方嘉志 王建輝

陜西省天然氣股份有限公司

摘 要： 目前，依賴常規巡檢手段已經難以滿足天然氣管道安全巡護管理的要求，需要采用更科學的管理辦法和技術手段。提出按照“軍民融合”的發展模式，依托高分辨率對地觀測衛星、長距離無人機飛行平臺、地面巡邏車等構建空天地一體化測控網絡，利用國產智能化地理信息云平臺（GEOVIS）開展地物變化檢測、隱患分析、風險識別，為相關業務人員提供情況處置和指揮決策技術依據。

關鍵詞： 空天地一體化；智能巡檢；無人機

我國天然氣管道具有運行總里程長、途經地形復雜、人工巡檢困難、安全事件和事故多發的特點。管道長期埋設在地下，內外壁腐蝕、地質災害損毀、第三方損壞等各種不確定性因素的影響，對管道安全運行帶來潛在的巨大危害。而依賴常規巡檢無法滿足安全運行的要求。

目前，工業級無人機和遙感技術、全球定位技術、地理信息系統、互聯網絡高度結合成為必然趨勢，形成數字化、信息化的管道智能巡檢系統，提高了隱患監控質量和巡護效率，能從根本上解決人工巡檢花費周期長、人力成本高、巡護有盲區的問題。

運用無人機、衛星遙感、北斗導航等技術對管道空天地進行一體化監測，通過合理的航線規劃、數據獲取計劃、實地導航核查，獲取天然氣管道沿線的高分辨率影像、數字表面模型，歷史衛星影像等資料，對管道地表沿線地物變化及重要設施狀況進行監測，排查天然氣管道安全隱患，降低重大事故發生概率，節約成本。

1 技術方案

1.1 系統架構

管道空天地一體化智能巡檢系統是構建“一網、一平臺”的遙感信息服務模式，實時接入空、天、地融合的多時空尺度觀測數據，以智能化地理信息云服務平臺為核心，形成面向線路安全巡檢的應用系統。系統架構如圖 1所示。

圖 1  系統架構

空天地對地監測網絡實現多源、多時相、多尺度觀測數據的接入，主要包括高分辨率衛星遙感影像、無人機、地面巡邏車加終端采集系統、氣象聯動監測等方式對管道本體信息、沿線環境、氣象等信息的接入。

智能化地理信息云服務平臺對空天地一體化數據進行引接、存儲管理，對獲取的航空遙感數據、衛星影像數據經過預處理、校正等，在此基礎上進行變化監測、信息提取、風險評估等深層次應用，同時將評估分析結果進行二三維一體化顯示，并對隱患進行流程化在線處理。

管道安全巡護監測應用包含了違章占壓、第三方施工、地質災害、場站設備設施、泄露及應急等的動態監測。

1.2 工作流程

系統工作流程包括數據采集、數據處理、數據應用管理、可視化展示平臺及隱患/現場處理平臺。工作流程如圖 2所示。

圖2 系統工作流程

（1）數據采集：利用無人機航空遙感、航天衛星遙感、地面遙感，搭載光學載荷、微波傳感器對管道本體及其周邊信息進行采集。

（2）數據處理：對空天地數據進行輻射歸一化處理、配準處理、融合處理，對管道周邊環境時序時序信息變化提取和應急搶險信息快速提取。

（3）數據服務管理：提供空天大數據接入、存儲、組織、管理、共享分發和隱患評估應用服務。

（4）可視化展示平臺：通過PC端、移動端設備，直觀展示評估分析處理結果，及時進行信息預警、輔助決策，為安全生產保駕護航。

（5）現場處理：應急搶險人員收到疑似險情點，到達現場進行處理，并通過平臺完成上報，實現隱患/事故處理流程閉環管理。

1.3 數據采集

（1）高分辨率衛星影像數據

管道地表地物主要有房屋、植被等，為觀測地表地物是否發生變化，是否有對管道存在破壞和影響的開挖、施工等現象，管道監測宜使用分辨率優于1米的高分衛星影像，保障管道監測成果的正確性。高分辨率影像數據獲取分兩種方式：一是根據影像數據源需求，綜合檢索衛星數據資源庫，獲取監測區域遙感影像，對于庫存欠缺區域結合購買商業影像數據等方式進行補充，從而盡可能多地獲取庫存影像數據。二是利用航天多星多任務規劃能力，采用編程定制特定監測區域衛星拍攝計劃，進行衛星影像的有效補充。

（2）無人機數據

對于復雜地形環境的長距離管道巡檢，采用油動固定翼無人機，最大巡視范圍不小于500千米，帶寬范圍為管道中心線兩側各200米，無人機影像分辨率優于0.2米。

通過建立地面測控站，管控中心通過測控站組網對無人機進行遠程控制。按飛行計劃獲取沿線的影像及視頻數據，通過一體化測控網絡匯集傳遞到管控中心。無人機測控網絡示意圖如圖 3所示。

圖3 無人機測控網絡示意圖

相關指標要求：①像片上不應有云、煙、大面積反光、污點等缺陷。②像點位移根據飛行速度、曝光時間和像片地面分辨率計算，不宜超過1個像元，最大不大于1.5個像元。③影像航向重疊度最小不應小于70%；④像片傾角應以滿足航向重疊度要求為準，一般不大于5°。

在遭遇洪水、泥石流、山體滑坡、地震等突發自然災害中，采用多旋翼小型無人機可以全天候全天時拍攝遙感影像，并進入受災現場勘查管道受損位置、受損情況及周邊次生災害情況，還可掛載相應設備進行掃描測繪，生成現場三維圖像，利用數據鏈將信息傳回檢查站和指揮中心，為制定維護搶修方案提供情報支撐，同時定位引導后續救援維護，最大程度降低災害。

1.4 空天遙感數據處理

采用空天大數據智能處理平臺(GEOVIS iFactory)對高分辨率衛星影像數據、無人機航空影像數據進行處理，實現測繪遙感影像的智能解譯、地物提取、目標識別等功能；同時GEOVIS iFactory結合多種并行策略，實現批量數據的高效率、高精度、全自動的快速處理能力。

實現多種載荷、大量數據的自動化處理，支持異源影像的自動匹配，支持不同衛星聯合區域網平差，有效保證成果精度的同時大幅度提高產品的生產效 率。遙感影像自動化處理流程如圖 4所示。

圖 4  遙感影像自動化處理流程

1.5 地物變化檢測及隱患評估分析

以高分辨率衛星正射影像與無人機正射影像為基礎，結合數字化管道系統的地理信息及GPS智能巡檢結果，采用GEOVIS iFactory通過變化檢測、影像判讀、人工智能深度學習等技術手段，對管道兩側安全距離內的建筑物進行識別分析，提取管道違章占壓建筑物的數量和位置信息，為違章占壓執法提供信息支持。對比不同時期影像和土地利用類型圖進行安全動態監測；對場站、穿跨越、第三方施工地點、高后果區、高風險區等重點區域進行詳查，形成判讀報告、專題圖件、隱患分析、威脅評估報告等成果。

2 案例分析

選取西安至商州輸氣管道試驗段，線路全長132.7千米，管線穿越山坡、河流、道路、農田、村落等區域，最低點海拔335米，最高點海拔1 313米，高海拔區域約占整個管線長度的二分之一。無人機飛行航線如圖 5所示。

圖5  無人機飛行航線

選用彩虹CH803型無人機搭載哈蘇X1D-50C相機進行試飛，完成14架次試飛試驗，驗證無人機巡線系統在本地區實行常態化、工業級巡線的作業能力和可行性。重點對山地起降、長距離飛行、實時通信傳輸、航線精度和成像效果等關鍵指標進行考核驗證。同時驗證智能化地理信息云服務平臺實現對獲取的航空遙感數據、衛星影像數據的處理效率及變化監測、信息提取、風險評估的精確度。

提供以下成果報告：①正射影像圖。②矢量圖斑：如地物類別，壓占類型等。③專題圖：包括沿管線壓占專題圖及監測區重點地物變化專題圖（圖 6）。④工作報告。包括管線遙感監測工作原理、工作流程、技術路線等的提煉總結及現場隱患處置工作建議等。

圖 6  疑似隱患點專題圖

3 結論

綜上所述，在天然氣管道巡檢中，遙感技術等與地面人工巡查、無人機巡查協同構成管道巡檢和管護的空天地協同監測網絡，用于違章占壓監測、管線周邊施工監測、地質災害監測和應急搶險遠程指揮，提高高后果區、無人區、人員不易到達地區的監測水平，對保障天然氣安全輸送和公共安全將發揮越來越重要的作用。

作者：方嘉志， 1967年生， 2014年畢業于西北大學，碩士研究生學歷，高級工程師，現任陜西省天然氣股份有限公司總經理，從事天然氣長輸管道運行管理工作。

（本篇論文獲第六屆中國管道完整性管理技術交流大會三等獎，經作者同意，本刊轉載時有刪改。）