利用無人機(jī)搭載熱紅外成像儀探測(cè)地下輸油管道的初探研究

王琳，吳正鵬，張曉東，崔龍

(1.天津市測(cè)繪院，天津 300381； 2.天津市規(guī)劃局東麗區(qū)規(guī)劃分局，天津 300300)

利用無人機(jī)搭載熱紅外成像儀探測(cè)地下輸油管道的初探研究

王琳1?，吳正鵬1，張曉東1，崔龍2

(1.天津市測(cè)繪院，天津 300381； 2.天津市規(guī)劃局東麗區(qū)規(guī)劃分局，天津 300300)

具有較高溫度的石油在地下管道中運(yùn)行時(shí)不斷向周圍擴(kuò)散能量，在地表形成一個(gè)溫度高于背景的熱擴(kuò)散異常帶。鑒于這一原理及近年來無人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展、熱紅外成像儀體積的縮小和溫度靈敏度的提高，展開了用無人機(jī)搭載熱紅外成像儀探測(cè)地下輸油管道的試驗(yàn)并取得一定的試驗(yàn)成果，初步驗(yàn)證了本文思想的可行性。

熱紅外遙感；輸油管道；無人機(jī)

1 引 言

我國各油田的地下輸油管道具有隨采隨埋、埋設(shè)隨意性、常年累計(jì)不明特點(diǎn)。采用地面常規(guī)測(cè)試方法進(jìn)行調(diào)查，工作量大，需要花費(fèi)大量的人力和時(shí)間。因此地下輸油管道的調(diào)查問題一直是一個(gè)普遍存在的難題。早在1989年，地礦部航空物探遙感中心李景華[1]、周彥儒[2]等人用航空熱紅外遙感分別針對(duì)華北油田、遼河油田的地下輸油管道進(jìn)行調(diào)查，取得一定的試驗(yàn)成果并從成像季節(jié)、成像時(shí)間、飛行高度和溫度范圍選擇等方面對(duì)最佳成像條件的選擇給出了可行性建議。中國測(cè)繪科學(xué)研究院的夔中羽[3]也在1989年研究利用航空遠(yuǎn)紅外遙感探測(cè)地下熱管道的成像機(jī)理，并對(duì)影響地下熱管道遠(yuǎn)紅外成像的主要條件做了細(xì)致的講述。

近年來，隨著低空無人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展，熱紅外成像儀體積的縮小和溫度靈敏度的提高，能否用無人機(jī)搭載熱紅外成像儀探測(cè)地下輸油管道成為本文關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。筆者于2011年11月份開始在天津大港油田展開試驗(yàn)，逐步驗(yàn)證了用無人機(jī)搭載熱紅外成像儀探測(cè)地下輸油管道的可行性，并于2012年4月中旬利用無人機(jī)同時(shí)搭載熱紅外成像儀和可見光相機(jī)展開低空熱紅外遙感探測(cè)地下輸油管道的試驗(yàn)，取得了可喜的成果。本文將從成像機(jī)理、成像條件的選擇、試驗(yàn)過程及效果進(jìn)行論述，并對(duì)后續(xù)所要做的工作進(jìn)行展望。

2 成像機(jī)理

從理論上講，自然界中任何溫度高于熱力學(xué)溫度(0K或-273℃)的物體都不斷地向外發(fā)射電磁波，即向外輻射具有一定能量和波譜分布位置的電磁波，其輻射能量大小與其自身的溫度和輻射率成正比[4，5]，其關(guān)系式如下:

式中，F(xiàn)λ為物體輻射能量，單位W/cm2；ε為物體發(fā)射率；δ為斯蒂忒波爾茲曼常數(shù)，(為5.67×10-7)；T為物體表面溫度。

從式(1)可以看出，物體輻射強(qiáng)度主要取決于其表面溫度和輻射率的大小。受大氣窗口的限制，目前紅外探測(cè)器所使用的電磁波段主要有3 um～5 um和8 um～14um兩個(gè)波段，對(duì)地表常溫物體的探測(cè)通常使用8 um～14um波段。

圖1 大港油田裸露地表的輸油管道熱紅外遙感影像(拍攝時(shí)間：2012年8月11日10時(shí))

輸油管道輸送的是原油。為使原油流暢，沿途需陸續(xù)加溫，從而使輸油管道具有比較恒定的溫度。剛加了溫的原油溫度可達(dá)70℃左右，經(jīng)管道輸送到下一個(gè)加溫站，油溫還可保持40℃左右。圖1所示為裸露于地表的輸油管道熱紅外遙感影像，其輸油管道溫度約為40℃。高溫管道在地下散發(fā)的熱量傳導(dǎo)到地表，會(huì)形成一個(gè)熱擴(kuò)散面，使管道頂部覆蓋層溫度高于背景溫度。目前所用熱紅外成像儀溫度分辨率的標(biāo)稱精度為0.035℃，實(shí)際工作中由于其他外界因素影響其溫度分辨率在0.1℃左右。熱紅外遙感技術(shù)通過感測(cè)這些溫度異?？梢酝茰y(cè)地下輸油管道的分布狀態(tài)。

3 成像條件的選擇

夔中羽[3]在文中細(xì)致的講述了影響地下輸油管道熱紅外成像的主要條件，總結(jié)如下:

(1)熱管溫度、管道埋深和覆蓋土質(zhì)影響了管道表現(xiàn)在地表的溫度，熱紅外成像儀的溫度分辨率是否能與其匹配是影響成像質(zhì)量的主要因素。

(2)管間距離。在油庫附近，熱管道經(jīng)常是雙根或多根的。因此需考慮熱紅外成像儀的幾何分辨率和適當(dāng)?shù)暮礁?，以提高地面?shí)際分辨率。

(3)熱管穿跨越。熱管在橫跨鐵路、公路、溝渠、河流等線狀地物時(shí)，有時(shí)應(yīng)采用野外地面補(bǔ)測(cè)方法解決。

(4)背景地物。在背景地物中熱輻射較強(qiáng)的地物，尤其是其中的線狀地物，容易干擾地下輸油管道的判讀結(jié)果，降低判讀精度。

(5)成像季節(jié)和成像時(shí)刻。管上地表和背景地表的溫度差越大，地下輸油管道的成像痕跡越明顯。因此，無雪覆蓋的冬季地面對(duì)成像較為有利，春秋兩季視地表溫度而定。在成像時(shí)刻方面，為了領(lǐng)航方便和避開強(qiáng)日光，在早5:00～7:00和早8:00～9:00左右進(jìn)行為宜。

(6)風(fēng)云雨雪。拍攝時(shí)盡量避開風(fēng)、云、雨、雪惡劣天氣條件。

4 試驗(yàn)區(qū)概況

大港油田位于天津市濱海新區(qū)內(nèi)，上世紀(jì)60年代初投入生產(chǎn)，發(fā)展速度較快，地下輸油管道交織成網(wǎng)。其地表覆蓋情況如圖2所示，表面以裸露的土地和雜草地為主，并覆蓋有田地、沼澤地、干溝、水溝、河流、水庫、公路等，背景較為復(fù)雜。在大港油田的實(shí)地踏勘中了解到輸油管道(如圖3所示)的有關(guān)信息如下:

(1)管道直徑大多約為15 cm～20 cm；

(2)管道埋深在80 cm～100 cm；

(3)正在輸油的管道地面溫度在40℃左右。

圖2 大港油田地表覆蓋情況

圖3 大港油田地表輸油管道

5 試驗(yàn)過程及效果

5.1 地面試驗(yàn)

鑒于無人機(jī)的飛行成本及安全性，空中試驗(yàn)之前于2012年3月14日下午選取大港油田油井較為密集的區(qū)域進(jìn)事先進(jìn)行一次地面試驗(yàn)，選取4個(gè)時(shí)間段，分別為下午17:00、晚上21:00、凌晨5:00、上午7:00，其熱紅外遙感成像結(jié)果如圖4所示。在選取的4個(gè)時(shí)間段中，地下輸油管道在熱紅外遙感成像中均有所反映，無明顯差異。此次試驗(yàn)結(jié)果拓寬了后續(xù)的無人機(jī)飛行時(shí)間段，保證了無人機(jī)飛行的安全性。

5.2 空中試驗(yàn)

2012年4月16日早晨6點(diǎn)到大港油田進(jìn)行空中試驗(yàn)，飛機(jī)同時(shí)搭載了可見光和熱紅外成像儀，以便于后續(xù)的解譯。其飛行的有關(guān)參數(shù)如下:熱紅外成像儀焦距13 mm，像元大小為25 u；飛機(jī)飛行高度為100 m。

地下輸油管道的解譯標(biāo)志為:地下輸油管道呈亮色調(diào)線性異常顯示，幾何特征呈直線、折線，個(gè)別管道呈微彎曲或弧線形，平面分布多呈束狀，或以計(jì)量站、轉(zhuǎn)油站為中心與井臺(tái)呈放射線狀連結(jié)。如圖5所示，(a)圖為可見光成像，(b)圖為熱紅外成像，白色圓圈為相對(duì)應(yīng)的磕頭機(jī)位置，在相鄰磕頭機(jī)之間能夠發(fā)現(xiàn)地下輸油管道。

圖4 地面試驗(yàn)中地下輸油管道的熱紅外成像結(jié)果

(拍攝時(shí)間：2012年4月16日6：00～7：00)圖5 空中試驗(yàn)中地下輸油管道的可見光和熱紅外成像對(duì)照?qǐng)D

6 結(jié)論與展望

本文在大港油田的地面試驗(yàn)中初步驗(yàn)證了利用熱紅外成像儀能夠探測(cè)發(fā)現(xiàn)地下輸油管道，拓寬了后續(xù)空中試驗(yàn)時(shí)無人機(jī)的飛行時(shí)間段；在空中試驗(yàn)中用無人機(jī)同時(shí)搭載熱紅外成像儀和可見光相機(jī)分別獲取地下輸油管道影像，對(duì)比發(fā)現(xiàn)能夠明顯觀測(cè)到地下輸油管道。由于時(shí)間限制等原因，本文還有以下不足:

(1)本文在地面和空中試驗(yàn)中選取的地面背景較為單一，以裸露地表為主，下一步應(yīng)選擇地表覆蓋較為復(fù)雜的區(qū)域，如硬化地表，草地覆蓋等，以探測(cè)研究地表覆蓋對(duì)地下輸油管道的熱紅外成像質(zhì)量影響。

(2)飛機(jī)飛行高度過低，對(duì)于飛機(jī)本身及有居民區(qū)工業(yè)廠區(qū)等區(qū)域其安全性缺乏保障，下一步應(yīng)適當(dāng)提高飛機(jī)飛行高度，在安全性和影像成像質(zhì)量之間找到一個(gè)最佳契合點(diǎn)。

(3)數(shù)據(jù)的后處理，熱紅外影像像幅小，如何利用現(xiàn)有軟件進(jìn)行熱紅外影像的空三加密是一個(gè)難點(diǎn)。

(4)搜集試驗(yàn)區(qū)域已有管道資料作為驗(yàn)證，希望能夠探索得到在一定的條件下，管道埋深和管徑與其表現(xiàn)在地表溫度、輻射范圍之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)性結(jié)論。

[1] 李景華.華北油田輸油管道航空熱紅外遙感調(diào)查[J].國土資源遙感，1991:34～40.

[2] 周彥儒，王曉紅.航空熱紅外遙感在探測(cè)石油管道中的應(yīng)用[J].國土資源遙感，1998:86～89.

[3] 夔中羽.航空遠(yuǎn)紅外遙感探測(cè)地下熱管道成像機(jī)理[J].遙感信息，1995:22～26.

[4] 趙英時(shí).遙感應(yīng)用分析原理與方法[M].北京:科學(xué)出版社，2003.

[5] 孫家抦.遙感原理與應(yīng)用[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2009.

The Prelim inary Study on Using the UAV Equipped w ith the Thermal Infrared Imager to Detect the Underground Oil Pipelines

Wang Lin1，Wu Zhengpeng1，Zhang Xiaodong1，Cui Long2
(1.Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China；2.Dongli Branch of Tianjin Planning Bureau，Tianjin 300300，China)

Petroleum running in the underground pipelines always diffuses heat and forms diffused heat anomaly zoneswith temperature obviously higher than its surroundings.In view of this and considering the rapid development of the UAV technology，the volume of the thermal infrared imager reduction and the higher sensitivity in recent years，the experiment of using the UAV equipped with the thermal infrared imager to detect the underground oil pipelines is performed and certain achievement is obtained，thus the feasibility of this paper is preliminarily verified.

thermal infrared remote sensing；oil pipelines；the UAV

1672-8262(2013)05-160-04

P631.7

B

天寶(Trimble)公司加固型手持設(shè)備系列推出條碼成像和增強(qiáng)型GPS功能

2013—03—13

王琳(1984—)，女，助理工程師，主要從事航空航天攝影測(cè)量與遙感影像處理有關(guān)工作。

(本刊訊)2013年10月17日——天寶公司(Trimble，納斯達(dá)克代碼:TRMB)推出了加固型手持電腦Juno?T41TM的全新功能和配置選項(xiàng)。除了手持電腦和智能手機(jī)配置，該系列還推出了高速1D/2D條碼成像技術(shù)和增強(qiáng)型實(shí)時(shí)1m～2m GPS精度。目前，Juno T41加固型手持機(jī)系列的配置可在一臺(tái)加固型設(shè)備上滿足多種廣泛的業(yè)務(wù)需求。用戶可根據(jù)自己的具體業(yè)務(wù)需求，組合和搭配各種功能，以定制Juno T41設(shè)備:結(jié)合X的智能手機(jī)功能和條碼成像技術(shù)以組成Juno T41 XS；添加增強(qiáng)型GPS組成XG。將條碼成像、增強(qiáng)型GPS和智能手機(jī)功能相結(jié)合以組成XGS。新配置是對(duì)天寶Juno T41手持電腦已有功能的補(bǔ)充。所有型號(hào)在墜落、強(qiáng)溫、海拔、濕度、震動(dòng)、化學(xué)侵蝕、和撞擊等情況下均可表現(xiàn)出軍用標(biāo)準(zhǔn)的堅(jiān)固度，達(dá)到IP65或IP68的防水防塵級(jí)別。

天寶公司移動(dòng)計(jì)算解決方案部門交付的創(chuàng)新型產(chǎn)品可幫助極端戶外環(huán)境和工業(yè)環(huán)境的移動(dòng)工作者提高工作效率。Juno T41、Yuma?2、RangerTM和Nomad?加固型戶外手持電腦可幫助用戶采集精確的外業(yè)數(shù)據(jù)，保證其在任何戶外或服務(wù)相關(guān)應(yīng)用條件下更加高效的工作。