海底管道检测数据管理与三维表达研究

【摘要】当前海底声学探测设备获取的海底管道检测数据以二维图表形式提供给管理单位，显得不够直观且数据管理效率低下。为解决这问题，本文讨论了海底管道检测数据主要构成与数据逻辑一致性检查，并基于SceneControl对海底管道三维场景模拟关键技术进行研究，在此基础上开发了杭州湾海底管道检测数据管理系统，实现了数据高效统一管理与成果三维直观表达。

【关键词】海底管道；检测数据；数据管理；三维表达

1、引言

海底管道是指通过密闭的管道在海底连续地输送大量油（气）的管道，其优点是输油效率高、运油能力大，铺设工期短、投产快，管理方便和操作费用低。但是由于海底管道多数埋设于海底土中一定深度，某些处于潮差或波浪破碎带的管段（尤其是立管），受风浪、潮流、冰凌等影响较大，存在极大的安全隐患，因此需要对海底管道进行定期检测和维护。海底管道检测是指采用GPS定位与导航系统，侧扫声纳系统、浅地层剖面仪、多波束测深系统等多种海底声学探测设备，获取海底管道及其周围水域的水深、地貌、地质情况，用于分析管道的稳定性及其后期维护更新。各种仪器采集的数据经相关处理后，海底管道检测成果以二维图表形式提供给相关管理单位。这种方式对高层海底管道管理者而言提供成果资料不够直观，图表资料的理解需要相关专业背景。同时对管道检测人员而言，图表文件形式的数据管理效率极低，数据处理过程中逻辑一致性难以保持且可回溯性较差。为解决上述问题，迫切需要开发海底管道检测数据管理系统，实现检测数据的高效统一管理与检测成果的三维形象直观表达。目前陆地管道信息系统与管道三维表达研究成果很多，为海底管道检测数据管理和成果三维表达提供了借鉴。本文首先对ArcGIS Engine作了简要介绍并分析SceneControl和GlobeControl的不同，其次讨论了海底管道检测数据主要构成与数据逻辑一致性检查，第三基于SceneControl对海底管道三维场景创建关键技术进行研究，最后应用于杭州湾海底管道检测数据管理系统。

2、海底管道检测数据管理

海底管道检测测量数据包括：1）管道平面位置。使用GPS结合海洋磁力仪与浅地层剖面仪获取，在地质条件较好的地段采用GPS与浅地层剖面仪进行测量，获得的浅地层剖面仪图像清晰、易于判读；在地质条件较差的地段（如表层为铁板沙的地段），由海洋磁力仪结合GPS来确定管线的平面位置。2）管道埋设深度。利用浅地层剖面仪测量，通过选择扫频信号组合、现场实时地设计调整工作参数测量河（海）底的浮泥厚度，在浅地层剖面仪图上判断出海底管道埋深。3）管道海底状态数据。使用侧扫声呐与浅地层剖面仪采集，首先侧扫声呐按预设的扫测线对海底管道进行粗扫，如有发现悬空迹象则在疑似悬空部分按“井”字形进行加密扫测，同时结合浅地层剖面仪进行加密测量，综合测量结果确定管线海底状态。4）水下地形数据。采用多波束测深系统测量，利用GPS RTK进行定位，同时进行测区内相关潮位观测。

3、检测成果三维表达

海底管道检测成果三维表达主要实现海底管道检测信息的显示、分析与查询，主要包括海底浅层空间的三维场景创建、海底管道的三维表达与起点距标注、不同检测批次的海底管道数据比较分析、成果数据的查询与显示以及三维场景中沿管道的飞行模拟控制与视频导出功能。海底管道三维场景创建是指利用ArcGIS Engine的SceneControl进行海底管道检测数据的三维表达，其主要步骤包括：1）使用水下地形测点数据建立管道所处海底地形数字高程模型（DEM），仪器采集的水下地形转为xyz格式的文本数据，之后建立不规则三角网TIN用于表达数字高程模型；2）通过管道节点坐标建立三维海底管道，使用ESRI的简单三维线模型进行表达[5]，可以设置管道的直径、颜色；3）通过浅地层剖面数据建立三维海床，同时将经过地理编码过的侧扫声纳TIFF图像作为纹理加入到三维场景中；4）起点距标注内容来自管道节点中某个字段或外部的txt文件；5）不同检测时间的海底管道数据以100m作为采样间隔进行叠加分析比较，按照XY平面坐标偏差或者高程偏差两种方式显示，比较结果数据可以保存为图像文件。海底管道三维场景飞行模拟时，同步显示海底管道叠加分析成果：海底管道垂直偏差、平面偏差以及海底管道管顶与海床高度比较。由于SceneControl控件只支持同一份数据不同角度的同步显示，无法实现主视图显示海底管道三维场景、窗口视图显示不同检测批次海底管道比较数据功能，因此需要在SceneControl的底层事件中实现自定义扩展。其核心思想为：在主视图重载SceneControl控件的AfterDraw事件，用以获取飞行时场景变化后的视点信息，在该事件中添加窗口视图MapControl控件刷新函数，用于更新海底管道分析比较数据和MapControl视点位置。从本质上理解，海底管道三维场景飞行模拟就是有一帧帧视图刷新组成。通过底层扩展对飞行时主视图刷新事件的触发实现窗口视图联动刷新，达到主视图与窗口视图同步显示功能。

4、应用实例

杭州湾海底管道北起平湖白沙湾、南至慈溪半掘浦闸，已于2004年完成铺设并投入运行。采用管线自埋技术铺设于海床表面，其中直径30″管线在杭州湾北岸深槽段是采用定向钻施工方法埋设在海床面下。自2005年起，检测单位每年定期对海底管道进行检测，积累了丰富的实测资料。为了实现检测数据的高效统一管理与检测成果的三维形象直观表达，基于GIS技术开发了杭州湾海底管道检测数据管理系统。

参考文献

[1]杨建思，柳应飞，彭正洪.基于ArcGIS Engine的燃气管道信息系统研究[J].武汉大学学报（工学版），2006，39（4）： 72-75.

[2]李贞培，李平，吴明.基于ArcGIS Engine和ArcGIS Server的数字管道系统的设计与实现[J].计算机工程与设计，2010，31（3）： 638-641.

[3]张文元，付仲良.基于ArcGIS Engine的综合管线三维可视化研究[J].测绘通报，2008（8）：28-31.

[4]谢宏宇，吴明，王东冬等.三维长输油气管道地理信息系统的设计与实现[J].石油工业计算机应用，2009（2）： 40-42.

[5]姜小俊，张海鹏.一种用于海底路由管线检测的3维管线模型快速建立方法研究[J].测绘通报，2007（11）：17-19.