探地雷达在地下管线探测中的应用

2016-01-15刘永义王瑞芳

全球定位系统 2015年3期

关键词：数据处理

刘永义,杨　磊,王瑞芳

(郑州测绘学校,河南郑州 450015)

探地雷达在地下管线探测中的应用

刘永义,杨磊,王瑞芳

(郑州测绘学校,河南郑州 450015)

摘要：介绍了探地雷达的工作原理和数据采集系统,利用探地雷达进行地下管线的探测,探明了指定路线上的管线埋深情况,对结果进行精度分析比较,表明探地雷达探测出的管线点埋深符合限差要求,可以用于地下非金属管线的探测,对管线探测仪是一种补充。

关键词：探地雷达;非金属管线;数据处理

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.019

中图分类号：V443+.2

文献标志码：码： A

文章编号：号： 1008-9268(2015)03-0073-04

收稿日期：2015-04-12

作者简介

Abstract:The working principle and data acquisition system of ground penetrating radar are introduced in this paper. The detection of underground pipeline using GPR proves the buried depth in the designated route. The accuracy of analysis and comparison, shows that the buried depth detected using GPR is in line with the requirements and can be used for the detection of underground non metal pipeline. At the same time, it is a supplement to the nondestructive detection of pipeline detector cases only metal pipeline.

0引言

地下管线是城市基础设施的重要组成部分,是城市规划建设管理的重要基础信息,是城市赖以生存和发展的必要保障,被称为城市的“生命线”[1]。但是由于历史和各种现实的原因,我国城市地下管线管理滞后于城市的发展和国际同行业水平,其混乱无序的现状,一直以来是我国城市建设和国民经济发展的瓶颈,由此所引发的问题也日益严重,比如:马路拉链、城市内涝、城市水体污染等等。值得庆幸的是,近年来,这些问题已经引起国家层面的重视,2014年6月14日,国务院办公厅印发了《关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》,明确了今后一段时间我国城市地下管线建设管理的指导思想、基本原则、重点任务等。

在此背景下,城市地下管线探测工作近几年来进行的十分火热,许多城市相继开展了城市地下管线普查工作。城市地下管线的种类很多,按照管材可以分为金属管线和非金属管线。就目前的探测方法来讲,金属管线用管线探测仪,非金属管线除排水管线直接探杆探测外,其它的需要用到探地雷达。城市地下管线普查工作中涉及大量非金属管线探测工作,使城市管线探测难度明显增大。在不破坏道路或建筑物的情况下,如何更加准确的探测地下管线的位置和埋深,是当前管线探测研究的一个难题[2]。探地雷达主要用在路桥和隧道工程中,但可以作为解决疑难非金属管线探测的一种技术手段,本文对探地雷达在管线探测中的有效性进行试验验证。

1探地雷达工作简介

1.1　工作原理

探地雷达由主机、天线、连接电缆、测量轮等部分组成,天线有发射天线和接收天线两种,是封装在一起的。主机通过连接电缆将探测命令发送到天线,发射天线开始发出电磁波,电磁波通过两种介质的交界时一部分会发生折射,继续向下传输,另一部分会在介质交界面发生反射,反射出的电磁波信号被接收天线接收到,再通过连接电缆将信号传输回主机,主机会对信号进行分析,转化成图像显示在主机屏幕上。探地雷达工作原理如图1所示。

图1　探地雷达工作原理

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联系人：刘永义 E-mail: ayi8623@163.com

1.2　数据采集

为验证探地雷达在管线探测方面的有效性,在郑州测绘学校校园内设计试验,探明指定路线上的管线埋深情况。本次试验所用仪器为美国GSSI探地雷达一套,根据探测范围内管线的埋深情况,选用400 M天线。

GSSI探地雷达探测模式有连续模式、距离模式、点模式三种。在不同的情况下选用不同的探测模式,距离模式:每次测量之前都要进行测量轮标定,测量轮不转,仪器不采集数据,相比连续模式精度要高,数据处理也相对简单,使用普遍;连续模式:又称时间模式,只要开始采集,仪器就不间断的采集数据,因此容易产生无效信息,数据处理过程也相对复杂,精度较距离模式要低,主要在一些无法利用距离模式施测的条件下使用;点模式:主要在一些复杂山地使用,所采集的数据为一系列单点数据,按一次测量键采集一次数据。本次试验选用距离模式。

2数据处理与分析

使用RADAN7软件对采集的数据进行处理,探明校园内指定线路上的管线情况。并与实际情况进行比较,来验证是否有效。

数据处理步骤如下:

1) 打开文件:点击“文件-打开”选择文件“距离模式.DZT”,点击“打开”,如图2所示。

图2　距离模式原始数据

2) 确定地面位置:确定的管线的埋深是管顶/底到地面的距离,但实际天线与地面之间并不是直接接触的,有一段间隔,因此这时垂直方向的零点是天线的位置,并非地面的位置,需要确定出地面的位置。

3) 反算介电常数:利用探地雷达进行探测,必须知道探测区域的介电常数[3],才能探测出准确的深度,如果探测前不知道,可以先假定一个介电常数值,然后根据已知的管线点埋深(开挖探测或用管线探测仪探测的金属管线)进行反算。本次试验在距起点6.545 m的位置用管线探测仪测出一条给水管线的埋深(管顶到地面的距离)为0.700 m,反算出介电常数为4.04。常见介质的物理参数如表1所示。

表1　常见介质的物理参数

4) 标记管线位置并计算实际埋深:通过对图像分析,单条倒悬双曲线的顶端位置为管顶位置[4]。如图3所示。

图3　管线顶点位置

5) 输出成果:输出带有距起点距离和深度信息的csv格式文件。

6) 数据分列:打开输出的csv文件,可以看到所有的数据都在一列,为了便于使用,可以对其进行分列。得到的成果如图4所示,其中“区”是管顶距起点的距离,“深度”是管顶到地面的距离。注意:如果是排水管线,还需要加上管径才是此处管线的埋深值。

图4　数据分列结果

对结果进行分析,可知:距起点6.565 m处有1条管线,管顶距地面0.700 m;距起点12.153 m处有1条管线,管顶距地面0.817 m;距起点20.558 m处有1条管线,管顶距地面0.513 m;距起点27.757 m处有1条管线,管顶距地面0.290 m;距起点29.498 m处有1条管线,管顶距地面0.568 m.结合实地情况,除第二条管线为排水外,其余为给水管线。因排水管线埋深测量到管底,故应加上管径0.4 m,得到最终埋深1.217 m.

对排水管线采取开挖验证,给水管线用RD8000管线探测仪探测作为实际埋深,与探地雷达所测结果做比较如表2所示。

其中地下管线隐蔽管线点的探查埋深限差为0.15h.h为地下管线的中心埋深,单位为cm;当h<100 cm时则以100 cm代入计算[5]。

表2　探地雷达探测埋深误差

由此可见,探测结果符合限差要求,证明探地雷达所测埋深可用。

3结束语

通过在校内设计试验,并且与已知数据比较,可以得出以下结论:探地雷达探测出的管线点埋深符合限差要求,可以用于地下非金属管线的探测,在不知道环境介电常数的情况下,可以首先假定一个介电常数利用探地雷达进行数据采集,然后利用已知埋深的管线点反算环境介电常数,进而求出其它管线点的真实埋深。

探地雷达除可以探测金属管线外,对非金属管线也能很好的探测,这对无损情况下只能探测金属管线的管线探测仪是一种补充,然而,因为探地雷达的探测原理是利用管线与周围环境的物理差异,因此受管线外的其它物质干扰较大,只有积累丰富的经验,认真分析,才能得到可靠的数据。近几年来,随着电子技术、信号处理技术及计算机应用技术的迅速发展,探地雷达得到了不断创新和发展,除在堤坝、桥梁的无损检测评估,公路、铁路路面及路基快速无损检测,隧道衬砌及超前预报,考古等反面发挥巨大作用外,在管线探测领域中的作用也越来越重要。

参考文献

[1]高绍伟,刘博文.管线探测[M].北京:测绘出版社,2011.

[2]王鹏,范亚男,赵言. 探地雷达在城市管线测量中的应用研究[J].测绘地理信息,2013.38(6):30-32.

[3]苏兆锋,陈昌彦,肖敏. 探地雷达探测地下管线的机理和应用研究[J].岩土工程技术,2013,27(4):191-195.

[4]孙伟,郭海涛,徐青,等. 基于广义Hough变换的探地雷达图像地下管线提取方法[J].测绘科学技术学报,2013,30(3):251-259.

[5]北京市测绘设计研究院.城市地下管线探测技术规程(CJJ61-2003)[S]. 中国建筑工业出版社,2003.

刘永义(1986-),男,硕士,助理讲师,主要从事工程测量、管线探测等方面的教学与研究工作。

杨磊(1985-),男,硕士,助理讲师,主要从事变形监测方面的教学与研究工作。

王瑞芳(1981-),女,硕士,讲师,主要从事工程测量、道桥测量等方面的教学与研究工作。

Application of Ground Penetrating Radar in

Underground Pipeline Detecting

LIU Yongyi,YANG Lei,WANG Ruifang