管道工程數(shù)字測(cè)繪關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

程 鋼，賈 寶，冉艷艷，毛明楷，郭玉祥

(1.河南理工大學(xué) 礦山空間信息技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，北京 100083)

管道工程數(shù)字測(cè)繪關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

程 鋼1,2，賈 寶1,2，冉艷艷3，毛明楷1,2，郭玉祥1,2

(1.河南理工大學(xué) 礦山空間信息技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，北京 100083)

隨著現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展和管道施工工藝的進(jìn)步，管道工程測(cè)繪有了新的內(nèi)涵和技術(shù)方法。以南水北調(diào)某供水配套工程的測(cè)繪工作為例，探討數(shù)字測(cè)繪的技術(shù)背景下，管道工程數(shù)字測(cè)繪的基本內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)，包括坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、RTK和全站儀結(jié)合的放樣，三角測(cè)量配合水準(zhǔn)的高程測(cè)繪，基于AutoCAD的斷面快速生成等，為同類管道工程提供借鑒和參考作用。

管道工程;數(shù)字測(cè)繪; GPS-RTK;全站儀；AutoCAD;工程測(cè)量

隨著現(xiàn)代城市化的發(fā)展，作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的地下管道對(duì)于城市的規(guī)劃建設(shè)和日常管理越來(lái)越重要[1]。管道工程測(cè)繪是各種管道工程建設(shè)的基礎(chǔ)和必要手段，它貫穿于管道工程的設(shè)計(jì)、施工、竣工驗(yàn)收的全過(guò)程，從而為工程的質(zhì)量提供可靠的保證。

隨著測(cè)繪科學(xué)技術(shù)、新型測(cè)量?jī)x器的發(fā)展，管道工程的測(cè)繪與管理的內(nèi)涵和技術(shù)有了很大的發(fā)展和變化[2-3]。本文以南水北調(diào)工程某管道工程測(cè)繪項(xiàng)目為例，對(duì)管道工程測(cè)繪尤其是施工測(cè)繪的基本內(nèi)涵和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和探索，以期為同類工程的實(shí)施提供參考和依據(jù)。

1 管道工程測(cè)繪概述

城市管道工程測(cè)繪的任務(wù)根據(jù)時(shí)間分為3個(gè)階段：①勘測(cè)設(shè)計(jì)階段，為管道工程的設(shè)計(jì)提供地形圖和斷面圖；②施工階段，按設(shè)計(jì)要求放樣管道的平面和高程位置；③竣工后,進(jìn)行驗(yàn)收測(cè)量，按照工程實(shí)際現(xiàn)狀測(cè)繪竣工平面圖和斷面圖。勘測(cè)和竣工階段的測(cè)繪工作，內(nèi)容和過(guò)程比較簡(jiǎn)單，與普通地形圖及斷面測(cè)繪方法基本一致。施工階段的測(cè)繪工作與施工環(huán)境、工藝方法關(guān)系密切，過(guò)程和方法較為復(fù)雜，其內(nèi)容主要包括交樁、實(shí)地踏勘、復(fù)測(cè)、布設(shè)導(dǎo)線控制網(wǎng)加密控制點(diǎn)、實(shí)測(cè)、內(nèi)業(yè)處理、放樣等[4-5]。本文以管道施工測(cè)繪為主要研究對(duì)象，探討其關(guān)鍵方法及技術(shù)。

2 管道測(cè)繪關(guān)鍵方法及技術(shù)

隨著GNSS、高精度智能全站儀、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)等先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展，施工測(cè)繪技術(shù)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展[6]。控制測(cè)量是對(duì)工程全局的控制，限制測(cè)量誤差累計(jì)，是后期一切測(cè)繪工作的基礎(chǔ)，管道工程控制網(wǎng)多為沿管道走向的條帶形控制網(wǎng)，多采用GNSS靜態(tài)測(cè)量或全站儀導(dǎo)線測(cè)量等形式。為滿足施工放樣的要求，往往還要布設(shè)專用控制網(wǎng)，作為放樣和變形觀測(cè)的依據(jù)。地形測(cè)量主要指管道沿線周圍地物、地貌的測(cè)繪，用于確定征地范圍、土石方計(jì)算、竣工測(cè)量等，目前使用的主要方法為RTK動(dòng)態(tài)測(cè)繪和全站儀數(shù)字測(cè)繪等方法[7]。

2.1 投影坐標(biāo)系到工程坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

控制測(cè)量通常情況下要聯(lián)測(cè)國(guó)家等級(jí)控制點(diǎn)，其測(cè)量成果多采用投影坐標(biāo)系或地方坐標(biāo)系。為了方便施工放樣，往往沿管道前進(jìn)方向和垂直管道前進(jìn)方向建立工程坐標(biāo)系。因而，需要確定這兩套坐標(biāo)系的關(guān)系，建立投影坐標(biāo)系到工程坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模型。

圖1 施工坐標(biāo)與測(cè)量坐標(biāo)的換算

(1)

通?？梢岳米钚《嗽?，在保證變形最小的前提下，計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。工程中常用excel計(jì)算功能或CASIO計(jì)算器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。CASIO計(jì)算器具有攜帶方便、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，本文主要介紹CASIO fx-5800p計(jì)算器坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，分為兩個(gè)步驟：

1)方位角解算。解算時(shí)首先借助兩個(gè)已知點(diǎn)的投影坐標(biāo)(A,B)和(C,D),反算出該直線的方位角，即工程坐標(biāo)系x軸在投影坐標(biāo)系中的方位角，具體程序如下：

“A=”?A:“B=”?B:Lbl 0:“C=”?C:“D=”?D

Pol(C-A,D-B)

“L=”:I→L◢

J≤0 => J+360°→J

“Q=”:J→Q◢

2)利用求得的方位角，將起點(diǎn)投影坐標(biāo)和樁號(hào)作為已知數(shù)據(jù)，帶入坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，即可求得任意轉(zhuǎn)換點(diǎn)的投影坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的工程坐標(biāo)。如用(C,D)表示起算點(diǎn)的投影坐標(biāo)，O為起算點(diǎn)樁號(hào)，Q表示該直線方位角，(X,Y)為待轉(zhuǎn)換的投影坐標(biāo)，程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程如下：

“C=”?C:“D=”?D:“Q=”?Q:“O=”?O:Lbl 0:“X=”?X:“Y=”?Y

“A=”:(X-C)COS(Q)+(Y-D)SIN(Q)+O→A◢

“B=”:-(X-C)SIN(Q)+(Y-D)COS(Q) →B◢

得到的坐標(biāo)對(duì)(A,B)就是(X,Y)轉(zhuǎn)換后的工程坐標(biāo)。使用此程序在野外隨工程進(jìn)度，可靈活計(jì)算各樁點(diǎn)的工程坐標(biāo)，以便進(jìn)行邊線放樣、斷面測(cè)量等工作。

2.2 RTK、全站儀放樣方法

基于RTK技術(shù)和全站儀的數(shù)字化測(cè)繪放樣方法，是當(dāng)前管道工程施工放樣中較為常用的方法[8-9]。

RTK技術(shù)能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度?；鶞?zhǔn)站架好后，一個(gè)人即可完成流動(dòng)站的操作和放樣工作。將線路的起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)、曲線轉(zhuǎn)角、半徑等參數(shù)輸入手簿中，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)計(jì)算并顯示流動(dòng)站與實(shí)際點(diǎn)位的差值。根據(jù)儀器手簿所顯示的數(shù)據(jù)，可以定出中線上的任一點(diǎn)位。

全站儀放樣時(shí)，首先在測(cè)站點(diǎn)上架站，后視定向，輸入待放樣點(diǎn)的坐標(biāo)，然后根據(jù)角度和距離指揮棱鏡移動(dòng)，最終確定放樣點(diǎn)的具體位置，放樣精度較高。該方法使用工程坐標(biāo)較為方便，便于放樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢核。

GPS RTK技術(shù)和全站儀技術(shù)也可以根據(jù)工程具體情況聯(lián)合應(yīng)用，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到簡(jiǎn)化程序、減少誤差、提高效率、保證質(zhì)量、節(jié)省人力和物力的效果。

2.3 水準(zhǔn)和三角測(cè)量配合的高程測(cè)量

管道工程高程測(cè)量主要包括高程控制測(cè)量和高程放樣兩個(gè)部分。在地勢(shì)平坦、通視良好的測(cè)區(qū)，通常使用水準(zhǔn)測(cè)量方法，可以保證較高的精度；對(duì)于地勢(shì)起伏較大的區(qū)域，為了提高作業(yè)效率，可以采用三角高程代替水準(zhǔn)測(cè)量的方法。相關(guān)研究表明[10-12]，通過(guò)改進(jìn)儀器、作業(yè)流程和方法，三角高程測(cè)量可以替代二等水準(zhǔn)測(cè)量,在特定條件下能達(dá)到一等水準(zhǔn)測(cè)量的要求。該方法施測(cè)速度較快，改變了平面、高程分兩步走的作業(yè)程序，可快速建立三維控制網(wǎng),能有效及時(shí)地確定點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，極大提高工作效率。三角高程放樣，同樣具有方便靈活的特點(diǎn)，其放樣精度是關(guān)注的重點(diǎn)。下文著重對(duì)管道工程三角高程放樣精度做分析和探討。三角高程測(cè)量中單向觀測(cè)計(jì)算高差的算式為

(2)

式中：S0為水平距離;α為豎直角;k為大氣垂直折光系數(shù);i為儀器高;v為覘標(biāo)高或棱鏡高;R為地球半徑。

由誤差傳播定量，可知其誤差關(guān)系式為

(3)

由此可以看出，三角高程測(cè)量的精度mh主要受測(cè)距誤差、垂直角觀測(cè)誤差、儀器和覘標(biāo)量高誤差、大氣折光和地球曲率等影響。采用縮短視距等方法，可以減少大氣折光和地球曲率的影響，利用小鋼卷尺多次測(cè)量，取平均值的方法可使得儀器高和目標(biāo)高誤差控制在毫米級(jí)。因此，短距離放樣過(guò)程中，測(cè)距和豎直角誤差是三角高程測(cè)量的主要誤差源。

由式(3)可知，測(cè)距對(duì)mh的影響為

(4)

表1 不同α和S0時(shí)，mS0和mα對(duì)mh的影響 mm

從表1可得出以下規(guī)律：

1)mα對(duì)mh的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于mS0對(duì)mh的影響；

2)mS0對(duì)mh的影響隨角度增加的變化量較大，而隨距離增加的變化量較?。?/p>

3)mα對(duì)mh的影響隨角度增加的變化量較小，而隨距離增加的變化量較大。

根據(jù)上述規(guī)律，為減小豎直角誤差和距離誤差對(duì)結(jié)果的影響，需平衡角度和距離之間的關(guān)系，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況采用適當(dāng)增加距離、盡量減小豎直角的方法。通過(guò)上述分析，三角高程測(cè)量選擇在較好觀測(cè)條件和一定的操作方法前提下，可以達(dá)到較高的精度，能夠滿足斷面高程測(cè)量及開挖時(shí)的高程控制。

2.4 CAD快速斷面生成法

AutoCAD是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，用于二維繪圖、詳細(xì)繪制、設(shè)計(jì)文檔和基本三維設(shè)計(jì),其具有良好的用戶界面，通過(guò)交互菜單或命令行進(jìn)行各種操作。本文利用AutoCAD提供的繪制功能，設(shè)計(jì)了工程斷面模板，利用其快速生成管道各縱橫斷面圖。設(shè)測(cè)區(qū)高程變化范圍約為90～106 m，橫斷面的左右范圍為-20～20 m，以沿管道走向方向中心線左側(cè)為負(fù)，右側(cè)為正，可按照縱橫向1:1的比例預(yù)先繪制一個(gè)模板，如圖2所示，然后根據(jù)實(shí)測(cè)的高程數(shù)據(jù)生成斷面圖。生成斷面圖時(shí)，可采用兩個(gè)步驟將該斷面坐標(biāo)系原點(diǎn)指定為用戶坐標(biāo)系的原點(diǎn)，首先利用ucs命令，將斷面中心(0,90)的位置指定為新坐標(biāo)系的原點(diǎn)，再輸入M命令，將該原點(diǎn)向下移動(dòng)90至斷面原點(diǎn)(0，0)的位置，這樣用戶坐標(biāo)系與斷面坐標(biāo)系一致，然后將用(偏距，高程)形式表達(dá)的坐標(biāo)對(duì)從excel表格粘貼出來(lái)，在CAD中使用多段線pl命令進(jìn)行繪制，實(shí)例見3.3。

圖2 CAD斷面圖模板 (m)

2.5 開槽線放樣

對(duì)于采用開槽方式鋪設(shè)的管道，開挖前需要進(jìn)行放線，根據(jù)實(shí)測(cè)橫斷面和溝槽的設(shè)計(jì)坡度，確定溝槽的深度和寬度。溝槽邊線的精確放樣，既可以保證渠道的準(zhǔn)確位置，又能提高工作效率，避免浪費(fèi)不必要的施工工程量。設(shè)右側(cè)開槽線離中心線的距離為S，設(shè)槽底設(shè)計(jì)寬度為S0，設(shè)計(jì)高程為h，設(shè)計(jì)坡度i原始地形與坡度線交點(diǎn)A處的高程H，見圖3，則S的具體計(jì)算式見式(5)。設(shè)某管道中心里程為M，則(M,S)即為右側(cè)開槽線上的待放樣點(diǎn)，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)開槽。

(5)

圖3 開槽線計(jì)算示意圖

3 地下管線測(cè)量工程實(shí)例

3.1 工程概況

南水北調(diào)某供水配套工程(見圖4)從27號(hào)分水口輸水線路，向某水廠供水。該管道途經(jīng)某村莊、某園林環(huán)衛(wèi)設(shè)施有限公司、某公路機(jī)械工程處、某農(nóng)場(chǎng)、某農(nóng)副業(yè)示范基地，全長(zhǎng)1.84 km，分配水量9600萬(wàn)m3,管道走向平面見圖4。輸水管線選用PCCP管材，管徑為1800 mm，輸水形式為有壓重力流，管道設(shè)計(jì)流量3.4 m3/s。該配套給水工程位于山前沖積傾斜平原上，地形平坦，沿渠線范圍內(nèi)地勢(shì)總體呈西北高、東南低，地面高程98.6～104.1 m。地層巖性為中粉質(zhì)壤土，土質(zhì)較疏松，見有鐵質(zhì)浸染，土質(zhì)不均一，局部為輕粉質(zhì)壤土，采用開槽鋪設(shè)管道施工方法。

圖4 管道走向平面圖

3.2 控制測(cè)量

本工程采用導(dǎo)線測(cè)量進(jìn)行加密控制點(diǎn)，遵循“從整體到局部，先控制后碎步”的測(cè)量實(shí)施原則，布設(shè)導(dǎo)線如圖5所示。

圖5 附合導(dǎo)線

由于全站儀直接測(cè)定各導(dǎo)線點(diǎn)的近似坐標(biāo)值，工程采用直接按坐標(biāo)平差計(jì)算，計(jì)算更為簡(jiǎn)便，可以達(dá)到和滿足管道測(cè)量所要求的精度。為后期工程放樣方便，還需將加密的控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換為工程坐標(biāo)，如表3所示，其中起點(diǎn)、終點(diǎn)代表FC0+505.422和FC1+227.252的鎮(zhèn)墩位置，二者之間的管道為直線，D2703、D2704為已知控制點(diǎn)，01、02、03為用于放樣的加密控制點(diǎn)，Q為管道直線方位角，投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到工程坐標(biāo)結(jié)果如表2中傾斜部分。這些坐標(biāo)可以直接用于后續(xù)放樣過(guò)程。

3.3 管道中線、縱斷面和橫斷面測(cè)量

管道原始地形縱斷面圖，用于反映沿管道方向原始地面的起伏狀況，了解原始地面與設(shè)計(jì)斷面的關(guān)系，圖6為管道走向縱斷面示意圖。

表2 投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工程坐標(biāo)

注：直線方位角為：Q=76°21′39.3″

圖6 管道走向縱斷面圖(m)

根據(jù)監(jiān)理單位的要求，沿管道走向方向每20 m測(cè)量原始地形高程，繪制垂直于管道中線的橫斷面圖，對(duì)所測(cè)的橫斷面位置在中線上用樁確定，在樁上注明里程。

以表3的高程數(shù)據(jù)為例，利用上文的橫斷面模板，則可快速生成圖7的橫斷面圖。

表3 某一橫斷面測(cè)量數(shù)據(jù) m

圖7 某樁號(hào)原始地形橫斷面圖(m)

3.4 成果資料

成果資料作為后續(xù)其他工作的基礎(chǔ)和各項(xiàng)施工工作的依據(jù)，是測(cè)繪工作的重要內(nèi)容，主要包括以下幾個(gè)方面：

1)控制成果。包括導(dǎo)線點(diǎn)坐標(biāo)、加密控制點(diǎn)坐標(biāo)、原始測(cè)量數(shù)據(jù)表；

2)土方開挖資料。主要有施工測(cè)量成果報(bào)驗(yàn)單、測(cè)量數(shù)據(jù)、原始地形橫斷面圖、施測(cè)說(shuō)明、土方量計(jì)算表、介紹開挖的樁號(hào)和深度等；

3)管道安裝資料。檢驗(yàn)管道質(zhì)量，并做記錄表，記錄管道安裝的樁號(hào)位置、高程信息；

4)土方回填。記錄回填的土方量、土的壓實(shí)度。

4 結(jié) 論

管道測(cè)繪技術(shù)是管道工程科學(xué)規(guī)劃、準(zhǔn)確施工、嚴(yán)格竣工等各項(xiàng)工作的關(guān)鍵，包含的內(nèi)容紛繁錯(cuò)雜。本文對(duì)開槽鋪管式管道工程的數(shù)字測(cè)繪關(guān)鍵技術(shù)尤其是施工測(cè)繪中的各項(xiàng)實(shí)用技術(shù)，進(jìn)行總結(jié)和探討，并以南水北調(diào)某配套工程為例，對(duì)各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，效果良好，具有一定的推廣價(jià)值。

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[責(zé)任編輯：張德福]

Research and application of key technologies topipeline engineering digital Mapping

CHENG Gang1,2,JIA Bao1,2,RAN Yan-yan3,MAO Ming-kai1,2,GUO Yu-xiang1,2

(1.Key Laboratory of Mine Spatial Information Technologies, National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, He’nan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 2.School of Surveying and Land Information Engineering, He’nan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 3.China University of Mining &Technology, Beijing 100083， China)

With the development of modern surveying and mapping technology and the progress of pipeline construction technology,the connotation and technologies of surveying and mapping for pipeline engineering have made considerable development. Taking the work of digital surveying and mapping in some water supply project of the South-to-North Water Diversion Project for example, it discusses the basic content of the pipeline engineering under the background of digital surveying and mapping, including the coordinate system transformation, the layout with combination of RTK and total station, elevation surveying and mapping under the cooperation of triangulation and leveling,and the rapid generation of sectional view based on AutoCAD, which provides reference for the similar pipeline engineering.

pipeline project；digital surveying and mapping；GPS-RTK; total station；AutoCAD；engineering survey

2014-01-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41001226);河南省高等學(xué)校骨干教師資助計(jì)劃(2012GGJS-055);河南省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2010B170006); 礦山空間信息技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(KLM201202);數(shù)字制圖與國(guó)土信息應(yīng)用工程國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(GCWD201002); 河南理工大學(xué)博士基金(B2010-9)

程 鋼(1981-)，男，副教授，博士.

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：A

：1006-7949(2014)08-0045-05