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據，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的一項重要責任。長輸油氣管道距離長、范圍廣、途經復雜地貌多，許多埋設于險要地段的管道，由于受環境險要、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現，進而發展成事故的后果[1]。再者，目前打孔盜油現象較為頻繁，并且其活動隱蔽，給管道安全保衛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應用非常廣泛，山區管道巡檢、近海油氣管道監視、災后次生災害評價，漏油和盜油點現場定位等。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境等的空間遙感信息，完成遙感數據處理、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、地面部分和數據后處理部分組成，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;地面部分由航跡規劃、無人機地面控制以及數據接收顯示部分組成。

空中部分的主要功能是:規劃航線并上傳到飛機上的控制器，飛行中監控飛機狀態，在控制半徑范圍內能根據實際需要更改部分控制參數，并進行航空拍攝。地面部分的主要功能為設計和規劃航道軌跡，并載入無人機航線控制模塊，使無人機可以根據預定航線進行遙感影像數據采集工作，以及無人機的實時控制與飛行姿態數據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節，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律，圖像中必然引入了無規律的幾何變形，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，可以用一個適當的多項式進行描述。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，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。為了求得多項式的系數，需要使用控制點進行求解，一般選擇控制點的最少數量為:(n+1)(n+2)/2，n為多項式次數。

當多項式系數求出后，就可以根據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，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，則通過對周圍的像元值進行內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，產生的圖像沒有灰度不連續的缺點，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:。

處理后的影像數據都具有坐標信息，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據，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、交通條件惡劣，不利于常規管道巡線工作的進行。通過現場應用，無人機在管道管理中發揮的作用主要有:

1)傳統巡線方式的補充巡線作為管道管理的重要內容，需要巡線工周期性地進行現場巡線，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，人員不方便到達現場進行巡線，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)管道保衛打孔盜油導致原油泄漏、環境受到污染、管道材質遭到破壞、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，一些打孔盜油現象很難被發現，尤其在巡線工不方便到達的區域。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現。通過現場測試無人機視頻拍攝技術，從實時傳回的視頻中，能動態地看清現場的實際情況，并且當發現可疑人員時，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據，避免由于人工巡線無法到達造成數據遺漏，可補充傳統人工巡線方式的不足;在管道保衛中，利用無人機實時傳回的視頻圖像，能清晰地辨識現場情況，并能做到定點跟蹤，第一時間掌握潛在危險地點，為防止險情發生節約時間。

此外，無人機遙感技術在高后果區識別、災害識別和次生災害評估中也發揮著顯著的作用。隨著無人機技術的改進與發展，無人機管道管理系統將在管道管理中發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.無人機遙感發展與應用概括[J].遙感信息，2009(1):88～92.

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