田瑜基

（厦门精图信息技术有限公司，福建 厦门 361008）

0 引 言

城市的正常运作需要多种基础设施的服务，地下管线是其中重要的基础设施之一[1]。城市地下管线在城市安全管理中扮演重要角色，与百姓的生活紧密相关，是城市规划建设管理工作的重要内容。国务院办公厅在2014年发布了指导意见，要求加强城市地下管线的建设和管理。同年住建部下发了工作通知，开展城市地下管线的普查工作，要求同时做好城市地下管线的信息化系统建设[2-4]。

液体输送管线是多种管线的其中之一[5]。液体输送管线包括供水管线、排水管线、石油管线等用于输送液体的管线，大部分埋设于地下。管线的材质有多种类型，但所有液体运输管线都具备一项共有特征，即管线内部的液体流动轨迹与管线的埋设轨迹完全相同。随着北斗定位系统建设的逐步完善，利用北斗定位技术计算位置信息已经普及，将北斗定位技术应用于测绘行业已经成为趋势。

1 数据采集端设计与实现

数据采集端设计为球体，球体内部分为上下两个封闭的腔室，顶部腔内充有氦气，其作用是增加测绘球的浮力。在不同液体中通过改变预装氦气的量，使得测绘球悬浮在液体中。测绘球底部腔室中装有振动发电机构，在振动发电机构与底部腔的顶面之间的间隙中，装有定位模块和通信模块。数据采集端结构如图1所示。

将测绘球从管线上游的某一开口处放入液体管线内，测绘球悬浮在液体中并随着液体的流动向下游移动。在测绘球的移动过程中，振动发电机构产生电能，定位模块通过接收北斗卫星数据计算出位置信息，通信模块将测绘球的位置数据传递到系统后台数据库。

图1 数据采集端结构

在液体管线下游的某开口处设置滤网结构，滤网结构的网孔的孔径小于测绘球的球径。当测绘球到达滤网结构时会被阻拦继续向下游移动，此时即可将测绘球从管线中取出。

2 数据处理端的设计与实现

2.1 数据接收

每件测绘球的通信模块中设有唯一编码。数据采集端将位置数据从管线内部传递到系统后台，系统后台设计有数据处理控制软件。数据处理控制软件可以选择开始接收某个数据采集端的位置数据，位置数据的坐标采用的是北斗坐标系。测绘数据采集控制界面如图2所示。

图2 测绘数据采集控制界面

2.2 数据坐标转换

2000国家大地坐标系在2008年被我国正式启用，北斗定位系统建设初期计划采用2000国家大地坐标系，但实施过程根据实际情况又提出北斗坐标系。北斗坐标系采用WGS84（World Geodetic System 1984）参考框架[6]，2000国家大地坐标系的坐标参考框架[7]是ITRF1997。将测绘球获取的位置数据坐标转换到2000国家大地坐标，需要先将WGS84参考框架转换成ITRF2000框架，然后再利用框架转换法，将ITRF2000框架转换为ITRF1997框架。

2.3 WGS84参考框架和ITRF2000参考框架间的转换

式中：m是尺度变化参数；(εX,εY,εZ)是旋转参数；(∆X, ∆Y,∆Z)是平移参数。

当有3个以上或更多公共点时，先利用最小二乘法求解，然后再利用式（1）将WGS84 参考框架转换为ITRF2000参考框架。

2.4 ITRF2000参考框架和ITRF1997参考框架间的转换

ITRF参考框架转换已经在文献[8-9]得到了验证。本文采用该方法实现ITRF参考框架间转换。ITRF参考框架间的转换共有三种方法：第一种转换方法是采用七参数法进行坐标转换，其缺点是误差不断累积，导致精度降低；第二种方法是先进行参考框架的转换，再进行历元的转换；第三种方法是先对历元进行统一，再进行参考框架的转换。本文使用第三种转换方法。

2.4.1 统一历元

地壳处于不断运动中，北斗测站在参考框架内的位置会随时间而改变，因为这种运动比较缓慢，所以近似于匀速线性运动，因此相同参考框架内的历元的坐标计算公式为[10]：

2.4.2 框架转换

根据IERS（International Earth Rotation Service）公布的参考框架间14个转换参数（包括7个转换参数、7个转换参数速率），求出t历元下参考框架间转换的7个转换参数。设tK历元为参考历元，那么：

式中：T为平移量；D为尺度因子；R为旋转量；为转换参数速率。

求出转换参数后，采用七参数转换模型即可实现参考框架间的转换，其公式为：

式中：T1,T2,T3为平移量；D为尺度因子；R1,R2,R3为旋转量。

从ITRF2000到2000国家大地坐标系的转换参数及速率见表1所列。其中，IGS（ITRF2000）→IGS（2000国家大地坐标系）有14个转换参数，ppb=10-9m，mas=4.848 13×10-9rad。

表1 从ITRF2000到2000国家大地坐标系的转换参数及速率（历元1997）

2.5 坐标转换到T历元下的2000国家大地坐标

先将坐标转换至t历元下的坐标，然后将其转换至T历元下的坐标，即：

3 成果输出及预警

3.1 测绘数据输出

测绘结果可以以2000国家大地坐标系的坐标形式直接展示在现有底图上，现有底图有2D平面图、3D俯视图或卫星图三种模式。采用ArcMAP中的菜单Tools-Add XY Data，构建新的图层，所有的位置点添加至新的图层。随着时间的推移，测绘数据采集端沿着液体管线的路径移动，随着数据采集端位置数据的输出，在底图上以多个点的形式展示。测绘成果点图显示如图3所示。

图3 测绘成果点图显示

采用Arcgis中Toolbox工具，将随时间变化的点文件转换成线文件，多个数据采集端的位置点连接成线，形成该条液体管线的路径曲线。测绘成果线图显示如图4所示。

图4 测绘成果线图显示

在测绘数据采集控制界面可以选择是输出点图或线图，线图的生成本质上也是先生成点图，再由点图转换成线图。

3.2 管线堵塞预警

目前以管线方式运输液体的规模日益扩大，液体管线特别是运输黏度较大的液体时，管线会发生堵塞的现象。当利用本文的测绘方法进行液体管线测绘时，测绘数据采集端依次将位置数据传递到系统后台，因为位置数据传递间隔时间是固定的，当水平位置数据变得接近时，说明管线内的液体流速降低，系统根据流速变化值，分别设有蓝色预警、黄色预警、红色预警三种级数递增的预警模式。管线管理人员根据系统发出的预警信息，在核实后进行相应的处理工作。

3.3 地下金属管线测绘

目前液体运输管线的材质主要有钢管、塑料管、陶土管、水泥管和有色金属管，当测绘埋设在地下较深的钢管和有色金属管时，有时会出现BDS信号收接不良的现象。所以在进行地下金属管线测绘工作时，可以利用装载BDS接收机的金属探测装置，或者利用RTK技术实现金属管线的精确测绘。

4 结 语

本文详细阐述了基于北斗定位技术的液体运输管线的测绘系统的设计和实现原理。在设计可以悬浮在液体中的测绘结构的基础上，利用液体运输管线的特征，将液体中测绘数据采集端的移动路线转换为管线的测绘路径数据，同时利用位置数据的改变值，做出不同等级的管线堵塞预警。本系统将测绘与安全应急管理两个不同领域，在液体管线测绘工作中实现良好融合。