海底管道平面位置成果互算方法研究

周興華，趙廣乾，唐遠(yuǎn)彬

(1.浙江省水利河口研究院， 浙江 杭州 310020； 2.浙江省河海測(cè)繪院， 浙江 杭州 310008；3.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310020)

海底管道平面位置成果互算方法研究

周興華1,2,3，趙廣乾1,2，唐遠(yuǎn)彬1,2

(1.浙江省水利河口研究院， 浙江 杭州 310020； 2.浙江省河海測(cè)繪院， 浙江 杭州 310008；3.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310020)

針對(duì)海底管道檢測(cè)數(shù)據(jù)處理中涉及到的地理坐標(biāo)成果和起點(diǎn)距成果的不統(tǒng)一，研究了海底管道檢測(cè)數(shù)據(jù)處理中成果互算內(nèi)容及其方法，并提出了基于ARCGIS Engine實(shí)現(xiàn)成果互算的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化處理方法。該研究成果在冊(cè)鎮(zhèn)海底管道檢測(cè)中得到應(yīng)用，并對(duì)于其他管道檢測(cè)數(shù)據(jù)處理及斷面測(cè)量數(shù)據(jù)處理提供了借鑒和參考。

海底管道；起點(diǎn)距；平面偏差；管道狀態(tài)；DEM

隨著國(guó)家海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展，海底管道在日常的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要性尤為突顯。海底管道是指通過(guò)密閉的管道在海底連續(xù)地輸送大量油(氣)的管道[1]。由于海底管道相比其他運(yùn)輸方式具有效率高、運(yùn)油能力大的優(yōu)勢(shì)，因此受到一定程度的推廣。但海底管道受海洋風(fēng)浪、潮流、臺(tái)風(fēng)以及海中漂浮物和船舶撞擊或拋錨等影響較大，海底管道在正常服役階段可能受到的荷載作用,包括內(nèi)壓、溫度、彎曲、覆土、地震作用和殘余應(yīng)力作用。需要定期對(duì)海底管道局部沖刷進(jìn)行檢測(cè)，目前檢測(cè)方法主要基于聲學(xué)技術(shù)[2-5]。

海底管道局部沖刷數(shù)據(jù)處理中，經(jīng)常會(huì)涉及兩種數(shù)據(jù)成果不統(tǒng)一的情況，即地理坐標(biāo)成果和起點(diǎn)距成果。起點(diǎn)距是指多段線起點(diǎn)沿著線段前進(jìn)方向到任意一點(diǎn)的距離，可理解為將多段線分解為多條兩點(diǎn)組成的簡(jiǎn)單線段長(zhǎng)度累加的距離[1]。兩種數(shù)據(jù)都有各自的優(yōu)點(diǎn)：地理坐標(biāo)成果能夠正確表達(dá)地理位置，便于數(shù)據(jù)處理；而起點(diǎn)距成果容易生成剖面圖，便于比較分析。

針對(duì)海底管道檢測(cè)數(shù)據(jù)采用兩種成果進(jìn)行表達(dá)，本文研究海底管道地理坐標(biāo)成果與起點(diǎn)距成果之間相互轉(zhuǎn)換的原理，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化處理，以提高工作效率。

1 海底管道平面成果互算的內(nèi)容和方法

海底管道局部沖刷檢測(cè)分析包括三項(xiàng)內(nèi)容：(1) 與歷年相比海底管道平面位置偏差分析；(2) 海底管道狀態(tài)分析；(3) 管道所處海床地形分析。

海底管道節(jié)點(diǎn)平面偏差分析主要運(yùn)用歷年檢測(cè)數(shù)據(jù)的管道平面位置進(jìn)行比較分析，確定潮流沖刷對(duì)海底管道造成的影響[1]；海底管道狀態(tài)分析主要利用側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)和淺地層剖面儀數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，確定海底管道的埋深、裸露、懸空等狀態(tài)，并與上一測(cè)次管道狀態(tài)比較分析，判斷海底管道狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)；管道所處海床地形分析，主要利用不同測(cè)次的水下地形數(shù)據(jù)建立DEM進(jìn)行沖淤分析研究[2]。在處理海底管道平面位置偏差分析和海底管道狀態(tài)分析過(guò)程中，為了數(shù)據(jù)的直觀性，通常將地理坐標(biāo)成果換算成管道起點(diǎn)距形式進(jìn)行比較。而在表達(dá)具體地理位置時(shí)，通常又要將起點(diǎn)距成果換成地理坐標(biāo)形式成果。

1.1 海底管道地理坐標(biāo)歸算起點(diǎn)距成果

海底管道為直線時(shí)，如果坐標(biāo)點(diǎn)落在管道上，則該點(diǎn)的起點(diǎn)距即為該點(diǎn)到海底管道起點(diǎn)的距離見(jiàn)圖1(a)；如果坐標(biāo)點(diǎn)在海底管道兩側(cè)附近，則該點(diǎn)的起點(diǎn)距即過(guò)該點(diǎn)作海底管道垂線，垂足與起點(diǎn)的距離即為該點(diǎn)的起點(diǎn)距成果，見(jiàn)圖1(b)；如果該點(diǎn)的在管道起點(diǎn)或終點(diǎn)垂線外側(cè)(見(jiàn)圖1(c))，則判斷該點(diǎn)超限。

(a) 情況1(b) 情況2(c) 情況3

圖1 點(diǎn)與管道關(guān)系

海底管道為曲線時(shí)，則可以將海底管道由多條多段線組成。海底管道附近的地理坐標(biāo)歸算起點(diǎn)距時(shí)首先將坐標(biāo)點(diǎn)按圖2所示求出垂足，然后沿起點(diǎn)沿著線段前進(jìn)方向到該點(diǎn)垂足點(diǎn)的距離累積。當(dāng)P點(diǎn)在兩折線連線的鈍角方向時(shí)，并且過(guò)P點(diǎn)作折線方向的垂線，垂足都在折線延長(zhǎng)線時(shí)，此時(shí)P點(diǎn)至管道最短距離為pp′，P點(diǎn)歸算至管道的點(diǎn)為p′，起點(diǎn)距即為起點(diǎn)至p′各個(gè)線段的距離和，見(jiàn)圖2(a)。當(dāng)P點(diǎn)在兩折線兩線的銳角方向時(shí)，并且過(guò)P點(diǎn)分別向兩折線方向作垂線，如果PP1

(a)P點(diǎn)在兩折線連線的鈍角方向(b)P點(diǎn)在兩折線連線的銳角方向

圖2 點(diǎn)與管道(非直線)關(guān)系

點(diǎn)到多段線最近距離計(jì)算時(shí)可以看成點(diǎn)到線段的距離，并判斷垂足在線段內(nèi)還是線段外。

計(jì)算過(guò)程如下：

(1) 如果該線段平行于x軸(y軸)，則過(guò)點(diǎn)p(xp,yp)作該線段所在直線的垂線，垂足很容易求得，然后計(jì)算出垂足，如果垂足在線段上則返回垂足，否則返回離垂足近的端點(diǎn)。

(2) 如果該線段不平行于x軸也不平行于y軸，則斜率存在且不為0[1]。設(shè)線段L的兩端點(diǎn)為A(xA，yA)和B(xB,yB)，斜率計(jì)算為公式為：

(1)

判斷垂足是否在線段上，如果在線段上則返回垂足，見(jiàn)公式(2)。如果不在則計(jì)算兩端點(diǎn)到垂足的距離，選擇距離垂足較近的端點(diǎn)返回[1]。

(2)

1.2 起點(diǎn)距成果歸算地理坐標(biāo)成果

起點(diǎn)距理解為從起點(diǎn)開(kāi)始多條線段距離的累積，計(jì)算步驟如下;

(1) 根據(jù)提供的起點(diǎn)距d與各個(gè)線段和的比較，判讀起點(diǎn)距d對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)d(xd,yd)在哪段線段上。假如：

l1+l2+…ln-1≤d

(3)

則判斷d1(xd,yd)落在線段ln上，假設(shè)ln線段兩端的坐標(biāo)為A(x1,y1),B(x2,y2)，點(diǎn)A為起點(diǎn)。

(2) 如果該線段平行于x軸(y軸)，則過(guò)A(x1,y1)很容易求得d1(xd,yd)。

(3) 如果該線段不平行于x軸也不平行于y軸，則斜率存在且不為0。

圖3 直線上點(diǎn)地理坐標(biāo)計(jì)算原理

由圖3相似三角形原理可知，

(4)

(5)

(6)

根據(jù)提供的起點(diǎn)距和多段線的起點(diǎn)坐標(biāo)，利用坐標(biāo)公式便可以計(jì)算出該點(diǎn)的坐標(biāo)。

2 算法實(shí)現(xiàn)

ArcGIS Engine是一套完備的嵌入式GIS組件庫(kù)和工具庫(kù)，由于其具有簡(jiǎn)潔、靈活、易用、可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此使用ArcGIS Engine和C#進(jìn)行海底管道檢測(cè)數(shù)據(jù)兩種成果之間的相互轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換之前，需要根據(jù)海底管道節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(地理坐標(biāo))創(chuàng)建多段線，在ArcGIS Engine中用polyline對(duì)象進(jìn)行表示[2,6-7]。

2.1 海底管道地理坐標(biāo)歸算起點(diǎn)距成果

已知海底管線ln(IPolyline)和地理坐標(biāo)點(diǎn)pt(IPoint)，則起點(diǎn)距可用IPolyline的接口函數(shù)QueryPointAndDistance計(jì)算得到，在下述代碼中distanceOnCurve變量即為需要的起點(diǎn)距。

bool asRatio=false;

IPoint nearestPoint=new PointClass();

double distanceOnCurve=0;

double nearestDistance=0;

bool isRightSide=false;

ln.QueryPointAndDistance(esriSegmentExtension.esriNoExtension, pt, asRatio, nearestPoint, ref distanceOnCurve, ref nearestDistance, ref isRightSide);

2.2 起點(diǎn)距成果歸算地理坐標(biāo)成果

已知海底管線ln(IPolyline)和起點(diǎn)距dis(double)，則地理坐標(biāo)可用IPolyline的接口函數(shù)QueryPoint函數(shù)得到，在下述代碼中outPoint即為地理坐標(biāo)點(diǎn)，可獲取坐標(biāo)x和y。

IPoint outPoint=new PointClass();

ln.QueryPoint(esriSegmentExtension.esriNoExtension,dis, false, outPoint);

doublex=outpoint.x;

doubley=outpoint.y;

3 應(yīng)用實(shí)例

冊(cè)鎮(zhèn)海底管道是甬滬寧管網(wǎng)的重要組成部分，起于舟山市冊(cè)子島油庫(kù)，終于鎮(zhèn)海嵐山油庫(kù)。冊(cè)鎮(zhèn)海底管道于2006年建成投用后，受客觀自然條件和人類活動(dòng)等因素綜合影響，特別是受海流等因素影響，部分區(qū)域海床被沖刷，導(dǎo)致不同地段的海底管道出現(xiàn)局部懸空[8-11]。

浙江省河海測(cè)繪院受業(yè)主委托于2012年起進(jìn)行冊(cè)鎮(zhèn)海底管道的檢測(cè)工作，通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理，對(duì)比分析海底管道位置、狀態(tài)變化情況，為管道安全運(yùn)行提供依據(jù)。根據(jù)以上海底管道地理坐標(biāo)和起點(diǎn)距成果互算方法，編制了管道平面偏差成果表、管道狀態(tài)成果表、管道坐標(biāo)成果表，部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表1～表3。

表1 冊(cè)鎮(zhèn)管道平面偏差成果表

表2 冊(cè)鎮(zhèn)管道狀態(tài)成果表

表3 冊(cè)鎮(zhèn)管道坐標(biāo)成果表

4 結(jié) 語(yǔ)

海底管道因工作效率高、便捷等優(yōu)勢(shì)在沿海一帶都有建設(shè)運(yùn)行。但受客觀自然條件和人類活動(dòng)等因素綜合影響，特別是受海流等因素影響，部分區(qū)域海床被沖刷，導(dǎo)致不同地段的海底管道出現(xiàn)局部懸空。因此為了保障海底管道安全運(yùn)行，需要對(duì)海底管道沖刷情況定期檢測(cè)，對(duì)局部沖刷嚴(yán)重區(qū)域及時(shí)治理[12-13]。本文主要研究了海底管道檢測(cè)數(shù)據(jù)處理中成果互算內(nèi)容及其方法，并提出了基于ARCGIS Engine實(shí)現(xiàn)成果互算的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化處理方法。該研究成果已應(yīng)用在冊(cè)鎮(zhèn)海底管道檢測(cè)項(xiàng)目中數(shù)據(jù)處理中，效果良好。并且該成果對(duì)于其他管道檢測(cè)數(shù)據(jù)處理及斷面測(cè)量數(shù)據(jù)處理提供了借鑒和參考。

[1] 唐遠(yuǎn)彬，任少華，姜小俊，等.海底管道檢測(cè)數(shù)據(jù)平面偏差與管道狀態(tài)分析研究[J].測(cè)繪科學(xué),2014,39(9):69-70.

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A Conversion Calculation Method for Horizontal Position Achievement of Submarine Pipelines

ZHOU Xinghua1,2,3, ZHAO Guangqian1,2, TANG Yuanbin1,2

(1.ZhejiangInstituteofHydraulic&Estuary,Hangzhou,Zhejiang310020,China；2.ZhejiangSurveyingInstituteofEstuaryandCoast,Hangzhou,Zhejiang310008,China;3.ZhejiangProvincialKeyLaboratoryofHydraulicDisasterPreventionandMitigation,Hangzhou,Zhejiang310020,China)

In data processing from a detection for a submarine pipeline, its horizontal coordinates can hardly be converted to a certain distance from an initial point. In order to solve this problem, this article proposed a mutual conversion calculation method for the results of the horizontal coordinates and the ones of certain distances from an initial point. Also a method of automatic mutual conversion calculation based on ArcGIS Engine is proposed. The method was applied in Cezidao-Zhenhai submarine pipelines detection.

submarine pipeline; certain distance; plane deviation; pipeline state; Digital Elevation Model

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.019

2017-02-19

2017-03-21

浙江省科學(xué)技術(shù)廳項(xiàng)目(2016F30010)；基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)急測(cè)繪保障能力建設(shè)

周興華(1980—)，男，浙江臨安人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事海洋測(cè)繪工程及無(wú)人機(jī)應(yīng)用研究工作。E-mail: 38103455@qq.com

P229.5

A

1672—1144(2017)03—0096—04