何祖祥，高軍寶，王衛(wèi)民，李強(qiáng)

（1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000；2.中油朗威工程項(xiàng)目管理有限公司，河北廊坊065000）

機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）在尼日爾原油管道勘測中的應(yīng)用

何祖祥1，高軍寶2，王衛(wèi)民1，李強(qiáng)2

（1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000；2.中油朗威工程項(xiàng)目管理有限公司，河北廊坊065000）

針對尼日爾某原油管道沿線社會(huì)依托及安保條件很差的情況，為解決該管道工程前期的勘測問題，采用機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）航測技術(shù)進(jìn)行勘測。文章闡述了采用機(jī)載LiDAR進(jìn)行工程勘測的組織與實(shí)施過程，通過應(yīng)用實(shí)踐及精度的檢驗(yàn)，展現(xiàn)了應(yīng)用LiDAR航測技術(shù)進(jìn)行長輸管道勘測在精度、效率上的獨(dú)特優(yōu)勢，文章最后對其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望并提出相關(guān)建議。

長輸管道；機(jī)載激光雷達(dá)；航測；勘測

0 引言

尼日爾某原油管道起自Agadem油田，終點(diǎn)設(shè)在Zinder煉廠，線路全長460 km。管道沿途地貌主要為沙丘、熱帶草原、耕地等，地貌相對簡單。但是沿線城鎮(zhèn)稀疏，交通依托條件很差，工程所在地屬疾病多發(fā)區(qū)，并有反政府武裝出沒。在社會(huì)條件如此惡劣、項(xiàng)目工期緊張的情況下，常規(guī)的勘測方式已無法滿足要求。鑒于此，本項(xiàng)目最終選擇LiDAR航測來完成該管道的測量任務(wù)。

1 LiDAR航測的組織與實(shí)施

1.1 組織與實(shí)施總體框架

勘測任務(wù)由我方尼日爾管道PMC項(xiàng)目組負(fù)責(zé)，組織與實(shí)施總體框架見圖1。任務(wù)分成兩步實(shí)施，首先法國輝固（Fugro）公司按我方要求完成航飛外業(yè)，并提交數(shù)字高程模型DEM和正射影像DOM產(chǎn)品。然后我方在此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上生成帶狀地形圖和線路縱斷面圖等數(shù)據(jù)?？紤]本管道沿線地物類型相對簡單，以及安保方面限制，本項(xiàng)目沒有進(jìn)行野外調(diào)繪。

圖1 組織與實(shí)施總體框架

1.2 GPS基準(zhǔn)站點(diǎn)的布設(shè)

機(jī)載LiDAR在空中對地測量過程中，為了在航測期間連續(xù)獲取與機(jī)載GPS同步的觀測數(shù)據(jù)，飛行時(shí)需在地面布設(shè)若干個(gè)GPS基準(zhǔn)站，通過地面GPS基準(zhǔn)站和機(jī)載GPS的測量數(shù)據(jù)的聯(lián)合差分解算，精確確定飛行軌跡。單個(gè)GPS基站的覆蓋半徑通常為30 km左右。根據(jù)管道長度，本工程共布設(shè)野外地面控制點(diǎn)9個(gè)（見圖2）。每個(gè)控制點(diǎn)觀測時(shí)間不少于5 h，首尾兩端控制點(diǎn)觀測時(shí)間不少于7 h，觀測數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔15 s。

圖2 GPS基準(zhǔn)站點(diǎn)布設(shè)

1.3 航飛任務(wù)設(shè)計(jì)

航飛導(dǎo)航中線根據(jù)SPOT-5衛(wèi)星的2.5 m分辨率遙感數(shù)據(jù)初選線路確定，然后使用輝固公司FLI-MAP 400型號(hào)的LiDAR設(shè)備對管道走廊帶進(jìn)行航測。在飛行任務(wù)設(shè)計(jì)中，考慮到將來可能出現(xiàn)的線路局部調(diào)整以及中間加熱站的范圍，將數(shù)據(jù)的采集寬度確定為管道兩側(cè)共700 m范圍。同時(shí)為避免首末站場位置調(diào)整而導(dǎo)致重飛，在首尾兩端各2 km的范圍內(nèi)覆蓋寬度加寬至1 400 m。飛行技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 航飛技術(shù)參數(shù)

1.4 激光點(diǎn)云處理、生成DEM

激光點(diǎn)云處理：本工程共采集約37億個(gè)激光點(diǎn)，激光點(diǎn)數(shù)據(jù)采集完成后，利用Terrosolid軟件對不同激光點(diǎn)進(jìn)行植被、房屋、地形等類別的分類過濾及人工檢查，保留地表激光點(diǎn)用于DEM數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。

生成DEM：為等高線數(shù)據(jù)的生產(chǎn)方便，需對處理后的激光點(diǎn)進(jìn)行重采樣，生成格網(wǎng)間距為2 m ×2 m的DEM文件（*.xyz格式），見圖3。并對DEM文件進(jìn)行分塊處理，建立數(shù)據(jù)索引，方便地形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。

參照優(yōu)化原型鋼板的初始有限元結(jié)果，作為拓?fù)鋬?yōu)化輸入?yún)?shù)。優(yōu)化目標(biāo)是新型鋼板在軸向壓縮和扭轉(zhuǎn)載荷綜合作用下實(shí)現(xiàn)剛度最大化，因此設(shè)定上述兩種工況的權(quán)重系數(shù)比為1:1。相應(yīng)地，本組研究設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)為整個(gè)模型對于兩組獨(dú)立工況的加權(quán)應(yīng)變能（即結(jié)構(gòu)柔度，反比于結(jié)構(gòu)剛度），而優(yōu)化鋼板的體積約束條件為不超出常規(guī)鋼板的體積（常規(guī)鋼板體積約占優(yōu)化原型體積的49.7%）。優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域定義為除釘孔位置以外的鋼板主體單元集合，最后提交分析任務(wù)到ABAQUS軟件的拓?fù)鋬?yōu)化模塊，進(jìn)入優(yōu)化迭代計(jì)算。

1.5 正射影像DOM生產(chǎn)

用Terrosolid軟件的TerraPhoto模塊處理原始影像數(shù)據(jù)，先導(dǎo)入飛行數(shù)據(jù)文件（包括飛機(jī)位置、姿態(tài)、拍攝時(shí)間、影像排列等）、影像數(shù)據(jù)文件及地面高程模型文件等，再導(dǎo)入外控?cái)?shù)據(jù)，然后進(jìn)行全自動(dòng)空三平差、鑲嵌，生成彩色正射影像。然后進(jìn)行裁切，本工程共裁切生成5 500張正射影像，范圍大小為300 m×300 m。

圖3 管廊帶高精度DEM

1.6 線路帶狀圖、縱斷面圖生成

在線路及總圖專業(yè)根據(jù)DEM、DOM數(shù)據(jù)完成線路局部優(yōu)化和站場選址后，測量專業(yè)開始線路縱斷面圖生產(chǎn)。工作內(nèi)容主要包括等高線、地物要素提取、縱斷面數(shù)據(jù)提取等。

生成等高線：根據(jù)DEM文件分塊生成等高線地形數(shù)據(jù)，在AutoCAD中對等高線進(jìn)行整體拼接。由于所生成的等高線數(shù)據(jù)源于高密度的規(guī)則格網(wǎng)DEM，因此，等高線往往帶有鋸齒狀，需進(jìn)行平滑處理。

地物要素提取：根據(jù)高分辨率DOM文件，利用專業(yè)成圖軟件采用“正射影像矢量化法”人工提取道路、房屋等地物要素，與等高線圖形進(jìn)行疊加，生成地形圖。

縱斷面數(shù)據(jù)是線路設(shè)計(jì)的重要獲取資料。利用自編程序根據(jù)線路中樁坐標(biāo)從DEM中快速提取縱斷面數(shù)據(jù)。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程

2 精度檢驗(yàn)

2.1 激光點(diǎn)高程精度檢查

為了檢驗(yàn)激光點(diǎn)的高程精度，在工程現(xiàn)場采集了57個(gè)特征點(diǎn)，先將激光點(diǎn)采用GPS-RTK按實(shí)際坐標(biāo)放樣，再用水準(zhǔn)觀測方法與已知點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測。比較野外實(shí)測高程和激光點(diǎn)高程，精度檢驗(yàn)的結(jié)果見表2。

表2 高程精度誤差統(tǒng)計(jì)

同時(shí)也對9個(gè)地面GPS基站點(diǎn)高程進(jìn)行了檢核，高程較差平均值3 cm，最大差值5 cm。

2.2 正射影像精度檢查

對特征地物點(diǎn)（如道路、房子等），通過比較量測的地面實(shí)際位置與正射影像上位置來驗(yàn)證其精度，見圖5。

圖5 正射影像絕對精度檢查

檢查結(jié)果顯示，所有檢查點(diǎn)在正射影像上的最大偏移為2個(gè)像素，平均偏移0.9個(gè)像素。

從精度檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，后期處理的地物點(diǎn)平面和高程精度能夠滿足GB/T 50539-2009《油氣輸送管道工程測量規(guī)范》的相關(guān)要求。

3 總結(jié)

本工程在2個(gè)月的時(shí)間內(nèi)完成了從外業(yè)航飛到內(nèi)業(yè)成圖的全部工作，保證了管道項(xiàng)目總體進(jìn)度按預(yù)期進(jìn)行。機(jī)載LiDAR航測應(yīng)用于長輸管道還是首次，通過在本項(xiàng)目的成功應(yīng)用，可以總結(jié)出：

（1）機(jī)載LiDAR航測現(xiàn)場工作量少，克服了尼日爾現(xiàn)場工作中存在的不利因素（傳統(tǒng)勘測作業(yè)人員分散，安保軍隊(duì)調(diào)動(dòng)、后勤實(shí)施困難）。

（2）對比傳統(tǒng)的人工測量、常規(guī)攝影測量技術(shù)，機(jī)載LiDAR技術(shù)在高程精度、工期等方面的優(yōu)勢明顯。

（3）通過高精度DEM、DOM疊加重建了現(xiàn)場立體場景，在室內(nèi)完成了線路局部優(yōu)化及中間加熱站選址，并避免因后期改線帶來的現(xiàn)場重新測量。

4 展望與建議

在國外，機(jī)載LiDAR系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)測繪、軍事工業(yè)、數(shù)字城市等領(lǐng)域。2005年該系統(tǒng)開始引入我國，先后在電力、道路、基礎(chǔ)測繪等領(lǐng)域應(yīng)用。目前在長輸管道勘測領(lǐng)域，常規(guī)攝影測量的方式已逐漸興起，而LiDAR航測技術(shù)的應(yīng)用仍處于起步階段。兩者相比，LiDAR航測是快速制作高精度DOM、DEM的新技術(shù)；而常規(guī)攝影測量在數(shù)字線劃圖DLG地物要素采集方面略勝一籌，因?yàn)榍罢咧饕鶕?jù)激光點(diǎn)云以及正射影像矢量化的方法采集地物要素，效果比常規(guī)攝影測量立體模型下采集的稍差。所以兩種技術(shù)各有特點(diǎn)和優(yōu)勢，在未來一段時(shí)期內(nèi)，LiDAR航測與常規(guī)攝影測量方法將出現(xiàn)共存并用的局面，兩者相互補(bǔ)充。

結(jié)合LiDAR技術(shù)和長輸管道勘測的特點(diǎn)，筆者建議對有如下特性的管道工程可考慮采用LiDAR航測。

（1）進(jìn)場困難地區(qū)（如地形復(fù)雜、社會(huì)依托差、存在安保困難等的區(qū)域）。

（2）地表有植被，而采用傳統(tǒng)測量手段又受限制的區(qū)域。

（3）勘測工期緊張的項(xiàng)目。

目前管道建設(shè)逐漸向復(fù)雜地區(qū)延伸，LiDAR航測技術(shù)的優(yōu)勢也將逐步顯現(xiàn)，同時(shí)隨著這方面的行業(yè)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，該技術(shù)在管道勘測領(lǐng)域?qū)⒌玫礁訌V泛的應(yīng)用。

［1］FUGRO GEOID SAS.Technical proposal of topographical survey for pipeline design[R].France:FUGRO,2009.

［2］邱贊富，陽德勝．機(jī)載激光掃描數(shù)碼攝影測量系統(tǒng)在公路勘測設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]．公路工程，2008，33（1）:95-96．

［3］景欽剛．機(jī)載三維激光掃描系統(tǒng)在線路工程中的應(yīng)用研究[J]．電力建設(shè)，2009，30（3）:36-37．

［4］萬仕平，王洪生，羅沅．淺談低空數(shù)碼航空攝影在線路測量中的應(yīng)用[J]．天然氣與石油，2008，26（4）:62-64．

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［6］GB/T 50539-2009,油氣輸送管道工程測量規(guī)范[S].

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.03.015

何祖祥（1978-），男，湖北仙桃人，工程師，2001年畢業(yè)于武漢測繪科技大學(xué)攝影測量與遙感專業(yè)，現(xiàn)主要從事長輸管道的線路勘測設(shè)計(jì)工作。

2011-08-15