基于数据库的桐乡市供水测绘方案优化布局

李晨云

（嘉兴市规划设计研究院有限公司 浙江嘉兴 314000）

1 引言

供水管线也称为城市生命之线，向人类提供赖以生存的水动力，但城市供水管线排列模糊问题突出，一定程度上造成供水管理困难，亟需全面采集供水管线测绘数据构建管网综合数据库[1]。以往供水测量工作经常使用管线探测仪等单一测量方法完成数据采集，此方法缺点是难以兼顾金属管线和非金属管线测量准确度，导致管线测绘数据误差较大，不利于构建科学的供水管线数据库。为此，本文针对管线材质特点选用差异性测绘方法，使金属管线与非金属管线的测绘精度大幅度提升，有效避免测绘工作中数据误差大、测绘资源浪费等问题，为构建桐乡市智慧管网数据库提供精准的数据基础。

2 工程概况

桐乡市水务集团对5 个镇、27 个行政村进行农村供水管网改造，期间全面采集供水管线数据，测绘工作依据2000 国家大地平面坐标系基准和1985 国家高程基准展开。本次工作的任务是完成管线测量658645.3m、采集坐标800380 个，探查明显点19549个、隐蔽点60831 个，查明水表19263 个。测绘使用的仪器设备名称与参数见表1。

3 供水测绘方案布局

3.1 供水管线测量方案布局

3.1.1 管线探测内容

管线探测内容包括：查清供水管线埋深、管径、坐标、附属物属性、材质等信息，对管线、管配件、附属设施关键点进行绝对坐标定位；查明并测水表、管径、材质、埋深及地面高程等参数信息。管线探测要遵循以下技术标准：（1）将mm 作为管线管径与断面测量单位，标高以米为单位精确至厘米。（2）对水表坐标、用户号、用户名称等信息进行普查，且现场普查数据要和水务集团官方信息一一核对。

表1 项目投入仪器设备表

本次供水管线测绘区域包含电信、无线电台设备，多种金属管线相互干扰下管线电磁场频率和强度有所差异，造成管线探测难题。为此制定了专属管线探测方案，采用探地雷达探查非金属管线，利用管线探测仪采用感应法探查金属管线。

3.1.2 基于探地雷达技术的非金属供水管线测量

（1）探地雷达数据传输结构

此次测绘采用探地雷达设备完成地下非金属管线探测数据采集，硬件构成如图1。其中，天线是探地雷达发射和接收高频电磁波信号的载体，主机对接收到的信号进行精确处理，并在计算机显示器上呈现探测结果[2]。

图1 探地雷达硬件构成示意图

（2）供水管线的管径解算

探地雷达测量供水管径需要以估算得到管径数据，本文基于三点定圆法完成管径解算[3]，原理如下图。

图2 管线管径“三点定圆”布局

首先，确定三个点A(x1，y1)、B(x2，y2)、C(x3，y3)，三点位于相同测线，确保测线要与管线垂直。其次，根据确定的三个点信息获取各点电磁波始于地面到达管道上壁的时间消耗，以长度方式表示，即r1、r2、r3。然后，将各测点与管壁间长度作为半径画圆形，此时三个半圆与管线关系为外切，基于这种几何关系解算供水管直径[4]，计算公式如下：

其中，供水管线的半径为，圆心坐标为。基于上述公式即可得到管线半径。

3.1.3 基于管线探测仪的金属管线测量

采用雷迪RD8000/RD8100 探测仪进行金属管线探测：（1）基于现场实际环境，以发射机为载体采用感应法向目标管线加载电流；（2）感应磁场产生电流信号，将接收机置于目标管线上方；（3）管线位置、埋深参数通过电流强弱判断。以下公式为解析原理[5]：

公式中，地面上探测点与管线投影距离、探测剖面线与管线间的距离分别采用α、9Hα＝μI9/2π（α2＋92）表示，如果探测线位于地面上方则管线深埋即为9 值。另外，电流强度和附近介质磁导率描述为I、μ。

3.2 供水管线点测量方案布局

为提高各种环境下供水管线测绘精度，基于供水管线埋设环境差异确定管线点测量方法：

（1）通视条件较好的管线埋设区域基于GNSS RTK 测量图根控制点。RTK 载波相位差分技术是一种用于实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，此方法运行过程中用户接收机接收来自基准站的载波相位，以求差的方式解算坐标。

工作流程分析（图3）如下：

1）首先，参考站由基准站和外接的1 台接收机构成，动态观测卫星变化；

2）其次，流动站以无线电传输设备为载体，接收参考站观测数据；

3）流动站需接收卫星、基准站两种类型数据，所以卫星信号接收完毕实时需解算出基准站和流动站坐标差；

4）最后，结合上述数据联合基准坐标获取各点WGS-84 坐标参数，然后基于坐标转换的方式求取流动站各点的平面坐标与海拔高度，差分处理后即可得到未知图根控制点信息[6]。

图3 GNSS RTK 图根控制测量步骤

（2）极坐标法：对无法采用GNSS RTK 施测的建筑密集、通视条件差的供水管线区域，以GNSS C 级控制点为起算点，基于全站仪和水准仪按图根导线方法施测图根点，采用极坐标法辅助测量[7]。极坐标法测量图根点的布局见图4。定义M 为图根点，E、F表示超出图根级的控制点，两点间方位角为a；E 点与M 点间的垂直角为φ，观测水平角度与观测距离分别用b、D 表示。那么图根点M 坐标计算方法如公式（6）所示：

图4 极坐标测量图根点的布局

公式中，点坐标为(XE，YE，ZE)，测站中点的仪器高度、M 点的觇标高分别用、描述。两差系数的计算方法如下：

其中，η、R 分别为大气折光系数、地球曲率半径。基于上述公式得到图根点M 坐标完成供水管线的点测量。

3.3 供水管线数据库构建

3.3.1 数据库基础资料核查

供水管线数据建库数据基础资料核查与纠正方法见表2。通过质检验收合格后供水管线数据库才算正式建立。

表2 供水管线数据建库数据纠正

3.3.2 数据库结构制作

现场测绘工作完成需要从如下方面制作数据库结构：

（1）采用**.mdb 格式命名供水管线测绘数据，外业管线属性数据、管线点采集坐标等信息均生成表格统一存放，完全校对无误后录入数据库。

（2）数据入库后要对数据逻辑进行处理、检查、修正，包括在管线数据处理系统中核查外业点号、连接点号、管线段记录等数据的重复情况，以及供水管线数据库代码规范性检查、方向错误检查、孤立点检查、管线点间距超长检查等工作。

（3）基于管线数据处理系统实现供水管线数据向管线图形文件的转换。由外业组长对照外业手图检查以下内容：供水管线数据库连接关系、管线点特征代码；供水管线数据库空间属性。

（4）项目最终检查。由项目负责人核查完成的管线数据，质检负责人对修改数据进行最终检查，无误后生成供水管线数据库。

（5）数据库管线图编绘。管线图编绘需参考以下标准：

1）供水管线图应体现测绘区域内全部供水管线及其附属设施和有关建筑物与地形特征。

2）控制点按图式标注，管线点不标注高程，在管线复杂、管线点注记密集时，有规律的管线点可择要注记。

3）管线图上管线点编号采用管线代号和点号组成。

4）图廓整饰应遵循《城市测量规范》标准。

4 供水测绘结果分析

本次供水管线数据库构建工作对测绘数据提出较高的误差要求，测绘误差不得高于5%。数据库构建工作完成后统计，基于本文方法测绘得到的98%供水管线数据均达到了数据录入的要求，仅有2%的供水测绘数据不符合要求，需要重新测量，证明本文设计的供水测绘方案精确度较优。限于篇幅，本次实验仅展示部分达标数据以验证本文方法测绘效果，详情如下。

4.1 非金属管线与金属管线的测量结果

由于测绘数据篇幅较大，本次实验随机展示6个不同埋深的混凝土管线、6 个不同埋深的金属管线的测绘精度，分别如表3、表4 所示。

表3 非金属管线半径测量结果

4.2 智慧管网综合平台数据库构建成果

表4 金属管线半径测量结果

表5 供水管线数据库局部图

图5 供水管线可视化局部图形

由表5 可知，在数据库中可查询供水管线的起点编号、重点编号、管长、管径、材质等多项信息。图5 以可视化方式清晰展示测绘区域的供水管布局情况，直观了解管线编号信息，便于工作人员对供水管线信息的查询与管理。总体而言，桐乡市水务集团智慧管网综合平台数据库的构建满足了用户可视化查询供水管线数据的需求。

5 结束语

本文基于构建供水管线数据库目标制定了完善的供水管线测绘方案，始终以获取精准数据为目的细化供水测绘的工作流程。探地雷达技术、GNSS RTK 测量方法、“全站仪+极坐标”测量先进测量技术综合应用，实验展示的部分测绘结果中非金属管线半径测量最高精度达到98.1%、金属管线半径测量最高精度达到100%，符合构建数据库标准，实现了数据库供水数据可视化查询。