機載激光雷達（LiDAR）在尼日爾原油管道勘測中的應用

何祖祥，高軍寶，王衛民，李強

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

機載激光雷達（LiDAR）在尼日爾原油管道勘測中的應用

何祖祥1，高軍寶2，王衛民1，李強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，采用機載激光雷達（LiDAR）航測技術進行勘測。文章闡述了采用機載LiDAR進行工程勘測的組織與實施過程，通過應用實踐及精度的檢驗，展現了應用LiDAR航測技術進行長輸管道勘測在精度、效率上的獨特優勢，文章最后對其應用前景進行了展望并提出相關建議。

長輸管道；機載激光雷達；航測；勘測

0 引言

尼日爾某原油管道起自Agadem油田，終點設在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。但是沿線城鎮稀疏，交通依托條件很差，工程所在地屬疾病多發區，并有反政府武裝出沒。在社會條件如此惡劣、項目工期緊張的情況下，常規的勘測方式已無法滿足要求。鑒于此，本項目最終選擇LiDAR航測來完成該管道的測量任務。

1 LiDAR航測的組織與實施

1.1 組織與實施總體框架

勘測任務由我方尼日爾管道PMC項目組負責，組織與實施總體框架見圖1。任務分成兩步實施，首先法國輝固（Fugro）公司按我方要求完成航飛外業，并提交數字高程模型DEM和正射影像DOM產品。然后我方在此數據基礎上生成帶狀地形圖和線路縱斷面圖等數據。考慮本管道沿線地物類型相對簡單，以及安保方面限制，本項目沒有進行野外調繪。

圖1 組織與實施總體框架

1.2 GPS基準站點的布設

機載LiDAR在空中對地測量過程中，為了在航測期間連續獲取與機載GPS同步的觀測數據，飛行時需在地面布設若干個GPS基準站，通過地面GPS基準站和機載GPS的測量數據的聯合差分解算，精確確定飛行軌跡。單個GPS基站的覆蓋半徑通常為30 km左右。根據管道長度，本工程共布設野外地面控制點9個（見圖2）。每個控制點觀測時間不少于5 h，首尾兩端控制點觀測時間不少于7 h，觀測數據采樣時間間隔15 s。

圖2 GPS基準站點布設

1.3 航飛任務設計

航飛導航中線根據SPOT-5衛星的2.5 m分辨率遙感數據初選線路確定，然后使用輝固公司FLI-MAP 400型號的LiDAR設備對管道走廊帶進行航測。在飛行任務設計中，考慮到將來可能出現的線路局部調整以及中間加熱站的范圍，將數據的采集寬度確定為管道兩側共700 m范圍。同時為避免首末站場位置調整而導致重飛，在首尾兩端各2 km的范圍內覆蓋寬度加寬至1 400 m。飛行技術參數見表1。

表1 航飛技術參數

1.4 激光點云處理、生成DEM

激光點云處理：本工程共采集約37億個激光點，激光點數據采集完成后，利用Terrosolid軟件對不同激光點進行植被、房屋、地形等類別的分類過濾及人工檢查，保留地表激光點用于DEM數據的生產。

生成DEM：為等高線數據的生產方便，需對處理后的激光點進行重采樣，生成格網間距為2 m ×2 m的DEM文件（*.xyz格式），見圖3。并對DEM文件進行分塊處理，建立數據索引，方便地形數據的存儲和管理。

參照優化原型鋼板的初始有限元結果，作為拓撲優化輸入參數。優化目標是新型鋼板在軸向壓縮和扭轉載荷綜合作用下實現剛度最大化，因此設定上述兩種工況的權重系數比為1:1。相應地，本組研究設定的目標函數為整個模型對于兩組獨立工況的加權應變能（即結構柔度，反比于結構剛度），而優化鋼板的體積約束條件為不超出常規鋼板的體積（常規鋼板體積約占優化原型體積的49.7%）。優化設計區域定義為除釘孔位置以外的鋼板主體單元集合，最后提交分析任務到ABAQUS軟件的拓撲優化模塊，進入優化迭代計算。

1.5 正射影像DOM生產

用Terrosolid軟件的TerraPhoto模塊處理原始影像數據，先導入飛行數據文件（包括飛機位置、姿態、拍攝時間、影像排列等）、影像數據文件及地面高程模型文件等，再導入外控數據，然后進行全自動空三平差、鑲嵌，生成彩色正射影像。然后進行裁切，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

在線路及總圖專業根據DEM、DOM數據完成線路局部優化和站場選址后，測量專業開始線路縱斷面圖生產。工作內容主要包括等高線、地物要素提取、縱斷面數據提取等。

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

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

縱斷面數據是線路設計的重要獲取資料。利用自編程序根據線路中樁坐標從DEM中快速提取縱斷面數據。

圖4 數據處理流程

2 精度檢驗

2.1 激光點高程精度檢查

為了檢驗激光點的高程精度，在工程現場采集了57個特征點，先將激光點采用GPS-RTK按實際坐標放樣，再用水準觀測方法與已知點進行聯測。比較野外實測高程和激光點高程，精度檢驗的結果見表2。

表2 高程精度誤差統計

同時也對9個地面GPS基站點高程進行了檢核，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（如道路、房子等），通過比較量測的地面實際位置與正射影像上位置來驗證其精度，見圖5。

圖5 正射影像絕對精度檢查

檢查結果顯示，所有檢查點在正射影像上的最大偏移為2個像素，平均偏移0.9個像素。

從精度檢驗結果可以看出，后期處理的地物點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范》的相關要求。

3 總結

本工程在2個月的時間內完成了從外業航飛到內業成圖的全部工作，保證了管道項目總體進度按預期進行。機載LiDAR航測應用于長輸管道還是首次，通過在本項目的成功應用，可以總結出：

（1）機載LiDAR航測現場工作量少，克服了尼日爾現場工作中存在的不利因素（傳統勘測作業人員分散，安保軍隊調動、后勤實施困難）。

（2）對比傳統的人工測量、常規攝影測量技術，機載LiDAR技術在高程精度、工期等方面的優勢明顯。

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

4 展望與建議

在國外，機載LiDAR系統廣泛應用于基礎測繪、軍事工業、數字城市等領域。2005年該系統開始引入我國，先后在電力、道路、基礎測繪等領域應用。目前在長輸管道勘測領域，常規攝影測量的方式已逐漸興起，而LiDAR航測技術的應用仍處于起步階段。兩者相比，LiDAR航測是快速制作高精度DOM、DEM的新技術；而常規攝影測量在數字線劃圖DLG地物要素采集方面略勝一籌，因為前者主要根據激光點云以及正射影像矢量化的方法采集地物要素，效果比常規攝影測量立體模型下采集的稍差。所以兩種技術各有特點和優勢，在未來一段時期內，LiDAR航測與常規攝影測量方法將出現共存并用的局面，兩者相互補充。

結合LiDAR技術和長輸管道勘測的特點，筆者建議對有如下特性的管道工程可考慮采用LiDAR航測。

（1）進場困難地區（如地形復雜、社會依托差、存在安保困難等的區域）。

（2）地表有植被，而采用傳統測量手段又受限制的區域。

（3）勘測工期緊張的項目。

目前管道建設逐漸向復雜地區延伸，LiDAR航測技術的優勢也將逐步顯現，同時隨著這方面的行業規范和技術標準的不斷完善，該技術在管道勘測領域將得到更加廣泛的應用。

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10.3969/j.issn.1001-2206.2012.03.015

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

2011-08-15