探地雷達(dá)在城市管線測量中的應(yīng)用研究

樊濟(jì)

（湖南省第一測繪院，湖南 衡陽 421000）

1 引言

城市化建設(shè)腳步的不斷推進(jìn)，我國城市基礎(chǔ)測繪的工作量日益增加，特別地下管線的探測工作，大量非金屬管線的應(yīng)用，增加了地下管線的探測難度，傳統(tǒng)的金屬管線探測方法顯然難以適用，而探地雷達(dá)的應(yīng)用，不僅具有無損、精準(zhǔn)、快速的特點(diǎn)，同時探測范圍也比較大，操作相對簡單，極大地減輕了工作量。隨著探測技術(shù)的不斷發(fā)展，探地雷達(dá)在房屋測繪與地下管線探測方面的應(yīng)用優(yōu)勢，逐漸為人所關(guān)注。基于此，本文對探地雷達(dá)在城市管線測量中的應(yīng)用進(jìn)行研究，具有重要的實(shí)踐意義。

2 探地雷達(dá)的工作原理

探地雷達(dá)，簡稱GPR，是近年來新興起的一項(xiàng)電磁探測技術(shù)。探地雷達(dá)應(yīng)用的主要優(yōu)勢為高分辨率、定位準(zhǔn)確、圖像實(shí)時顯示，且不需要開挖地表便可以進(jìn)行探測，因而不會對地表產(chǎn)生破壞。其探測的主要原理為，利用特殊儀器，將106～109Hz波段的高頻電磁波，以寬頻帶短脈沖的形式，發(fā)射到地下，并借助土壤進(jìn)行傳播，當(dāng)電磁波在地下遇到具有電性差異的地下目標(biāo)體時，便會出現(xiàn)反射，這一反射回來的電磁波會被地面上的接收裝置接收，通過分析接收電磁波的波形與振幅強(qiáng)度，結(jié)合雙程時間等參數(shù)，確定地下目標(biāo)物的深度與位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測量[1]。

需要注意的是，面對不同性質(zhì)或者材料的地下管線，探地雷達(dá)所能起到的探測效果也是不相同的，這主要是因?yàn)椴煌牧辖橘|(zhì)自身的介電常數(shù)以及波速存在很大差異。金屬類管線的介電常數(shù)為0，探地雷達(dá)在探測金屬類管線時，探測效果比較顯著，而對于其他類型物質(zhì)，雷達(dá)接收器上顯示的圖像信息就相對較弱。根據(jù)這一特性，也可以迅速判斷出區(qū)域地下是否存在金屬類管線。

3 探地雷達(dá)的探測方法

3.1 參數(shù)的設(shè)定

探地雷達(dá)的參數(shù)，包括觸發(fā)方式、天線類型、時窗范圍以及采樣點(diǎn)數(shù)等。首先，按照城市地質(zhì)選擇適合的天線類型，其次按照預(yù)估的地下管線的最大埋深，選擇合理的時窗范圍，而采樣點(diǎn)數(shù)為單位距離的測距輪標(biāo)準(zhǔn)值45，即采樣間距為2.2cm，觸發(fā)方式可以根據(jù)實(shí)際需求選擇距離觸發(fā)與測距輪觸發(fā)等方式。

3.2 獲取增益

探地雷達(dá)的增益獲取是通過指數(shù)增益的方式來實(shí)現(xiàn)的，最大增益為60dB，最小增益為-20dB。需要注意的是，正增益一般情況下應(yīng)用于放大信號強(qiáng)度之上，而負(fù)增益一般情況下應(yīng)用于縮小信號強(qiáng)度上。對于與地表相距較近的數(shù)據(jù)，可通過負(fù)增益的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而針對中層深度返回的數(shù)據(jù)，則需要采用正增益的方式進(jìn)行處理。

3.3 數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集時，可通過推動天線小車，在顯示屏幕上得到采集數(shù)據(jù)的波形圖像，這種情況下，可以通過分析不同波形圖像的特征，來獲得不同的地下管線。

3.4 數(shù)據(jù)分析及定位

通過振幅譜、相位譜、頻率譜等方式，對波形圖像進(jìn)行分析，進(jìn)而推斷出地下管線的定位，并且還可以推測出地下管線分布的大概平面位置，以及地下管線的性質(zhì)。此外，還可以利用波形圖像的大小，來預(yù)估管線直徑，在反射面不夠明顯的情況下，則可以通過同相軸的連續(xù)判斷，來推測出地下管線的平面位置。

3.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理適用于城市地質(zhì)環(huán)境相對復(fù)雜，探地雷達(dá)難以在探測現(xiàn)場獲得地下管線的分布情況的情形中。利用軟件切除圖像中的干擾波形與濾波，同時還要對處理掉波形的增益以及剖面偏移，以此來提高管線反射圖像的分辨率，便于更加清晰的觀察，進(jìn)而推測出管線的實(shí)際分布情況。

4 探地雷達(dá)探測城市地下管線的具體應(yīng)用以及實(shí)際案例分析

4.1 探地雷達(dá)探測城市地下管線的具體應(yīng)用

一方面，現(xiàn)場勘探試驗(yàn)。在現(xiàn)場勘探的過程中，為了將探地雷達(dá)的探測效果充分發(fā)揮出來，工作人員應(yīng)首先做好所探測地區(qū)的地下管線的相關(guān)資料，包括地下管線的直徑大小、才智等，同時還要調(diào)查目標(biāo)探測地的溫度、地質(zhì)情況、溫度等條件，并根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的探測參數(shù)。另一方面，剖面探測。在應(yīng)用剖面探測的方式對地下管線進(jìn)行測量時，一是要做好探測前的準(zhǔn)備工作，包括標(biāo)志其真實(shí)位置、測量線的布置等，二是要做好目標(biāo)管線是否異常的判斷工作。

4.2 實(shí)際案例分析

為了做好城市地下管線的規(guī)劃建設(shè)工作，東莞市積極開展中心鎮(zhèn)的地下綜合管線普查工作，并將第一批中心鎮(zhèn)地下管線的普查劃分成12個包，本文研究以J包地下管線的普查為例展開研究。本次探測的地點(diǎn)在塘廈鎮(zhèn)與鳳崗鎮(zhèn)部分區(qū)域的J包，區(qū)域面積為55.28km2，主要工作量為：探查各類管線點(diǎn)91087個，其中調(diào)查明顯點(diǎn)53650個，探測隱蔽點(diǎn)37437個。管線長度總計(jì)1496.149km。探測結(jié)果經(jīng)處理后如圖1所示，而同一位置現(xiàn)有的管線圖資料如圖2所示。

圖1 經(jīng)處理后的探地雷達(dá)測量影像

圖2 雷達(dá)探測影像對應(yīng)的管線圖資料

由圖1與圖2可以看出，若將路邊看作是起始點(diǎn)，那么雨水管道與起始點(diǎn)之間的距離為2.7m，而自來水管道的距離則為8.4m，煤氣管道的距離為7.5m，電力管線與起始點(diǎn)的距離為12.5m，兩條熱力管線與起始點(diǎn)的距離分別為13.2m與13.8m。與此同時，探地雷達(dá)所探測的影像，和實(shí)際的城市管線分布圖恰好吻合，并且探測雷達(dá)獲得的影像中，很多管線的探測感知效果較好，管線分布明顯，可以在雷達(dá)影像中清晰地看到。這說明，探地雷達(dá)的探測效果較好，定位比較精準(zhǔn)。

5 結(jié)論

城市地下管線的探測工作對城市化建設(shè)具有重要影響，而通過本文中對探地雷達(dá)測量原理、測量方法的分析，結(jié)合實(shí)際案例的探測結(jié)果，可以看出探地雷達(dá)作為一種新型探測手段，在城市地下管線的探測中具有非常好的應(yīng)用效果，不僅探測精準(zhǔn)性較高，且雷達(dá)圖像分辨率高，亦不會對地表產(chǎn)生破壞。所以，探地雷達(dá)在城市地下管線的探測中具有較好的應(yīng)用前景?？偠灾?，在我國城市化建設(shè)的進(jìn)程中，城市地下管線的探測工作任重而道遠(yuǎn)，行業(yè)工作人員應(yīng)積極應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對地下管線的快速探測，以及高精準(zhǔn)定位。