不同天气条件下地下金属管线探测数据误差特征分析

代祥勇，张先慧，朱重睿

（1.凯里市自然资源局，贵州 凯里 556000；2.贵州省地质矿产勘查开发局101地质大队，贵州 凯里 556000；3.凯里市自然资源局，贵州 凯里 556000）

近年来随着交通需求的不断增大，地铁的建设量随着需求不断增大。很容易出现规划路线和地下金属管线的铺设位置相冲突，施工将地下管线挖断的情况。为了避免不必要的城建设施损坏的情况，相关部门需要制作地下管线的详细布置图，所以地下金属管线的探测工作至关重要。

金属的导电性是最常被利用的金属特性，很多探测仪器都是利用金属的导电性来完成探测的[1]，导电性好的物质除了金属就是水，很多金属管线探测设备会受空气中的温度和湿度的含量影响，导致测量的数据有一定的误差。随着天气的不断变化，空气中的含水量和灰尘含量会随之改变，不同季节的风速也有所不同。本文研究在不同的天气条件下地下金属管线探测数据误差。

1 不同天气条件下探测方法误差分析

传统的探测原理一般只考虑天气改变温度和湿度对地下金属管线探测的导电性的数据误差影响，当然这一点是非常重要的，不过随着地下定位系统的不断发展，使地下定位技术得到一定的提高。本文利用常规方式进行地下管线数据的勘测，分析不同天气条件下地下金属管线探测导电性、定位和信号干扰的误差所具备的特征。根据分析出的误差特征，进行探测方式的改良。

1.1 金属管线探测导电性数据误差特征分析

天气情况有很多种类，除去发生频率不高的极端天气，大致可以分为晴天、雨天和多云天。晴天和多云天气下，地下金属导线在地面产生的磁场强度受空气中温度的影响，温度的高低和日夜温差的大小都是导电性的影响因素。由此得出温度对地下金属管线探测的系统误差的关系计算公式为：

W为产生的误差数值，X1为探测金属管线信号接收器接收到的金属导电系数。Y1为平均导电系数。n为当下季节多种天气变化数值[2]。由上述公式分别计算出晴天、雨天和多云天气的误差数值，绘制成系统误差图：

图1 探测导电系数系统误差

由上图所知，导电系数系统误差无论是在哪种天气情况下，都是存在的。这表明无论哪种天气导电系数的测量和实际数据相比都是有误差的，晴天的系统误差波动曲线是最小的，晴天早晚温差较大，但是空气中的含水量却差不多，所以在监测地下金属管线的时候，尽管会随着深度的加深出现误差越来越大的情况，但是由于导电性受空气湿度影响小，所以系统误差在0-10之间。

雨天的误差波动最大，在测量深度200m以内的时候导电系数大于实际测量值，当探测深度深于200m的时候导电系数小于实际测量值。

1.2 金属管线探测定位数据误差特征分析

在金属管线实际的测量中，管线的分布并不规则。只得出大致的埋线位置还是会出现地下空间使用矛盾的问题，想要精确定位金属管线在地下的准确位置，不仅需要通过金属对磁场强度的影响来进行判断，还需要GPS技术进行精确定位。假设某金属管线的埋线深度为h米，探测金属管线的电流强度为K，地下金属管线与管线之间的间距为b，当管线之间的间距与深埋距离相差不大时，定位电流的曲线趋近于直线，管线受磁场变换影响，距离监测的值与实际相差较大。当管线之间的间距远远小于管线深埋距离的时候，定位误差反而变小。三种天气下的温度变化是我们可以感觉得到的，在同一个季节里，晴天的温度最好，多云天气气温比较温和，温度最低的是雨天。三种温度下地下金属管线定位数据误差进行测量如下表：

表1 三种天气对金属管线定位定深的误差统计

如上表所示，降水也比较容易干扰定位误差。晴天无论是定位误差还是定深误差都是最小的，定深误差比定位误差整体偏大，多云天气的定深误差却超过了雨天的定深误差。一般来讲，对定位影响最大的应该是降水天气，但多云天气的空气含水量也是较高的，而且多云天气的温差相对较小。因地下管道线所产生的误差，所以要将其进行误差排除，使数据值对比更加明显。

1.3 金属管线探测信号干扰数据误差特征分析

勘测金属管线的定位信号的接收原理是卫星信号的收发，信号的收发主要分为三个模块。探测信号发射，信号转发和地下金属管线接收站。最常见的信号干扰原因就是转发器受到人为因素干扰[3]。排除转发器的自身故障，GPS信号比较容易受其他设备干扰，或者设备本身的质量较差也容易出现发出探测信号弱的情况。天气原因虽然不属于人为因素，但也是导致金属管线探测受到干扰的一大重要因素。

由于只考虑天气对地下金属管线的影响，所以恶意攻击探测信号的问题暂时不在考虑范围内。晴天只有一种情况会影响到金属管线的测量，晴天天气下，无论是人们出门活动的频率还是在大街上行驶的车辆都会自然而然的增多，噪音对发射信号装置具有很大影响，地下需要检测的金属管线很有可能会出现接收不到信号的情况，或者接收到的信号很微弱，由于金属管线自身并没有发射信号的能力，回传信号的强弱取决于接收信号的强弱。多云天气气温相比晴天要下降很多，信号发射器的磁场会受到很大影响。勘测信号在受干扰的磁场中忽强忽弱，勘探队员完全可以依照信号强的时候收到的信息进行数据采集。但是除了天气这一重要影响因素外还有很多其他的影响因素，所以即使是信号强的时候，探测的误差也不见得是最小的。上文提到过的两条相连的地下管线之间的距离和埋线深度相差较大，就会影响勘测的误差。

在降雨天气进行金属管线探测，信号发射时信号再强也会瞬间被削弱，削弱的程度和降雨的规模有关。信号电波会被水蒸气吸收，发射信号中的电波不断被削弱直到彻底消失。

2 结论与探讨

三种天气的情况下，地下金属管线探测的整体数值偏大，200米以下的深度，三种天气的误差值都在合理范围之内。误差偏移曲线的波动不大，200m以上的深度雨天的误差偏移波动开始增大。多云天气由于日夜温差比较平稳，对金属导电性影响不大，与导电系数误差相关性最小。晴天、云天和雨天条件下，地下金属管线的探测受湿度影响误差都较大，晴天天气空气中含水量最小，因湿度给地下金属管线探测到来的误差自然也最小。雨天因为空气中含水量是三种天气中最多的，误差影响结果则与之相反。

综上所述，雨天对地下金属管线的探测极度不利，雨天进行金属管线探测会出现较大数据误差，最适合探测金属管线的天气是晴天。所以地下金属管线的探测尽量选择在晴天进行探测，可以保证数据误差率明显下降。

3 结束语

本文在三种天气模式下测试地下金属管线的数据误差特征，并对其进行分析。但是由于天气变换只受气流等地理因素影响，无法改变和控制，所以三种天气的实验天数不均匀。导致多云天气的样本较少，所以收集的数据有可能存在片面性，希望接下来的测试中可以延长数据收集时间，尽可能避免客观误差的存在。