基于北斗定位技術(shù)的液體管線測繪方法研究

田瑜基

（廈門精圖信息技術(shù)有限公司，福建 廈門 361008）

0 引 言

城市的正常運(yùn)作需要多種基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)，地下管線是其中重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一[1]。城市地下管線在城市安全管理中扮演重要角色，與百姓的生活緊密相關(guān)，是城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的重要內(nèi)容。國務(wù)院辦公廳在2014年發(fā)布了指導(dǎo)意見，要求加強(qiáng)城市地下管線的建設(shè)和管理。同年住建部下發(fā)了工作通知，開展城市地下管線的普查工作，要求同時(shí)做好城市地下管線的信息化系統(tǒng)建設(shè)[2-4]。

液體輸送管線是多種管線的其中之一[5]。液體輸送管線包括供水管線、排水管線、石油管線等用于輸送液體的管線，大部分埋設(shè)于地下。管線的材質(zhì)有多種類型，但所有液體運(yùn)輸管線都具備一項(xiàng)共有特征，即管線內(nèi)部的液體流動軌跡與管線的埋設(shè)軌跡完全相同。隨著北斗定位系統(tǒng)建設(shè)的逐步完善，利用北斗定位技術(shù)計(jì)算位置信息已經(jīng)普及，將北斗定位技術(shù)應(yīng)用于測繪行業(yè)已經(jīng)成為趨勢。

1 數(shù)據(jù)采集端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集端設(shè)計(jì)為球體，球體內(nèi)部分為上下兩個(gè)封閉的腔室，頂部腔內(nèi)充有氦氣，其作用是增加測繪球的浮力。在不同液體中通過改變預(yù)裝氦氣的量，使得測繪球懸浮在液體中。測繪球底部腔室中裝有振動發(fā)電機(jī)構(gòu)，在振動發(fā)電機(jī)構(gòu)與底部腔的頂面之間的間隙中，裝有定位模塊和通信模塊。數(shù)據(jù)采集端結(jié)構(gòu)如圖1所示。

將測繪球從管線上游的某一開口處放入液體管線內(nèi)，測繪球懸浮在液體中并隨著液體的流動向下游移動。在測繪球的移動過程中，振動發(fā)電機(jī)構(gòu)產(chǎn)生電能，定位模塊通過接收北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)計(jì)算出位置信息，通信模塊將測繪球的位置數(shù)據(jù)傳遞到系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫。

圖1 數(shù)據(jù)采集端結(jié)構(gòu)

在液體管線下游的某開口處設(shè)置濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)孔的孔徑小于測繪球的球徑。當(dāng)測繪球到達(dá)濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)會被阻攔繼續(xù)向下游移動，此時(shí)即可將測繪球從管線中取出。

2 數(shù)據(jù)處理端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)接收

每件測繪球的通信模塊中設(shè)有唯一編碼。數(shù)據(jù)采集端將位置數(shù)據(jù)從管線內(nèi)部傳遞到系統(tǒng)后臺，系統(tǒng)后臺設(shè)計(jì)有數(shù)據(jù)處理控制軟件。數(shù)據(jù)處理控制軟件可以選擇開始接收某個(gè)數(shù)據(jù)采集端的位置數(shù)據(jù)，位置數(shù)據(jù)的坐標(biāo)采用的是北斗坐標(biāo)系。測繪數(shù)據(jù)采集控制界面如圖2所示。

圖2 測繪數(shù)據(jù)采集控制界面

2.2 數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

2000國家大地坐標(biāo)系在2008年被我國正式啟用，北斗定位系統(tǒng)建設(shè)初期計(jì)劃采用2000國家大地坐標(biāo)系，但實(shí)施過程根據(jù)實(shí)際情況又提出北斗坐標(biāo)系。北斗坐標(biāo)系采用WGS84（World Geodetic System 1984）參考框架[6]，2000國家大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)參考框架[7]是ITRF1997。將測繪球獲取的位置數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到2000國家大地坐標(biāo)，需要先將WGS84參考框架轉(zhuǎn)換成ITRF2000框架，然后再利用框架轉(zhuǎn)換法，將ITRF2000框架轉(zhuǎn)換為ITRF1997框架。

2.3 WGS84參考框架和ITRF2000參考框架間的轉(zhuǎn)換

式中：m是尺度變化參數(shù)；(εX,εY,εZ)是旋轉(zhuǎn)參數(shù)；(?X, ?Y,?Z)是平移參數(shù)。

當(dāng)有3個(gè)以上或更多公共點(diǎn)時(shí)，先利用最小二乘法求解，然后再利用式（1）將WGS84 參考框架轉(zhuǎn)換為ITRF2000參考框架。

2.4 ITRF2000參考框架和ITRF1997參考框架間的轉(zhuǎn)換

ITRF參考框架轉(zhuǎn)換已經(jīng)在文獻(xiàn)[8-9]得到了驗(yàn)證。本文采用該方法實(shí)現(xiàn)ITRF參考框架間轉(zhuǎn)換。ITRF參考框架間的轉(zhuǎn)換共有三種方法：第一種轉(zhuǎn)換方法是采用七參數(shù)法進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，其缺點(diǎn)是誤差不斷累積，導(dǎo)致精度降低；第二種方法是先進(jìn)行參考框架的轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行歷元的轉(zhuǎn)換；第三種方法是先對歷元進(jìn)行統(tǒng)一，再進(jìn)行參考框架的轉(zhuǎn)換。本文使用第三種轉(zhuǎn)換方法。

2.4.1 統(tǒng)一歷元

地殼處于不斷運(yùn)動中，北斗測站在參考框架內(nèi)的位置會隨時(shí)間而改變，因?yàn)檫@種運(yùn)動比較緩慢，所以近似于勻速線性運(yùn)動，因此相同參考框架內(nèi)的歷元的坐標(biāo)計(jì)算公式為[10]：

2.4.2 框架轉(zhuǎn)換

根據(jù)IERS（International Earth Rotation Service）公布的參考框架間14個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)（包括7個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)、7個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)速率），求出t歷元下參考框架間轉(zhuǎn)換的7個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)。設(shè)tK歷元為參考?xì)v元，那么：

式中：T為平移量；D為尺度因子；R為旋轉(zhuǎn)量；為轉(zhuǎn)換參數(shù)速率。

求出轉(zhuǎn)換參數(shù)后，采用七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型即可實(shí)現(xiàn)參考框架間的轉(zhuǎn)換，其公式為：

式中：T1,T2,T3為平移量；D為尺度因子；R1,R2,R3為旋轉(zhuǎn)量。

從ITRF2000到2000國家大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)及速率見表1所列。其中，IGS（ITRF2000）→IGS（2000國家大地坐標(biāo)系）有14個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，ppb=10-9m，mas=4.848 13×10-9rad。

表1 從ITRF2000到2000國家大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)及速率（歷元1997）

2.5 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到T歷元下的2000國家大地坐標(biāo)

先將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至t歷元下的坐標(biāo)，然后將其轉(zhuǎn)換至T歷元下的坐標(biāo)，即：

3 成果輸出及預(yù)警

3.1 測繪數(shù)據(jù)輸出

測繪結(jié)果可以以2000國家大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)形式直接展示在現(xiàn)有底圖上，現(xiàn)有底圖有2D平面圖、3D俯視圖或衛(wèi)星圖三種模式。采用ArcMAP中的菜單Tools-Add XY Data，構(gòu)建新的圖層，所有的位置點(diǎn)添加至新的圖層。隨著時(shí)間的推移，測繪數(shù)據(jù)采集端沿著液體管線的路徑移動，隨著數(shù)據(jù)采集端位置數(shù)據(jù)的輸出，在底圖上以多個(gè)點(diǎn)的形式展示。測繪成果點(diǎn)圖顯示如圖3所示。

圖3 測繪成果點(diǎn)圖顯示

采用Arcgis中Toolbox工具，將隨時(shí)間變化的點(diǎn)文件轉(zhuǎn)換成線文件，多個(gè)數(shù)據(jù)采集端的位置點(diǎn)連接成線，形成該條液體管線的路徑曲線。測繪成果線圖顯示如圖4所示。

圖4 測繪成果線圖顯示

在測繪數(shù)據(jù)采集控制界面可以選擇是輸出點(diǎn)圖或線圖，線圖的生成本質(zhì)上也是先生成點(diǎn)圖，再由點(diǎn)圖轉(zhuǎn)換成線圖。

3.2 管線堵塞預(yù)警

目前以管線方式運(yùn)輸液體的規(guī)模日益擴(kuò)大，液體管線特別是運(yùn)輸黏度較大的液體時(shí)，管線會發(fā)生堵塞的現(xiàn)象。當(dāng)利用本文的測繪方法進(jìn)行液體管線測繪時(shí)，測繪數(shù)據(jù)采集端依次將位置數(shù)據(jù)傳遞到系統(tǒng)后臺，因?yàn)槲恢脭?shù)據(jù)傳遞間隔時(shí)間是固定的，當(dāng)水平位置數(shù)據(jù)變得接近時(shí)，說明管線內(nèi)的液體流速降低，系統(tǒng)根據(jù)流速變化值，分別設(shè)有藍(lán)色預(yù)警、黃色預(yù)警、紅色預(yù)警三種級數(shù)遞增的預(yù)警模式。管線管理人員根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的預(yù)警信息，在核實(shí)后進(jìn)行相應(yīng)的處理工作。

3.3 地下金屬管線測繪

目前液體運(yùn)輸管線的材質(zhì)主要有鋼管、塑料管、陶土管、水泥管和有色金屬管，當(dāng)測繪埋設(shè)在地下較深的鋼管和有色金屬管時(shí)，有時(shí)會出現(xiàn)BDS信號收接不良的現(xiàn)象。所以在進(jìn)行地下金屬管線測繪工作時(shí)，可以利用裝載BDS接收機(jī)的金屬探測裝置，或者利用RTK技術(shù)實(shí)現(xiàn)金屬管線的精確測繪。

4 結(jié) 語

本文詳細(xì)闡述了基于北斗定位技術(shù)的液體運(yùn)輸管線的測繪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)原理。在設(shè)計(jì)可以懸浮在液體中的測繪結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用液體運(yùn)輸管線的特征，將液體中測繪數(shù)據(jù)采集端的移動路線轉(zhuǎn)換為管線的測繪路徑數(shù)據(jù)，同時(shí)利用位置數(shù)據(jù)的改變值，做出不同等級的管線堵塞預(yù)警。本系統(tǒng)將測繪與安全應(yīng)急管理兩個(gè)不同領(lǐng)域，在液體管線測繪工作中實(shí)現(xiàn)良好融合。