祝夢(mèng)花 曾 燕 楊序斌 王知音 鄧亞飛

中石化地球物理公司地理地質(zhì)信息勘查分公司

無(wú)人機(jī)遙感（UAV Remote Sensing）是近年發(fā)展起來(lái)的低空遙感數(shù)據(jù)獲取與處理技術(shù)[1]，可自動(dòng)化、智能化、專題化快速獲取土地資源和環(huán)境等空間遙感信息[2]。無(wú)人機(jī)油氣管道巡線具有響應(yīng)及時(shí)、效率高、無(wú)需人工穿越困難地區(qū)，并且數(shù)據(jù)客觀易于監(jiān)管，可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外已有很多研究關(guān)注到無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)的突出優(yōu)勢(shì)[3-5]。本文設(shè)計(jì)構(gòu)建了油氣管道無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并實(shí)際運(yùn)用于無(wú)人機(jī)山區(qū)巡線及應(yīng)急搶險(xiǎn)中。

1 管道無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

管道無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由三個(gè)基本環(huán)節(jié)組成：無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)獲取、遙感信息分析和管道監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用（圖1）。無(wú)人機(jī)、遙感器（數(shù)碼相機(jī)、高清攝像機(jī)、雙光吊艙等）、GPS、數(shù)據(jù)傳輸及預(yù)處理系統(tǒng)構(gòu)成了無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。將遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量制圖、目視判讀以及計(jì)算機(jī)解譯可以得到地物時(shí)空信息。在地理信息系統(tǒng)平臺(tái)（油氣管道安全監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)）的支持下，將提取出的時(shí)空信息與其他多種信息結(jié)合起來(lái)，有效完成相關(guān)應(yīng)用任務(wù)，實(shí)現(xiàn)管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用。

圖1 無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

1.2無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)信息分析

（1）數(shù)字測(cè)量制圖

數(shù)字測(cè)量制圖旨在生成數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model ，DEM）與數(shù)字正射影像（Digital orthophoto Map，DOM）、數(shù)字線劃地圖（Digital Line Graphic，DLG）等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)航空影像4D產(chǎn)品制作包括模型定向、空中三角測(cè)量、DLG線化、DEM提取與編輯、DOM制作幾個(gè)環(huán)節(jié)。

（2）管道隱患信息提取

管道隱患自動(dòng)/半自動(dòng)提取流程如圖2所示。根據(jù)數(shù)據(jù)源的不同，隱患提取分為兩種方式。針對(duì)單時(shí)相影像，利用隱患特征庫(kù)中的隱患特征在圖中尋找管道裸露、水閥室損害、堡坎坍塌等管道及附屬設(shè)施隱患。針對(duì)多時(shí)相影像，將前后兩時(shí)相分別進(jìn)行配準(zhǔn)、圖像差值/比值計(jì)算，然后提取變化點(diǎn)，編輯變化檢測(cè)結(jié)果，去除偽變化，最終得到各類新增隱患。

圖2 管道隱患自動(dòng)/半自動(dòng)提取流程

2 油氣管道安全監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)

2.1 平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

油氣管道安全預(yù)警平臺(tái)整體架構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3  油氣管道安全預(yù)警平臺(tái)系統(tǒng)

2.2 平臺(tái)軟件功能

油氣管道安全預(yù)警平臺(tái)分為二三維信息展示、油氣管道巡線、管線數(shù)據(jù)空間分析以及地理信息數(shù)據(jù)管理四個(gè)功能模塊。

①二三維信息展示模塊提供管道巡線數(shù)據(jù)的三維遠(yuǎn)程可視化，以及各類可視化操作、分析等交互功能。數(shù)據(jù)源包括地表各種人工建筑模型，公共地圖服務(wù)底圖，管道高清影像、線路走廊、沿線區(qū)域地表高程、人工巡線數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)巡線視頻、原始航片數(shù)據(jù)等。

②油氣管道巡線模塊以虛擬路徑漫游的形式重現(xiàn)人工巡線及無(wú)人機(jī)巡線過(guò)程，通過(guò)選項(xiàng)開(kāi)關(guān)、巡線時(shí)間軸、地理坐標(biāo)軸等操作方式控制虛擬巡線路徑，同步展示影像、視頻與POS數(shù)據(jù)，記錄感興趣點(diǎn)信息。

③管線數(shù)據(jù)空間分析模塊提供隱患分析報(bào)告生成、應(yīng)急預(yù)演預(yù)案等功能。

④地理信息數(shù)據(jù)管理模塊圍繞地圖底圖瓦片庫(kù)，影像數(shù)據(jù)庫(kù)，全景影像數(shù)據(jù)庫(kù)，矢量空間數(shù)據(jù)庫(kù)，全文數(shù)據(jù)庫(kù)，流媒體數(shù)據(jù)庫(kù)等，提供數(shù)據(jù)建庫(kù)和增、刪、改、查、上傳發(fā)布等操作；并配置各種數(shù)據(jù)的訪問(wèn)權(quán)限。

3 在復(fù)雜山區(qū)巡線及應(yīng)急搶險(xiǎn)中的應(yīng)用

3.1山區(qū)管道巡線

無(wú)人機(jī)管道巡線主要用于河流穿跨越、沼澤、沙漠、山嶺、森林、高后果區(qū)等復(fù)雜區(qū)域巡線，彌補(bǔ)人工巡線的不足，可分為單航帶日常巡線、多航帶周期性巡線和專題巡線三種巡檢模式，其對(duì)比見(jiàn)表1。

重慶某山區(qū)成品油管道無(wú)人機(jī)巡檢監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5～7所示。該管道全長(zhǎng)97.46 km，途徑5座海拔落差達(dá)200 m的山體，地形地貌復(fù)雜。圖5(a-d) 為70.2 km單航帶航片及視頻結(jié)果，共提取出新挖坑洞、非法建筑、穿越池塘等隱患共計(jì)176處。

圖5(ad)重慶某山區(qū)單航帶日常巡檢結(jié)果

圖6(a-c) 為15 km高后果區(qū)多航帶周期性巡檢結(jié)果，包括管道帶狀DEM和DOM，影像數(shù)據(jù)都具有坐標(biāo)信息，可直接在影像上看到管道走向及管道周邊環(huán)境信息，同時(shí)進(jìn)行水淹分析、油品泄漏蔓延分析、開(kāi)挖土方量計(jì)算等多種三維分析。在基礎(chǔ)地理信息的基礎(chǔ)上，結(jié)合管道安全的相關(guān)條例進(jìn)行緩沖區(qū)分析。在管道中心線兩側(cè)各5 m范圍內(nèi)，提取出挖坑、取土13處；在管道中心線兩側(cè)各50 m范圍內(nèi)，提取出居民建筑物233棟，湖泊3處，池塘8處，溝渠2處，管道穿越高速2條，普通公路15條，隱患專題分析圖見(jiàn)圖7。

圖6(a-c) 重慶某山區(qū)多航帶周期性巡檢結(jié)果

圖7 重慶某山區(qū)管道隱患專題分析圖

3.2 管道應(yīng)急搶險(xiǎn)

管道應(yīng)急搶險(xiǎn)工作分為預(yù)警、響應(yīng)、啟動(dòng)、處置、終止、評(píng)價(jià)與總結(jié)六大步驟。無(wú)人機(jī)可參與應(yīng)急響應(yīng)、處置、評(píng)價(jià)與總結(jié)三個(gè)環(huán)節(jié)，并發(fā)揮重要作用。在應(yīng)急響應(yīng)階段，直接采用無(wú)控技術(shù)獲取大區(qū)域事故現(xiàn)場(chǎng)影像及高清視頻，快速獲取宏觀信息，輔助制定應(yīng)急疏散方案，搶險(xiǎn)物資進(jìn)入方案及搶險(xiǎn)力量部署方案。在應(yīng)急搶險(xiǎn)處置階段，連續(xù)獲取事故現(xiàn)場(chǎng)及周邊危險(xiǎn)地段正射影像、高清視頻及720度全景，一方面監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，對(duì)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；另一方面監(jiān)控次生災(zāi)害信息，優(yōu)化選線。在評(píng)價(jià)與總結(jié)階段，提供解譯專題圖，結(jié)合事故發(fā)生前衛(wèi)星遙感影像或者前期巡線成果，完成土地滅失、道路橋梁損毀等信息識(shí)別，為應(yīng)急搶險(xiǎn)工作評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。

湖北某山區(qū)應(yīng)急搶險(xiǎn)監(jiān)測(cè)如圖8所示，損失評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。

4 結(jié)論與展望

本文設(shè)計(jì)了油氣管道無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)具體案例介紹了無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在山區(qū)巡線和應(yīng)急搶險(xiǎn)中的實(shí)際應(yīng)用。依托油氣管道安全監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，無(wú)人機(jī)巡檢方式在復(fù)雜地區(qū)油氣管道日常巡檢及管道應(yīng)急搶險(xiǎn)中均可發(fā)揮重要作用。

當(dāng)前空域政策、無(wú)人機(jī)硬件設(shè)備以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)水平是阻礙無(wú)人機(jī)在石油石化行業(yè)應(yīng)用的主要瓶頸。目前油氣管道安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用中多以可見(jiàn)光傳感器為主，高光譜、熱紅外等非可見(jiàn)光傳感器具有很大應(yīng)用潛力。國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在管道監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用還比較少，隨著政策的規(guī)范、遙感硬件設(shè)備及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，其在油氣管線安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

參考文獻(xiàn)：

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作者：祝夢(mèng)花，女，1990年生，碩士，中石化地球物理公司工程師，2015畢業(yè)于武漢大學(xué)攝影測(cè)量與遙感專業(yè)，現(xiàn)從事航空攝影測(cè)量、無(wú)人機(jī)巡線與GIS的研發(fā)等工作。

《管道保護(hù)》2017年第3期（總第34期）