不同天氣條件下地下金屬管線探測(cè)數(shù)據(jù)誤差特征分析

代祥勇，張先慧，朱重睿

（1.凱里市自然資源局，貴州 凱里 556000；2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局101地質(zhì)大隊(duì)，貴州 凱里 556000；3.凱里市自然資源局，貴州 凱里 556000）

近年來(lái)隨著交通需求的不斷增大，地鐵的建設(shè)量隨著需求不斷增大。很容易出現(xiàn)規(guī)劃路線和地下金屬管線的鋪設(shè)位置相沖突，施工將地下管線挖斷的情況。為了避免不必要的城建設(shè)施損壞的情況，相關(guān)部門(mén)需要制作地下管線的詳細(xì)布置圖，所以地下金屬管線的探測(cè)工作至關(guān)重要。

金屬的導(dǎo)電性是最常被利用的金屬特性，很多探測(cè)儀器都是利用金屬的導(dǎo)電性來(lái)完成探測(cè)的[1]，導(dǎo)電性好的物質(zhì)除了金屬就是水，很多金屬管線探測(cè)設(shè)備會(huì)受空氣中的溫度和濕度的含量影響，導(dǎo)致測(cè)量的數(shù)據(jù)有一定的誤差。隨著天氣的不斷變化，空氣中的含水量和灰塵含量會(huì)隨之改變，不同季節(jié)的風(fēng)速也有所不同。本文研究在不同的天氣條件下地下金屬管線探測(cè)數(shù)據(jù)誤差。

1 不同天氣條件下探測(cè)方法誤差分析

傳統(tǒng)的探測(cè)原理一般只考慮天氣改變溫度和濕度對(duì)地下金屬管線探測(cè)的導(dǎo)電性的數(shù)據(jù)誤差影響，當(dāng)然這一點(diǎn)是非常重要的，不過(guò)隨著地下定位系統(tǒng)的不斷發(fā)展，使地下定位技術(shù)得到一定的提高。本文利用常規(guī)方式進(jìn)行地下管線數(shù)據(jù)的勘測(cè)，分析不同天氣條件下地下金屬管線探測(cè)導(dǎo)電性、定位和信號(hào)干擾的誤差所具備的特征。根據(jù)分析出的誤差特征，進(jìn)行探測(cè)方式的改良。

1.1 金屬管線探測(cè)導(dǎo)電性數(shù)據(jù)誤差特征分析

天氣情況有很多種類(lèi)，除去發(fā)生頻率不高的極端天氣，大致可以分為晴天、雨天和多云天。晴天和多云天氣下，地下金屬導(dǎo)線在地面產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度受空氣中溫度的影響，溫度的高低和日夜溫差的大小都是導(dǎo)電性的影響因素。由此得出溫度對(duì)地下金屬管線探測(cè)的系統(tǒng)誤差的關(guān)系計(jì)算公式為：

W為產(chǎn)生的誤差數(shù)值，X1為探測(cè)金屬管線信號(hào)接收器接收到的金屬導(dǎo)電系數(shù)。Y1為平均導(dǎo)電系數(shù)。n為當(dāng)下季節(jié)多種天氣變化數(shù)值[2]。由上述公式分別計(jì)算出晴天、雨天和多云天氣的誤差數(shù)值，繪制成系統(tǒng)誤差圖：

圖1 探測(cè)導(dǎo)電系數(shù)系統(tǒng)誤差

由上圖所知，導(dǎo)電系數(shù)系統(tǒng)誤差無(wú)論是在哪種天氣情況下，都是存在的。這表明無(wú)論哪種天氣導(dǎo)電系數(shù)的測(cè)量和實(shí)際數(shù)據(jù)相比都是有誤差的，晴天的系統(tǒng)誤差波動(dòng)曲線是最小的，晴天早晚溫差較大，但是空氣中的含水量卻差不多，所以在監(jiān)測(cè)地下金屬管線的時(shí)候，盡管會(huì)隨著深度的加深出現(xiàn)誤差越來(lái)越大的情況，但是由于導(dǎo)電性受空氣濕度影響小，所以系統(tǒng)誤差在0-10之間。

雨天的誤差波動(dòng)最大，在測(cè)量深度200m以?xún)?nèi)的時(shí)候?qū)щ娤禂?shù)大于實(shí)際測(cè)量值，當(dāng)探測(cè)深度深于200m的時(shí)候?qū)щ娤禂?shù)小于實(shí)際測(cè)量值。

1.2 金屬管線探測(cè)定位數(shù)據(jù)誤差特征分析

在金屬管線實(shí)際的測(cè)量中，管線的分布并不規(guī)則。只得出大致的埋線位置還是會(huì)出現(xiàn)地下空間使用矛盾的問(wèn)題，想要精確定位金屬管線在地下的準(zhǔn)確位置，不僅需要通過(guò)金屬對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響來(lái)進(jìn)行判斷，還需要GPS技術(shù)進(jìn)行精確定位。假設(shè)某金屬管線的埋線深度為h米，探測(cè)金屬管線的電流強(qiáng)度為K，地下金屬管線與管線之間的間距為b，當(dāng)管線之間的間距與深埋距離相差不大時(shí)，定位電流的曲線趨近于直線，管線受磁場(chǎng)變換影響，距離監(jiān)測(cè)的值與實(shí)際相差較大。當(dāng)管線之間的間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管線深埋距離的時(shí)候，定位誤差反而變小。三種天氣下的溫度變化是我們可以感覺(jué)得到的，在同一個(gè)季節(jié)里，晴天的溫度最好，多云天氣氣溫比較溫和，溫度最低的是雨天。三種溫度下地下金屬管線定位數(shù)據(jù)誤差進(jìn)行測(cè)量如下表：

表1 三種天氣對(duì)金屬管線定位定深的誤差統(tǒng)計(jì)

如上表所示，降水也比較容易干擾定位誤差。晴天無(wú)論是定位誤差還是定深誤差都是最小的，定深誤差比定位誤差整體偏大，多云天氣的定深誤差卻超過(guò)了雨天的定深誤差。一般來(lái)講，對(duì)定位影響最大的應(yīng)該是降水天氣，但多云天氣的空氣含水量也是較高的，而且多云天氣的溫差相對(duì)較小。因地下管道線所產(chǎn)生的誤差，所以要將其進(jìn)行誤差排除，使數(shù)據(jù)值對(duì)比更加明顯。

1.3 金屬管線探測(cè)信號(hào)干擾數(shù)據(jù)誤差特征分析

勘測(cè)金屬管線的定位信號(hào)的接收原理是衛(wèi)星信號(hào)的收發(fā)，信號(hào)的收發(fā)主要分為三個(gè)模塊。探測(cè)信號(hào)發(fā)射，信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)和地下金屬管線接收站。最常見(jiàn)的信號(hào)干擾原因就是轉(zhuǎn)發(fā)器受到人為因素干擾[3]。排除轉(zhuǎn)發(fā)器的自身故障，GPS信號(hào)比較容易受其他設(shè)備干擾，或者設(shè)備本身的質(zhì)量較差也容易出現(xiàn)發(fā)出探測(cè)信號(hào)弱的情況。天氣原因雖然不屬于人為因素，但也是導(dǎo)致金屬管線探測(cè)受到干擾的一大重要因素。

由于只考慮天氣對(duì)地下金屬管線的影響，所以惡意攻擊探測(cè)信號(hào)的問(wèn)題暫時(shí)不在考慮范圍內(nèi)。晴天只有一種情況會(huì)影響到金屬管線的測(cè)量，晴天天氣下，無(wú)論是人們出門(mén)活動(dòng)的頻率還是在大街上行駛的車(chē)輛都會(huì)自然而然的增多，噪音對(duì)發(fā)射信號(hào)裝置具有很大影響，地下需要檢測(cè)的金屬管線很有可能會(huì)出現(xiàn)接收不到信號(hào)的情況，或者接收到的信號(hào)很微弱，由于金屬管線自身并沒(méi)有發(fā)射信號(hào)的能力，回傳信號(hào)的強(qiáng)弱取決于接收信號(hào)的強(qiáng)弱。多云天氣氣溫相比晴天要下降很多，信號(hào)發(fā)射器的磁場(chǎng)會(huì)受到很大影響?？睖y(cè)信號(hào)在受干擾的磁場(chǎng)中忽強(qiáng)忽弱，勘探隊(duì)員完全可以依照信號(hào)強(qiáng)的時(shí)候收到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。但是除了天氣這一重要影響因素外還有很多其他的影響因素，所以即使是信號(hào)強(qiáng)的時(shí)候，探測(cè)的誤差也不見(jiàn)得是最小的。上文提到過(guò)的兩條相連的地下管線之間的距離和埋線深度相差較大，就會(huì)影響勘測(cè)的誤差。

在降雨天氣進(jìn)行金屬管線探測(cè)，信號(hào)發(fā)射時(shí)信號(hào)再?gòu)?qiáng)也會(huì)瞬間被削弱，削弱的程度和降雨的規(guī)模有關(guān)。信號(hào)電波會(huì)被水蒸氣吸收，發(fā)射信號(hào)中的電波不斷被削弱直到徹底消失。

2 結(jié)論與探討

三種天氣的情況下，地下金屬管線探測(cè)的整體數(shù)值偏大，200米以下的深度，三種天氣的誤差值都在合理范圍之內(nèi)。誤差偏移曲線的波動(dòng)不大，200m以上的深度雨天的誤差偏移波動(dòng)開(kāi)始增大。多云天氣由于日夜溫差比較平穩(wěn)，對(duì)金屬導(dǎo)電性影響不大，與導(dǎo)電系數(shù)誤差相關(guān)性最小。晴天、云天和雨天條件下，地下金屬管線的探測(cè)受濕度影響誤差都較大，晴天天氣空氣中含水量最小，因濕度給地下金屬管線探測(cè)到來(lái)的誤差自然也最小。雨天因?yàn)榭諝庵泻渴侨N天氣中最多的，誤差影響結(jié)果則與之相反。

綜上所述，雨天對(duì)地下金屬管線的探測(cè)極度不利，雨天進(jìn)行金屬管線探測(cè)會(huì)出現(xiàn)較大數(shù)據(jù)誤差，最適合探測(cè)金屬管線的天氣是晴天。所以地下金屬管線的探測(cè)盡量選擇在晴天進(jìn)行探測(cè)，可以保證數(shù)據(jù)誤差率明顯下降。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在三種天氣模式下測(cè)試地下金屬管線的數(shù)據(jù)誤差特征，并對(duì)其進(jìn)行分析。但是由于天氣變換只受氣流等地理因素影響，無(wú)法改變和控制，所以三種天氣的實(shí)驗(yàn)天數(shù)不均勻。導(dǎo)致多云天氣的樣本較少，所以收集的數(shù)據(jù)有可能存在片面性，希望接下來(lái)的測(cè)試中可以延長(zhǎng)數(shù)據(jù)收集時(shí)間，盡可能避免客觀誤差的存在。