【论文精选】基于摄影测量技术地下燃气管道竣工数据记录

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作 者： 陈国华

第一作者单位：香港中华煤气有限公司

摘自《煤气与热力》2022年3月刊

参考文献示例

陈国华 .   基于摄影测量技术地下燃气管道竣工数据记录 ［J］.    煤气与热力， 2022，42（3） ：B04-B06.

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智慧燃气

1    概述

 

摄影测量的主要特征是在不接触物体本身的情况下测量和分析相片。只要将物体拍摄为图像，应用该技术就可以获得该物体的三维形状。这些灵活性，除了用于地形测绘外，还可用于工业、建筑、生物、医学、考古等方面。在许多国家，已有采矿企业使用航拍无人机，利用机载相机在高空往复拍摄地面，之后使用这些相片制作一个地面的三维（ 3D ）模型，并以该 3D 模型分析地面设施的状况 ^{［ 1 ］} 。

 

香港中华煤气有限公司率先运用摄影测量技术记录竣工数据，将埋于地下的燃气管网以 3D 面貌重现眼前，提高管网数据的质量。并与现有的地理信息系统平台整合，促进管网数据的可用性，从而提升管网运作效率及安全。

 

2    摄影测量原理

 

双目立体视觉是机器视觉的一种重要形式，它是一种基于视差原理从多幅图像中获取物体三维几何信息的方法。摄影测量就是采用这种方法。双目立体视觉系统一般通过左右摄像头从不同角度获取被测物体的数字图像，或者单个摄像头在不同时间从不同角度获取被测物体的数字图像，根据视差信息原理重建物体的 3D 轮廓和位置，即从不同角度采集同一物体的图像，确定物体同一点在不同图像平面上的相互匹配关系，得到物体空间点的三维坐标。

 

3    应用背景

 

香港中华煤气有限公司（以下简称公司）拥有的地下输配管网分布在香港岛、九龙、新界及离岛各地，各地每天有着大大小小地下管道的改造或建造工程。有时管网在施工期间受环境影响与设计情况有所偏差，因此设计数据不能精准反映真实情况。由于大部分管网埋于地下，为隐蔽工程，因此采集的竣工数据的质量对日后管网的描述起了关键作用。采集数据可分为管网建设数据及地理位置数据。管网建设数据包括管道规格、长度、材质、配件种类及编号等；地理位置数据包括管与管及配件连接的相对位置，以及在地图中的位置等。

 

在竣工期间，施工人员采集管网建设资料大都采用人工抄写，难免存在人为错误而难于识别，如存在管道位置记录错误，会造成管道定位不准确，管道可能会在后期被第三方损坏。

 

香港特区政府早在 20 世纪 90 年代初已把地图数码化，提供较高精度的 1 ∶ 1 000 的地形图，包含一些带固定坐标位置的设施，如路灯、行人路、消防栓等。因此配气管网多年来通过测量竣工管道与这些设施的相对距离，来绘制管道地图。

 

提交了竣工资料后，绘图人员会根据竣工图内尺寸，结合现有政府批准的地形图审批管道位置，输入 地理信息系统（ GIS ） 。公司的 GIS 建在 20 世纪 90 年代初，采用政府编制的数码地形图搭建自身的燃气设施而成，拥有整个地下燃气管网位置数据，是一个 2.5 维空间（ 2.5D ）的地理信息系统，供管网操作及发展部人员使用。 2.5D 是指管道的每点都拥有 x 、 y 坐标，只间歇性记录某些特别位置的 z 坐标。

 

4    技术方案

①制作 3D 管道模型

 

管道回填之前，使用摄影测量技术拍摄地下燃气管网，可以减少人工抄写记录和测量的工作量，降低人为造成的数据错漏率。拍摄完成后，通过网络将竣工相片上传至公司云服务器中。运用计算机摄影测量软件重建三维管网模型。如此将埋于地下的燃气管网面貌重现眼前，并可供度量，提升了采集数据的质量，节省了时间。

 

智能手机的相机功能不断进步，可与入门级的数码相机媲美。此外，智能手机能支持移动应用程序（ App ） ，大大提高了它的使用率和普遍性，而且携带方便，可随时随地供摄影测量使用。因此，使用手机拍摄相片产生 3D 模型方便可行。

 

摄影测量对相片有一定要求，需要相片拍摄清晰，而且物体的每部分都要在多张相片中出现，或理解为前后相片要求有约 80% 影像重叠，如拍摄相片重叠率不足则不能制作 3D 管道模型。

 

②在地图上确定位置

 

管道定位见图 1 。首先在管沟边缘放置自制标记牌，标记牌上标记 A 、 B 、 C 和 D ，作为地面控制点（ Ground Control Point ，简称 GCP ）。然后在地图中选择一个固定物 R ₁ （可以是灯柱、楼角、消火栓、路角等），从管沟起始位置开始，寻找路沿石并放置自制标记牌 L ₁ 和 L ₂ 。最后测量各标记牌与固定物之间的相对距离并记录。绘图人员根据这些记录，在地图上确定出 A 、 B 、 C 和 D 的坐标。由于标记牌、管沟和管道相连出现在 3D 模型中，标记牌内的坐标便能带入管道。注意拍摄的同时需要把 GCP 标记牌拍下来，这样模型制作后，这些标记牌、管沟及沟内管道相连一体成为 3D 模型。

 

图 1    管道定位

 

③将模型加载到公司 GIS 内作管网更新

 

在计算机摄影测量软件内，录入计算出的 A 、 B 、 C 和 D 点坐标，产生带坐标的三维模型。然后运用计算机摄影测量提供的功能把 3D 模型作垂直正向投影，得出俯瞰影像，输出航拍相片。一般的 GIS 有着加载图层功能，把输出的航拍相片以图层载入并重叠在地图上作为参考背景，然后录入新的管道。

 

5    实施方案  

5.1   事前装备

 

①准备 800 × 10 ⁴  像素的相机装置（例如数码相机、智能手机或平板计算机）。

 

②准备印有 A 、 B 、 C 和 D 记号的胶垫，作为地面控制点。

 

③将管道敷设在管沟内（不回填）。

 

④打印并携带 1 ∶ 1 000 地形图，范围远远大于管沟，目的是日后能找到管沟的位置坐标。

 

5.2   拍摄 3 步曲

 

①拍摄前准备

 

a. 清空范围

 

清空拍摄范围内的杂物，避免阻碍拍摄移动及意外发生。确保拍摄时没有任何障碍物遮挡镜头，包括管沟内的工作人员、帆布等。在管道长度方向，管道起点和终点分别向两端 1 m 范围内要清空；在管道宽度方向，两侧管沟边缘向外 1 m 范围内也要清空。

 

b. 放置地面控制点胶垫

 

在管沟边缘放置 A 、 B 、 C 及 D 记号的胶垫。

 

c. 拍摄附近环境相片

 

从不同角度拍摄 4 ～ 5 张管沟和附近地貌的相片，供确定大概的位置参考。

 

②正式拍摄

 

如情况许可，一段管道需要左右两边进行拍摄，见图 2 。站立在管沟外 1 m 远距离，尽量提高相机至肩膀，拍摄方向应和管道方向成直角。依次拍下靠近自己的管沟边、管道、对面管沟边（见图 3 ）共 3 张。然后沿管道拍摄路径向前移动 0 . 5 m ，重复上述步骤直至所摄终点。

 

图 2    管道拍摄路径

 

图 3    管沟范围

 

③上传资料

 

完成上述拍摄后，即日上传至公司云服务器中。

 

6    实施效果

 

在试运行期间，施工人员减少了需要在工地抄写竣工记录及测量的工作量，并明显改进了竣工数据提交的情况。所提交的相片中，只有少部分因影像重叠率不足，不能制成 3D 模型。这除了需要拍摄人员多加注意外，还可利用现今图像识别技术，现场实时检查相片的影像重叠率是否足够。如发现重叠率不足的情况，应立刻补拍。

参考文献：

［ 1 ］ CRNOGORAC L ，  GOJKOVIC Z ， MILUTINOVI Ć  A ， et al. 3D modeling of terrain and spatial visualization of underground facilities at the ′ Crveni Breg ′  mine ［ EB/OL ］ .  ［ 2020-07-06 ］ . https ： //www.researchgate.net/publication/330520264_3D_modeling_of_terrain_and_spatial_visualization_of_underground_facilities_at_the_ ′ Crveni_Breg’_mine.

 

（本文责任编辑：林国真）

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