透地雷達與慣性定位儀在土地重劃工程上的應用

張文仲 台灣檢測股份有限公司 總工程司

張渝江 技師

前言

土地應用價值在都會區主要以重劃方式進行都市計畫的落實、下水道（或管線）之興築及公共設施之建構。土地重劃工程中，對於既有之基礎設施需充分掌握，以進行必要之重整或遷移，比如既有之電纜、線路及給排水之涵渠。

當土地重劃工程對於既有設施之掌握夠精確，將可避免設計後之施工階段，動輒進行實際開挖以確定管線位置或因未明其位置產生誤挖與維生管線供應中斷，不僅影響既有使用，亦滋生其後之賠償責任。同時開挖除曠日費時外，亦極浪費能源，因而新非開挖與非破壞之探測管線技術之引入土地重劃，得以有效精進重劃工程之進度與節能減碳，故本文為實務上應用非破壞檢測，進行土地重劃工作之成果，以達拋磚引玉之效。

透地雷達

透地雷達與一般航空用雷達原理上一致，均藉由電磁波發射，遇目標反射後接收，再計算出位置與距離。主要差異在於航空用雷達多以公里或數十公里為單位；而透地雷達則依頻率而異，多以10 公分或公尺為單位。另一方面，航空用雷達之傳播介質為空氣，主要目標絕大部分為金屬飛行器材，相對之下，管道定位用之透地雷達，介質則多為土壤，也可能包含水氣、礫石等各式雜質，先天環境確實較複雜、嚴苛，同時不同物質間之介電常數差異夠大時，雷達波型圖就會顯影，而環境較複雜時會產生太多顯影，造成識別上較為困難。此外，土壤水分的增減，亦可能造成雷達波速減緩，造成顯影深度與實際深度不同之情況。

一般管道定位用之雷達，有幾點共同性：

一、  頻率多在100MHz~900MHz 之間，而頻率為目標解析度之主要影響因素。同常頻率高，波長短，適合檢視較小之物體，但穿透力較不足。反之，頻率較低，波常較長，較適合檢視較深，較大之目標。地下管道，大部分介於地下0.3公尺~2.5公尺之間，管徑自數英吋至1公尺或以上，此目標，以100MHz~900MHz 之間，是公認最理想的管道定位較理想的頻率。

二、  多在測區以直線移動，包括平行路面與橫跨路面（即所謂井字型）移動，儘可能橫跨地下管道，以取得最佳斷面圖資。

三、  多以測線為單位，即已一定單位距離內的測線數目來計算，通常測線越多，資料量越大，越有可能提供更多資訊得以識別。

四、  一般而言，金屬含量越高之目標，越容易探測；PVC等塑膠管料次之；水泥材質則為較不易識別之對象，主要因材質與土壤特性較接近。

在人口越稠密處，地下管道就會越稠密。粗略估計，市街道路，每公里路面下方所埋設各式走向、種類之管道，總長度會介於10公里~30公里，甚至超過，其中一半以上坐落於地面至地下3公尺之深度範圍，所以管道上下重疊或交錯是很正常狀況。因此，一般單頻雷達確實輕巧方便，適合較小面積施作掏空檢測或定位，但若是在人口稍為稠密之處，施作管道定位時，要收集大量資訊解讀地下管線資訊，確實力有未逮。所以近年雷達製造商也多已發展雙頻率多天線之雷達，以便在最快時間取得最多資訊，也藉由軟體整合所有資訊，整體判讀，如下圖。

雙頻陣列天線之雷達波型圖與斷層圖〈Tomography〉，右下方之斷層圖顯示兩條管道在不同深度之顯影狀況。

慣性定位儀

理論依據：陀螺儀，角動量守恆定律(類似牛頓第一運動定律)。

角動量守恆定律，如今廣泛地運用在軍事、航太及航海科技領域。例如美軍聯合制導攻擊軍備(JDAM), 以全球定位座標系統演算出固定路徑。投擲後，則主要以陀螺儀系統，控制彈體 水平與垂直方向角度，以維持固定滑翔路徑的方式擊中目標。

聯合制導攻擊軍備JDAMs 於B-52 轟炸機機翼載具上

資料來源 http://en.wikipedia.org/wiki/Joint_Direct_Attack_Munition

而在近幾年，航太工程師將流程反向思考，讓陀螺儀自開始點移動至停止點，即時記載本體3D角度變化及行進距離，然後依座標系統繪製出移動軌跡，這便是慣性定位儀的設計核心技術。

使用慣性對儀有如下優點：

一、  無深度限制：只要沿空管內先佈放一條繩子，然後拖曳慣性定位儀沿管道平順移動，即可取得管線資料。

二、  無地形限制：傳統定位器材，人員無法於河面或高速公路上進行定位工作。本設備不需要作業人員於路面追蹤地下信號發射器，所以定位工作不受地形的限制。

三、  無需考慮電磁場干擾：因為本套設備與理論架構，與電磁效應、電磁波完全無關聯。

四、  整套作業流程均由電腦運算，人為因素降至最低。

如何避免損毀既設管道、管線？重點在於取得得以信賴的圖資。相信在將來，座標將會是管道管理重要依據，而不再僅只是一張示意圖。慣性定位儀確實是一項值得信賴的工具，來取得所需地下目標之相關座標。但有一點須特別留意的，此工法需要一段空管，讓設備得以完整延著管道移動及工作人員需要測量管道入出口點座標，進行整個管道座標的演算，同時管道入出口點週圍需要施作的空間。若是管道中已佈放電纜，或是已有天然氣或液體流動，則幾乎無使用本工法。  

慣性定位儀，左圖為泰國現場進行管線定位，右圖為在台灣施作現場

慣性定位儀所重建之管線縱斷面圖。紅線表示地面，紫色線表示計劃路徑，綠色線則為慣性定位儀所測實際路線。本圖明顯表現出計劃與實際路徑有很大差異。

結論

所有地下管道定位設備，不論是利用何種工法，都有其物理極限，也沒有一種工法適用所有情況之管道定位。即使精密如陀螺儀者，也需面對陀螺儀本身漂移現象（Drift）之負面影響，藉由演算及反覆施作，取得最佳值。

在另一方面，通常管道定位工程會要求一個量化標準，以便預算編列及驗收時作為一個依據，這一部份是目前較需費心評估之處。例如，因為雷達影像可以識別許多目標約略相對大小，但無法提供正確管徑。所以當雷達定出一條不明管道，翻遍所有管道業者所提供圖資，找不到任何紀錄，需再回到現場尋找是否有遭封層之孔蓋，只是為了確認其屬性與管徑，可是往往現場找不到相關資訊，但是所投入時間與人力往往並非可以預估得到的。至於驗收量化標準，往往是開挖確認實際深度後以其正負15%為可接受誤差範圍，但是若發現埋設最淺的管道，深度不到30公分，以其15%計算，只有4.5公分或更少之容許誤差範圍，此一標準對於較淺層之管道，會發生應用上的障礙。

以目前實際工作經驗而言，可以歸納出另一種運用方式。例如，在關島施作時，曾與當地廠商合作在特定區塊進行探測，找出預計埋設人孔點附近之最佳位置，提高挖孔團隊之效率。而在台灣則是協助管道業者或重劃工程之調查，以進行設計或是尋找出最佳路徑，規劃未來新設管道之最佳位置及可能遇到之其他管道與空間不足問題，均有相當不錯的成果。因此，相信妥善利用現有之雷達裝備，定位較淺層之一般管道目標；陀螺儀定位深層目標，如台電特高壓電纜管道等，佐以其他管道定位工具，搭配現場開孔作業及管道圖資，將足以提供大量資訊給土地重劃、新增設管道等相關單位於初步規劃階段，做為參考依據。

土地重劃工程所費雖貲，但與時程之延宕造成後續土地應用之延遲與經濟效用之減損相較，相去極微。若在重劃工作初期得以投入更多成本與資源，以非開挖，非破壞之透地雷達與慣性定位，調查明確相關管線之位置，得以更快速且更經濟節能完成調查與設計。因重劃工作不外公辦與自辦，期得以在減少碳排與效率之考量下，更加大這些技術在實務上的應用，既是全民之福，亦不減損台灣為科技島之聲名。