航測(cè)技術(shù)在油氣管道全生命周期建設(shè)中的應(yīng)用

楊 洋 萬(wàn)仕平 呂繼書 郭 楊 沈大勇

1. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 四川省遙感信息測(cè)繪院, 四川 成都 610100

0 前言

近年來(lái),隨著中國(guó)油氣管網(wǎng)的初步形成,油氣管道建設(shè)與運(yùn)維過程中的安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等問題越來(lái)越受到關(guān)注。傳統(tǒng)油氣管道勘察設(shè)計(jì)、施工管理和運(yùn)維存在資料不齊,不易存儲(chǔ)管理,設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)施工脫節(jié)以及運(yùn)維技術(shù)低下等問題,不僅從安全、環(huán)保角度無(wú)法進(jìn)行全方位把控,在經(jīng)濟(jì)方面,也不能有效地降低成本,做到開源節(jié)流[1-3]。

油氣管道全生命周期建設(shè)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過“3S”技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)油氣管道規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)直至報(bào)廢的全周期數(shù)字化管理,核心在于掌握油氣管道及周邊環(huán)境的相關(guān)信息和狀態(tài),從而采取針對(duì)性的建設(shè)維護(hù)措施,使油氣管道的運(yùn)維及對(duì)周邊的影響能在受控條件下進(jìn)行[4-6],而基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)采集是獲取油氣管道及周邊環(huán)境信息的主要途徑。目前基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的采集手段分為人工測(cè)量技術(shù)、衛(wèi)星遙感技術(shù)和航測(cè)技術(shù),由于航測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展以及廣泛應(yīng)用,相比另外兩種采集手段,航測(cè)技術(shù)應(yīng)用于油氣管道全生命周期建設(shè)更具優(yōu)勢(shì)。

1 航測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

航測(cè)技術(shù)主要指通過大型飛機(jī)、直升機(jī)、飛艇、動(dòng)力三角翼和無(wú)人機(jī)等航空器,搭載由GPS、相機(jī)、慣導(dǎo)、激光發(fā)射器等設(shè)備組裝的系統(tǒng)進(jìn)行航空攝影測(cè)量,獲得指定區(qū)域、指定精度的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的方法和技術(shù),成果包括數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像(DOM)和數(shù)字線劃圖(DLG)。

航測(cè)技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展與應(yīng)用,從以往的大型搭載工具逐漸輕型化,如采用直升機(jī)、動(dòng)力三角翼、無(wú)人機(jī)等小型飛機(jī),在可以滿足數(shù)據(jù)要求和精度的同時(shí)也做到更靈活、更經(jīng)濟(jì)、更快捷地進(jìn)行采集工作。人工測(cè)量技術(shù)則不僅存在投入人員多、工期長(zhǎng)、外業(yè)量大、人員危險(xiǎn)性高等弊端,而且成果只限于DLG數(shù)據(jù),無(wú)法提供滿足數(shù)字化管理與分析的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù),對(duì)于三維油氣管道設(shè)計(jì)更加望塵莫及。而相對(duì)于衛(wèi)星遙感技術(shù),航測(cè)技術(shù)主要具備以下優(yōu)勢(shì)[7-9]:

1)分辨率:航測(cè)時(shí)的飛行高度更容易根據(jù)工程具體要求決定,由此采集的影像分辨率更高,獲得地表和地質(zhì)信息更加詳細(xì)、準(zhǔn)確。

2)現(xiàn)勢(shì)性:遙感數(shù)據(jù)一般以一個(gè)周期進(jìn)行采集,以存檔數(shù)據(jù)為主,即便是對(duì)于加急編程的數(shù)據(jù)也是需要衛(wèi)星到對(duì)應(yīng)軌道附近方可獲得,而航測(cè)技術(shù)一般專門針對(duì)固定區(qū)域進(jìn)行航飛,在現(xiàn)勢(shì)性方面毫無(wú)疑問更好。

3)數(shù)據(jù)精確性:由于衛(wèi)星高度和地表植被遮擋等因素,衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)無(wú)法滿足施工圖設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工的需求,而隨著航測(cè)技術(shù)中機(jī)載激光lidar技術(shù)和多角度傾斜攝影技術(shù)的逐漸成熟,大大提高了數(shù)據(jù)精確性,特別是高程精度的提高,對(duì)油氣管道建設(shè)十分重要。

2 設(shè)計(jì)階段應(yīng)用

在油氣管道設(shè)計(jì)階段,需根據(jù)已獲取的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和各專業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)完成油氣管道選定線和設(shè)計(jì),地理數(shù)據(jù)中的房屋、植被、地形、道路等都是油氣管道線路走向的重要制約因素。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法采用的地理數(shù)據(jù)分別是可研初設(shè)階段的中小比例尺柵格地形圖或遙感影像,施工圖設(shè)計(jì)階段的RTK測(cè)量1∶500、1∶1 000、1∶2 000大比例尺線劃圖。而航測(cè)技術(shù)的成果不僅可以輕松取代這些數(shù)據(jù),還可做到一次性采集應(yīng)用于油氣管道全周期,同時(shí)由于其覆蓋面更廣、數(shù)據(jù)內(nèi)容更豐富,可避免重復(fù)設(shè)計(jì)、提高設(shè)計(jì)效率和降低項(xiàng)目成本。航測(cè)技術(shù)在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用如下:

1)可研初設(shè)階段,提供相比中小比例尺地形圖或遙感影像更準(zhǔn)確清晰直觀的地理數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)人員可直接室內(nèi)完成線路的選線和定線[10-11],見圖1。

圖1 航測(cè)技術(shù)與選定線

2)DOM或者DLG都可以直接用作地方政府報(bào)批底圖。

3)航測(cè)技術(shù)處理獲取的高精度DLG數(shù)據(jù)可直接達(dá)到施工圖設(shè)計(jì)的地形圖要求。

4)可直接室內(nèi)完成航測(cè)范圍內(nèi)的改線段地形圖編制和油氣管道設(shè)計(jì),減少現(xiàn)場(chǎng)重復(fù)作業(yè)。

5)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中,土石方計(jì)算和作業(yè)帶開挖主要依靠經(jīng)驗(yàn)判斷,而使用DLG和DEM可以直接用于土石方量計(jì)算和作業(yè)帶開挖模擬等,為施工階段提供更準(zhǔn)確依據(jù)。

6)通過DEM和DOM的疊加分析,可重建油氣管道沿線三維地形地貌,實(shí)現(xiàn)三維油氣管道設(shè)計(jì)[12]。

3 施工階段應(yīng)用

施工階段的有關(guān)數(shù)據(jù)是油氣管道全生命周期建設(shè)的重要組成部分,數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、完整性、可追溯性為今后的油氣管道運(yùn)營(yíng)、管理與維護(hù)起到了重要的作用。當(dāng)前施工過程中簡(jiǎn)單的臺(tái)賬記錄已不能滿足油氣管道數(shù)字化管理的要求,須將施工過程中各方面數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化采集、整理、轉(zhuǎn)換,最終以數(shù)據(jù)庫(kù)的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)性管理。施工數(shù)據(jù)采集過程既要求數(shù)據(jù)具有合規(guī)性、真實(shí)性、可靠性、外延擴(kuò)展性和邏輯一致性,同時(shí)又要滿足與空間數(shù)據(jù)、專業(yè)數(shù)據(jù)(設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工程地質(zhì)數(shù)據(jù)等)和屬性數(shù)據(jù)掛接關(guān)系的正確性，以及時(shí)間精度與歷史數(shù)據(jù)的融合精度等要求[13-14]。

航測(cè)數(shù)據(jù)為施工數(shù)據(jù)的采集和管理提供了數(shù)據(jù)支持,提高了數(shù)字化采集工作的效率和準(zhǔn)確性,并可根據(jù)空間位置和邏輯一致性對(duì)施工數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和顯示,把控施工過程,防止施工問題的不可逆性和不可追溯性。航測(cè)技術(shù)在施工階段應(yīng)用如下:

1)施工數(shù)據(jù)采集過程中,DOM為野外踏勘人員在進(jìn)行應(yīng)急資源調(diào)查(如居民地、高壓線等)過程中,可以更有針對(duì)性、更直觀快速地找到調(diào)查對(duì)象位置與屬性,減少野外工作量。

2)將已采集的焊口、彎頭、穿跨越、三樁、水工保護(hù)等施工數(shù)據(jù)的空間位置與航測(cè)技術(shù)成果進(jìn)行疊加分析,可隨時(shí)監(jiān)控施工過程是否符合設(shè)計(jì)和規(guī)范。

3)航測(cè)技術(shù)成果可以為竣工數(shù)據(jù)的采集、處理和制圖提供基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù),并用作地方政府報(bào)備等后續(xù)工作。

4)根據(jù)不同時(shí)間段的航測(cè)技術(shù)成果,可以直觀查看施工前后現(xiàn)場(chǎng)及地貌植被恢復(fù)狀態(tài)。

5)結(jié)合航測(cè)技術(shù)成果與施工數(shù)據(jù)采集成果,還原真實(shí)三維施工現(xiàn)場(chǎng),實(shí)現(xiàn)施工數(shù)字化管理。

4 運(yùn)維階段應(yīng)用

油氣管道全生命周期建設(shè)不僅為設(shè)計(jì)與施工階段帶來(lái)了便利,也是為實(shí)現(xiàn)更好地管理,最終實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營(yíng)維護(hù)的一體化建設(shè)與管理。如何將航測(cè)技術(shù)與油氣管道運(yùn)營(yíng)維護(hù)相結(jié)合,是實(shí)現(xiàn)整個(gè)全生命周期數(shù)字化油氣管道管理的重要環(huán)節(jié)。航測(cè)技術(shù)在運(yùn)維階段應(yīng)用如下:

1)油氣管道智能巡檢:結(jié)合“3S”技術(shù),通過數(shù)字化平臺(tái)準(zhǔn)確快速分析、判斷、顯示管線巡檢重點(diǎn)區(qū)域,加上對(duì)巡檢人員、巡檢地點(diǎn)實(shí)時(shí)定位,實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣管道的智能巡檢維護(hù),提高維搶修反應(yīng)效率[15-18]。

2)數(shù)字化應(yīng)急指揮:通過航測(cè)技術(shù)成果,應(yīng)急指揮人員可以快速直觀地了解事故現(xiàn)場(chǎng)的位置和周邊環(huán)境要素,結(jié)合數(shù)字化智能分析功能模塊,迅速進(jìn)行事故災(zāi)害模擬與分析,形成應(yīng)急指揮與救援方案[19-20]。

5 結(jié)論

航測(cè)技術(shù)不僅在地理數(shù)據(jù)采集手段方面具有較大優(yōu)勢(shì),從根源上保持了數(shù)據(jù)格式和內(nèi)容的一致性和先進(jìn)性,為油氣管道建設(shè)本身帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益和方便;同時(shí),作為整個(gè)油氣管道全生命周期建設(shè)的基礎(chǔ)手段和關(guān)鍵環(huán)節(jié),廣泛應(yīng)用于油氣管道建設(shè)的各階段,貫穿于整個(gè)油氣管道全生命周期建設(shè)過程。達(dá)到全面提高勘察設(shè)計(jì)水平,更新勘察設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維和維護(hù)理念、建設(shè)高效優(yōu)質(zhì)工程,并提供決策支持和社會(huì)服務(wù)。

但是，由于油氣管道行業(yè)內(nèi)多年形成的建設(shè)理念,對(duì)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)獲取依然按照傳統(tǒng)測(cè)量手段的模式進(jìn)行規(guī)劃和要求,航測(cè)技術(shù)本身也存在受制于天氣因素和對(duì)于地物地貌及植被的局限性,對(duì)精度要求較高的線路縱斷面測(cè)量仍然存在一定的問題。因此,要將航測(cè)技術(shù)應(yīng)用于油氣管道全生命周期建設(shè),發(fā)揮其最大優(yōu)勢(shì),需要業(yè)主單位、設(shè)計(jì)單位和施工單位徹底摒棄傳統(tǒng)理念,制定出與之相適應(yīng)的技術(shù)方案。

[1] 吳良超,吳軍榮,劉 赟.GIS技術(shù)在數(shù)字管道系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪與空間地理信息,2013,36(4):57-60.

Wu Liangchao, Wu Junrong, Liu Bin. Application Research of GIS in Digital Pipeline System [J]. Geomatics & Spatial Information Technology, 2013, 36 (4): 57-60.

[2] 秦 光,龐紅霞,梁寶利.數(shù)字化管道建設(shè)初探[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2006,17(6):1-4.

Qin Guang, Pang Hongxia, Liang Baoli. Preliminary Study on Digital Technique for Pipeline Construction [J]. Petroleum Planning & Engineering， 2006, 17 (6): 1-4.

[3] 楊 洋,沈大勇.數(shù)字化管道建設(shè)中測(cè)繪數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)方案研究[J].測(cè)繪,2013,36(4):170-173.

Yang Yang, Shen Dayong. Research on the Proposal of Building the Survey Database for the Construction of Digital Pipeline [J]. Surveying and Mapping, 2013, 36 (4): 170-173.

[4] 王 鵬,張效銘,劉 洋,等.以設(shè)計(jì)為源頭的管道全生命周期管理模式探索[J].石油工程建設(shè),2014，40 (6): 91-92.

Wang Peng, Zhang Xiaoming, Liu Yang, et al. Exploration of Pipeline Entire Lifecycle Management Model by Taking Design as Source [J]. Petroleum Engineering Construction， 2014, 40 (6): 91-92.

[5] 王洪生,劉永茜,肖德仁,等.四川氣田數(shù)字管道建設(shè)之我見[J].天然氣與石油,2007,25(2):1-4.

Wang Hongsheng, Liu Yongqian, Xiao Deren, et al. Studies on Digital Pipeline Construction in Sichuan Oil Field [J]. Natural Gas and Oil, 2007, 25 (2): 1-4.

[6] 魏振生,楊 琪,吳旭陽(yáng),等. GIS在油氣管道工程全生命周期中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息,2013,(增刊1):170-172.

Wei Zhensheng, Yang Qi, Wu Xuyang, et al. The Application of GIS in the Life Cycle of Oil and Gas Pipeline Engineering [J]. Geomatics & Spatial Information Technology, 2013, (Suppl 1): 170-172.

[7] 卓寶熙.航測(cè)遙感技術(shù)在鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)中的作用[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2006,(增刊1):9-14.

Zhuo Baoxi. The Role of Aerial Surveying and Remote Sensing Technology in Railway Survey and Design [J]. Journal of Railway Engineering Scoiety, 2006, (Suppl 1): 9-14.

[8] 王俊芳,曾新超.高分辨率影像在礦山環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪，2015,38(5):220-223.

Wang Junfang, Zeng Xinchao. Application of High-resolution Remote Sensing Images in Mine Environmental Monitoring [J]. Surveying and Mapping, 2015, 38 (5): 220-223.

[9] 黃華平.IPS-P 5衛(wèi)星影像立體制圖精度的研究測(cè)繪[J].測(cè)繪,2012,35(5):235-110.

Huang Huaping. Study on the Mapping Precision of IRS-P 5 Satellite Stereo Images [J]. Surveying and Mapping, 2012, 35 (5): 235-110.

[10] 萬(wàn)仕平,楊 勝,李 丹.數(shù)字管道地理空間框架的構(gòu)建[J].天然氣與石油,2010,28(3):4-6.

Wan Shiping, Yang Sheng, Li Dan. Establishment of Geographic Space Framework for Digital Pipeline [J]. Natural Gas and Oil, 2010, 28 (3): 4-6.

[11] 齊廣慧.基于RS和GIS的油氣管道選線方法研究[D].青島:中國(guó)石油大學(xué)(華東),2011: 2-5.

Qi Guanghui. Research on Oil and Gas Pipeline Route Selection Method Based on RS and GIS [D]. Qingdao:China University of Petroleum, 2011: 2-5.

[12] 卓 嵩,黃瑞金,蔣紅兵,等.油氣管道選定線三維匯報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪，2013,36(1):6-9.

Zhuo Song, Huang Ruijin, Jiang Hongbing, et al. Design and Realization of 3 D Route Selection and Location Reporting System for Oil and Gas Pipeline [J]. Surveying and Mapping， 2013, 36 (1): 6-9.

[13] 關(guān)延君,劉尊良.基于施工數(shù)據(jù)的數(shù)字化管道建設(shè)[J].數(shù)字石油和化工，2008,(2):126-131.

Guan Yanjun, Liu Zunliang. The Development of Digital Pipeline Based on the Construction Data [J]. Digital Petroleum & Chemical， 2008, (2): 126-131.

[14] 李 超.數(shù)字化管道技術(shù)及其在西部管道工程中的應(yīng)用研究[D].重慶:重慶大學(xué),2008:3-10.

Li Chao. Applicationnal Study of Digital Pipeline in Western Pipeline Project [D]. Chongqing: Chongqing University, 2008: 3-10.

[15] 張 棟.數(shù)字化管道在天然氣管道建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)期間的優(yōu)勢(shì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2013,(7):210-210.

Zhang Dong. The Advantage of Digital Pipeline on the Natural Gas Pipeline Construction, Operation and Maintenance [J]. Digital Technology and Application, 2013, (7): 210-210.

[16] 羅朝明,甘榮成.基于管道移動(dòng)平臺(tái)的管道巡檢及監(jiān)控管理研究和應(yīng)用[J].測(cè)繪，2012,35(3):108-110.

Luo Chaoming, Gan Rongcheng. The Application and Study of Pipeline Inspection Based on the Pipeline Mobile Platform [J]. Surveying and Mapping, 2012, 35 (3): 108-110.

[17] 康煜姝,武 斌.無(wú)人機(jī)在油氣長(zhǎng)輸管道中的應(yīng)用[J].當(dāng)代化工，2015,44(8):2045-2047.

Kang Yushu. Wu Bin. Application of Unmanned Aerial Vehicle in Oil and Gas PipelineIndustry [J]. Contemporary Chemical Industry, 2015, 44 (8): 2045-2047.

[18] 陳 靜,秦興述.管道工程勘察設(shè)計(jì)的數(shù)字化應(yīng)用[J].天然氣與石油，2005，23(3):1-4.

Chen Jing, Qin Xingshu. Digitizing Application in Pipeline Engineering Survey and Design [J]. Natural Gas and Oil, 2005, 23 (3): 1-4.

[19] 萬(wàn)仕平,王洪生,羅 沅.淺談低空數(shù)碼航空攝影在線路測(cè)量中的應(yīng)用[J].天然氣與石油,2008,26(4):61-64.

Wan Shiping, Wang Hongsheng, Luo Yuan. Application of Low Altitude Digital Aviation Photography in Pipeline Route Survey [J]. Natural Gas and Oil, 2008, 26 (4): 61-64.

[20] 宋麗麗，田軍慶.航空攝影測(cè)量技術(shù)用于油氣長(zhǎng)輸管道工程[J].油氣田地面工程,2011,30(7):66-67.

Song Lili, Tian Junqing. Application of Aerial Photogrammetry in Long-Distance Pipeline Engineering of Oil and Gas [J]. Oil-Gasfield Surface Engineering, 2011, 30 (7): 66-67.