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)人機遙感（UAV Remote Sensing）是近年發(fā)展起來(lái)的低空遙感數據獲取與處理技術(shù)[1]，可自動(dòng)化、智能化、專(zhuān)題化快速獲取土地資源和環(huán)境等空間遙感信息[2]。無(wú)人機油氣管道巡線(xiàn)具有響應及時(shí)、效率高、無(wú)需人工穿越困難地區，并且數據客觀(guān)易于監管，可重復利用等優(yōu)點(diǎn)。目前國內外已有很多研究關(guān)注到無(wú)人機遙感監測的突出優(yōu)勢[3-5]。本文設計構建了油氣管道無(wú)人機遙感監測系統，并實(shí)際運用于無(wú)人機山區巡線(xiàn)及應急搶險中。

1 管道無(wú)人機遙感監測系統

1.1監測系統構成

管道無(wú)人機監測系統由三個(gè)基本環(huán)節組成：無(wú)人機遙感數據獲取、遙感信息分析和管道監測技術(shù)應用（圖1）。無(wú)人機、遙感器（數碼相機、高清攝像機、雙光吊艙等）、GPS、數據傳輸及預處理系統構成了無(wú)人機遙感數據獲取系統。將遙感數據進(jìn)行測量制圖、目視判讀以及計算機解譯可以得到地物時(shí)空信息。在地理信息系統平臺（油氣管道安全監測預警平臺）的支持下，將提取出的時(shí)空信息與其他多種信息結合起來(lái)，有效完成相關(guān)應用任務(wù)，實(shí)現管道監測系統的技術(shù)應用。

圖1 無(wú)人機遙感監測系統構成

1.2無(wú)人機監測信息分析

（1）數字測量制圖

數字測量制圖旨在生成數字高程模型（Digital Elevation Model ，DEM）與數字正射影像（Digital orthophoto Map，DOM）、數字線(xiàn)劃地圖（Digital Line Graphic，DLG）等基礎地理信息數據。無(wú)人機航空影像4D產(chǎn)品制作包括模型定向、空中三角測量、DLG線(xiàn)化、DEM提取與編輯、DOM制作幾個(gè)環(huán)節。

（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。根據數據源的不同，隱患提取分為兩種方式。針對單時(shí)相影像，利用隱患特征庫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施隱患。針對多時(shí)相影像，將前后兩時(shí)相分別進(jìn)行配準、圖像差值/比值計算，然后提取變化點(diǎn)，編輯變化檢測結果，去除偽變化，最終得到各類(lèi)新增隱患。

圖2 管道隱患自動(dòng)/半自動(dòng)提取流程

2 油氣管道安全監測預警平臺

2.1 平臺系統架構

油氣管道安全預警平臺整體架構見(jiàn)圖3。

圖3  油氣管道安全預警平臺系統

2.2 平臺軟件功能

油氣管道安全預警平臺分為二三維信息展示、油氣管道巡線(xiàn)、管線(xiàn)數據空間分析以及地理信息數據管理四個(gè)功能模塊。

①二三維信息展示模塊提供管道巡線(xiàn)數據的三維遠程可視化，以及各類(lèi)可視化操作、分析等交互功能。數據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(xiàn)路走廊、沿線(xiàn)區域地表高程、人工巡線(xiàn)數據、無(wú)人機巡線(xiàn)視頻、原始航片數據等。

②油氣管道巡線(xiàn)模塊以虛擬路徑漫游的形式重現人工巡線(xiàn)及無(wú)人機巡線(xiàn)過(guò)程，通過(guò)選項開(kāi)關(guān)、巡線(xiàn)時(shí)間軸、地理坐標軸等操作方式控制虛擬巡線(xiàn)路徑，同步展示影像、視頻與POS數據，記錄感興趣點(diǎn)信息。

③管線(xiàn)數據空間分析模塊提供隱患分析報告生成、應急預演預案等功能。

④地理信息數據管理模塊圍繞地圖底圖瓦片庫，影像數據庫，全景影像數據庫，矢量空間數據庫，全文數據庫，流媒體數據庫等，提供數據建庫和增、刪、改、查、上傳發(fā)布等操作；并配置各種數據的訪(fǎng)問(wèn)權限。

3 在復雜山區巡線(xiàn)及應急搶險中的應用

3.1山區管道巡線(xiàn)

無(wú)人機管道巡線(xiàn)主要用于河流穿跨越、沼澤、沙漠、山嶺、森林、高后果區等復雜區域巡線(xiàn)，彌補人工巡線(xiàn)的不足，可分為單航帶日常巡線(xiàn)、多航帶周期性巡線(xiàn)和專(zhuān)題巡線(xiàn)三種巡檢模式，其對比見(jiàn)表1。

重慶某山區成品油管道無(wú)人機巡檢監測結果如圖5～7所示。該管道全長(cháng)97.46 km，途徑5座海拔落差達200 m的山體，地形地貌復雜。圖5(a-d) 為70.2 km單航帶航片及視頻結果，共提取出新挖坑洞、非法建筑、穿越池塘等隱患共計176處。

圖5(ad)重慶某山區單航帶日常巡檢結果

圖6(a-c) 為15 km高后果區多航帶周期性巡檢結果，包括管道帶狀DEM和DOM，影像數據都具有坐標信息，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)挖土方量計算等多種三維分析。在基礎地理信息的基礎上，結合管道安全的相關(guān)條例進(jìn)行緩沖區分析。在管道中心線(xiàn)兩側各5 m范圍內，提取出挖坑、取土13處；在管道中心線(xiàn)兩側各50 m范圍內，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(zhuān)題分析圖見(jiàn)圖7。

圖6(a-c) 重慶某山區多航帶周期性巡檢結果

圖7 重慶某山區管道隱患專(zhuān)題分析圖

3.2 管道應急搶險

管道應急搶險工作分為預警、響應、啟動(dòng)、處置、終止、評價(jià)與總結六大步驟。無(wú)人機可參與應急響應、處置、評價(jià)與總結三個(gè)環(huán)節，并發(fā)揮重要作用。在應急響應階段，直接采用無(wú)控技術(shù)獲取大區域事故現場(chǎng)影像及高清視頻，快速獲取宏觀(guān)信息，輔助制定應急疏散方案，搶險物資進(jìn)入方案及搶險力量部署方案。在應急搶險處置階段，連續獲取事故現場(chǎng)及周邊危險地段正射影像、高清視頻及720度全景，一方面監控現場(chǎng)施工進(jìn)度，對作業(yè)區域進(jìn)行風(fēng)險評估；另一方面監控次生災害信息，優(yōu)化選線(xiàn)。在評價(jià)與總結階段，提供解譯專(zhuān)題圖，結合事故發(fā)生前衛星遙感影像或者前期巡線(xiàn)成果，完成土地滅失、道路橋梁損毀等信息識別，為應急搶險工作評估提供數據支撐。

湖北某山區應急搶險監測如圖8所示，損失評價(jià)結果見(jiàn)表2。

4 結論與展望

本文設計了油氣管道無(wú)人機遙感監測系統，并通過(guò)具體案例介紹了無(wú)人機遙感技術(shù)在山區巡線(xiàn)和應急搶險中的實(shí)際應用。依托油氣管道安全監測預警平臺，無(wú)人機巡檢方式在復雜地區油氣管道日常巡檢及管道應急搶險中均可發(fā)揮重要作用。

當前空域政策、無(wú)人機硬件設備以及數據處理技術(shù)水平是阻礙無(wú)人機在石油石化行業(yè)應用的主要瓶頸。目前油氣管道安全監測應用中多以可見(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用潛力。國內無(wú)人機遙感技術(shù)在管道監測方面的應用還比較少，隨著(zhù)政策的規范、遙感硬件設備及數據處理技術(shù)的不斷發(fā)展，其在油氣管線(xiàn)安全監測領(lǐng)域的應用將越來(lái)越廣泛。

參考文獻：

[1]馬澤忠,王福海,劉智華等.低空無(wú)人飛行器遙感技術(shù)在重慶城口滑坡堰塞湖災害監測中的應用研究[J].水土保持學(xué)報,2011,25(1):253-256.

[2]歐新偉,周利劍,馮慶善等.無(wú)人機遙感技術(shù)在長(cháng)輸油氣管道管理中的應用[J].科技創(chuàng )新導報,2011,15:17-18.

[3]ELLIS N. Inspection of power transscheme lines using UAVs[D].Toowoomba:University of Southern Queensland,2003:1-29.

[4]BRUGGEMANN T S,FORD J J,WALKER A R.Control of aircraft for inspection of linear infrastructure[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology,2011,19(6):1397-1409.

[5]常見(jiàn)文,孟凡輝,王倉等.無(wú)人機遙感技術(shù)在長(cháng)輸管道中的應用探討[J].價(jià)值工程,2013(32):197-198.

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)攝影測量與遙感專(zhuān)業(yè)，現從事航空攝影測量、無(wú)人機巡線(xiàn)與GIS的研發(fā)等工作。

《管道保護》2017年第3期（總第34期）