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)計院有限公司

近年來，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，制造業(yè)日趨強大，人們?nèi)粘Ｉ顚κ?、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，在管道勘測和設(shè)計階段需要基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)做支撐，復雜的地理環(huán)境給施測單位開展前期精確管道勘察提出更高要求。傳統(tǒng)單一的測量技術(shù)手段在管線勘察設(shè)計中面臨效率低、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。

測繪技術(shù)的發(fā)展，在管道勘察設(shè)計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-連山項目為例，采用無人機傾斜攝影、機載激光掃描和無人船水下測量多技術(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)濟效益三個方面與傳統(tǒng)作業(yè)方式進行分析評價，為相關(guān)管理部門和施測單位對管道設(shè)計、施工調(diào)查測量工作提供作業(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)測量方式具有穩(wěn)定、可靠的特點。但隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的進步，測繪新技術(shù)和新裝備不斷革新，測量人員可以通過更多的測量手段來獲取項目所需數(shù)據(jù)源，相對于傳統(tǒng)測量方式而言，新技術(shù)手段具有高效、便捷的優(yōu)勢。不同技術(shù)的應(yīng)用與組合，會產(chǎn)生不同的測量精度和經(jīng)濟效益。

1.1 無人機傾斜攝影

傾斜攝影測量技術(shù)是國際測繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)。無人機傾斜攝影是在無人機飛行平臺上搭載五鏡頭相機，按照設(shè)計航高和大密度重疊度進行連續(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)合地面控制點成果，進行空三加密、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反映地物外觀、位置、高度等屬性，借助無人機可快速采集影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全自動建模，具有成本低、效率高、數(shù)據(jù)準確、操作靈活方便等特點[2]。

1.2 機載激光雷達點云數(shù)據(jù)

機載激光雷達（Lidar，Light Detection And Ranging）是有人機或無人機搭載Lidar 設(shè)備，整套系統(tǒng)按照設(shè)計航線和重疊度，通過激光測量和激光掃描實現(xiàn)三維激光點云數(shù)據(jù)采集，快速得到地表密集的高精度三維坐標[3]。激光掃描過程中，每個地面反射點按三維坐標以點的形式分布在三維空間中，稱為掃描點。其原理為：當一束激光照射到物體表面時，所反射的激光會攜帶方位、距離等信息，若將激光束按照某種軌跡進行掃描，便會邊掃描邊記錄反射的激光點信息，由于掃描極為精細，則能夠得到大量的激光點，因而就可形成激光點集合[4]。

1.3 無人船水下地形測量

水下地形測量是指通過測量儀器獲取江河、湖泊、水庫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)水下地形測量方法一般有兩種：一種是測深桿結(jié)合全站儀來實現(xiàn)測深點的數(shù)據(jù)采集，該方法需要船上的人用測深桿測定水深，同時岸上的人通過全站儀測量測深點的位置和高程。這種作業(yè)模式效率較低，測深桿的長度制約測深距離，無法實現(xiàn)測線的精準定位。另一種測量方法是搭載測深儀進行測量，將測深儀固定在船上，作業(yè)時測深儀負責水深數(shù)據(jù)的采集，并測量位置和高程。該方法實現(xiàn)了測深定位的自動化，有效地降低了作業(yè)人員的勞動強度，提高了作業(yè)效率是比較常用的水下地形測量方法。該方法使用的船只較大，對于淺水區(qū)域則無能為力，同樣測線定位準確度也取決于駕駛?cè)说恼贫婺芰Γ瑴y線定位往往偏差較大[5]。

隨著科技的不斷進步，測繪儀器的發(fā)展更加趨向于簡約化，集成化。無人測量船技術(shù)是集成了GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）定位技術(shù)、聲吶測深技術(shù)、導航通信技術(shù)等多功能于一身的水下地形測量系統(tǒng)。此系統(tǒng)以模塊化的形式，將實時定位、水下測深、遠程通信、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

基于無人機航空攝影、機載激光掃描和無人船水下測量多技術(shù)方法開展前期管道勘察設(shè)計工作的技術(shù)思路是：對于測量人員可達到區(qū)域，利用無人機獲取調(diào)查區(qū)域高分辨率影像數(shù)據(jù)，結(jié)合測區(qū)控制點成果進行數(shù)字正射影像圖生產(chǎn)，同時可利用空三加密成果恢復測區(qū)立體模型，進行立體測圖；對于測區(qū)人員無法到達且地形起伏較大區(qū)域，利用無人機搭載激光雷達設(shè)備直接采集目標區(qū)域Lidar 點云數(shù)據(jù)，經(jīng)點云數(shù)據(jù)預處理、噪聲刪除、點云分類編輯形成點云成果數(shù)據(jù)，然后基于點云數(shù)據(jù)生成高程點和等高線，同時可進行DLG（數(shù)字線劃圖）采集；對于水域區(qū)域，利用無人船搭載單波束測深儀，基于RTK無驗潮模式開展水下地形測量[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-連山項目為例，采用無人機航攝、機載激光點云、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-連山項目實際作業(yè)航向重疊度為80%、旁向重疊度為55%，飛行航高為700～1 100 m，利用無人機傾斜攝影獲取測區(qū)范圍多視角影像數(shù)據(jù)，來獲取像控點坐標，將原始影像和控制點成果導入smart3D（實景三維建模）軟件中，經(jīng)過空三加密處理，獲取測區(qū)范圍內(nèi)的實景三維模型數(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。將三維模型導入EPS（多源多模式一體化采編系統(tǒng)）軟件中，進行立體測圖，得到測區(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)進行調(diào)和補測，獲取地形要素數(shù)據(jù)。融合機載激點云成果數(shù)據(jù)生成的高程點、等高線數(shù)據(jù)，進而生成測區(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 點云獲取地貌

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

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

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

3.3 無人船水下測量

作業(yè)前進行現(xiàn)場踏勘，了解水深、河流底質(zhì)、水流方向和流速、風向風速以及天氣等情況，確定無人船適當下水位置。

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

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

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

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

4 分析評價

此次作業(yè)采用無人機傾斜攝影、機載激光掃描和無人船水下測量多技術(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)準確性、生產(chǎn)效率三個方面對多源數(shù)據(jù)技術(shù)進行分析評價。

4.1 作業(yè)安全性

廣東省管網(wǎng)“縣縣通工程”項目是貫穿廣東省的便民工程，測區(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)測量增加很大難度。采用無人機傾斜攝影、機載激光掃描和無人船水下測量等新技術(shù)方法可以使作業(yè)員避開危險和無法到達的區(qū)域，有選擇地設(shè)計測量路線，減少作業(yè)強度，最大程度保證作業(yè)人員的人身安全。

4.2 數(shù)據(jù)準確性

在困難區(qū)域（山高林密、無移動信號覆蓋，地貌復雜）作業(yè)時，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，采用激光點云測量具有明顯優(yōu)勢。無移動網(wǎng)絡(luò)信號區(qū)域，無法實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的GNSS 測量。地貌復雜時，加上植被遮擋，作業(yè)人員很難準確測繪真實地貌，利用激光雷達能夠準確地獲取微地貌數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)獲取精度；另外航測法成圖具有較高的相對精度。在廣東省管網(wǎng)“縣縣通工程”禾云-連州-連山項目中，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)實測高程與點云數(shù)據(jù)對比（表1），證明了激光雷達點云數(shù)據(jù)的準確性[11]。

表1 外業(yè)實測高程與點云數(shù)據(jù)對比Tab.1 Comparison of field measured elevation and point cloud data

4.3 生產(chǎn)效率

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

表2 水下測量效率對比Tab.2 Comparison of underwater measurement efficiency

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

表3 地形測量效率對比Tab.3 Comparison of topographic survey efficiency

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)測量方法在管道建設(shè)施工測量中存在的問題，將無人機傾斜攝影、機載激光掃描和無人船水下測量多技術(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)，為項目順利開展提供可靠保障，同時帶來較大的經(jīng)濟效益。但由于多技術(shù)方法采用多種先進技術(shù)裝備，設(shè)備較昂貴且對專業(yè)技術(shù)要求較高。隨著測繪裝備和技術(shù)的不斷發(fā)展，多技術(shù)組合應(yīng)用進行管道建設(shè)施工測量將被廣泛應(yīng)用。