基于三維GIS技術(shù)的地下金屬管線探測數(shù)據(jù)參數(shù)測試方法

楊建峰，魏春曉，徐 曉

（1.煙臺帝峰信息技術(shù)有限公司，山東 煙臺 264010；2.煙臺市地理信息中心，山東 煙臺 264010）

目前為減少因施工而導(dǎo)致意外停水停電的情況、降低人員傷亡事故的發(fā)生[1]，以此為目的進(jìn)行地下金屬管線探測已經(jīng)成為施工前必不可少的環(huán)節(jié)之一，基于三維GIS技術(shù)對地下金屬管線進(jìn)行探測，獲取數(shù)據(jù)參數(shù)，本文主要對獲取的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行測試。運(yùn)用三維GIS技術(shù)獲取金屬管線探測數(shù)據(jù)參數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入到GPR參數(shù)測試模型中，通過模型的測試，對管線定位區(qū)域的覆蓋面進(jìn)行掃描處理，得到雙曲線圖像，根據(jù)雙曲線圖像得出參數(shù)測試的結(jié)果。本文通過實(shí)驗(yàn)論證分析，以傳統(tǒng)測試方法進(jìn)行對比，論證本文設(shè)計(jì)的方式具有可行性，其測試結(jié)果更加準(zhǔn)確，耗用時(shí)間更短。

1 三維GIS技術(shù)概述

三維GIS系統(tǒng)主要應(yīng)用于探測地理信息，又稱為地理信息系統(tǒng)，可以針對地面表層的物質(zhì)及其分布特征進(jìn)行分析，收取目標(biāo)樣本進(jìn)行預(yù)存，將所設(shè)目標(biāo)地理區(qū)域進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析處理。

三維GIS技術(shù)主要需要在計(jì)算機(jī)的支持下，通過樣本采集對其進(jìn)行分析計(jì)算，最終形成一個(gè)三維立體的模型，相比于二維GIS技術(shù)，三維技術(shù)能夠更加直觀地觀察到地表特征與其對應(yīng)的信息數(shù)據(jù)，使一個(gè)地表的立體三維模型在一個(gè)空間中呈現(xiàn)出來，將二維轉(zhuǎn)換成三維，平面轉(zhuǎn)換成立體，可以針對行業(yè)外的人員進(jìn)行更加詳細(xì)的補(bǔ)充說明，三維GIS技術(shù)在提高工作效率的同時(shí)，針對計(jì)算機(jī)等硬件軟件的配置的要求也有所提高，需要與CAD制圖進(jìn)行同時(shí)連接，形成一個(gè)連續(xù)性的制圖流程，最終在平面上成立一個(gè)三維立體圖形。三維GIS技術(shù)在多種領(lǐng)域中都有相應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用，可以將地理信息由復(fù)雜變?yōu)楹唵?，由抽象變?yōu)閷憣?shí)，將整個(gè)模型都以最簡約的形態(tài)呈現(xiàn)在圖層上，其中還包括淹沒分析等空間中相對復(fù)雜的分析計(jì)算，可以包容多種復(fù)雜的功能。

因此，在三維GIS技術(shù)應(yīng)用于地下金屬管線探測中，可應(yīng)用其對管線的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行獲取，其獲取的數(shù)據(jù)參數(shù)誤差值很小。

2 地下管線探測數(shù)據(jù)參數(shù)測試方法設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)用三維GIS技術(shù)獲取數(shù)據(jù)參數(shù)

為獲取數(shù)據(jù)參數(shù)，運(yùn)用三維GIS技術(shù)探測地下金屬管線的數(shù)據(jù)參數(shù)，在需要進(jìn)行測量的地域面積范圍內(nèi)進(jìn)行四周的標(biāo)記點(diǎn)設(shè)置，確定長寬的實(shí)際數(shù)據(jù)以及整體的面積。根據(jù)計(jì)算出的整體面積，先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行預(yù)成像設(shè)置，創(chuàng)建好形成面板。

形成圖像面板后，將三維GIS技術(shù)機(jī)器置于需要進(jìn)行探測的地面表層上，保持機(jī)器不動(dòng)，同時(shí)將機(jī)器與計(jì)算機(jī)相連，運(yùn)用CAD制圖同步針對所探測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制圖像。在探測過程中，需要探頭進(jìn)入地面表層，根據(jù)地下的金屬管線的具體分布位置進(jìn)行探測，從而獲得管線的探測數(shù)據(jù)參數(shù)。三維GIS技術(shù)可以通過掃描成圖，形成三維立體模型，將探測到的數(shù)據(jù)連同圖像一并標(biāo)注在繪制的圖像中，例如管道的直徑、厚度以及其組成成分的信息，可以獲得管線具體的參數(shù)數(shù)值，將獲取到的參數(shù)數(shù)值單獨(dú)形成報(bào)表，進(jìn)行后續(xù)的測試工作。

2.2 輸入數(shù)據(jù)至GPR參數(shù)測試模型

將通過三維GIS技術(shù)獲取到的數(shù)據(jù)參數(shù)輸入到GPR參數(shù)測試模型中，將其進(jìn)行分析處理，進(jìn)一步得到相關(guān)曲線圖[2]。

目前GPR模型主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)檢測、地面雷達(dá)探測等領(lǐng)域中，主要以二維為主，其形成的模型可以根據(jù)數(shù)據(jù)的大小進(jìn)行調(diào)整，以地下目標(biāo)進(jìn)行二次建模，通過輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行，反復(fù)修改，最終得到通過輸入的參數(shù)數(shù)據(jù)而形成的二次建模模型，通過該模型的數(shù)據(jù)形成雙曲線特征圖形。根據(jù)模型得到的原理公式如下：

其中，σx、σy為模型的電導(dǎo)率，σmx與σmy為容阻率，μ與ε為所測得的參數(shù)。當(dāng)模型中的一側(cè)電導(dǎo)率為0時(shí)，公式（1）成立，形成兩個(gè)比值相等的情況，從而可以根據(jù)所測得的參數(shù)大小，得到不同的數(shù)值，將得到的不同參數(shù)反復(fù)代入得知多個(gè)測試點(diǎn)，根據(jù)不同的測試點(diǎn)鎖定管線定位區(qū)域的覆蓋面積，從而利用模型對其整個(gè)覆蓋面進(jìn)行掃描，得到雙曲線圖像，從而對所獲取的參數(shù)測試得出測試結(jié)果。

2.3 利用模型掃描管線定位區(qū)域覆蓋面

通過上述GPR參數(shù)測試模型，確定參數(shù)μ與ε的數(shù)值，對應(yīng)其二次建模的模型，利用該模型對管線定位區(qū)域的覆蓋面進(jìn)行掃描，形成雙曲線圖像。

通過模型得出的測試點(diǎn)，將每個(gè)測試點(diǎn)以相等距離進(jìn)行分布，按照順序進(jìn)行掃描，將得到管線定位區(qū)域內(nèi)的二維平面剖面圖，根據(jù)每個(gè)測試點(diǎn)的位置不同，將整個(gè)定位區(qū)域分成面積相等的多個(gè)部分，從而形成一個(gè)具有整體性的測試網(wǎng)。每個(gè)測試網(wǎng)是由多個(gè)線路以及測試點(diǎn)所組成，每個(gè)測試點(diǎn)之間的距離均相等，可通過測試點(diǎn)分布的密度進(jìn)行數(shù)據(jù)測試，工作人員通過每個(gè)測試網(wǎng)的面積及數(shù)據(jù)形成一個(gè)以數(shù)量為標(biāo)準(zhǔn)的圖表，從密度中得出不同測試點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)連成兩條曲線從而形成雙曲線圖像。

雙曲線圖像的形成是根據(jù)原有參數(shù)數(shù)據(jù)μ與ε而形成的，可針對其數(shù)據(jù)參數(shù)本身進(jìn)行測試，從而得出測試結(jié)果。

2.4 基于雙曲線圖像得出測試結(jié)果

通過測試網(wǎng)的測試數(shù)據(jù)，可以對其進(jìn)行雙曲線的繪制，根據(jù)參數(shù)數(shù)值大小的不同與金屬管線直徑的不同，其雙曲線的特征與折點(diǎn)的角度也不同，下圖1為本方法設(shè)計(jì)中的雙曲線圖像[3]。

圖1 雙曲線圖像

由上圖1可以得出，當(dāng)金屬管線數(shù)據(jù)參數(shù)通過GPR測試模型得到兩種不同參數(shù)的不同曲線，其變化主要與管線的直徑與深淺有關(guān)。當(dāng)深淺的參數(shù)越大，管線的直徑越大，中心點(diǎn)與雙曲線之間的距離越遠(yuǎn)，參數(shù)越小，管線的直徑越小，中心點(diǎn)與雙曲線之間的距離越小。當(dāng)直徑的參數(shù)越小，則埋入地下的深度越小，雙曲線的尖銳程度越大，夾角越小，反之，當(dāng)直徑的參數(shù)越大，埋入地下的深度越大，雙曲線的尖銳程度越小，夾角越大。

因此可以得出，通過雙曲線的特征，探測出的地下金屬線的數(shù)據(jù)參數(shù)測試結(jié)果準(zhǔn)確。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

3.1 實(shí)驗(yàn)背景

本文通過對地下金屬管線探測數(shù)據(jù)的參數(shù)的測試方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過GPR模型與雙曲線特征對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，最終對檢測出的參數(shù)數(shù)據(jù)得到測試結(jié)果，與傳統(tǒng)測試方法進(jìn)行對比論證，探討本文方法的可行性與準(zhǔn)確性，通過對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行論證研究。

3.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，將本文設(shè)計(jì)的測試方法設(shè)為實(shí)驗(yàn)A組，運(yùn)用傳統(tǒng)測試方法的對照組設(shè)為實(shí)驗(yàn)B組，分成兩組，同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確保其探測的地下金屬管線為同一條線路，地下表層的組成成分均相同，其他外界條件均不變，由此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果以參數(shù)測試的準(zhǔn)確率為標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過針對參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，運(yùn)用兩種不同測試方法形成實(shí)驗(yàn)A組與實(shí)驗(yàn)B組，兩組測試結(jié)果如下表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)A、B組參數(shù)測試結(jié)果對比表

如上表所示，運(yùn)用不同的參數(shù)測試方法，得到的測試結(jié)果不同，實(shí)驗(yàn)A組參數(shù)μ為0.6254、參數(shù)ε為1.8956，實(shí)驗(yàn)B組參數(shù)μ為0.6123，參數(shù)ε為1.3658，實(shí)驗(yàn)A組兩組參數(shù)的測試結(jié)果準(zhǔn)確率分別高達(dá)98%與97%，實(shí)驗(yàn)B組兩組參數(shù)的測試結(jié)果準(zhǔn)確率分別為92%與89%。其中參數(shù)μ的測試結(jié)果準(zhǔn)確率差值為6%，參數(shù)ε的測試結(jié)果準(zhǔn)確率差值為8%。

由此可見，運(yùn)用本文設(shè)計(jì)的參數(shù)測試方法的測試結(jié)果更準(zhǔn)確，能夠使對應(yīng)的探測工作效率提高，起到了相輔相成的作用，減少了工作時(shí)間，對參數(shù)測試的準(zhǔn)確率更高。

4 結(jié)束語

本文利用三維GIS技術(shù)獲取地下金屬管線探測數(shù)據(jù)的參數(shù)值，對參數(shù)結(jié)果進(jìn)行測試，利用測試模型掃描管線定位區(qū)域覆蓋面，從而得到雙曲線圖像，利用雙曲線圖像的原理，計(jì)算出測試結(jié)果是否有誤，在數(shù)據(jù)參數(shù)的測試上起到了有效的作用，本文在測試過程中仍存在不足之處，希望在今后進(jìn)一步的研究中能夠?qū)⒉蛔阒幫晟?，為相關(guān)領(lǐng)域研究測試方法提供了思路依據(jù)。