CN107966138A - 基于单一管口地理坐标信息的地下管线精确定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于单一管口地理坐标信息的地下管线精确定位方法，包括以下步骤：①测出管线已知管口处坐标，并在待测管线内穿牵引绳做测量准备；②采用虚拟点法，在已知管线管口处设置虚拟延长管线；③使用仪器测量延长管线管口到未知管线管口处的管线的三维信息；④转换获得地下管线的三维地理坐标信息，并进行数据处理。通过本发明中的方法结合惯性导航技术在地下管线探测领域中的应用，可以有效的解决上述工程实践中遇到的在仅有一个管井可用时也可精确地得到整条待测管道的三维地理位置信息的问题。

Description

基于单一管口地理坐标信息的地下管线精确定位方法

技术领域

本发明涉及城市规划和安全领域，尤其涉及基于单一管口地理坐标信息及惯性导航技术的地下管线定位技术。

背景技术

随着经济的发展和城市的扩张，给排水、电力、燃气等城市地下管线数量日益增加。与此同时，由管道引起的事故越来越多、经济损失也越来越大。导致事故发生的最主要原因是管道存档数据缺失、城市的变迁、测量手段落后以及数据点稀疏等。为了避免城市管道事故造成巨额的经济损失与人员伤亡，提高城市地下空间利用效率和管理水平，当务之急是提高地下管线测量的精度和可靠性。

现有的地下管线定位方法大致分为三种：传统定位方法（也称物探法）,主要利用管线与周围介质的物理特性的差异进行探测定位；卫星定位方法，利用GPS、北斗等全球卫星定位系统进行探测定位；惯性定位方法，应用航空航天的惯性导航定位原理进行探测定位技术。现有的管道定位方法是通过已知管道的入口和出口位置，借助惯性定位仪，从管道的入口位置拉至管道的出口位置后，利用GPS等定位手段得到管口的三维地理信息，通过软件解算，可得到整个管道的三维地理位置信息。所以，现有的管道定位技术测量的前提是：必须明确待测管道的入口、出口位置的地理坐标信息。

但是，在实际测量过程中，有时会出现管道的起点或终点的位置信息不明确，只能得到管道的起点或终点一端的地理位置信息的工况。在此工况下，根据目前的管道探测算法，尚无法解算出整个管道的精确地理空间位置。当前适用于地下管线三维信息测量系统的解算算法还有诸多待改进之处。特别是针对测量过程中存在仅有单一管口坐标信息的地下管线的测量，现有的数据算法很难满足实际测量需求，针对实际工程测量中遇到的此种工况，需要专门提出一种新的定位方法来满足此类工况要求。

例如申请号为CN200710121852.6的中国专利，公开了一种基于惯性技术的全自主式地下管线测量系统，包括有管内测量单元、外部控制单元、数据信息处理单元。将管内测量单元放入被测管道内并使之沿管道中轴线运动，通过测量管内测量单元的运动轨迹可以完全获得管道的三维信息。该系统采用捷联式惯性导航技术测量管内测量单元(载体)的航向和姿态角，用陀螺仪输出角速率测量载体的角运动信息，综合角度和位移信息即可解析出载体在各个瞬时的准确位置，从而获得管道的三维信息。该管内测量单元的工作与深度、位置和周围电磁场等外部因素无关，不受其它条件的制约，在任意深度上运用导航原理综合航向角、姿态角和瞬时位置信息，都能够自主测量出待测管道的三维信息。

再如申请号为CN201210367128.2的中国专利，公开了一种埋地管道的管道中心线的惯性导航测量方法。它采用惯性导航检测定位器进行测量，该惯性导航检测定位器由移动载体单元、惯性测量单元、里程轮、数据存储单元、数据下载及处理单元、速度控制单元、地面跟踪定位及电源管理单元构成；其流程为：先对检测设备设置参数；结合GPS系统完成初始坐标设置；设备自检及归零；如未完成，则转回对检测设备设置参数；如完成，则将惯性导航系统搭载至检测器或其他载体上；检测并实时采集数据；检测完毕；GPS系统对末端位置进行标定；下载数据并进行后处理，解算中心线数据；误差修正并完成坐标绘制；结束。本发明能够精确描绘出管道中心线三维坐标、走向、位移甚至管道变形。

以上两个专利中的地下管线定位技术，在已知管道起点和终点地理坐标信息的情况下，可以获得管道三维信息，但在仅有一个管点地理信息的情况下，无法解算出整个管道的精确地理空间位置。

发明内容

针对以上仅有单一管口地理坐标信息的工况，本发明提出一种新的定位方法：基于单一管口地理坐标信息及惯性导航技术的地下管线精确定位方法。此方法是根据延长线上两点的地理坐标信息，得到待测管道的三维地理位置信息。通过本发明中的方法结合惯性导航技术在地下管线探测领域中的应用，可以有效的解决上述工程实践中遇到的在仅有一个管井可用时也可精确地得到整条待测管道的三维地理位置信息的问题。

本发明解决前述技术问题所采用的技术方案是：基于单一管口地理坐标信息的地下管线精确定位方法，包括以下步骤：

①测出管线已知管口处坐标，并在待测管线内穿牵引绳做测量准备；

②采用虚拟点法，在已知管线管口处设置虚拟延长管线；

③使用仪器测量延长管线管口到未知管线管口处的管线的三维信息；

④转换获得地下管线的三维地理坐标信息，并进行数据处理及导出。

优选的是，步骤②中，所述虚拟点法为根据地下管线已知管点位置信息，虚拟管道延长线获得虚拟管点，并将虚拟管点的地理信息与已知管点信息结合来对地下管线的三维地理坐标信息进行转换。

上述任一方案优选的是，所述虚拟点法包括实际延长线法和虚线延长法。

上述任一方案优选的是，所述实际延长线法是通过在已知管口处延长一段实际管道获得延长的一段直管或曲线管道，适用于实际工况允许放置一条实管的情况。

上述任一方案优选的是，所述虚线延长法采用激光或红外辅助等方法，从已知管口处外延获得管道虚拟曲线或直线，适用于无法人为添加实体管线的情况，也适用于实际工况允许放置一条实管的情况。

上述任一方案优选的是，所述虚拟点法还可借助软件，通过仿真计算获得虚拟管点的地理坐标信息，再结合已知管点的地理位置信息，得到待测管道的三维地理坐标。

所述实际或虚拟管道延长线的长度通常大于地下管线惯性定位仪的设备长度，方便操作，优选管道延长线的长度≥1米。

上述任一方案优选的是，步骤③中，所述仪器包括地下管线惯性定位仪。地下管线惯性定位仪是利用惯性导航技术对地下管线的三维位置信息进行测量的设备。现阶段，最精确可靠的地下管线探测技术是利用惯性导航技术对地下管线的三维位置坐标信息进行测量。地下管线惯性定位技术是一种采用航空航天的自主导航技术--惯性导航技术，对地下管道的三维位置信息进行测量的技术。其中，惯性导航技术主要利用惯性传感器（陀螺仪和加速度计）来实现测量，并依靠测量载体的加速度（惯性），推算出载体的瞬时速度、位置和姿态。从原理上说，如果惯导系统跟随载体沿地下管道运动，其运动轨迹等同于管道的三维信息。

上述任一方案优选的是，所述地下管线惯性定位仪包括测量主体和轮系，结构设计采用船舱式结构封装，整体防水密设计；主体内部设置集成处理器模块、陀螺仪、加速度计及可充电电池，数据线、电源充电接口采用集成防水连接器。

上述任一方案优选的是，所述轮系包括分别固定连接在测量主体两端的两个轮系单元，轮系单元的轮子上设置里程计记录数据，由线缆传输至测量主体内部。轮系可以根据管径尺寸调节大小，满足不同口径管线的测量，弹性伸缩的设计保证设备顺利通过各种接头。

本发明所使用的地下管线惯性定位仪能够测量得到管线的水平方向及高低方向的准确位置信息，利用管线起止点的位置信息，处理得到管线在相应坐标系下的精确空间位置。主要技术特点是系统运行不受外界干扰，不受管线埋深影响，适应各种口径材质管线，测量速度快，精度高。

上述任一方案优选的是，步骤④中，使用自编算法程序或地下管线惯性定位仪配套软件对数据进行处理及导出，数据处理方法包括旋转拉伸算法。

上述任一方案优选的是，步骤①中，所述牵引绳使用管道放置之前预留的绳子。

上述任一方案优选的是，步骤①中，采用穿线器穿线的方式在待测管线内穿牵引绳。

上述任一方案优选的是，步骤①中，所述牵引绳包括304不锈钢包塑钢丝绳。

利用本发明的方法，在仅有一个管井可用时也可精确获得管线地理空间位置信息。通过本发明中的方法结合惯性导航技术在地下管线探测领域中的应用，可以有效的解决上述工程实践中遇到的在仅有一个管井可用时也可精确地得到整条待测管道的三维地理位置信息的问题。本方法操作简单，精确度高，通过理论仿真和工程实践，验证了本方法的精确性和可靠性。

附图说明

图1 为本发明的基于单一管口地理坐标信息的地下管线精确定位方法的实际延长线法一优选实施例的示意图。

图2 为本发明的基于单一管口地理坐标信息的地下管线精确定位方法的实际延长线法另一优选实施例的示意图。

图3 为本发明的基于单一管口地理坐标信息的地下管线精确定位方法的虚线延长法一优选实施例的示意图。

图4 为本发明的基于单一管口地理坐标信息的地下管线精确定位方法的虚线延长法另一优选实施例的示意图。

具体实施方式

为了更进一步了解本发明的内容，下面将结合具体实施例对本发明作更为详细的描述，实施例只对本发明具有示例性作用，而不具有任何限制性的作用；任何本领域技术人员在本发明的基础上作出的非实质性修改，都应属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，待测管道AB，其中A为已知管口，B端管口地理坐标未知。在本实施例中对管道AB进行精确定位，采用一种基于单一管口地理坐标信息的地下管线精确定位方法，包括以下步骤：

①测出管线已知管口A处坐标，并在待测管线内穿牵引绳做测量准备；

②采用虚拟点法，在已知管线管口处设置虚拟延长管线AC；

③使用仪器测量延长管线管口C到未知管线管口B处的管线的三维信息；

④转换获得地下管线的三维地理坐标信息，并进行数据处理。

在本实施例中，步骤①中，采用穿线器穿线的方式在待测管线内穿牵引绳，所述牵引绳采用304不锈钢包塑钢丝绳，从而具有足够的耐拉力。

在本实施例中，步骤②中，所述虚拟点法为根据地下管线已知管点附近的走向信息，虚拟管道延长线获得虚拟管点，并将虚拟管点的地理信息与已知管点信息结合来对地下管线的三维地理坐标信息进行转换。所述虚拟点法包括实际延长线法和虚线延长法。本实施例采用的是实际延长线法，通过在已知管口处延长一段实际管道获得延长的一段直管，管道延长线的长度为2米。

在本实施例中，步骤③中采用地下管线惯性定位仪，把惯性定位仪送到管线入口C处，连接好牵引绳，惯性定位仪放置稳定后，处于初始化状态，静止3分钟后，惯性定位仪进入工作状态，此时开始牵拉仪器，测量CB段管线地理定位数据，测量后将仪器取出，通过数据线与电脑连接，继续进行步骤④，采用自编算法程序或地下管线惯性定位仪配套软件对数据进行转换、处理和输出。

所述地下管线惯性定位仪包括测量主体和轮系，结构设计采用船舱式结构封装，整体防水密设计；主体内部设置集成处理器模块、陀螺仪、加速度计及可充电电池，数据线、电源充电接口采用防水连接器。集成处理器模块包括ARM核心处理器模块、内存模块、数据通讯模块、数据存储模块。电池为ARM核心处理器模块、内存模块、数据存储模块提供直流电压，为数据通讯模块提供直流电压；数据通讯模块采集地下管线惯性定位仪得到的地下管道的轨迹数据，轨迹数据包括陀螺仪数据、里程计数据和加速度计数据，上述数据均为电压信号，轨迹数据输出至ARM核心处理器模块；ARM核心处理器模块包括数据解算模块和图形预处理模块，数据解算模块对数据通讯模块上传的地下管道的轨迹数据进行数据解算，将电压数据转换为实际测量值，对实际测量值进行多数据信息融合处理，得到地下管道的三维坐标信息，将三维坐标信息输出至图形预处理模块，输出至数据存储模块；图形预处理模块对地下管道的三维坐标信息进行预处理，得到地下管道的里程信息，获取三维坐标信息中三个方向坐标的极值，使三维坐标信息完全绘制在仪器外部连接的电脑显示屏上。所述轮系包括分别固定连接在测量主体两端的两个轮系单元，轮系单元的轮子上设置里程计记录数据，由线缆传输至测量主体内部。所述轮系单元包括支撑轮、支撑臂、滑轨和支架，所述支撑臂包括固定臂和活动臂，所述轮系支架包括固定支架、活动支架和弹簧，所述固定臂的第一端、所述活动臂的第一端与所述支撑轮铰接，所述固定臂的第二端与所述固定支架铰接，所述活动臂的第二端与所述活动支架铰接，所述滑轨穿过所述活动支架、一端固定在所述固定支架上，所述弹簧设置在所述固定支架和所述活动支架之间，所述测量仪器的两端分别与所述两个轮系单元的固定支架固定连接。地下管线惯性定位仪通过活动支架和弹簧沿滑轨滑动，带动支撑臂和支撑轮伸缩，从而实现在一定范围内自适应管道内径的变化，使地下管线惯性定位仪运动更平稳。地下管线惯性定位仪采用模块化设计，可根据管道内径将测量仪器两端的轮系单元快速更换为相匹配的尺寸，从而大幅提升了管径适应范围。轮系可以根据管径尺寸调节大小，满足不同口径管线的测量，弹性伸缩的设计保证设备顺利通过各种接头。该仪器具有管径适应范围大、运动平稳性强、整体长度短等优点。

如图1所示，曲线AB为待测管道（A点地理坐标已知，B点地理坐标未知），在A点处外延一条直管至C点，并将C点看作管道的起点，将地下管线惯性定位仪放置C点处，开始进行测量。测量结束后，利用地下管线惯性定位仪配套软件进行数据提取与处理。通过软件的单一管口数据处理模块分析，可得到A点与C点间的所有测点相对三维坐标值，同时可以通过GPS、全站仪等测量手段得到A点和C点的空间地理坐标，单一管口处理算法可利用A、C点的空间地理坐标信息对地下管线惯性定位仪测量并经过程序或软件处理的A点与C点间的所有测点相对三维信息进行修正处理，修正方法主要有旋转、拉伸处理。首先将不同坐标系下的数据进行旋转至同一坐标系下，根据地下管线惯性定位仪测量的A、C点相对坐标关系与GPS、全站仪等测量手段得到A、C点的空间地理坐标相对关系的差异，计算得到待旋转角度。

定义仪器测量的数据为仪器数据，将GPS、全站仪等测量手段得到A、C点的空间坐标数据为测量数据。主要旋转思路：首先，将仪器数据与测量数据旋转至同一平面内；其次，将仪器数据旋转至测量数据方向；接着，再将仪器数据按照首次测量数据旋转的角度反向旋转至初始测量方向；最后进行拉伸处理得到待测管道的地理坐标。

主要步骤如下：

1）利用地下管线惯性定位仪提取的虚拟延长线AC的仪器数据，将虚拟延长线AC绕Z轴旋转到XOZ平面，计算旋转角theta1。再将仪器测量待测管道CB上的所有点，均以旋转量theta1进行旋转到XOZ平面；

2）根据GPS、全站仪等测量手段得到A、C点的空间地理坐标数据（测量数据）绕Z轴旋转到XOZ平面，计算旋转角度theta2。将AC测量数据点以旋转量theta2进行旋转至XOZ平面；

3）再将仪器数据按照步骤①旋转后得到的新仪器数据AC绕Y轴旋转至AC的测量数据方向，分别计算仪器旋转角度angle1和测量数据旋转角度angle2，得到待旋转角度angle=angle2- angle1，将经过步骤2得到新的仪器数据以角度angle进行旋转，将仪器数据旋转至测量数据方向；

4）将步骤3）得到新的仪器数据按照第一次测量数据绕Z轴旋转的角度反向旋转，即旋转角度为-theta2，旋转结束后，便将通过地下管线惯性定位仪提取到的仪器数据旋转到初始测量端；

上述步骤中所运用的矩阵旋转公式为：

（1）绕Z轴旋转 x' = xcost - ysint y' = xsint + ycost z' = z

（2）绕X轴旋转 y' = ycost - zsint z' = ysint + zcost x' = x

（3） 绕Y轴旋转 z' = zcost - xsint x' = zsint + xcost y' = y

根据以上计算的旋转角度和矩阵旋转公式，将地下管线惯性定位仪采集到曲线AB上的每个数据点的三维信息，均旋转至CA的初始测量端。接着计算CA的GPS、全站仪等仪器的测量长度和地下管线定位仪采集的长度，计算拉伸系数，然后将仪器测量数据进行拉伸变换，对曲线AB进行拉伸。

通过上述修正算法，便可得到E点（A点的下一时刻数据采集点）处三维坐标信息，继续对E点右侧的下一时刻数据采集点F进行解算，以此类推，解算A点右侧朝向B点方向的管道的所有数据采集点，可解算出待测管道AB的三维位置坐标。

通过本实施例中的方法结合惯性导航技术在地下管线探测领域中的应用，可以有效的解决在仅有一个管井A可用时也可精确地得到整条待测管道AB的三维地理位置信息的问题，同时本方法操作简单，精确度高，易于推广。

实施例2

如图2所示，待测管道AB，其中A为已知管口，B为位置管口，在本实施例中对管道AB进行精确定位。

实施例2与实施例1相似，所不同的是，在步骤②中，采用实际延长线法，通过在已知管口处延长一段实际管道获得延长的一段曲线CA，管道延长线的长度为1米。

实施例3

如图3所示，待测管道AB，其中A为已知管口，B端管口地理坐标未知，在本实施例中对管道AB进行精确定位。

实施例3与实施例1相似，所不同的是，本实施例的工况无法满足外沿一段实际管线，因此在步骤③中采用虚线延长法，用激光仪在管口A端切线方向延长一段直线MN，虚拟延长线的长度取3.8米。

实施例4

实施例4与实施例3相似，所不同的是，外沿直线采用红外仪辅助获得，虚拟延长线的长度取4米。

实施例5

如图4所示，待测管道AB，其中A为已知管口，B端管口地理坐标未知，在本实施例中对管道AB进行精确定位。

实施例5与实施例1相似，所不同的是，在步骤②中采用虚线延长法，借助地下管线惯性定位仪配套软件，模拟管口A外延长的一段曲线MN，通过仿真计算获得虚拟管点的地理坐标信息，再结合已知管点的地理位置信息，得到待测管道的三维地理坐标。虚拟延长线的长度取10米。

实施例6

实施例6与实施例1相似，所不同的是，延长管线长度为2.5米，在本实施例的步骤①中，所述牵引绳使用管道放置之前预留的绳子。

实施例7

实施例6与实施例1相似，所不同的是，延长管线长度为3米，在本实施例的步骤①中，在细管内设置牵引绳，将细管插入待测管道中从而将牵引绳引入待测管道。

本发明通过虚拟延长管道的方式解决在实际测量过程中，仅有一个管井可用的情况下，也可精确测定待测管道的三维地理坐标信息的技术难点。本方法操作简单，精确度高，通过理论仿真和工程实践，验证了本方法的精确性和可靠性。

尽管具体地参考其优选实施例来示出并描述了本发明，但本领域的技术人员可以理解，可以作出形式和细节上的各种改变而不脱离所附权利要求书中所述的本发明的范围。以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。

Claims (10)

1.基于单一管口地理坐标信息的地下管线精确定位方法，包括以下步骤：

①测出管线已知管口处坐标，并在待测管线内穿牵引绳做测量准备；

②采用虚拟点法，在已知管线管口处设置虚拟延长管线；

③使用仪器测量延长管线管口到未知管线管口处的管线的三维信息；

④转换获得地下管线的三维地理坐标信息，并进行数据处理。

2.根据权利要求1所述的基于单一管口地理坐标信息的地下管线精确定位方法，其特征在于：步骤②中，所述虚拟点法为根据地下管线已知管点位置信息，虚拟管道延长线获得虚拟管点，并将虚拟管点的地理信息与已知管点信息结合来对地下管线的三维地理坐标信息进行转换。

3.根据权利要求2所述的基于单一管口地理坐标信息的地下管线精确定位方法，其特征在于：所述虚拟点法包括实际延长线法和虚线延长法。

4.根据权利要求3所述的基于单一管口地理坐标信息的地下管线精确定位方法，其特征在于：所述实际延长线法是通过在已知管口处延长一段实际管道获得延长的一段直管或曲线管道。

5.根据权利要求3所述的基于单一管口地理坐标信息的地下管线精确定位方法，其特征在于：所述虚线延长法采用激光或红外辅助方法，从已知管口处外延获得管道虚拟曲线或直线。

6.根据权利要求2所述的基于单一管口地理坐标信息的地下管线精确定位方法，其特征在于：所述虚拟点法借助软件，通过仿真计算获得虚拟管点的地理坐标信息，再结合已知管点的地理位置信息，得到待测管道的三维地理坐标。

7.根据权利要求1所述的基于单一管口地理坐标信息的地下管线精确定位方法，其特征在于：步骤③中，所述仪器包括地下管线惯性定位仪。

8.根据权利要求1所述的基于单一管口地理坐标信息的地下管线精确定位方法，其特征在于：步骤④中，使用自编算法程序或地下管线惯性定位仪配套软件对数据进行处理及导出，数据处理方法包括旋转拉伸算法。

9.根据权利要求7所述的基于单一管口地理坐标信息的地下管线精确定位方法，其特征在于：所述地下管线惯性定位仪包括测量主体和轮系，结构设计采用船舱式结构封装，整体防水密设计；主体内部设置集成处理器模块、陀螺仪、加速度计及可充电电池，数据线、电源充电接口采用集成防水连接器。

10.根据权利要求9所述的基于单一管口地理坐标信息的地下管线精确定位方法，其特征在于：所述轮系包括分别固定连接在测量主体两端的两个轮系单元，轮系单元的轮子上设置里程计记录数据。