管道中心线测绘数据质量开挖验证方法的研究

徐从齐 陈井军 曾 辉

〔中国石化销售有限公司华中分公司 湖北武汉 430000〕

长输管道沿途环境复杂，频繁穿越城市人口密集区、河流、公路、铁路，安全风险管控难度大,一旦发生事故，极易造成重大人员伤亡，污染水源和自然环境，产生较大的社会负面影响。国家对油气管网及城市地下管网的安全问题非常重视，中国石化积极响应国家号召，组织开展智能化管线建设相关工作。其中摸清地下管线规模大小、位置关系、功能属性、产权归属、运行年限等基础信息是智能化管线建设的基础也是重要的工作。管线探测是摸清管道位置关系的有效手段，如何确认探测数据的准确性更是需要一套既可行又有效的评价方法。2016年5月，中国石化销售公司下发了《中国石化销售企业智能化管线管理系统深化应用建设指导意见》，要求各单位认真开展管道中心线测绘数据质量开挖验证工作。开挖验证工作纳入了探测数据准确性验收内容。

1 智能化管道数据验收流程

某公司在进行智能化管道建设时，针对数据探测工程实行“三级”检查制度，分别为项目组自检、互检以及第三方检查。根据《中国石化销售企业智能化管线管理系统深化应用建设指导意见》(以下简称“指导意见”)要求，进一步加强了数据质量管控，并制定了详细的智能化管道数据验收流程(见图1)。

图1 数据验收流程

第一步：数据成果。测绘单位管道数据采集完成，内部检查合格，工程文档齐全。要求：测绘单位依据采集模板要求采集管道数据，并按管线提交数据；数据种类要齐全；数据格式为EXCEL表格、JPG照片。同时提交数据自检校验单及数据采集情况说明表。

第二步：验收。测绘单位完成数据整改，并自检完成后，向业主提交验收申请，由业主组织验收，并安排时间、人员和路线。测绘单位准备好数据和验收相关文档，以输油管理处为单位统一进行验收。

初步验收：核对数据的空间信息及属性信息。

①由项目组、管道油库处、各输油管理处和站场的专业人员组成验收队伍；②对管道中心线、管道本体、管道附属设施和周边环境数据依据验收流程进行全线检验；③检查数据是否达到入库要

求，检查数据属性信息、数量、走向是否准确，是否满足流程要求；④初步验收未通过，限期整改；⑤初步验收通过，站场、项目组出具数据校验单，按照验收标准要求，选择现场复检或开挖的抽样数据。

现场验证：对初步验收选定的抽样数据，现场进行重复探测复核和开挖验证复核。①由管道油库处、各输油管理处、站场、项目组、测绘单位、第三方测绘检验单位组成现场验证队伍；②由第三方测绘检验单位对抽检数据现场进行复核；③针对开挖验证，由输油管理处办理相关开挖手续及协调工作，并安排专业开挖施工人员。

验收结论：对初步验收及现场验收的情况形成验收报告。

①由第三方测绘检验单位负责实施，管道油库处、各输油管理处、站场、项目组、测绘单位参与；②对初步验收及现场验收情况组织专家评审会评议，同时第三方测绘检验单位出具现场验收报告，内容包括：数据质量结论、检验工作概况、技术依据、抽样情况、检验内容及方法、检验质量统计，提交成果。

第三步：数据脱密。数据验收合格后，测绘单位配合企业，统一到地球物理总部进行脱密处理。最后将脱密后的数据进行入库，并同步到总部服务器。

第四步：流程结束。

2 探测数据的质量要求

开挖验证是现场验收的一项重要内容，是判定探测数据是否符合要求的重要手段。其主要目的是验证探测数据质量是否合格，依据国家法律法规和行业标准规范制定数据质量要求。

2.1 平面精度要求

管道开挖点的平面精度由两部分组成：测量平面精度和探测平面精度。测量平面精度，30 cm；探测平面精度，探测点平面误差小于0.1h(其中h为地下管线中心埋深，单位为cm)，当h<100 cm 时，则以100 cm 代入计算(含探管仪误差)。 管道开挖点平面精度限差为30 cm+0.1h。

2.2 高程精度要求

管道开挖点的高程精度由两部分组成：测量高程精度和探测埋深精度。

测量高程精度，平原不低于 30 cm、多山地区精度不低于 60 cm；探测埋深精度，探测点埋深误差小于0.15h(其中h为地下管线中心埋深，单位为cm)，当h<100 cm 时，则以100 cm 代入计算(含探管仪误差)。 管道开挖点高程精度限差：平原30 cm+0.15h；多山地区60 cm+0.15h。

3 数据质量评判的方法

该公司智能化管线项目组依据探测数据质量要求以及国家及行业相关标准和规范制定了开挖验证方案，主要包括人员组织、技术要求、数据质量要求、过程实施、数据质量评判方法等内容。其中数据质量评判方法又包含了误差计算和成果判定标准等内容。现就误差计算方法和成果判定标准叙述如下。

3.1 误差计算方法

3.1.1 平面位置误差和高程、埋深误差计算方法

数据成果平面所采用WGS-84大地坐标系统，单位为十进制度；高程采用1985国家高程基准，单位为m。因此在评价平面位置时，需采用统一的投影参数将大地坐标转换为投影坐标，统一单位为m；在评价高程数据时，需统一在1985国家高程基准下进行计算高程误差，统一单位为m，按照以下方法进行计算：

通过样本点(X，Y，Z，H)与开挖点(x0，y0，z0，h0)进行计算管道的平面误差、管顶高程误差和埋深误差。其中Z、z0为样本点与开挖点的管顶高程。

(1)

管顶高程误差ΔZ=|Z-z0|

(2)

埋深误差ΔH=|H-h0|

(3)

其中：X，Y，Z，H分别为经度，纬度，管顶高程，埋深。

3.1.2 隐蔽管线点中误差计算方法

重复探查点位就随机抽取，选点数量按标准对应项执行，并分别按(3.1.2-1)、(3.1.2-2)式计算隐蔽管线点的平面位置中误差mH，和埋深中误差mV，其数值不应超过规范精度要求的1/2。

隐蔽管线点的平面位置中误差：

(4)

隐蔽管线点的埋深中误差：

(5)

式中：ΔSi——复查点位与原点位间的平面位置偏差，cm；

ΔHi——复查点位与原点位的埋深偏差，cm；

n——复查点数。

3.2 成果判定标准

当管道开挖点的平面位置误差d小于0.1h，即表示该样本点探测平面位置质量合格，否则判定为不合格；管道开挖点的埋深误差ΔH小于0.15h，即表示该样本点埋深质量合格，否则判定为不合格。

现场开挖验证，若平面合格率、埋深合格率均大于等于90 %，则视为合格；若小于90 %则应再抽取不少于隐蔽管线点总数的1 %进行开挖验证，若再次检验仍不合格，则视为探测质量不合格，需对该段管线全部重新探测，直至合格为止；全部重新探测的成果重新整理提交，按照判定标准重新组织成果判定；现场开挖验证时对于进行开挖验证点平面位置，如果开挖验证不合格，则要求对该开挖点管线段路由全部重新探测。

4 数据质量评判方法的适用性分析

误差是测量所得的量值减去参考量值。测得的量值简称测量值,代表测量结果的量值，参考量值简称为原值。所谓参考量值，一般由量的真值或约定量值来表示。对于开挖验证而言，参考量值为开挖点(x0，y0，z0，h0)，测量值为样本点(X，Y，Z，H)。依据样本点选择开挖点就显得尤为重要。

4.1 公式(1)、(2)、(3)适用的前置条件

在开挖现场可找到原样本点实际探测位置，且该处地形地貌较原探测时不发生任何改变。

4.2 现场开挖验证客观存在的问题

该公司智能化项目数据探测完成时间为2015年6月，开挖验证工作于2017年8月开展。经过随机抽取590个样本点位进行现场开挖验证。待探测人员到达现场后，发现存在以下问题：

(1)原始探测点标记较多已损毁，无法准确找到原始探测点，因此无法准确选定现场开挖点。

(2)数据采集的时间与数据开挖验证时间间隔相差较大，发现现场局部的地形地表发生较大改变，有翻土、有水坑等现象，对管道的埋深参数影响较大。

4.3 公式(1)、(2)、(3)适用性分析

假设按照上述公式(1)、(2)、(3)进行误差计算，结果分析如平面投影图(图2)。

图2 数据分析点位模拟

误差的计算有一个前置条件：必须在同等观测条件下进行测量。客观问题的存在导致了公式前置条件的无法满足，综上分析，公式(1)、(2)、(3)已不能作为隐蔽点开挖验证的误差计算方法。

5 评判方法的改进

为确保开挖验证顺利有序进行，同时尽量保证对探测结果的一个客观、公正较为准确合理的判断，对评价方法笔者提出了一定的修正和改进，具体如下。

5.1 探测点标记保存完好，可准确找到原始探测点的情况

在计算埋深误差时，若探测点标记保存完好，可准确找到原始探测点，且在局部的地形地表未发生改变的情况下按照原公式进行计算。

5.2 若探测点标记已损毁，无法准确找到原始探测点，或局部地形地表发生较大改变的情况

5.2.1 开挖点的选取

此种情况下开挖点位置的选取没有具体的某个样本点位置坐标做依据，只能进行现场探管找点开挖。

5.2.2 误差计算方法修正

此种情况下为了计算误差，需引入一个理论样本点作为误差计算的前置条件。具体按照以下方法计算：

(1)管线隐蔽点平面误差计算方法。

如平面投影图(图3)，其中样本点1、样本点2坐标为测绘单位原始实际测量的成果坐标，开挖点为现场验证开挖点管顶坐标即误差计算中的原值。运用几何等比计算：

理论点y=

(6)

(7)

计算平面误差值

(8)

若开挖点为弯头位置应考虑管线弯曲因素影响，对探测点数据的影响，适当放宽限差要求。

(2)管线隐蔽点埋深误差计算方法。

针对地形地貌变化较大的情况，高程并非呈现线性关系，需对理论点的高程进行修正。具体按照以下方法计算：通过相邻两个样本点的坐标计算得到样本理论点●的坐标(X、Y、Z、H)，将开挖点地表高程和理论点计算的地表高程的差值作为地形表面变化的修正值，加入到开挖实测点埋深中，再与理论点埋深值比较，计算得到不同地形地貌埋深误差纵断面图，如图4和图5所示。

图4 不平地表点位模拟

图5 梯田地表点位模拟

(9)

(10)

理论点管顶高程计算方式同理论点地表高程。

计算埋深误差值：

ΔH=|h0±|z-z'|-H|

(11)

式中：z'——开挖点地面投影高程，m。

计算管顶高程误差值；

ΔZ=|Z理论-z0|

(12)

(3)修正方法的可行性分析。

样本点的坐标是管道中心线管顶坐标非地表坐标，原始探测点样本点1和样本点2平均20 m左右间距，管道一般由直缝钢管焊接而成，一根直缝钢管长度约12 m，20 m长度由两根直缝钢管焊接而成，两根直缝钢管几乎是处于同一直线上的，因此样本点1和样本点2可以看作呈现线性关系，因此理论点的经度、纬度、管顶高程是可以通过公式(6)、(7)、(10)计算得到的。由于埋深受地表高程影响较大，而且地表高程在20 m左右范围内出现高低起伏是非常常见，因此进行埋深误差计算时引入埋深修正值是必要的。

5.2.3 对成果判定标准进行适当修订

引入理论点，必将存在理论误差，为提高判定准确度，对成果判定标准进行适当修订。主要是现场开挖验证时将管顶高程也作为综合判定依据，当管道中心线平面位置、管顶高程、埋深合格率均大于等于90 %时，则视为成果合格，否则需对该开挖点管线段路由重新抽取点位进行复探复测或开挖。

6 评判方法效果的检查

按照改进后的评判方法对590处开挖点进行了误差计算，结果见表1：

表1 按修正后的误差计算方法计算的数据质量评判结果

由表1可以看出，引入修正值进行埋深误差计算的合格率要明显高于不引入修正值进行埋深误差计算的合格率，因此可以进一步证明引入修正值的必要性。针对改进后的评判方法及开挖验证结果，该公司邀请了测绘专家进行了专项评审，经评审，一致认为评价方法切合实际，成果数据满足智能化管线管理系统建设要求，同意通过数据准确性验收。

7 结语

本文结合开挖现场实际，通过对管道中心线测绘数据质量开挖验证的评判方法进行修正，扭转了按照原方法无法进行的管道中心线测绘数据质量开挖验证工作的不利局面，同时提高了评判方法的适用性。

建议对于原始探测点标记较多已损毁，无法准确找到原始探测点的情况，可采用此评判方法；鉴于此种评判方法对开挖点的选取没有特别要求，对于探测工期要求紧的项目可选择采用此评价方法。