多源數(shù)據(jù)融合在管道建設(shè)中的應(yīng)用

李作開

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，制造業(yè)日趨強(qiáng)大，人們?nèi)粘Ｉ顚?duì)石油、天然氣等能源需求增加，高效環(huán)保的能源供給尤為重要，其中地下管道輸送方式被廣泛應(yīng)用，在管道勘測(cè)和設(shè)計(jì)階段需要基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)做支撐，復(fù)雜的地理環(huán)境給施測(cè)單位開展前期精確管道勘察提出更高要求。傳統(tǒng)單一的測(cè)量技術(shù)手段在管線勘察設(shè)計(jì)中面臨效率低、安全性低和成本高等諸多問題。因此，采用多技術(shù)手段融合作業(yè)獲取數(shù)據(jù)具有重要意義和廣闊的前景。

測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，在管道勘察設(shè)計(jì)工作中衍生出多種技術(shù)手段。以廣東省管網(wǎng)“縣縣通工程”禾云-連州-連山項(xiàng)目為例，采用無人機(jī)傾斜攝影、機(jī)載激光掃描和無人船水下測(cè)量多技術(shù)方法分別采集數(shù)據(jù)，由多源數(shù)據(jù)融合應(yīng)用快速生產(chǎn)調(diào)查區(qū)域高精度3D 產(chǎn)品，極大程度改善目前管道建設(shè)前期勘察工作存在的一系列問題，并從作業(yè)效率、安全性和經(jīng)濟(jì)效益三個(gè)方面與傳統(tǒng)作業(yè)方式進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，為相關(guān)管理部門和施測(cè)單位對(duì)管道設(shè)計(jì)、施工調(diào)查測(cè)量工作提供作業(yè)參考。

1 多源數(shù)據(jù)概述

在管道建設(shè)的初期階段，傳統(tǒng)測(cè)量方式具有穩(wěn)定、可靠的特點(diǎn)。但隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，測(cè)繪新技術(shù)和新裝備不斷革新，測(cè)量人員可以通過更多的測(cè)量手段來獲取項(xiàng)目所需數(shù)據(jù)源，相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量方式而言，新技術(shù)手段具有高效、便捷的優(yōu)勢(shì)。不同技術(shù)的應(yīng)用與組合，會(huì)產(chǎn)生不同的測(cè)量精度和經(jīng)濟(jì)效益。

1.1 無人機(jī)傾斜攝影

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)。無人機(jī)傾斜攝影是在無人機(jī)飛行平臺(tái)上搭載五鏡頭相機(jī)，按照設(shè)計(jì)航高和大密度重疊度進(jìn)行連續(xù)拍攝獲取地面多視角高分辨率影像，后期在三維建模軟件中，結(jié)合地面控制點(diǎn)成果，進(jìn)行空三加密、3DTIN（在線三維建模軟件）模型構(gòu)建及優(yōu)化、自動(dòng)紋理關(guān)聯(lián)及貼附、三維模型生產(chǎn)工作[1]。傾斜攝影三維模型可真實(shí)反映地物外觀、位置、高度等屬性，借助無人機(jī)可快速采集影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)建模，具有成本低、效率高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、操作靈活方便等特點(diǎn)[2]。

1.2 機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)

機(jī)載激光雷達(dá)（Lidar，Light Detection And Ranging）是有人機(jī)或無人機(jī)搭載Lidar 設(shè)備，整套系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)航線和重疊度，通過激光測(cè)量和激光掃描實(shí)現(xiàn)三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，快速得到地表密集的高精度三維坐標(biāo)[3]。激光掃描過程中，每個(gè)地面反射點(diǎn)按三維坐標(biāo)以點(diǎn)的形式分布在三維空間中，稱為掃描點(diǎn)。其原理為：當(dāng)一束激光照射到物體表面時(shí)，所反射的激光會(huì)攜帶方位、距離等信息，若將激光束按照某種軌跡進(jìn)行掃描，便會(huì)邊掃描邊記錄反射的激光點(diǎn)信息，由于掃描極為精細(xì)，則能夠得到大量的激光點(diǎn)，因而就可形成激光點(diǎn)集合[4]。

1.3 無人船水下地形測(cè)量

水下地形測(cè)量是指通過測(cè)量?jī)x器獲取江河、湖泊、水庫(kù)等水域的平面位置和高程，并根據(jù)相應(yīng)比例繪制水下地形圖。常用的傳統(tǒng)水下地形測(cè)量方法一般有兩種：一種是測(cè)深桿結(jié)合全站儀來實(shí)現(xiàn)測(cè)深點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，該方法需要船上的人用測(cè)深桿測(cè)定水深，同時(shí)岸上的人通過全站儀測(cè)量測(cè)深點(diǎn)的位置和高程。這種作業(yè)模式效率較低，測(cè)深桿的長(zhǎng)度制約測(cè)深距離，無法實(shí)現(xiàn)測(cè)線的精準(zhǔn)定位。另一種測(cè)量方法是搭載測(cè)深儀進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)深儀固定在船上，作業(yè)時(shí)測(cè)深儀負(fù)責(zé)水深數(shù)據(jù)的采集，并測(cè)量位置和高程。該方法實(shí)現(xiàn)了測(cè)深定位的自動(dòng)化，有效地降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率是比較常用的水下地形測(cè)量方法。該方法使用的船只較大，對(duì)于淺水區(qū)域則無能為力，同樣測(cè)線定位準(zhǔn)確度也取決于駕駛?cè)说恼贫婺芰?，測(cè)線定位往往偏差較大[5]。

隨著科技的不斷進(jìn)步，測(cè)繪儀器的發(fā)展更加趨向于簡(jiǎn)約化，集成化。無人測(cè)量船技術(shù)是集成了GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）定位技術(shù)、聲吶測(cè)深技術(shù)、導(dǎo)航通信技術(shù)等多功能于一身的水下地形測(cè)量系統(tǒng)。此系統(tǒng)以模塊化的形式，將實(shí)時(shí)定位、水下測(cè)深、遠(yuǎn)程通信、自主航行與避障等功能集成到靈活小巧的無人船上，使得水下地形測(cè)量作業(yè)更加安全高效[6]。

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2 多源數(shù)據(jù)組合應(yīng)用技術(shù)思路

基于無人機(jī)航空攝影、機(jī)載激光掃描和無人船水下測(cè)量多技術(shù)方法開展前期管道勘察設(shè)計(jì)工作的技術(shù)思路是：對(duì)于測(cè)量人員可達(dá)到區(qū)域，利用無人機(jī)獲取調(diào)查區(qū)域高分辨率影像數(shù)據(jù)，結(jié)合測(cè)區(qū)控制點(diǎn)成果進(jìn)行數(shù)字正射影像圖生產(chǎn)，同時(shí)可利用空三加密成果恢復(fù)測(cè)區(qū)立體模型，進(jìn)行立體測(cè)圖；對(duì)于測(cè)區(qū)人員無法到達(dá)且地形起伏較大區(qū)域，利用無人機(jī)搭載激光雷達(dá)設(shè)備直接采集目標(biāo)區(qū)域Lidar 點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、噪聲刪除、點(diǎn)云分類編輯形成點(diǎn)云成果數(shù)據(jù)，然后基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成高程點(diǎn)和等高線，同時(shí)可進(jìn)行DLG（數(shù)字線劃圖）采集；對(duì)于水域區(qū)域，利用無人船搭載單波束測(cè)深儀，基于RTK無驗(yàn)潮模式開展水下地形測(cè)量[7]。多源數(shù)據(jù)組合應(yīng)用技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 多源數(shù)據(jù)組合應(yīng)用技術(shù)路線Fig.1 Technical route of multi-source data combination application

3 技術(shù)應(yīng)用

以廣東省管網(wǎng)“縣縣通工程”禾云-連州-連山項(xiàng)目為例，采用無人機(jī)航攝、機(jī)載激光點(diǎn)云、無人船水底高程等多源數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式制作3D 產(chǎn)品，總結(jié)出更高效、可靠的作業(yè)方法。

3.1 無人機(jī)傾斜攝影及三維模型生產(chǎn)

廣東省管網(wǎng)“縣縣通工程”禾云-連州-連山項(xiàng)目實(shí)際作業(yè)航向重疊度為80%、旁向重疊度為55%，飛行航高為700～1 100 m，利用無人機(jī)傾斜攝影獲取測(cè)區(qū)范圍多視角影像數(shù)據(jù)，來獲取像控點(diǎn)坐標(biāo)，將原始影像和控制點(diǎn)成果導(dǎo)入smart3D（實(shí)景三維建模）軟件中，經(jīng)過空三加密處理，獲取測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)（圖2）。再利用已有的DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)，制作高分辨的DOM（數(shù)字正射影像）成果。將三維模型導(dǎo)入EPS（多源多模式一體化采編系統(tǒng)）軟件中，進(jìn)行立體測(cè)圖，得到測(cè)區(qū)矢量數(shù)據(jù)[8]。通過疊加影像和矢量數(shù)據(jù)制作成調(diào)繪片（圖3），外業(yè)進(jìn)行調(diào)和補(bǔ)測(cè)，獲取地形要素?cái)?shù)據(jù)。融合機(jī)載激點(diǎn)云成果數(shù)據(jù)生成的高程點(diǎn)、等高線數(shù)據(jù)，進(jìn)而生成測(cè)區(qū)數(shù)字線劃圖成果數(shù)據(jù)。

圖2 空三加密成果Fig.2 Aerial triangulation results

圖3 調(diào)繪片制作Fig.3 Production of identified photograph

3.2 點(diǎn)云獲取地貌

機(jī)載激光雷達(dá)向地面發(fā)射激光信號(hào)，然后接收地面反射的激光信號(hào)，記錄點(diǎn)位信息。按設(shè)計(jì)要求，快速獲取密度適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)位信息，形成管道工程范圍內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。此后，內(nèi)業(yè)通過聯(lián)合解算、偏差校正，人工操作，便可以計(jì)算出這些點(diǎn)的準(zhǔn)確空間信息。經(jīng)過內(nèi)業(yè)人員精細(xì)化處理制作DEM 數(shù)據(jù)，通過軟件提取精度可靠的高程點(diǎn)和等高線[9]（圖4和圖5）。

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理Fig.4 Point cloud data processing

圖5 高程點(diǎn)和等高線成果Fig.5 Altimetric point and contour results

3.3 無人船水下測(cè)量

作業(yè)前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，了解水深、河流底質(zhì)、水流方向和流速、風(fēng)向風(fēng)速以及天氣等情況，確定無人船適當(dāng)下水位置。

本次使用的華微3號(hào)無人測(cè)量船，已集成定位模塊和單波束測(cè)深儀，具有安裝調(diào)試簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。設(shè)備安裝完畢后，打開無人船測(cè)量軟件進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，完成通信連接并登錄cors（連續(xù)運(yùn)行參考站）賬號(hào)，將船放入水域中。待出現(xiàn)固定解后，打開導(dǎo)航軟件與測(cè)深儀軟件，進(jìn)行導(dǎo)航與水深測(cè)量（圖6）。

圖6 無人測(cè)量船F(xiàn)ig.6 Unmanned survey ship

測(cè)量結(jié)束后，在Hydrosurvey（海洋測(cè)量）軟件中對(duì)水深噪點(diǎn)和異常值進(jìn)行處理，根據(jù)測(cè)量比例尺要求進(jìn)行水深取樣，然后將多測(cè)線水深數(shù)據(jù)合并，導(dǎo)出平面和水底高程成果。將水下測(cè)量成果加載到CASS（南方測(cè)繪）軟件后生成水下等高線數(shù)據(jù)[10]（圖7）。

圖7 水下測(cè)量數(shù)據(jù)Fig.7 Underwater measurement data

4 分析評(píng)價(jià)

此次作業(yè)采用無人機(jī)傾斜攝影、機(jī)載激光掃描和無人船水下測(cè)量多技術(shù)方法采集數(shù)據(jù)，并由多源數(shù)據(jù)融合應(yīng)用快速生產(chǎn)調(diào)查區(qū)域高精度3D 產(chǎn)品，并從作業(yè)安全性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、生產(chǎn)效率三個(gè)方面對(duì)多源數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

4.1 作業(yè)安全性

廣東省管網(wǎng)“縣縣通工程”項(xiàng)目是貫穿廣東省的便民工程，測(cè)區(qū)大多分布在山區(qū)，常年無人踏足，樹高林密，野獸與蚊蟲遍布，水流湍急，給外業(yè)測(cè)量增加很大難度。采用無人機(jī)傾斜攝影、機(jī)載激光掃描和無人船水下測(cè)量等新技術(shù)方法可以使作業(yè)員避開危險(xiǎn)和無法到達(dá)的區(qū)域，有選擇地設(shè)計(jì)測(cè)量路線，減少作業(yè)強(qiáng)度，最大程度保證作業(yè)人員的人身安全。

4.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性

在困難區(qū)域（山高林密、無移動(dòng)信號(hào)覆蓋，地貌復(fù)雜）作業(yè)時(shí)，山高林密干擾GNSS 正常作業(yè)，經(jīng)常出現(xiàn)無固定解、定位精度差的現(xiàn)象，采用激光點(diǎn)云測(cè)量具有明顯優(yōu)勢(shì)。無移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)區(qū)域，無法實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的GNSS 測(cè)量。地貌復(fù)雜時(shí)，加上植被遮擋，作業(yè)人員很難準(zhǔn)確測(cè)繪真實(shí)地貌，利用激光雷達(dá)能夠準(zhǔn)確地獲取微地貌數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)獲取精度；另外航測(cè)法成圖具有較高的相對(duì)精度。在廣東省管網(wǎng)“縣縣通工程”禾云-連州-連山項(xiàng)目中，通過兩種方式獲取不同類型的地形和地貌高程數(shù)據(jù)，經(jīng)過外業(yè)實(shí)測(cè)高程與點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比（表1），證明了激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[11]。

表1 外業(yè)實(shí)測(cè)高程與點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1 Comparison of field measured elevation and point cloud data

4.3 生產(chǎn)效率

在水下測(cè)量過程中，通過測(cè)量效率對(duì)比分析，采用無人船測(cè)量方式相對(duì)于常規(guī)測(cè)量手段而言，在作業(yè)人數(shù)、數(shù)據(jù)采集、作業(yè)時(shí)長(zhǎng)等方面均有明顯優(yōu)勢(shì)，且無人船水下測(cè)量可按照時(shí)間或距離設(shè)置采樣間隔，采集數(shù)據(jù)密集，可滿足水下測(cè)量不同精度要求。兩者水下測(cè)量效率對(duì)比情況見表2。

表2 水下測(cè)量效率對(duì)比Tab.2 Comparison of underwater measurement efficiency

在地形測(cè)量過程中，進(jìn)行測(cè)量效率對(duì)比分析。在開展相同面積數(shù)據(jù)采集任務(wù)時(shí)，采用多技術(shù)組合應(yīng)用的方法相對(duì)于常規(guī)測(cè)量手段，投入的作業(yè)人數(shù)更少，作業(yè)時(shí)間更短，且采用多技術(shù)組合方式作業(yè)安全性更高。兩者地形測(cè)量效率對(duì)比情況見表3。

表3 地形測(cè)量效率對(duì)比Tab.3 Comparison of topographic survey efficiency

5 結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量方法在管道建設(shè)施工測(cè)量中存在的問題，將無人機(jī)傾斜攝影、機(jī)載激光掃描和無人船水下測(cè)量多技術(shù)組合應(yīng)用，可極大程度提高生產(chǎn)效率并保障作業(yè)人員的安全。多源數(shù)據(jù)組合應(yīng)用方案能夠快速獲取管道建設(shè)前期豐富的基底數(shù)據(jù)，為項(xiàng)目順利開展提供可靠保障，同時(shí)帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。但由于多技術(shù)方法采用多種先進(jìn)技術(shù)裝備，設(shè)備較昂貴且對(duì)專業(yè)技術(shù)要求較高。隨著測(cè)繪裝備和技術(shù)的不斷發(fā)展，多技術(shù)組合應(yīng)用進(jìn)行管道建設(shè)施工測(cè)量將被廣泛應(yīng)用。