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.浙江省河海測繪院， 浙江 杭州 310008；3.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室， 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.浙江省河海測繪院， 浙江 杭州 310008；3.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室， 浙江 杭州 310020)

針對海底管道檢測數(shù)據(jù)處理中涉及到的地理坐標(biāo)成果和起點距成果的不統(tǒng)一，研究了海底管道檢測數(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實現(xiàn)成果互算的計算機自動化處理方法。該研究成果在冊鎮(zhèn)海底管道檢測中得到應(yīng)用，并對于其他管道檢測數(shù)據(jù)處理及斷面測量數(shù)據(jù)處理提供了借鑒和參考。

海底管道；起點距；平面偏差；管道狀態(tài)；DEM

隨著國家海洋經(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輸方式具有效率高、運油能力大的優(yōu)勢，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。需要定期對海底管道局部沖刷進(jìn)行檢測，目前檢測方法主要基于聲學(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)成果和起點距成果。起點距是指多段線起點沿著線段前進(jìn)方向到任意一點的距離，可理解為將多段線分解為多條兩點組成的簡單線段長度累加的距離[1]。兩種數(shù)據(jù)都有各自的優(yōu)點：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；而起點距成果容易生成剖面圖，便于比較分析。

針對海底管道檢測數(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)成果與起點距成果之間相互轉(zhuǎn)換的原理，實現(xiàn)計算機自動化處理，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分析包括三項內(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)點平面偏差分析主要運用歷年檢測數(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；管道所處海床地形分析，主要利用不同測次的水下地形數(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距形式進(jìn)行比較。而在表達(dá)具體地理位置時，通常又要將起點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)歸算起點距成果

海底管道為直線時，如果坐標(biāo)點落在管道上，則該點的起點距即為該點到海底管道起點的距離見圖1(a)；如果坐標(biāo)點在海底管道兩側(cè)附近，則該點的起點距即過該點作海底管道垂線，垂足與起點的距離即為該點的起點距成果，見圖1(b)；如果該點的在管道起點或終點垂線外側(cè)(見圖1(c))，則判斷該點超限。

(a) 情況1(b) 情況2(c) 情況3

圖1 點與管道關(guān)系

海底管道為曲線時，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)歸算起點距時首先將坐標(biāo)點按圖2所示求出垂足，然后沿起點沿著線段前進(jìn)方向到該點垂足點的距離累積。當(dāng)P點在兩折線連線的鈍角方向時，并且過P點作折線方向的垂線，垂足都在折線延長線時，此時P點至管道最短距離為pp′，P點歸算至管道的點為p′，起點距即為起點至p′各個線段的距離和，見圖2(a)。當(dāng)P點在兩折線兩線的銳角方向時，并且過P點分別向兩折線方向作垂線，如果PP1

(a)P點在兩折線連線的鈍角方向(b)P點在兩折線連線的銳角方向

圖2 點與管道(非直線)關(guān)系

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

計算過程如下：

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

(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的兩端點為A(xA，yA)和B(xB,yB)，斜率計算為公式為：

(1)

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

(2)

1.2 起點距成果歸算地理坐標(biāo)成果

起點距理解為從起點開始多條線段距離的累積，計算步驟如下;

(1) 根據(jù)提供的起點距d與各個線段和的比較，判讀起點距d對應(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A為起點。

(2) 如果該線段平行于x軸(y軸)，則過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 直線上點地理坐標(biāo)計算原理

由圖3相似三角形原理可知，

(4)

(5)

(6)

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

2 算法實現(xiàn)

ArcGIS Engine是一套完備的嵌入式GIS組件庫和工具庫，由于其具有簡潔、靈活、易用、可移植性強等特點，因此使用ArcGIS Engine和C#進(jìn)行海底管道檢測數(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)點坐標(biāo)(地理坐標(biāo))創(chuàng)建多段線，在ArcGIS Engine中用polyline對象進(jìn)行表示[2,6-7]。

2.1 海底管道地理坐標(biāo)歸算起點距成果

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

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 起點距成果歸算地理坐標(biāo)成果

已知海底管線ln(IPolyline)和起點距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，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)用實例

冊鎮(zhèn)海底管道是甬滬寧管網(wǎng)的重要組成部分，起于舟山市冊子島油庫，終于鎮(zhèn)海嵐山油庫。冊鎮(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]。

浙江省河海測繪院受業(yè)主委托于2012年起進(jìn)行冊鎮(zhèn)海底管道的檢測工作，通過對檢測數(shù)據(jù)的處理，對比分析海底管道位置、狀態(tài)變化情況，為管道安全運行提供依據(jù)。根據(jù)以上海底管道地理坐標(biāo)和起點距成果互算方法，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)見表1～表3。

表1 冊鎮(zhèn)管道平面偏差成果表

表2 冊鎮(zhèn)管道狀態(tài)成果表

表3 冊鎮(zhèn)管道坐標(biāo)成果表

4 結(jié) 語

海底管道因工作效率高、便捷等優(yōu)勢在沿海一帶都有建設(shè)運行。但受客觀自然條件和人類活動等因素綜合影響，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行，需要對海底管道沖刷情況定期檢測，對局部沖刷嚴(yán)重區(qū)域及時治理[12-13]。本文主要研究了海底管道檢測數(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實現(xiàn)成果互算的計算機自動化處理方法。該研究成果已應(yīng)用在冊鎮(zhèn)海底管道檢測項目中數(shù)據(jù)處理中，效果良好。并且該成果對于其他管道檢測數(shù)據(jù)處理及斷面測量數(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.海底管道檢測數(shù)據(jù)平面偏差與管道狀態(tài)分析研究[J].測繪科學(xué),2014,39(9):69-70.

[2] 李學(xué)楠，雷震名，馬坤明，等．跨航道海底管線的保護(hù)[J]．中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012，32(7)：263．

[3] 劉延鑫，王旱祥,王 苗.海底管道局部沖刷數(shù)值模擬分析[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012,36(6):188-122.

[4] 周興華，張坤軍,張 杰.基于聲學(xué)的海底管線局部沖刷監(jiān)測方法研究[J].水利與建筑工程學(xué)報，2014,12(3):151-154.

[5] 韓文海，周 晶.腐蝕海底管道可靠性分析[J].石油學(xué)報，2015,36(4):516-520.

[6] 張建輝.基于GIS的海底管線應(yīng)急系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[J].地理空間信息，2010,8(4):74-76.

[7] 李廣政，唐遠(yuǎn)彬．海底管道檢測信息管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)口[J]．油氣儲運，2012，31(11)：857-860．

[8] 朱 彤，賀慶云，張敬花.波流作用時海底懸跨管道水動力試驗研究[J].水利與建筑工程學(xué)報，2013,11(5):18-21.

[9] 鄧海峰,王忠濤,劉 鵬.隨機波浪作用下海底管線與海床的相互作用研究[J].水利與建筑工程學(xué)報，2014,12(4):43-49.

[10] 王建軍，宋 強.跨水道海底管道隱患整治工程沉管施工風(fēng)險分析[J].水運工程，2015(12)：170-173.

[11] 周 晶，馮 新，李 昕．海底管線全壽命安全運行的關(guān)鍵問題研究[J]．工程力學(xué)，2011，28(S2)：97-108．

[12] 孔憲衛(wèi)，張 帥，王貫明，等．施工船舶作業(yè)對通航安全影響淺析[J]．天津航海，2013(1)：12-14．

[13] 穆龍新，潘校華，田作基，等．中國石油公司海外油氣資源戰(zhàn)略[J]．石油學(xué)報，2013，34(5)：1023-1030.

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)廳項目(2016F30010)；基于無人機傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)急測繪保障能力建設(shè)

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

P229.5

A

1672—1144(2017)03—0096—04