浅谈三维探地雷达技术在地下管线测量中的应用

浅谈三维探地雷达技术在地下管线测量中的应用

周雪峰 黄丽燕

宁波市鄞州区测绘院 浙江宁波 315100

摘 要：文章以介绍三维探地雷达技术为主旨，在此提出适用于城市地下管线测量中该技术的主要应用方法，探讨该应用的前景，用以助力城市地下管线系统的建设。

关键词： 三维探地雷达；地下管线测量；天线阵

一、引言

地下管网时城市的“神经脉络”，是民生与发展都必须的物质基础。因此，查明城市现有地下管网的布局，对城市管理、建设、发展、生活保障等方面具有十分重要的意义。

管线测量的对象主要包括给水、排水、燃气、热力、电力、通讯、工业和其他管线等。而其中金属管线的探测已经十分成熟、非金属的管线探测能力相对薄弱。

二、地下管线测量

1、地下管线探测

地下管线探测是地下管线测量的一个分支，甚至是一门独立学科，深度结合物探与测绘的相关知识，其目的是在已知或未知的线路上在重新获取该地下管线的几何数据属性，精度高、属性完整且现势性较强，探查的内容包括了管线的材质、走向、位置、深度、管径，且含重新调查管线权属维护单位信息等要素，使城市地下管网信息系统能够更加全面、精准，从而提升新型地下空间规划部门与各类专业管线管理单位的工作效率，实现管理的信息化、科学化、标准化。

2、地下管线探测难点

常规地下管线材质包括由球墨铸铁、白钢等构成的金属管线如给水、消防、与工业管线；由PVC、PP、PE、砼和其他材料构成的非金属管道如排水、天然气等管道；由铜、铝等金属材料构成的电缆、线缆如高压、低压的供电管线、三网的弱电管线等。地下管线的埋设方式又分为直埋、管埋、沟埋、顶管等。属于施工工艺不同，形式结构复杂多样，对地下管线的后期测量影响较大，对管线探测技术水平要求很高，对仪器设备的探测能力是极大的挑战。

目前阶段，对于金属管线的探测技术已经比较成熟，通常利用直接法和电磁感应法可以准确的完成对常规地下管线的探测。但是对于非金属管线的探测仍难以施测。如部分市政燃气管线会采用顶管施工，大部分测绘单位需要穿线器配合金属导线并加电流进行探测，而埋设深度较大时数据精度没有保证，某些管道施工线路较长时也难以用此方法穿线测量。所以要根据不同测绘环境考虑更有效的方法。

三、常规地下管线探测方法

地下管线探测方法一般分为两种：一种是井中调查配合开挖样洞相结合的方法，另一种是仪器探测与井中调查相结合的方法，在各种物探方法中，就其适用范围来看，可分为以下几种：

1、直接法

在金属管线探测中，可采取直接观测和追索的方法，此法适用于检修井容易开启的情况，如无检修井而管线埋深较浅，表层覆盖物松软时，可采用钢钎接触方法。

2、电探测法

电探测法是属于物理探测方法的一种。电法探测可分为直流电探测法和交流电探测法两大类。

3、磁探测法

由于金属管道在磁场的作用下容易被磁化，管道磁化后产生的磁性强弱与管道铁磁性材料有关，其中钢、铸铁管的磁性较强，非金属管则无磁性。磁化的金属管道就可以作为磁管道，其与周边环境的磁性差异明显。通过在地面上利用仪器观测金属管道的磁场的分布即可测量其埋深。

4、电磁辐射探测法一传统探地雷达

探地雷达是利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式由地面通过发射天线送入地下，由于周围介质与管线存在明显的物理性差异(主要是介电常数差异)，电磁脉冲在界面上产生反射和绕射回波，接收天线收到这种回波后，通过光缆将信号传输到控制台．经计算机处理后，将雷达图像显示出来。通过对雷达波形的分析，可确定地下管线的位置和埋深。

四、三维探地雷达

与传统的脉冲天线雷达不同，三维探地雷达使用的是步进频率天线阵技术，该技术的雷达步进频率可以从100MHz起至3000MHz，自由设置0.5ms到10ms之间的波长，相当于1500台阶进行连续的线性频率扫描，相比之下传统的探地雷达脉冲采用频闪采样，没有采集整个波形长度的数据，将丢失很多数据。而步进频率雷达可以实现整个探测深度都拥有最佳的分辨率与清晰的图像，实现更好的平衡，使数据处理变得更简单。

三维探地雷达系统主要有雷达主机，多通道天线阵，实时3D采集软件以及三维探地雷达数据分析软件组成。在测区采集数据时可同时显示各个通道纵断面雷达图、横断面及深度水平视图，并能实施追踪目标体，同时利用GNSS-RTK可直接获取标记的精确位置。

五、地下管线测量

1. 收集该地区已有资料

包括该测区管线竣工测绘资料、地下空间管线普查资料、原有管线施工设计图、周边平面及高程控制点成果和有关说明。

2. 三维探地雷达管线实测

数据采集：可根据现场探测环境选择车载或推车式三维探地雷达，确定管线探测类型后匹配最佳探测参数，包括探测叠加时间、采样间隔、采样叠加数量、消除噪声影响等，根据预测管线位置进行推扫，一般每段管线至少有三个采样点。

数据处理：将采集到的数据记性预处理，去除时间零校正，振幅校准、天线信号处理。地形校正（改善由地形导致的静态偏移）。

管线特征识别：根据软件实时分析的各个通道断面与平面视图分析该管线目标，对分析出的管道位置采用软件标记，利用配置的GNSS-RTK测量其位置，同时记录其视图上的埋深、管径。

3、数字测图方法成图

在GNSS-RTK没有信号的区域可采用全站仪等全野外数字测量方法测量出的管线特征点位置，调查其几何属性如走向、材质、埋深等，通过前期获得的权属数据进行内业成图，有原始资料的进行比对更新，检查无误后入库并更新数据库，及时录入综合管线测量系统。

4、编写探查报告

探测工作结束后应单独编写工作总结报告，附每条雷达剖面图记录和成果表。成果表的内容包括波速、双程走时、管线平面位置、埋深及同等条件下已知管线的实验数据。

5、质量检查

质量检查按规范应进行两级检查制度，检查内容包括隐蔽管点的平面探查精度和埋深精度、管线是否有遗漏、连接关系是否正确、属性调查是否完整。并增加重复探查量或开挖验证等验证其几何精度和属性精度。其检查时应随机抽取不少于隐蔽管线点总数的1%且不少于3个点进行开挖或钎探。

六、结束语

在实际操作过程中，就目前的技术来讲，由于雷达本身尺寸与装载工具的限制，三维探地雷达对管线所在位置限制比较大，在探测地下管管线时应预先调查该段管线的深度与走向，现场是否开阔，如在小区内大面积的乔木景观中的探查难度极大，故采用适合的其他便携式探地雷达也可以降低成本，提高适用性。

综合判断，三维探地雷达在地下管线测绘中可以作为市政管道探测初步的解决方案，其操作简单，图形直观，可依托载具进行管道的快速扫描，更适合于道路下的管线探测，目前的劣势是价格没有回归在合理区间，可根据实际项目需求进行理性需求分析。

[1] 张正禄主编.工程测量学[M]武汉大学出版社.2017

[2] 赵镨.三维探地雷达技术在市政工程中的应用研究 [J] 城市地质 2017