電系數(shù)。Y1為平均導(dǎo)電系數(shù)。n為當(dāng)下季節(jié)多種天氣變化數(shù)值[2]。由上述公式分別計(jì)算出晴天、雨天和多云天氣的誤差數(shù)值，繪制成系統(tǒng)誤差圖：

圖1 探測導(dǎo)電系數(shù)系統(tǒng)誤差

由上圖所知，導(dǎo)電系數(shù)系統(tǒng)誤差無論是在哪種天氣情況下，都是存在的。這表明無論哪種天氣導(dǎo)電系數(shù)的測量和實(shí)際數(shù)據(jù)相比都是有誤差的，晴天的系統(tǒng)誤差波動(dòng)曲線是最小的，晴天早晚溫差較大，但是空氣中的含水量卻差不多，所以在監(jiān)測地下金屬管線的時(shí)候，盡管會(huì)隨著深度的加深出現(xiàn)誤差越來越大的情況，但是由于導(dǎo)電性受空氣濕度影響小，所以系統(tǒng)誤差在0-10之間。

雨天的誤差波動(dòng)最大，在測量深度200m以內(nèi)的時(shí)候?qū)щ娤禂?shù)大于實(shí)際測量值，當(dāng)探測深度深于200m的時(shí)候?qū)щ娤禂?shù)小于實(shí)際測量值。

1.2 金屬管線探測定位數(shù)據(jù)誤差特征分析

在金屬管線實(shí)際的測量中，管線的分布并不規(guī)則。只得出大致的埋線位置還是會(huì)出現(xiàn)地下空間使用矛盾的問題，想要精確定位金屬管線在地下的準(zhǔn)確位置，不僅需要通過金屬對磁場強(qiáng)度的影響來進(jìn)行判斷，還需要GPS技術(shù)進(jìn)行精確定位。假設(shè)某金屬管線的埋線深度為h米，探測金屬管線的電流強(qiáng)度為K，地下金屬管線與管線之間的間距為b，當(dāng)管線之間的間距與深埋距離相差不大時(shí)，定位電流的曲線趨近于直線，管線受磁場變換影響，距離監(jiān)測的值與實(shí)際相差較大。當(dāng)管線之間的間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管線深埋距離的時(shí)候，定位誤差反而變小。三種天氣下的溫度變化是我們可以感覺得到的，在同一個(gè)季節(jié)里，晴天的溫度最好，多云天氣氣溫比較溫和，溫度最低的是雨天。三種溫度下地下金屬管線定位數(shù)據(jù)誤差進(jìn)行測量如下表：

表1 三種天氣對金屬管線定位定深的誤差統(tǒng)計(jì)

如上表所示，降水也比較容易干擾定位誤差。晴天無論是定位誤差還是定深誤差都是最小的，定深誤差比定位誤差整體偏大，多云天氣的定深誤差卻超過了雨天的定深誤差。一般來講，對定位影響最大的應(yīng)該是降水天氣，但多云天氣的空氣含水量也是較高的，而且多云天氣的溫差相對較小。因地下管道線所產(chǎn)生的誤差，所以要將其進(jìn)行誤差排除，使數(shù)據(jù)值對比更加明顯。

1.3 金屬管線探測信號(hào)干擾數(shù)據(jù)誤差特征分析

勘測金屬管線的定位信號(hào)的接收原理是衛(wèi)星信號(hào)的收發(fā)，信號(hào)的收發(fā)主要分為三個(gè)模塊。探測信號(hào)發(fā)射，信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)和地下金屬管線接收站。最常見的信號(hào)干擾原因就是轉(zhuǎn)發(fā)器受到人為因素干擾[3]。排除轉(zhuǎn)發(fā)器的自身故障，GPS信號(hào)比較容易受其他設(shè)備干擾，或者設(shè)備本身的質(zhì)量較差也容易出現(xiàn)發(fā)出探測信號(hào)弱的情況。天氣原因雖然不屬于人為因素，但也是導(dǎo)致金屬管線探測受到干擾的一大重要因素。

由于只考慮天氣對地下金屬管線的影響，所以惡意攻擊探測信號(hào)的問題暫時(shí)不在考慮范圍內(nèi)。晴天只有一種情況會(huì)影響到金屬管線的測量，晴天天氣下，無論是人們出門活動(dòng)的頻率還是在大街上行駛的車輛都會(huì)自然而然的增多，噪音對發(fā)射信號(hào)裝置具有很大影響，地下需要檢測的金屬管線很有可能會(huì)出現(xiàn)接收不到信號(hào)的情況，或者接收到的信號(hào)很微弱，由于金屬管線自身并沒有發(fā)射信號(hào)的能力，回傳信號(hào)的強(qiáng)弱取決于接收信號(hào)的強(qiáng)弱。多云天氣氣溫相比晴天要下降很多，信號(hào)發(fā)射器的磁場會(huì)受到很大影響。勘測信號(hào)在受干擾的磁場中忽強(qiáng)忽弱，勘探隊(duì)員完全可以依照信號(hào)強(qiáng)的時(shí)候收到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。但是除了天氣這一重要影響因素外還有很多其他的影響因素，所以即使是信號(hào)強(qiáng)的時(shí)候，探測的誤差也不見得是最小的。上文提到過的兩條相連的地下管線之間的距離和埋線深度相差較大，就會(huì)影響勘測的誤差。

在降雨天氣進(jìn)行金屬管線探測，信號(hào)發(fā)射時(shí)信號(hào)再強(qiáng)也會(huì)瞬間被削弱，削弱的程度和降雨的規(guī)模有關(guān)。信號(hào)電波會(huì)被水蒸氣吸收，發(fā)射信號(hào)中的電波不斷被削弱直到徹底消失。

2 結(jié)論與探討

三種天氣的情況下，地下金屬管線探測的整體數(shù)值偏大，200米以下的深度，三種天氣的誤差值都在合理范圍之內(nèi)。誤差偏移曲線的波動(dòng)不大，200m以上的深度雨天的誤差偏移波動(dòng)開始增大。多云天氣由于日夜溫差比較平穩(wěn)，對金屬導(dǎo)電性影響不大，與導(dǎo)電系數(shù)誤差相關(guān)性最小。晴天、云天和雨天條件下，地下金屬管線的探測受濕度影響誤差都較大，晴天天氣空氣中含水量最小，因濕度給地下金屬管線探測到來的誤差自然也最小。雨天因?yàn)榭諝庵泻渴侨N天氣中最多的，誤差影響結(jié)果則與之相反。

綜上所述，雨天對地下金屬管線的探測極度不利，雨天進(jìn)行金屬管線探測會(huì)出現(xiàn)較大數(shù)據(jù)誤差，最適合探測金屬管線的天氣是晴天。所以地下金屬管線的探測盡量選擇在晴天進(jìn)行探測，可以保證數(shù)據(jù)誤差率明顯下降。

3 結(jié)束語

本文在三種天氣模式下測試地下金屬管線的數(shù)據(jù)誤差特征，并對其進(jìn)行分析。但是由于天氣變換只受氣流等地理因素影響，無法改變和控制，所以三種天氣的實(shí)驗(yàn)天數(shù)不均勻。導(dǎo)致多云天氣的樣本較少，所以收集的數(shù)據(jù)有可能存在片面性，希望接下來的測試中可以延長數(shù)據(jù)收集時(shí)間，盡可能避免客觀誤差的存在。