多源数据融合在管道建设中的应用

李作开

大庆油田设计院有限公司

近年来，随着我国经济建设的飞速发展，制造业日趋强大，人们日常生活对石油、天然气等能源需求增加，高效环保的能源供给尤为重要，其中地下管道输送方式被广泛应用，在管道勘测和设计阶段需要基础地理信息数据做支撑，复杂的地理环境给施测单位开展前期精确管道勘察提出更高要求。传统单一的测量技术手段在管线勘察设计中面临效率低、安全性低和成本高等诸多问题。因此，采用多技术手段融合作业获取数据具有重要意义和广阔的前景。

测绘技术的发展，在管道勘察设计工作中衍生出多种技术手段。以广东省管网“县县通工程”禾云-连州-连山项目为例，采用无人机倾斜摄影、机载激光扫描和无人船水下测量多技术方法分别采集数据，由多源数据融合应用快速生产调查区域高精度3D 产品，极大程度改善目前管道建设前期勘察工作存在的一系列问题，并从作业效率、安全性和经济效益三个方面与传统作业方式进行分析评价，为相关管理部门和施测单位对管道设计、施工调查测量工作提供作业参考。

1 多源数据概述

在管道建设的初期阶段，传统测量方式具有稳定、可靠的特点。但随着现代科学技术的进步，测绘新技术和新装备不断革新，测量人员可以通过更多的测量手段来获取项目所需数据源，相对于传统测量方式而言，新技术手段具有高效、便捷的优势。不同技术的应用与组合，会产生不同的测量精度和经济效益。

1.1 无人机倾斜摄影

倾斜摄影测量技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术。无人机倾斜摄影是在无人机飞行平台上搭载五镜头相机，按照设计航高和大密度重叠度进行连续拍摄获取地面多视角高分辨率影像，后期在三维建模软件中，结合地面控制点成果，进行空三加密、3DTIN（在线三维建模软件）模型构建及优化、自动纹理关联及贴附、三维模型生产工作[1]。倾斜摄影三维模型可真实反映地物外观、位置、高度等属性，借助无人机可快速采集影像数据，实现全自动建模，具有成本低、效率高、数据准确、操作灵活方便等特点[2]。

1.2 机载激光雷达点云数据

机载激光雷达（Lidar，Light Detection And Ranging）是有人机或无人机搭载Lidar 设备，整套系统按照设计航线和重叠度，通过激光测量和激光扫描实现三维激光点云数据采集，快速得到地表密集的高精度三维坐标[3]。激光扫描过程中，每个地面反射点按三维坐标以点的形式分布在三维空间中，称为扫描点。其原理为：当一束激光照射到物体表面时，所反射的激光会携带方位、距离等信息，若将激光束按照某种轨迹进行扫描，便会边扫描边记录反射的激光点信息，由于扫描极为精细，则能够得到大量的激光点，因而就可形成激光点集合[4]。

1.3 无人船水下地形测量

水下地形测量是指通过测量仪器获取江河、湖泊、水库等水域的平面位置和高程，并根据相应比例绘制水下地形图。常用的传统水下地形测量方法一般有两种：一种是测深杆结合全站仪来实现测深点的数据采集，该方法需要船上的人用测深杆测定水深，同时岸上的人通过全站仪测量测深点的位置和高程。这种作业模式效率较低，测深杆的长度制约测深距离，无法实现测线的精准定位。另一种测量方法是搭载测深仪进行测量，将测深仪固定在船上，作业时测深仪负责水深数据的采集，并测量位置和高程。该方法实现了测深定位的自动化，有效地降低了作业人员的劳动强度，提高了作业效率是比较常用的水下地形测量方法。该方法使用的船只较大，对于浅水区域则无能为力，同样测线定位准确度也取决于驾驶人的掌舵能力，测线定位往往偏差较大[5]。

随着科技的不断进步，测绘仪器的发展更加趋向于简约化，集成化。无人测量船技术是集成了GNSS（全球导航卫星系统）定位技术、声呐测深技术、导航通信技术等多功能于一身的水下地形测量系统。此系统以模块化的形式，将实时定位、水下测深、远程通信、自主航行与避障等功能集成到灵活小巧的无人船上，使得水下地形测量作业更加安全高效[6]。

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2 多源数据组合应用技术思路

基于无人机航空摄影、机载激光扫描和无人船水下测量多技术方法开展前期管道勘察设计工作的技术思路是：对于测量人员可达到区域，利用无人机获取调查区域高分辨率影像数据，结合测区控制点成果进行数字正射影像图生产，同时可利用空三加密成果恢复测区立体模型，进行立体测图；对于测区人员无法到达且地形起伏较大区域，利用无人机搭载激光雷达设备直接采集目标区域Lidar 点云数据，经点云数据预处理、噪声删除、点云分类编辑形成点云成果数据，然后基于点云数据生成高程点和等高线，同时可进行DLG（数字线划图）采集；对于水域区域，利用无人船搭载单波束测深仪，基于RTK无验潮模式开展水下地形测量[7]。多源数据组合应用技术路线如图1所示。

图1 多源数据组合应用技术路线Fig.1 Technical route of multi-source data combination application

3 技术应用

以广东省管网“县县通工程”禾云-连州-连山项目为例，采用无人机航摄、机载激光点云、无人船水底高程等多源数据相结合的方式制作3D 产品，总结出更高效、可靠的作业方法。

3.1 无人机倾斜摄影及三维模型生产

广东省管网“县县通工程”禾云-连州-连山项目实际作业航向重叠度为80%、旁向重叠度为55%，飞行航高为700～1 100 m，利用无人机倾斜摄影获取测区范围多视角影像数据，来获取像控点坐标，将原始影像和控制点成果导入smart3D（实景三维建模）软件中，经过空三加密处理，获取测区范围内的实景三维模型数据（图2）。再利用已有的DEM（数字高程模型）数据，制作高分辨的DOM（数字正射影像）成果。将三维模型导入EPS（多源多模式一体化采编系统）软件中，进行立体测图，得到测区矢量数据[8]。通过叠加影像和矢量数据制作成调绘片（图3），外业进行调和补测，获取地形要素数据。融合机载激点云成果数据生成的高程点、等高线数据，进而生成测区数字线划图成果数据。

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

图3 调绘片制作Fig.3 Production of identified photograph

3.2 点云获取地貌

机载激光雷达向地面发射激光信号，然后接收地面反射的激光信号，记录点位信息。按设计要求，快速获取密度适当的点位信息，形成管道工程范围内的点云数据。此后，内业通过联合解算、偏差校正，人工操作，便可以计算出这些点的准确空间信息。经过内业人员精细化处理制作DEM 数据，通过软件提取精度可靠的高程点和等高线[9]（图4和图5）。

图4 点云数据处理Fig.4 Point cloud data processing

图5 高程点和等高线成果Fig.5 Altimetric point and contour results

3.3 无人船水下测量

作业前进行现场踏勘，了解水深、河流底质、水流方向和流速、风向风速以及天气等情况，确定无人船适当下水位置。

本次使用的华微3号无人测量船，已集成定位模块和单波束测深仪，具有安装调试简单、操作简便等特点。设备安装完毕后，打开无人船测量软件进行自动检测，完成通信连接并登录cors（连续运行参考站）账号，将船放入水域中。待出现固定解后，打开导航软件与测深仪软件，进行导航与水深测量（图6）。

图6 无人测量船Fig.6 Unmanned survey ship

测量结束后，在Hydrosurvey（海洋测量）软件中对水深噪点和异常值进行处理，根据测量比例尺要求进行水深取样，然后将多测线水深数据合并，导出平面和水底高程成果。将水下测量成果加载到CASS（南方测绘）软件后生成水下等高线数据[10]（图7）。

图7 水下测量数据Fig.7 Underwater measurement data

4 分析评价

此次作业采用无人机倾斜摄影、机载激光扫描和无人船水下测量多技术方法采集数据，并由多源数据融合应用快速生产调查区域高精度3D 产品，并从作业安全性、数据准确性、生产效率三个方面对多源数据技术进行分析评价。

4.1 作业安全性

广东省管网“县县通工程”项目是贯穿广东省的便民工程，测区大多分布在山区，常年无人踏足，树高林密，野兽与蚊虫遍布，水流湍急，给外业测量增加很大难度。采用无人机倾斜摄影、机载激光扫描和无人船水下测量等新技术方法可以使作业员避开危险和无法到达的区域，有选择地设计测量路线，减少作业强度，最大程度保证作业人员的人身安全。

4.2 数据准确性

在困难区域（山高林密、无移动信号覆盖，地貌复杂）作业时，山高林密干扰GNSS 正常作业，经常出现无固定解、定位精度差的现象，采用激光点云测量具有明显优势。无移动网络信号区域，无法实现基于网络的GNSS 测量。地貌复杂时，加上植被遮挡，作业人员很难准确测绘真实地貌，利用激光雷达能够准确地获取微地貌数据，提高数据获取精度；另外航测法成图具有较高的相对精度。在广东省管网“县县通工程”禾云-连州-连山项目中，通过两种方式获取不同类型的地形和地貌高程数据，经过外业实测高程与点云数据对比（表1），证明了激光雷达点云数据的准确性[11]。

表1 外业实测高程与点云数据对比Tab.1 Comparison of field measured elevation and point cloud data

4.3 生产效率

在水下测量过程中，通过测量效率对比分析，采用无人船测量方式相对于常规测量手段而言，在作业人数、数据采集、作业时长等方面均有明显优势，且无人船水下测量可按照时间或距离设置采样间隔，采集数据密集，可满足水下测量不同精度要求。两者水下测量效率对比情况见表2。

表2 水下测量效率对比Tab.2 Comparison of underwater measurement efficiency

在地形测量过程中，进行测量效率对比分析。在开展相同面积数据采集任务时，采用多技术组合应用的方法相对于常规测量手段，投入的作业人数更少，作业时间更短，且采用多技术组合方式作业安全性更高。两者地形测量效率对比情况见表3。

表3 地形测量效率对比Tab.3 Comparison of topographic survey efficiency

5 结束语

针对传统测量方法在管道建设施工测量中存在的问题，将无人机倾斜摄影、机载激光扫描和无人船水下测量多技术组合应用，可极大程度提高生产效率并保障作业人员的安全。多源数据组合应用方案能够快速获取管道建设前期丰富的基底数据，为项目顺利开展提供可靠保障，同时带来较大的经济效益。但由于多技术方法采用多种先进技术装备，设备较昂贵且对专业技术要求较高。随着测绘装备和技术的不断发展，多技术组合应用进行管道建设施工测量将被广泛应用。