海底管道平面位置成果互算方法研究

周兴华，赵广乾，唐远彬

(1.浙江省水利河口研究院， 浙江 杭州 310020； 2.浙江省河海测绘院， 浙江 杭州 310008；3.浙江省水利防灾减灾重点实验室， 浙江 杭州 310020)

海底管道平面位置成果互算方法研究

周兴华1,2,3，赵广乾1,2，唐远彬1,2

(1.浙江省水利河口研究院， 浙江 杭州 310020； 2.浙江省河海测绘院， 浙江 杭州 310008；3.浙江省水利防灾减灾重点实验室， 浙江 杭州 310020)

针对海底管道检测数据处理中涉及到的地理坐标成果和起点距成果的不统一，研究了海底管道检测数据处理中成果互算内容及其方法，并提出了基于ARCGIS Engine实现成果互算的计算机自动化处理方法。该研究成果在册镇海底管道检测中得到应用，并对于其他管道检测数据处理及断面测量数据处理提供了借鉴和参考。

海底管道；起点距；平面偏差；管道状态；DEM

随着国家海洋经济发展，海底管道在日常的经济发展中的重要性尤为突显。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[1]。由于海底管道相比其他运输方式具有效率高、运油能力大的优势，因此受到一定程度的推广。但海底管道受海洋风浪、潮流、台风以及海中漂浮物和船舶撞击或抛锚等影响较大，海底管道在正常服役阶段可能受到的荷载作用,包括内压、温度、弯曲、覆土、地震作用和残余应力作用。需要定期对海底管道局部冲刷进行检测，目前检测方法主要基于声学技术[2-5]。

海底管道局部冲刷数据处理中，经常会涉及两种数据成果不统一的情况，即地理坐标成果和起点距成果。起点距是指多段线起点沿着线段前进方向到任意一点的距离，可理解为将多段线分解为多条两点组成的简单线段长度累加的距离[1]。两种数据都有各自的优点：地理坐标成果能够正确表达地理位置，便于数据处理；而起点距成果容易生成剖面图，便于比较分析。

针对海底管道检测数据采用两种成果进行表达，本文研究海底管道地理坐标成果与起点距成果之间相互转换的原理，实现计算机自动化处理，以提高工作效率。

1 海底管道平面成果互算的内容和方法

海底管道局部冲刷检测分析包括三项内容：(1) 与历年相比海底管道平面位置偏差分析；(2) 海底管道状态分析；(3) 管道所处海床地形分析。

海底管道节点平面偏差分析主要运用历年检测数据的管道平面位置进行比较分析，确定潮流冲刷对海底管道造成的影响[1]；海底管道状态分析主要利用侧扫声呐数据和浅地层剖面仪数据进行综合分析，确定海底管道的埋深、裸露、悬空等状态，并与上一测次管道状态比较分析，判断海底管道状态的发展趋势；管道所处海床地形分析，主要利用不同测次的水下地形数据建立DEM进行冲淤分析研究[2]。在处理海底管道平面位置偏差分析和海底管道状态分析过程中，为了数据的直观性，通常将地理坐标成果换算成管道起点距形式进行比较。而在表达具体地理位置时，通常又要将起点距成果换成地理坐标形式成果。

1.1 海底管道地理坐标归算起点距成果

海底管道为直线时，如果坐标点落在管道上，则该点的起点距即为该点到海底管道起点的距离见图1(a)；如果坐标点在海底管道两侧附近，则该点的起点距即过该点作海底管道垂线，垂足与起点的距离即为该点的起点距成果，见图1(b)；如果该点的在管道起点或终点垂线外侧(见图1(c))，则判断该点超限。

(a) 情况1(b) 情况2(c) 情况3

图1 点与管道关系

海底管道为曲线时，则可以将海底管道由多条多段线组成。海底管道附近的地理坐标归算起点距时首先将坐标点按图2所示求出垂足，然后沿起点沿着线段前进方向到该点垂足点的距离累积。当P点在两折线连线的钝角方向时，并且过P点作折线方向的垂线，垂足都在折线延长线时，此时P点至管道最短距离为pp′，P点归算至管道的点为p′，起点距即为起点至p′各个线段的距离和，见图2(a)。当P点在两折线两线的锐角方向时，并且过P点分别向两折线方向作垂线，如果PP1

(a)P点在两折线连线的钝角方向(b)P点在两折线连线的锐角方向

图2 点与管道(非直线)关系

点到多段线最近距离计算时可以看成点到线段的距离，并判断垂足在线段内还是线段外。

计算过程如下：

(1) 如果该线段平行于x轴(y轴)，则过点p(xp,yp)作该线段所在直线的垂线，垂足很容易求得，然后计算出垂足，如果垂足在线段上则返回垂足，否则返回离垂足近的端点。

(2) 如果该线段不平行于x轴也不平行于y轴，则斜率存在且不为0[1]。设线段L的两端点为A(xA，yA)和B(xB,yB)，斜率计算为公式为：

(1)

判断垂足是否在线段上，如果在线段上则返回垂足，见公式(2)。如果不在则计算两端点到垂足的距离，选择距离垂足较近的端点返回[1]。

(2)

1.2 起点距成果归算地理坐标成果

起点距理解为从起点开始多条线段距离的累积，计算步骤如下;

(1) 根据提供的起点距d与各个线段和的比较，判读起点距d对应的坐标d(xd,yd)在哪段线段上。假如：

l1+l2+…ln-1≤d

(3)

则判断d1(xd,yd)落在线段ln上，假设ln线段两端的坐标为A(x1,y1),B(x2,y2)，点A为起点。

(2) 如果该线段平行于x轴(y轴)，则过A(x1,y1)很容易求得d1(xd,yd)。

(3) 如果该线段不平行于x轴也不平行于y轴，则斜率存在且不为0。

图3 直线上点地理坐标计算原理

由图3相似三角形原理可知，

(4)

(5)

(6)

根据提供的起点距和多段线的起点坐标，利用坐标公式便可以计算出该点的坐标。

2 算法实现

ArcGIS Engine是一套完备的嵌入式GIS组件库和工具库，由于其具有简洁、灵活、易用、可移植性强等特点，因此使用ArcGIS Engine和C#进行海底管道检测数据两种成果之间的相互转换。在转换之前，需要根据海底管道节点坐标(地理坐标)创建多段线，在ArcGIS Engine中用polyline对象进行表示[2,6-7]。

2.1 海底管道地理坐标归算起点距成果

已知海底管线ln(IPolyline)和地理坐标点pt(IPoint)，则起点距可用IPolyline的接口函数QueryPointAndDistance计算得到，在下述代码中distanceOnCurve变量即为需要的起点距。

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 起点距成果归算地理坐标成果

已知海底管线ln(IPolyline)和起点距dis(double)，则地理坐标可用IPolyline的接口函数QueryPoint函数得到，在下述代码中outPoint即为地理坐标点，可获取坐标x和y。

IPoint outPoint=new PointClass();

ln.QueryPoint(esriSegmentExtension.esriNoExtension,dis, false, outPoint);

doublex=outpoint.x;

doubley=outpoint.y;

3 应用实例

册镇海底管道是甬沪宁管网的重要组成部分，起于舟山市册子岛油库，终于镇海岚山油库。册镇海底管道于2006年建成投用后，受客观自然条件和人类活动等因素综合影响，特别是受海流等因素影响，部分区域海床被冲刷，导致不同地段的海底管道出现局部悬空[8-11]。

浙江省河海测绘院受业主委托于2012年起进行册镇海底管道的检测工作，通过对检测数据的处理，对比分析海底管道位置、状态变化情况，为管道安全运行提供依据。根据以上海底管道地理坐标和起点距成果互算方法，编制了管道平面偏差成果表、管道状态成果表、管道坐标成果表，部分数据见表1～表3。

表1 册镇管道平面偏差成果表

表2 册镇管道状态成果表

表3 册镇管道坐标成果表

4 结 语

海底管道因工作效率高、便捷等优势在沿海一带都有建设运行。但受客观自然条件和人类活动等因素综合影响，特别是受海流等因素影响，部分区域海床被冲刷，导致不同地段的海底管道出现局部悬空。因此为了保障海底管道安全运行，需要对海底管道冲刷情况定期检测，对局部冲刷严重区域及时治理[12-13]。本文主要研究了海底管道检测数据处理中成果互算内容及其方法，并提出了基于ARCGIS Engine实现成果互算的计算机自动化处理方法。该研究成果已应用在册镇海底管道检测项目中数据处理中，效果良好。并且该成果对于其他管道检测数据处理及断面测量数据处理提供了借鉴和参考。

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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

浙江省科学技术厅项目(2016F30010)；基于无人机倾斜摄影技术的应急测绘保障能力建设

周兴华(1980—)，男，浙江临安人，硕士，高级工程师，主要从事海洋测绘工程及无人机应用研究工作。E-mail: 38103455@qq.com

P229.5

A

1672—1144(2017)03—0096—04