祝夢花 曾 燕 楊序斌 王知音 鄧亞飛

中石化地球物理公司地理地質信息勘查分公司

無人機遙感（UAV Remote Sensing）是近年發(fā)展起來的低空遙感數(shù)據(jù)獲取與處理技術[1]，可自動化、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]。無人機油氣管道巡線具有響應及時、效率高、無需人工穿越困難地區(qū)，并且數(shù)據(jù)客觀易于監(jiān)管，可重復利用等優(yōu)點。目前國內(nèi)外已有很多研究關注到無人機遙感監(jiān)測的突出優(yōu)勢[3-5]。本文設計構建了油氣管道無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)，并實際運用于無人機山區(qū)巡線及應急搶險中。

1 管道無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)

1.1監(jiān)測系統(tǒng)構成

管道無人機監(jiān)測系統(tǒng)由三個基本環(huán)節(jié)組成：無人機遙感數(shù)據(jù)獲取、遙感信息分析和管道監(jiān)測技術應用（圖1）。無人機、遙感器（數(shù)碼相機、高清攝像機、雙光吊艙等）、GPS、數(shù)據(jù)傳輸及預處理系統(tǒng)構成了無人機遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。將遙感數(shù)據(jù)進行測量制圖、目視判讀以及計算機解譯可以得到地物時空信息。在地理信息系統(tǒng)平臺（油氣管道安全監(jiān)測預警平臺）的支持下，將提取出的時空信息與其他多種信息結合起來，有效完成相關應用任務，實現(xiàn)管道監(jiān)測系統(tǒng)的技術應用。

圖1 無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)構成

1.2無人機監(jiān)測信息分析

（1）數(shù)字測量制圖

數(shù)字測量制圖旨在生成數(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）等基礎地理信息數(shù)據(jù)。無人機航空影像4D產(chǎn)品制作包括模型定向、空中三角測量、DLG線化、DEM提取與編輯、DOM制作幾個環(huán)節(jié)。

（2）管道隱患信息提取

管道隱患自動/半自動提取流程如圖2所示。根據(jù)數(shù)據(jù)源的不同，隱患提取分為兩種方式。針對單時相影像，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。針對多時相影像，將前后兩時相分別進行配準、圖像差值/比值計算，然后提取變化點，編輯變化檢測結果，去除偽變化，最終得到各類新增隱患。

圖2 管道隱患自動/半自動提取流程

2 油氣管道安全監(jiān)測預警平臺

2.1 平臺系統(tǒng)架構

油氣管道安全預警平臺整體架構見圖3。

圖3  油氣管道安全預警平臺系統(tǒng)

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、管線數(shù)據(jù)空間分析以及地理信息數(shù)據(jù)管理四個功能模塊。

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)、無人機巡線視頻、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)人工巡線及無人機巡線過程，通過選項開關、巡線時間軸、地理坐標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)，記錄感興趣點信息。

③管線數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)管理模塊圍繞地圖底圖瓦片庫，影像數(shù)據(jù)庫，全景影像數(shù)據(jù)庫，矢量空間數(shù)據(jù)庫，全文數(shù)據(jù)庫，流媒體數(shù)據(jù)庫等，提供數(shù)據(jù)建庫和增、刪、改、查、上傳發(fā)布等操作；并配置各種數(shù)據(jù)的訪問權限。

3 在復雜山區(qū)巡線及應急搶險中的應用

3.1山區(qū)管道巡線

無人機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)等復雜區(qū)域巡線，彌補人工巡線的不足，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，其對比見表1。

重慶某山區(qū)成品油管道無人機巡檢監(jiān)測結果如圖5～7所示。該管道全長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(qū)單航帶日常巡檢結果

圖6(a-c) 為15 km高后果區(qū)多航帶周期性巡檢結果，包括管道帶狀DEM和DOM，影像數(shù)據(jù)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，同時進行水淹分析、油品泄漏蔓延分析、開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條例進行緩沖區(qū)分析。在管道中心線兩側各5 m范圍內(nèi)，提取出挖坑、取土13處；在管道中心線兩側各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，隱患專題分析圖見圖7。

圖6(a-c) 重慶某山區(qū)多航帶周期性巡檢結果

圖7 重慶某山區(qū)管道隱患專題分析圖

3.2 管道應急搶險

管道應急搶險工作分為預警、響應、啟動、處置、終止、評價與總結六大步驟。無人機可參與應急響應、處置、評價與總結三個環(huán)節(jié)，并發(fā)揮重要作用。在應急響應階段，直接采用無控技術獲取大區(qū)域事故現(xiàn)場影像及高清視頻，快速獲取宏觀信息，輔助制定應急疏散方案，搶險物資進入方案及搶險力量部署方案。在應急搶險處置階段，連續(xù)獲取事故現(xiàn)場及周邊危險地段正射影像、高清視頻及720度全景，一方面監(jiān)控現(xiàn)場施工進度，對作業(yè)區(qū)域進行風險評估；另一方面監(jiān)控次生災害信息，優(yōu)化選線。在評價與總結階段，提供解譯專題圖，結合事故發(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別，為應急搶險工作評估提供數(shù)據(jù)支撐。

湖北某山區(qū)應急搶險監(jiān)測如圖8所示，損失評價結果見表2。

4 結論與展望

本文設計了油氣管道無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)，并通過具體案例介紹了無人機遙感技術在山區(qū)巡線和應急搶險中的實際應用。依托油氣管道安全監(jiān)測預警平臺，無人機巡檢方式在復雜地區(qū)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、無人機硬件設備以及數(shù)據(jù)處理技術水平是阻礙無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(jiān)測應用中多以可見光傳感器為主，高光譜、熱紅外等非可見光傳感器具有很大應用潛力。國內(nèi)無人機遙感技術在管道監(jiān)測方面的應用還比較少，隨著政策的規(guī)范、遙感硬件設備及數(shù)據(jù)處理技術的不斷發(fā)展，其在油氣管線安全監(jiān)測領域的應用將越來越廣泛。

參考文獻：

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

[2]歐新偉,周利劍,馮慶善等.無人機遙感技術在長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]常見文,孟凡輝,王倉等.無人機遙感技術在長輸管道中的應用探討[J].價值工程,2013(32):197-198.

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

《管道保護》2017年第3期（總第34期）