無人機遙感技術在長輸油氣管道管理中的應用

摘 要:長輸油氣管道距離長，分布廣，管道險要地段的巡線、管道保衛(wèi)等一直是管道管理面臨的難題。無人機遙感技術是一門多學科的綜合技術，通過獲取高精度影像數(shù)據(jù)，幫助管道運營公司進行管道日常維護，為管道的安全管理提供支持。本文詳述了無人機遙感技術原理，并結合在蘭成渝管道中的首次應用，論述了無人機在管道管理中的作用。

關鍵詞:無人機遙感技術管道巡線管道保衛(wèi)次生災害評價

中圖分類號:P694文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(c)-0077-02

1 引言

石油、天然氣管道是國家的能源動脈，保證輸油氣管道的安全是社會和企業(yè)的一項重要責任。長輸油氣管道距離長、范圍廣、途經(jīng)復雜地貌多，許多埋設于險要地段的管道，由于受環(huán)境險要、交通不便、徒步巡線無法到達等不利因素影響，制約了人工巡線的進行，給管道定期巡檢帶來困難，導致許多隱患不能及時發(fā)現(xiàn)，進而發(fā)展成事故的后果[1]。再者，目前打孔盜油現(xiàn)象較為頻繁，并且其活動隱蔽，給管道安全保衛(wèi)帶來了重大的風險隱患。無人機遙感技術綜合了無人機和遙感技術的特點，可以自動快速獲取地貌的空間遙感信息，在國外無人機遙感技術在管道行業(yè)應用非常廣泛，山區(qū)管道巡檢、近海油氣管道監(jiān)視、災后次生災害評價，漏油和盜油點現(xiàn)場定位等。在蘭成渝管道中，無人機遙感技術首次應用于管道巡線，補充了傳統(tǒng)人工巡線方式，通過對獲取的影像進行處理，能快速定位到管道位置，以及通過視頻拍攝技術，能為管道保衛(wèi)提供支持。

2 無人機遙感技術原理

無人機遙感技術是融合了無人駕駛飛行器、遙感傳感器、遙測遙控、通訊、GPS差分定位和遙感的綜合技術，可以自動化、智能化、專題化快速獲取土地資源和環(huán)境等的空間遙感信息，完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應用分析，具有低成本、低損耗、可重復使用且風險小等諸多優(yōu)勢[2]。概括起來，無人機遙感技術是由空中部分、地面部分和數(shù)據(jù)后處理部分組成，如圖1所示。其中空中部分由遙感傳感器、遙感空中控制、無人機平臺組成;地面部分由航跡規(guī)劃、無人機地面控制以及數(shù)據(jù)接收顯示部分組成。

空中部分的主要功能是:規(guī)劃航線并上傳到飛機上的控制器，飛行中監(jiān)控飛機狀態(tài)，在控制半徑范圍內(nèi)能根據(jù)實際需要更改部分控制參數(shù)，并進行航空拍攝。地面部分的主要功能為設計和規(guī)劃航道軌跡，并載入無人機航線控制模塊，使無人機可以根據(jù)預定航線進行遙感影像數(shù)據(jù)采集工作，以及無人機的實時控制與飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)的實時接收和遙感影像的顯示。影像后處理部分，是無人機遙感技術的一個關鍵環(huán)節(jié)，關系到影像的精度和分析的準確性[3]。

3 無人機遙感圖像處理

1)幾何校正無人機在進行拍攝時傾角較大并且無規(guī)律，圖像中必然引入了無規(guī)律的幾何變形，所以對無人機遙感影像進行幾何校正是必須的。通過理論分析，作者采用多項式法對無人機遙感影像進行幾何校正。

多項式校正法不考慮成像過程中的空間幾何關系，而直接對圖像變形的本身進行數(shù)學模擬，以達到校正的目的。它把影像的總體變形看作是平移、縮放、旋轉、仿射、偏扭、彎曲，以及更高層次基本變形的綜合效果，因而校正前、后影像相應點之間的坐標關系，可以用一個適當?shù)亩囗検竭M行描述。在多項式校正法中包括一次、二次、三次多項式幾何校正，三次多項式幾何校正雖然計算復雜，但是其精度較高，在定位精度要求較高的管道行業(yè)，使用三次多項式幾何校正，能更好地滿足需要。三次多項式幾何校正法的變換方程為:

(1)

式中，x，y為某像元的原始圖像坐標;X，Y為校正后同名點的地面(或地圖)坐標;ai，bi為多項式系統(tǒng)。為了求得多項式的系數(shù)，需要使用控制點進行求解，一般選擇控制點的最少數(shù)量為:(n+1)(n+2)/2，n為多項式次數(shù)。

當多項式系數(shù)求出后，就可以根據(jù)公式求解原始圖像任一像元的坐標，同時還需要對變換后的像素亮度值進行重采樣，以實現(xiàn)2個空間的灰度轉換。

2)灰度插值對于求得坐標的像素，如果求得的位置為整數(shù)，則該位置處的像元灰度就是新圖像的灰度值;如圖不是整數(shù)，則通過對周圍的像元值進行內(nèi)插來求出新的像元值。灰度插值的方法很多，常用的如最鄰近插值、雙線性插值、雙三次插值等。本文采用雙線性插值。它的插值效果好于最鄰近插值，產(chǎn)生的圖像沒有灰度不連續(xù)的缺點，同時運算量又極大地少于雙三次插值。其缺點為雙線性插值具有圖像的平滑作用，會導致輕微的圖像細節(jié)退化。

假定插值點位置的坐標為(x*，y*)，灰度值為f(x*，y*)，其落在(x，y)，(x+1，y)，(x，y+1)，(x+1，y+1)之間，則灰度值為:

(2)

式(2)中:。

處理后的影像數(shù)據(jù)都具有坐標信息，目前處理后的坐標都是WGS84坐標，導入到瀏覽軟件(比如ArcGIS)中，再加載管道中心線數(shù)據(jù)，能清楚地看到管道在影像上的走向和管道位置，以及管道附近的環(huán)境狀況，能幫助進行管道巡線。圖2即為處理前、后影像。

4 應用成果

蘭成渝輸油管道是我國最長的成品油輸送管道，管道沿線地貌復雜多變，大部分地段地質(zhì)、交通條件惡劣，不利于常規(guī)管道巡線工作的進行。通過現(xiàn)場應用，無人機在管道管理中發(fā)揮的作用主要有:

1)傳統(tǒng)巡線方式的補充巡線作為管道管理的重要內(nèi)容，需要巡線工周期性地進行現(xiàn)場巡線，是管道安全輸送的保證。但是由于管道線路長，分布范圍廣等特性，每個輸油站所管理的管段長、管道工數(shù)量少，難以滿足正常巡線的需要。將無人機用于管道巡線，能代替人工進行巡線，尤其在一些險要地段，可以避免巡線漏洞。同時，與傳統(tǒng)人工巡線相比，無人機一個起降所巡查的管道路線可以代替幾十個巡線工的工作時，節(jié)省了巡線時間，提高了巡線效率。并且無人機巡線受自然氣候、地形條件限制小，保證了使用的可能性。對于高海拔受地災影響較大的地區(qū)，人員不方便到達現(xiàn)場進行巡線，并且人工徒步巡線風險較大，通過使用無人機代替巡線人員進行巡線，能幫助獲取管線周邊的信息，如圖3所示。

2)管道保衛(wèi)打孔盜油導致原油泄漏、環(huán)境受到污染、管道材質(zhì)遭到破壞、降低管道使用壽命、危及管道安全運行。同時，打孔盜油具有隱蔽性，隨著反偵察能力的加強，一些打孔盜油現(xiàn)象很難被發(fā)現(xiàn)，尤其在巡線工不方便到達的區(qū)域。無人機的體積和聲音都很小，在進行巡線時很難被盜油人員發(fā)現(xiàn)。通過現(xiàn)場測試無人機視頻拍攝技術，從實時傳回的視頻中，能動態(tài)地看清現(xiàn)場的實際情況，并且當發(fā)現(xiàn)可疑人員時，可做定點盤旋跟蹤，。通過無人機在管道打孔盜油高發(fā)地段巡檢，可以及時有效警示不法盜油分子，保障管道運營安全。

5 結論與展望

無人機在管道作業(yè)中效率高，機動靈活，使用方便，可以承擔高風險的飛行任務，為管道管理提供了一種新的選擇。無人機遙感技術在管道巡線中，可獲得管道沿線險要地段的數(shù)據(jù)，避免由于人工巡線無法到達造成數(shù)據(jù)遺漏，可補充傳統(tǒng)人工巡線方式的不足;在管道保衛(wèi)中，利用無人機實時傳回的視頻圖像，能清晰地辨識現(xiàn)場情況，并能做到定點跟蹤，第一時間掌握潛在危險地點，為防止險情發(fā)生節(jié)約時間。

此外，無人機遙感技術在高后果區(qū)識別、災害識別和次生災害評估中也發(fā)揮著顯著的作用。隨著無人機技術的改進與發(fā)展，無人機管道管理系統(tǒng)將在管道管理中發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻

[1]孫澤民，王建宏.長輸管道管理現(xiàn)狀分析及其對策[J].儲運安全，2007(7):37～38.

[2]金偉，葛宏立，杜華強，等.無人機遙感發(fā)展與應用概括[J].遙感信息，2009(1):88～92.

[3]呂厚誼.無人機發(fā)展與無人機技術[J].世界科技研究與發(fā)展，1998(6):113～116.