摘" " 要：海底管道檢測數(shù)據(jù)管理是智慧管道建設(shè)的重要組成部分。地理數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)，將海底管道路由區(qū)要素按照線性參考系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為矢量格式，并生成線性參考字段屬性表，然后將要素添加到地理數(shù)據(jù)庫中，賦予其投影系統(tǒng)和度量單位，形成海底管道路由要素數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)?；诙伍_發(fā)平臺 ArcEngine10.2，在.NET 環(huán)境下使用C#語言開發(fā)了海底管道路由要素可視化管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了海底管道檢測數(shù)據(jù)的可視化瀏覽、快速查詢、空間關(guān)系分析、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)提取等管理分析功能，提高了數(shù)據(jù)分析效率，可為海底管道的完整性管理、風(fēng)險分析等提供科學(xué)、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：海底管道；線性參考；要素屬性表；可視化管理系統(tǒng)

Research on operation， maintenance and innovative practice of long distance

natural gas subsea pipeline

XU Jia， FENG Dejia， ZHAO Kaifeng， CHEN Guozhi

National Pipeline Network Group South China Company， Guangzhou， 510700， China

Abstract：The management of inspection data of submarine pipelines is important for building smart pipelines. To establish a geographic database， the basis of data management as well as the data management system for submarine pipeline route elements， this paper converts the route area elements into vector formats according to the linear reference system and generates a linear reference field attribute table of the elements before adding them into the geographic database which is then given a projection system and measurement units. Based on the secondary development platform ArcEngine 10.2， a visual management system for submarine pipeline route elements is developed using C# language in the . NET environment. This system enables management and analysis functions such as visual browsing， fast querying， spatial relationship analysis， statistical analysis， and data extraction of submarine pipeline inspection data， improving data analysis efficiency and providing a reliable foundation for integrity management and risk analysis of submarine pipelines.

Keywords：submarine pipeline; linear reference; element attribute table; visual management system

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.05.001

海底管道作為海上能源輸送的重要命脈，因處于復(fù)雜海洋環(huán)境中，面臨著海底沖刷、第三方作業(yè)、自然災(zāi)害等外部風(fēng)險因素，需要定期對其進(jìn)行檢測和維護(hù)。將海底管道路由區(qū)內(nèi)各種要素進(jìn)行數(shù)字化，并進(jìn)行可視化管理是建設(shè)智慧管道的基礎(chǔ)[1-4]，通過對歷年的海底管道檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、分析，可以識別海底管道路由區(qū)的風(fēng)險因素、分析海底管道在位狀態(tài)變化情況，為確定海底管道重點(diǎn)巡護(hù)區(qū)域和制訂檢測計劃提供指導(dǎo)。

目前，對海底管道檢測數(shù)據(jù)的管理幾乎都是將不同時期的檢測數(shù)據(jù)存放在構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫中，只具備基礎(chǔ)的瀏覽功能，無法進(jìn)行海底管道路由區(qū)要素歷史變化分析和要素與海底管道的空間關(guān)系分析。本文通過建立海底管道路由要素地理數(shù)據(jù)庫和海底管道路由要素管理系統(tǒng)，將海底管道及路由區(qū)要素轉(zhuǎn)換成以海底管道為路徑的線性參考，并將其加入到地理數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)了海底管道檢測數(shù)據(jù)的可視化瀏覽、快速查詢、空間關(guān)系分析、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)提取等管理分析功能，為海底管道的完整性管理、風(fēng)險分析等提供了基礎(chǔ)。

1" " 地理數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

海底管道檢測數(shù)據(jù)存儲需要構(gòu)建地理數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)管理可提高管理效率。海底管道檢測數(shù)據(jù)分為原始數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)[5-10]。原始數(shù)據(jù)由海底管道狀態(tài)數(shù)據(jù)、管道節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及地形和地層高程點(diǎn)數(shù)據(jù)等矢量數(shù)據(jù)與側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)柵格影像組成，其特征是數(shù)據(jù)量大、操作較頻繁。成果數(shù)據(jù)由柵格數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)組成；其中海底地形、地層面、海底地貌鑲嵌圖像為柵格數(shù)據(jù)，包括柵格圖像和屬性表；海底第三方作業(yè)痕跡、海底沖刷區(qū)、保護(hù)層裸露區(qū)等海底表面特征為矢量數(shù)據(jù)，包括矢量圖形和屬性表。

1.1" " 建立線性參考系統(tǒng)

描述工區(qū)內(nèi)地物位置特征通常采用地理坐標(biāo)或投影坐標(biāo)來描述其在地圖中的位置，是對現(xiàn)實世界的抽象處理。在現(xiàn)實世界中，地物不僅有三維坐標(biāo)，還具有描述地物與某個具備明顯特征地物相對關(guān)系的線性坐標(biāo)，如**路**號，線性坐標(biāo)因具有明顯的參照，使用者更容易確定其位置。

海底管道是線狀物體，具有沿管道走向的里程值，以海底管道作為路徑，以沿路徑的里程值以及偏移路徑的距離來描述海底管道路由區(qū)要素的位置，可以直觀描述要素相對海底管道的空間位置[11-15]，因此將海底管道路由區(qū)要素的地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為以管道為參考的線性坐標(biāo)，對于快速管理分析管道路由區(qū)要素分布情況具有重要的實用價值。

以南海某海底管道（以下稱SG管道）為例，將海底管道視為路徑，沿軸線分段轉(zhuǎn)換為方程式，用數(shù)學(xué)方程來描述地理坐標(biāo)中海底管道的位置，進(jìn)行海底管道軸線轉(zhuǎn)換及路由區(qū)要素線性坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。SG管道全程長14.747 km，包含4個直線段和3個弧線段，軸線位置見圖1，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示。

假設(shè)東西向為x軸，南北向為y軸，根據(jù)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及區(qū)段的形狀，將SG管道沿軸線分段轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)方程式，見式（ 1 ）。

1.2" " 建立要素屬性表

海底管道檢測成果數(shù)據(jù)包括海底管道的空間位置、路由區(qū)內(nèi)第三方作業(yè)痕跡、沖刷區(qū)、管道上方保護(hù)層狀況、海底擾動、路由區(qū)水深、路由區(qū)地層結(jié)構(gòu)等，均可視為要素。每個要素具有矢量形狀、柵格圖像以及屬性表，屬性表描述要素的類型、圖層、地理位置、線性參考位置等。其中海底表面要素（第三方作業(yè)痕跡、沖刷區(qū)、管道上方保護(hù)層狀況、海底擾動等）通常為矢量格式，包含矢量圖像和屬性表。要素屬性表是要素的信息表格，包含圖形類型（point、polyline、polygon）、圖層、地理位置（[xf，yf]）等。

例如SG管道，其海底沖刷區(qū)要素的原始屬性如表2所示，矢量圖像如圖2、圖3所示。

1.3" " 線性參考屬性計算

按照線性參考系統(tǒng)對要素進(jìn)行轉(zhuǎn)換，需要將要素的地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為線性參考坐標(biāo)。當(dāng)在空間直角坐標(biāo)系下計算要素的線性參考屬性時，映射坐標(biāo)（[xc，yc]）、沿路徑的里程[kpc]、偏離路徑的距離、累積長度、累積面積等可直接計算，沿路徑的里程需要通過在路徑上的映射坐標(biāo)（[xc，yc]）計算。

1）偏移路徑距離計算公式為：

直線段" " " "[s=kxf?yf+b1k2+1]" " "（ 2 ）

弧線段" [s=（xf?xr）2+（yf?yr）2?r] （ 3 ）

式中：s為偏移路徑距離，m；k為直線段的斜率；[b1]為直線段在y軸上的截距，m；[xr]、[yr]為弧線段的圓心坐標(biāo)，r為弧線段的半徑，m。

2）路徑上映射坐標(biāo)（[xc，yc]）計算公式為：

直線段" " " " [xc=kyf+xf?kb1k2+1yc=k2yf+kxf+b1k2+1]" "（ 4 ）

弧線段計算式見式（5）。

3）沿路徑里程[kpc]的計算方法。首先，確定路徑上映射坐標(biāo)所在的區(qū)段，按式（6）和式（7）計算映射坐標(biāo)至區(qū)段起點(diǎn)的距離。

對于直線段：

[d2=（xc?xL1）2+（yc?yL1）2]" "（ 6 ）

對于弧線段：

[d2=2arcsinxc?xC12+yc?yC122rr]（ 7 ）

式中：[d2]為映射坐標(biāo)至所在區(qū)段起點(diǎn)的距離，m； [xL1]、[yL1]為直線段起點(diǎn)的坐標(biāo)；[xC1]、[yC1]為弧線段起點(diǎn)的坐標(biāo)；r為弧線段半徑，m。

其次，由于SG管道每個區(qū)段都有明確的長度，將映射坐標(biāo)所在區(qū)段之間的各區(qū)段長度累加，得到長度[LS]（m），并計算[L=LS+d2]；最后，映射坐標(biāo)（[xc，yc]）至路徑起點(diǎn)[（x0，y0）]的沿路徑里程[kpc=L]。

4）線狀要素累積長度的計算。通過計算要素相鄰節(jié)點(diǎn)之間的長度[?d]，然后進(jìn)行累加得到線狀要素累積長度。要素累積長度計算公式如下：

[d=i=1n?di=i=1n?1（xi+1?xi）2+（yi+1?yi）2]" （ 8 ）

式中：d為線狀要素的累積長度，m。

5）面狀要素的面積計算公式為：

[A=12inxfiyfixfi+1yfi+1=inxfiyfi+1?xfi+1yfi] （ 9 ）

式中：A為面狀要素的累積面積，m2。

綜上所述，在線性參考坐標(biāo)系統(tǒng)下SG管道海底沖刷區(qū)要素完整的屬性表如表3所示，海底沖刷區(qū)在線性參考系統(tǒng)中的位置如圖2所示。

1.4" " 成果數(shù)據(jù)入庫

為海底管道檢測成果建立成果數(shù)據(jù)庫，根據(jù)縱向分類、橫向分集的存儲策略進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫。首先建立本地文件地理數(shù)據(jù)庫，為數(shù)據(jù)庫指定坐標(biāo)系統(tǒng)和度量單位。將SG管道路由區(qū)內(nèi)的所有要素均轉(zhuǎn)換為線性參考坐標(biāo)，并加入到地理數(shù)據(jù)庫中。路由區(qū)要素包括海底管道軸線、海底表面要素、海底地形、海底地層等4個分類。其中，各分類包括各自的要素分集。地理數(shù)據(jù)庫分層結(jié)構(gòu)如圖4所示。

海底管道軸線：包括海底管道本體要素，圖像和屬性表。

海底表面要素：包括海底錨痕、海底沖刷區(qū)、保護(hù)層裸露區(qū)、海底沉船、海底漁網(wǎng)、海底凹坑等。每個要素集子目錄下又包括單個要素。每個要素均包括圖像和屬性表。

海底地形：包括海底地形柵格數(shù)據(jù)和等深線，柵格數(shù)據(jù)包括柵格圖像和屬性表。

海底地層：包括地層界面柵格數(shù)據(jù)和等深線，柵格數(shù)據(jù)包括柵格圖像和屬性表。

2" " 海底管道路由要素數(shù)據(jù)管理軟件

2.1" " 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

海底管道路由要素可視化管理系統(tǒng)采用 C/S 模式，基于二次開發(fā)平臺 ArcEngine10.2，在.NET 環(huán)境下使用C#編程語言開發(fā)而成。

海底管道路由要素數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)需要具備4方面的功能：數(shù)據(jù)管理、屬性查詢、空間分析、提取分析。數(shù)據(jù)管理主要是對地理數(shù)據(jù)中的海底管道路由要素進(jìn)行可視化瀏覽以及要素屬性編輯；屬性查詢主要是利用要素的特定屬性字段進(jìn)行特定的要素查詢并高亮顯示；空間分析主要是查詢要素與海底管道的空間關(guān)系，并根據(jù)空間關(guān)系查找相應(yīng)的要素；提取分析主要是導(dǎo)出要素屬性值、按斷面提取柵格值、按等值線提取柵格區(qū)域等。

2.2" " 軟件功能開發(fā)

海底管道路由要素可視化管理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)管理模塊、要素屬性查詢模塊、要素與管道的空間關(guān)系分析模塊、要素統(tǒng)計分析模塊、數(shù)據(jù)提取分析模塊等5個模塊。

數(shù)據(jù)管理模塊主要功能是海底管道路由要素的顯示、瀏覽，操作對象為地理數(shù)據(jù)庫?？梢詫⒌乩頂?shù)據(jù)庫中的要素添加到軟件中進(jìn)行可視化顯示和三維瀏覽，以及空間距離、面積的量取和計算。在數(shù)據(jù)圖層管理窗口，可以查詢要素的屬性值并導(dǎo)出為.xls表格。

要素屬性查詢模塊主要功能是根據(jù)要素屬性表中的特征字段進(jìn)行查詢，可進(jìn)行單個要素查詢或要素集查詢，操作對象為添加到軟件中的要素圖層。操作邏輯為通過查詢過濾器生成查詢的sql語句，格式為“字段名稱”+“邏輯運(yùn)算符”+“屬性值”，如“累積長度gt;100 m”，然后使用QueryFilter接口進(jìn)行查詢計算，符合條件的要素將會高亮顯示，如圖5所示。圖5（a）為查詢過濾器操作窗口，需要選擇要查詢的圖層、選擇方式、字段名稱、邏輯操作符、字段屬性值，生成查詢語句，點(diǎn)擊應(yīng)用，查詢效果如圖5（b）所示，符合條件的要素將會被選擇并高亮顯示。

要素與管道的空間關(guān)系分析模塊是根據(jù)要素屬性表中的特征字段進(jìn)行分析，操作對象為添加到軟件中的要素圖層。操作邏輯為通過空間關(guān)系分析過濾器選擇參與空間分析的要素、空間關(guān)系查詢方式（相交、相鄰、相接、覆蓋、跨越），如要選擇與海底管道相交的海底錨痕，則設(shè)置源圖層為海底管道，設(shè)置目標(biāo)圖層為海底錨痕，空間關(guān)系選擇相交，然后使用SpatialFilter接口進(jìn)行空間關(guān)系分析計算，符合條件的要素將會高亮顯示，如圖6所示。圖6（a）為空間關(guān)系分析過濾器操作窗口，需要選擇目標(biāo)圖層（主圖層）、元圖層（要分析的圖層）、選擇方式，點(diǎn)擊應(yīng)用，分析結(jié)果如圖6（b）所示，與海底沖刷區(qū)（面狀要素）與海底管道相交的部分被選擇并高亮顯示。

要素統(tǒng)計分析模塊是根據(jù)要素屬性表中的特征字段進(jìn)行統(tǒng)計分析，可對要素集的某個屬性進(jìn)行統(tǒng)計分析。操作對象為添加到軟件中的要素圖層。操作邏輯為選擇要統(tǒng)計的要素集或柵格圖層，選擇要統(tǒng)計分析的字段，然后使用ConductStatistic接口進(jìn)行統(tǒng)計分析計算，給出統(tǒng)計結(jié)果，包括數(shù)量、最小值、最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、柵格行列數(shù)、柵格波段等，如圖7所示。圖7（a）是要素統(tǒng)計工具窗口，選擇需要分析的圖層和字段，然后自動生成統(tǒng)計結(jié)果；圖7（b）是柵格要素統(tǒng)計工具窗口，選擇需要分析的柵格圖層，然后自動生成統(tǒng)計結(jié)果。

數(shù)據(jù)提取分析模塊的操作對象是柵格，利用選定的斷面線從柵格圖像中提取像元值組成序列，并繪制斷面圖像；利用等深線序列從柵格圖像中提取特定水深的區(qū)域。操作邏輯為：第一，繪制斷面線，生成矢量要素作為提取的剖面線，選擇柵格圖像作為提取的源圖層，使用Topological接口和interpolate接口進(jìn)行數(shù)據(jù)提取計算，得到提取的數(shù)組，包含M值（距離）和Z值（高程），并根據(jù)M值和Z值繪制斷面圖像，如圖7所示；第二，通過查詢過濾器生成查詢的sql語句，格式為“字段名稱”+“邏輯運(yùn)算符”+“屬性值”，如“Valuegt;-10 m”，含義為提取水深小于10 m的區(qū)域，然后使用QueryFilter接口進(jìn)行提取計算，生成符合條件的柵格圖像，如圖8所示。

圖8中窗口左側(cè)為數(shù)據(jù)選擇，選擇源數(shù)據(jù)圖層（柵格）、邊界圖層（柵格邊界）、剖面線，點(diǎn)擊提取斷面，在中部的表格顯示提取的數(shù)據(jù)，包含M值（距離）和Z值（高程）；點(diǎn)擊繪制斷面圖，在窗口右側(cè)繪制斷面曲線，橫軸為M值，縱軸為Z值。

柵格屬性提取功能見圖9，圖9（a）為原始的柵格圖層，圖9（b）為柵格屬性提取窗口。選擇需要提取的柵格、字段、布爾運(yùn)算符、字段值，生成sql查詢語句，點(diǎn)擊提取，在圖9（c）生成符合條件的柵格圖層。

2.3" " 海底管道路由要素管理系統(tǒng)特色技術(shù)

海底管道路由要素管理系統(tǒng)采用組件式開發(fā)，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)操作與界面分離，便于系統(tǒng)功能擴(kuò)充及組件重復(fù)利用，其特色技術(shù)分為要素屬性圖表可視化與斷面分析兩方面。

要素屬性繪圖實現(xiàn)了要素屬性數(shù)據(jù)的可視化，基于不同時期測量的海底管道位置、里程、埋深等屬性值，繪制海底管道縱斷面圖，可分析海底管道的變化特征。通過Datetable接口獲取要素的屬性值并存放在臨時的access數(shù)據(jù)庫中，通過Charting接口選擇進(jìn)行繪圖所需的數(shù)據(jù)列進(jìn)而繪制圖形。

斷面分析是海底管道路由區(qū)沖淤分析的基礎(chǔ)，基于不同測次、不同數(shù)據(jù)源類型的斷面數(shù)據(jù)，可從時間、空間的角度來揭示管道路由區(qū)的沖淤與演變情況，對于海底管道的沖刷風(fēng)險分析具有重要意義。柵格數(shù)據(jù)來源于測量的海底管道路由區(qū)的水深數(shù)據(jù)，通過將離散的水深點(diǎn)進(jìn)行空間插值生成反應(yīng)海底水深的柵格圖像。使用ISurface接口的InterpolateShap函數(shù)按照柵格像元尺寸對剖面線進(jìn)行等分插值，形成沿斷面線的等分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)，然后進(jìn)行柵格像元值提取，形成柵格斷面數(shù)據(jù)序列（M值、Z值）。

3" " 結(jié)論

海底管道路由要素數(shù)據(jù)管理是建設(shè)智慧管道的重要組成部分，將海底管道路由區(qū)的要素轉(zhuǎn)換為矢量要素和柵格要素，并計算要素屬性表，添加到地理數(shù)據(jù)庫中，可提高海底管道測量數(shù)據(jù)管理效率。

海底管道路由要素可視化管理系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)管理、屬性查詢、空間關(guān)系分析、要素統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)提取分析功能等模塊，實現(xiàn)了海底管道路由檢測數(shù)據(jù)的瀏覽、快速查詢、要素與管道的空間關(guān)系分析、要素統(tǒng)計分析、柵格斷面提取等管理分析功能，較以往的海底管道檢測數(shù)據(jù)庫增加了空間分析、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)提取的功能，提高了數(shù)據(jù)分析效率，可為海底管道的完整性管理、風(fēng)險分析等提供基礎(chǔ)。

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作者簡介：

徐" " 佳（1988—），男，廣東廣州人， 工程師，2012年畢業(yè)于武漢大學(xué)電氣工程及自動化專業(yè) ，現(xiàn)主要從事海底管道運(yùn)行管理。

Email： 492904064@qq.com

收稿日期：2024-07-14