基于GIS的地下管线探测技术探讨

刘彦祥，胡丽达，韩伯利，崔青轴

（交通部天津水运工程科学研究所，天津 300456）

地下管线是城市规划、建设的重要组成部分，种类繁多、形式复杂，主要有给水、排水、燃气、热力、工业、电力（信）、综合管沟和人防管线等，是保障城市功能正常发挥和人民安居乐业的神经与血管，被称为城市的“生命线”[1]。

地理信息系统是融计算机图形和数据库于一体、存储和处理空间信息的高新技术，把管线的地理位置和相关属性有机结合起来，根据需要把资料准确、图文并茂地输出给用户，进而满足城市规划建设、企业管理、居民生活对空间信息的要求，并能借助其空间分析功能和可视化表达进行各种辅助决策。利用具有空间数据和属性数据的地理信息系统来管理错综复杂的地下管线，可以实现地下管线数据的集中、科学、动态管理，从而更好地为建设高质量、高效率的现代化城市服务。

1 工程实例

工程项目为2008年10月完成的某工程区域的地下管线，管线覆盖面积约13.6 km2，调查探测的地下管线长度约184.2 km。管线类型有：电力（信）、路灯、给（排）水、热力等。调查内容有：平面位置、埋深、走向、材质、规格、权属等。

1.1 技术依据及工作流程

工程作业按照现行国家规范[2-4]标准执行。工作流程如图1所示。

1.2 仪器及人员配备

管线探测采用RD400 PXL2与LD 500型管道探测仪，定位仪器采用Trimble 5800 RTK GPS双频接收机，动态定位精度为±1 cm+1 ppm（水平）/±2c m+1 ppm（垂直）。所使用仪器均经具有仪器检定资质的部门鉴定合格，并在有效期内。

本项目设项目总负责1名，物探、测量、内业技术负责各1名，质检员2名（兼），安全员1名（兼），3个探测组，3个测量组，1个内业数据处理组，共计15人。

2 资料收集及管线分布情况分析

在开展工作之前，需要收集测区内地形成果图、管线设计图和施工竣工图，以此作为管线调查的基础资料数据。

地下管线探测的前提条件是管线与周围介质存在地球物理性质差异。由于本测区内地下管线敷设的管材介质多样如铸铁、聚乙烯、混凝土等，金属管线与周围介质具有明显的物性差异。金属管线很容易对外来电磁场形成通道，利用高精度的仪器对这种管线周围辐射的电磁场接收处理，可以确定被探测管线的位置和埋深。金属管线的物理特征为在该测区内开展地下管线调查施工选择有效的仪器和物探方法提供了依据。

测区地下管线一般敷设在道路两侧及绿化带范围内，有给水、雨水、污水、电力、电信等，埋设密集。测区内排水管道埋深变化较大，一般在1.0～3.0 m，有的地段达4.0～7.0 m；其他管线埋设深度一般在0.5～2.0 m。

本次测量的首级控制采用天津港基础控制网成果。控制系统与采用的基础控制网系统相同。

3 地下管线探查

3.1 管线探查遵循原则

从已知到未知、从简单到复杂，优先选用轻便、有效、快捷、成本低的方法。复杂条件下的管线探测采用多种探测方法相结合的方式。

3.2 方法试验与仪器一致性检验

测区内管线材质多为金属，所以探测时主要以电磁法探测为主。探查工作前，对RD400和LD500两种仪器进行收发距、工作频率、信号施加方式及定位定深方法的有效性、精度试验。在方法试验的基础上，在跃进路、新港七号路选择了5个不同已知点进行了仪器一致性校验。

从试验结果可知，以感应法探测时，收发距应大于15 m，最佳收发距应选择在15～25 m。外业工作时，RD400工作频率宜选择65和33 kHz，RD500宜选择38和65 kHz。对金属管道探查首选直接连接法，对电缆类管线首选夹钳法；多条平行管线探测，宜采用直接法、旁侧激发法或选择激发法等信号施加方式；平面定位及测深分别采用极大值及百分比（70%）法，结果接近真值。从校验结果可知，投入的管线探测仪满足规程要求，可投入工程使用。

3.3 管线探查类型及方法

对隐蔽地下管线的探测，根据不同材质、不同地球物理条件采用不同的物探方法进行探测。对导电性能较好的金属管线采用有源法探测来确定管线的空间位置。有源法包括直接法、夹钳法和感应法。当管线材质为金属且埋深在2 m内时该方法为本次工程的首选方法，根据管线的敷设状况，选择使用直接法或感应法等。

3.3.1 明显管线点调查

检修井、裸露地表的管线点及与管线相连的附属物、建（构）筑物等为明显管线点。明显点调查内容为：排水管道、方沟及电力沟道等量测管底或沟道底至地面垂直距离，其他管线埋深量测管顶至地面垂直距离。埋深量测采用经检验合格的钢卷尺和量杆，读数至厘米。

实际工作中，雨、污水管道通过用L尺量取管径和深度，个别地方工作人员直接下井量测。电信类窨井直接放置木梯，工作人员下井量测、记录。给水阀门井、检修井采用钢尺直接量取，为进一步采用仪器探查打下良好的基础。

3.3.2 隐蔽管线点调查

对于给水、热力、电缆等金属管线来说，由于其与周围介质存在明显的电性差异，具备电磁法探测条件，多采用感应法进行探测。其中，具有接地条件的路段，为了增强信号的传递，增大分辨率，采用了直接法或夹钳法。实践证明，探测效果非常明显。

电信、电力电缆的埋设多为管埋、管块，部分为直埋。电信、电缆手孔检查井较多，具备用夹钳激发信号的条件采用夹钳法，个别地段采用感应法。定位、定深时根据被夹电缆在管组中的实际位置校正到管组中心位置及其外顶埋深。路灯电缆井室少，无法使用夹钳，主要由灯杆接线直接连接施加信号探测。

非金属管线主要有排水管道及电信预埋空管。排水管线埋深较大但检修井较多，通常采用实地调查的方法确定。电信、电力等预埋空管，通常套管内穿有铁丝或保护材料本身为金属套管，因此可通过对内穿铁丝或金属套管施加信号采用电磁法探测。

3.3.3 疑难管线与疑难地段管线的探测方法

在一定的激发方式下，近间距并行管线上常会有感应电流，它们的磁场相互叠加，使基于管线电流磁场特征的定位、定深方法的应用条件无法得到满足，致使探测误差增大。因此，对近间距并行管线探测的技术关键，是根据现场管线埋设的不同特点，灵活选择最合适的激发方式，使目标管线上产生的电流最大，并使邻近的非目标管线上的电流相对于目标管线而言可以忽略。如，跃进路上给水管道和电力管线相互交叉敷设，对浅埋电缆通过夹钳法施加信号可准确探测；而深埋给水管道在主线上感应及巷口分支阀门直接连接探测均无法分辨，最后通过在远离巷口的分支管线上采用感应法（即差异激发法）施加信号达到了减弱主线附近浅埋电缆的影响，准确测定其位置和埋深。

3.4 现场施测

3.4.1 管线点编号和实地标注

管线点及管线附属设施（各种井、阀等）外业编号均为管线代码+编号，且物探点号必须唯一，如JSxxxx，其中JS为管线代号、xxxx为编号。经探查定位后的管线点及附属设施，在实地用红油漆标记。无法用红油漆做标记的地方用铁钉或木桩做标记，并在附近明显并易于保存的地方标注其点号并绘制示意图。

3.4.2 管线点平面、高程测量

这幅作品不是赛努奇本人的收藏，入藏赛努奇博物馆的时间也较为晚近，但在趣味上却有相承之妙。这幅作品吸引了法国新一代学者的关注和研究。赛努奇博物馆馆长易凯说：“有专家根据左下角的人物在往左上方看，似乎是在看另外的人，认为画的是八仙，但我们其实可以看出他看的不是外面，另外上面的一个人，身份比较难以确定。总之，这些人物也没有明显的八仙的特点，只可以判断出他们是仙人但不一定是八仙。”①馆长易凯（Eric Lefebvre）接受笔者采访时口述。

平面与高程测量使用Trimble 5800 RTK GPS。RTK（Real Time Kinematic）技术又称为载波相位差分技术，它通过实时处理两个测站载波相位观测，进行求差解算坐标，可实时获得具有厘米级精度的点位坐标[5]。测量时选取点测量模式，将测点的三维坐标存储于控制手簿中，并由专业人员现场勾绘草图，并详细记录点号、相应的属性，以便于内业成图。

3.4.3 草图编绘

草图编绘遵循原则：管线点号应做到实地、草图、探查记录、测量手簿四统一。管线之间的相对位置、连接关系必须正确、清楚。连接关系复杂的地段应适当放大比例绘制示意图。专业人员现场勾绘外业草图，并详细记录点号、属性和相对位置，以便于内业成图使用。

3.5 内业资料处理

3.5.1 内业数据处理与成图

当天的外业工作结束后，由内业人员将探查采集的管线数据进行整理和保存，通过数据处理生成空间数据库与管线图。

3.5.2 管线的分类和分层表示情况

在管线综合图中，为了便于对各种管线进行管理和应用，必须对其进行分类和分层处理。内业人员对每种管线进行分类，并对每类管线的属性做了5种分层处理。现以给水管线为例加以说明，见表1。

表1 给水管线的分类和分层表示

3.5.3 管线种类、代码、颜色及分层表示标准

管线种类、代码、颜色及分层表示标准，见表2。

表2 管线种类、代码、颜色与分层表示

数字化图经质检检查合格后，在GIS平台上将成果数据入库（建库），进而实现动态管理。

4 应注意问题及解决方法

综合以上实例，总结了在基于GIS平台建立的地下管线信息系统作业过程中应注意的问题及相应的解决方法。

4.1 工作前的准备

充分、合理的做好工作前的准备是项目顺利开展的关键。这一步的主要工作是人员及设备的合理安排与配置，测区已有资料的收集与分析，编写项目技术设计书等。容易出现的问题有：没有充分考虑到工作的环节，不能对收集的资料合理利用，导致工作事倍功半，贻误工作进程。解决方法为：充分、合理地做好前期工作准备，并认真地分析所收集资料的可利用性。

4.2 管线调查与数据采集

严格按照技术设计书中相关工作流程、逐步进行外业调查与数据采集，是工作的核心所在。容易出现的问题有：为了省事，不严格遵循技术设计书中的工作流程，如RTK GPS测量工作前不检验仪器或者采用了错误的工作项目；不能对相对复杂区域的管线采用多种管线探测方式相结合的方法进行探测；对实测结果与收集到的资料中有冲突的情况不予以处理或重视等。解决方法为：认真、严格地按照技术设计书进行工作，出现异常情况时及时与项目技术主管沟通、交流。

4.3 资料整理、建库

资料整理与数据入库是决定工作成败的关键所在。经检查准确无误后的基础资料按照既定的格式录入并形成GIS数据库，由此生成面向地下管网的信息系统。由于这一阶段的数据量非常大，数据类型也很复杂，所以这一步的工作要更加细致。容易出现的问题有：不遵循技术设计书中的数据编辑格式与要求，混淆了不同类型管线的相关属性，如本应属于排水管线点的管井、埋深等信息却错误地嫁接到给水或其他类型管线上；对补测得到的数据不能及时加载并更新到成果数据库中等。解决方法为：严格地按照技术设计书进行工作，及时将当天的数据按照相应的管线类型分类并形成相应的管线图与管线数据，将补测的资料及时加载并更新到成果数据库中，确保管线资料的现势性，并及时与项目技术主管沟通、交流，使成果资料准确而完整。

5 结语

地下管线信息系统的建设对提高城市建设的决策、规划和管理水平，提高城市建设的环境、经济、社会等的综合效率，改善城市的可持续发展规划都起到十分重要的作用。近年来，国内许多城市如天津、广州、深圳、石家庄等均已进行了地下管线普查，并建立了管线信息管理系统。实践证明，采用现代科学技术实现地下管网的数字化、信息化是必然的。

（1）通过实例总结了基于GIS地下管线调查的过程，以此得到在地下管线探测过程中易出现的问题及其相应的解决方法。

（2）GIS已成为解决地下管线各种问题的先进手段，通过地理信息系统可以实现对各种管线信息的输入、存储、查询、检索、处理、分析、显示、快速定位等实用功能，从而得到各种管线的信息系统。

[1]龚俊，王新洲，王文庆，等.城市地下管线信息管理系统的探讨[J].地理空间信息，2005，3（3）：10-11.

[2]CJJ 61-2003/J 271-2003，城市地下管线探测技术规程[S].

[3]GB/T 18314-2001，全球定位系统（GPS）测量规范[S].

[4]CJJ 8-1999，城市测量规范[S].

[5]刘彦祥，隋海琛，田春和，等.载波相位差分技术在河道断面测量中的应用[J].水道港口，2004，25（S1）：112-113.