探地雷達(dá)在地下管線探測(cè)中的應(yīng)用

劉永義,楊　磊,王瑞芳

(鄭州測(cè)繪學(xué)校,河南 鄭州 450015)

探地雷達(dá)在地下管線探測(cè)中的應(yīng)用

劉永義,楊磊,王瑞芳

(鄭州測(cè)繪學(xué)校,河南 鄭州 450015)

摘要：介紹了探地雷達(dá)的工作原理和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),利用探地雷達(dá)進(jìn)行地下管線的探測(cè),探明了指定路線上的管線埋深情況,對(duì)結(jié)果進(jìn)行精度分析比較,表明探地雷達(dá)探測(cè)出的管線點(diǎn)埋深符合限差要求,可以用于地下非金屬管線的探測(cè),對(duì)管線探測(cè)儀是一種補(bǔ)充。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá);非金屬管線;數(shù)據(jù)處理

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.019

中圖分類(lèi)號(hào)：V443+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼： A

文章編號(hào)：號(hào)： 1008-9268(2015)03-0073-04

收稿日期：2015-04-12

作者簡(jiǎn)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

地下管線是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,是城市規(guī)劃建設(shè)管理的重要基礎(chǔ)信息,是城市賴(lài)以生存和發(fā)展的必要保障,被稱(chēng)為城市的“生命線”[1]。但是由于歷史和各種現(xiàn)實(shí)的原因,我國(guó)城市地下管線管理滯后于城市的發(fā)展和國(guó)際同行業(yè)水平,其混亂無(wú)序的現(xiàn)狀,一直以來(lái)是我國(guó)城市建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸,由此所引發(fā)的問(wèn)題也日益嚴(yán)重,比如:馬路拉鏈、城市內(nèi)澇、城市水體污染等等。值得慶幸的是,近年來(lái),這些問(wèn)題已經(jīng)引起國(guó)家層面的重視,2014年6月14日,國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)城市地下管線建設(shè)管理的指導(dǎo)意見(jiàn)》,明確了今后一段時(shí)間我國(guó)城市地下管線建設(shè)管理的指導(dǎo)思想、基本原則、重點(diǎn)任務(wù)等。

在此背景下,城市地下管線探測(cè)工作近幾年來(lái)進(jìn)行的十分火熱,許多城市相繼開(kāi)展了城市地下管線普查工作。城市地下管線的種類(lèi)很多,按照管材可以分為金屬管線和非金屬管線。就目前的探測(cè)方法來(lái)講,金屬管線用管線探測(cè)儀,非金屬管線除排水管線直接探桿探測(cè)外,其它的需要用到探地雷達(dá)。城市地下管線普查工作中涉及大量非金屬管線探測(cè)工作,使城市管線探測(cè)難度明顯增大。在不破壞道路或建筑物的情況下,如何更加準(zhǔn)確的探測(cè)地下管線的位置和埋深,是當(dāng)前管線探測(cè)研究的一個(gè)難題[2]。探地雷達(dá)主要用在路橋和隧道工程中,但可以作為解決疑難非金屬管線探測(cè)的一種技術(shù)手段,本文對(duì)探地雷達(dá)在管線探測(cè)中的有效性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1探地雷達(dá)工作簡(jiǎn)介

1.1　工作原理

探地雷達(dá)由主機(jī)、天線、連接電纜、測(cè)量輪等部分組成,天線有發(fā)射天線和接收天線兩種,是封裝在一起的。主機(jī)通過(guò)連接電纜將探測(cè)命令發(fā)送到天線,發(fā)射天線開(kāi)始發(fā)出電磁波,電磁波通過(guò)兩種介質(zhì)的交界時(shí)一部分會(huì)發(fā)生折射,繼續(xù)向下傳輸,另一部分會(huì)在介質(zhì)交界面發(fā)生反射,反射出的電磁波信號(hào)被接收天線接收到,再通過(guò)連接電纜將信號(hào)傳輸回主機(jī),主機(jī)會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析,轉(zhuǎn)化成圖像顯示在主機(jī)屏幕上。探地雷達(dá)工作原理如圖1所示。

圖1　探地雷達(dá)工作原理

--------------------

聯(lián)系人： 劉永義 E-mail: ayi8623@163.com

1.2　數(shù)據(jù)采集

為驗(yàn)證探地雷達(dá)在管線探測(cè)方面的有效性,在鄭州測(cè)繪學(xué)校校園內(nèi)設(shè)計(jì)試驗(yàn),探明指定路線上的管線埋深情況。本次試驗(yàn)所用儀器為美國(guó)GSSI探地雷達(dá)一套,根據(jù)探測(cè)范圍內(nèi)管線的埋深情況,選用400 M天線。

GSSI探地雷達(dá)探測(cè)模式有連續(xù)模式、距離模式、點(diǎn)模式三種。在不同的情況下選用不同的探測(cè)模式,距離模式:每次測(cè)量之前都要進(jìn)行測(cè)量輪標(biāo)定,測(cè)量輪不轉(zhuǎn),儀器不采集數(shù)據(jù),相比連續(xù)模式精度要高,數(shù)據(jù)處理也相對(duì)簡(jiǎn)單,使用普遍;連續(xù)模式:又稱(chēng)時(shí)間模式,只要開(kāi)始采集,儀器就不間斷的采集數(shù)據(jù),因此容易產(chǎn)生無(wú)效信息,數(shù)據(jù)處理過(guò)程也相對(duì)復(fù)雜,精度較距離模式要低,主要在一些無(wú)法利用距離模式施測(cè)的條件下使用;點(diǎn)模式:主要在一些復(fù)雜山地使用,所采集的數(shù)據(jù)為一系列單點(diǎn)數(shù)據(jù),按一次測(cè)量鍵采集一次數(shù)據(jù)。本次試驗(yàn)選用距離模式。

2數(shù)據(jù)處理與分析

使用RADAN7軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,探明校園內(nèi)指定線路上的管線情況。并與實(shí)際情況進(jìn)行比較,來(lái)驗(yàn)證是否有效。

數(shù)據(jù)處理步驟如下:

1) 打開(kāi)文件:點(diǎn)擊“文件-打開(kāi)”選擇文件“距離模式.DZT”,點(diǎn)擊“打開(kāi)”,如圖2所示。

圖2　距離模式原始數(shù)據(jù)

2) 確定地面位置:確定的管線的埋深是管頂/底到地面的距離,但實(shí)際天線與地面之間并不是直接接觸的,有一段間隔,因此這時(shí)垂直方向的零點(diǎn)是天線的位置,并非地面的位置,需要確定出地面的位置。

3) 反算介電常數(shù):利用探地雷達(dá)進(jìn)行探測(cè),必須知道探測(cè)區(qū)域的介電常數(shù)[3],才能探測(cè)出準(zhǔn)確的深度,如果探測(cè)前不知道,可以先假定一個(gè)介電常數(shù)值,然后根據(jù)已知的管線點(diǎn)埋深(開(kāi)挖探測(cè)或用管線探測(cè)儀探測(cè)的金屬管線)進(jìn)行反算。本次試驗(yàn)在距起點(diǎn)6.545 m的位置用管線探測(cè)儀測(cè)出一條給水管線的埋深(管頂?shù)降孛娴木嚯x)為0.700 m,反算出介電常數(shù)為4.04。常見(jiàn)介質(zhì)的物理參數(shù)如表1所示。

表1　常見(jiàn)介質(zhì)的物理參數(shù)

4) 標(biāo)記管線位置并計(jì)算實(shí)際埋深:通過(guò)對(duì)圖像分析,單條倒懸雙曲線的頂端位置為管頂位置[4]。如圖3所示。

圖3　管線頂點(diǎn)位置

5) 輸出成果:輸出帶有距起點(diǎn)距離和深度信息的csv格式文件。

6) 數(shù)據(jù)分列:打開(kāi)輸出的csv文件,可以看到所有的數(shù)據(jù)都在一列,為了便于使用,可以對(duì)其進(jìn)行分列。得到的成果如圖4所示,其中“區(qū)”是管頂距起點(diǎn)的距離,“深度”是管頂?shù)降孛娴木嚯x。注意:如果是排水管線,還需要加上管徑才是此處管線的埋深值。

圖4　數(shù)據(jù)分列結(jié)果

對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,可知:距起點(diǎn)6.565 m處有1條管線,管頂距地面0.700 m;距起點(diǎn)12.153 m處有1條管線,管頂距地面0.817 m;距起點(diǎn)20.558 m處有1條管線,管頂距地面0.513 m;距起點(diǎn)27.757 m處有1條管線,管頂距地面0.290 m;距起點(diǎn)29.498 m處有1條管線,管頂距地面0.568 m.結(jié)合實(shí)地情況,除第二條管線為排水外,其余為給水管線。因排水管線埋深測(cè)量到管底,故應(yīng)加上管徑0.4 m,得到最終埋深1.217 m.

對(duì)排水管線采取開(kāi)挖驗(yàn)證,給水管線用RD8000管線探測(cè)儀探測(cè)作為實(shí)際埋深,與探地雷達(dá)所測(cè)結(jié)果做比較如表2所示。

其中地下管線隱蔽管線點(diǎn)的探查埋深限差為0.15h.h為地下管線的中心埋深,單位為cm;當(dāng)h<100 cm時(shí)則以100 cm代入計(jì)算[5]。

表2　探地雷達(dá)探測(cè)埋深誤差

由此可見(jiàn),探測(cè)結(jié)果符合限差要求,證明探地雷達(dá)所測(cè)埋深可用。

3結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在校內(nèi)設(shè)計(jì)試驗(yàn),并且與已知數(shù)據(jù)比較,可以得出以下結(jié)論:探地雷達(dá)探測(cè)出的管線點(diǎn)埋深符合限差要求,可以用于地下非金屬管線的探測(cè),在不知道環(huán)境介電常數(shù)的情況下,可以首先假定一個(gè)介電常數(shù)利用探地雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,然后利用已知埋深的管線點(diǎn)反算環(huán)境介電常數(shù),進(jìn)而求出其它管線點(diǎn)的真實(shí)埋深。

探地雷達(dá)除可以探測(cè)金屬管線外,對(duì)非金屬管線也能很好的探測(cè),這對(duì)無(wú)損情況下只能探測(cè)金屬管線的管線探測(cè)儀是一種補(bǔ)充,然而,因?yàn)樘降乩走_(dá)的探測(cè)原理是利用管線與周?chē)h(huán)境的物理差異,因此受管線外的其它物質(zhì)干擾較大,只有積累豐富的經(jīng)驗(yàn),認(rèn)真分析,才能得到可靠的數(shù)據(jù)。近幾年來(lái),隨著電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展,探地雷達(dá)得到了不斷創(chuàng)新和發(fā)展,除在堤壩、橋梁的無(wú)損檢測(cè)評(píng)估,公路、鐵路路面及路基快速無(wú)損檢測(cè),隧道襯砌及超前預(yù)報(bào),考古等反面發(fā)揮巨大作用外,在管線探測(cè)領(lǐng)域中的作用也越來(lái)越重要。

參考文獻(xiàn)

[1]高紹偉,劉博文.管線探測(cè)[M].北京:測(cè)繪出版社,2011.

[2]王鵬,范亞男,趙言. 探地雷達(dá)在城市管線測(cè)量中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪地理信息,2013.38(6):30-32.

[3]蘇兆鋒,陳昌彥,肖敏. 探地雷達(dá)探測(cè)地下管線的機(jī)理和應(yīng)用研究[J].巖土工程技術(shù),2013,27(4):191-195.

[4]孫偉,郭海濤,徐青,等. 基于廣義Hough變換的探地雷達(dá)圖像地下管線提取方法[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào),2013,30(3):251-259.

[5]北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院.城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程(CJJ61-2003)[S]. 中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003.

劉永義(1986-),男,碩士,助理講師,主要從事工程測(cè)量、管線探測(cè)等方面的教學(xué)與研究工作。

楊磊(1985-),男,碩士,助理講師,主要從事變形監(jiān)測(cè)方面的教學(xué)與研究工作。

王瑞芳(1981-),女,碩士,講師,主要從事工程測(cè)量、道橋測(cè)量等方面的教學(xué)與研究工作。

Application of Ground Penetrating Radar in

Underground Pipeline Detecting

LIU Yongyi,YANG Lei,WANG Ruifang

(ZhengzhouSchoolforSurveyingandMapping,Zhengzhou450015,China)

Key words: Ground penetrating radar; non metal pipeline; data processing