一種圖像獲取及處理方法在油氣管道線路 工程中的應用

李春鋒，郭文龍，王東源，劉 楊

1中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊2中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

1.引言

對于傳統(tǒng)的油氣管道線路工程現場踏勘驗證工作，一般以汽車為基本交通工具，到達管道線路工程某些關鍵點后，通過步行對線路路由分段進行踏勘，獲取第一手驗證資料，條件許可時，也可利用直升機、固定翼小飛機等進行全線快速瀏覽式空中踏勘[1]。

對于以汽車為交通工具的地面踏勘，常常采用地形圖配手持GPS的定位手段，通過手持相機拍照獲取現場資料。近年來隨著網絡技術的發(fā)展和設備的更新，在線及離線電子地圖在線路踏勘中逐漸得到普及，地形圖及手持GPS漸漸被摒棄[2]，但利用手持相機拍照仍然是記錄現場資料的主要手段，踏勘資料的后期處理仍需要憑技術人員大腦記憶，事后進行整理編輯，工作量巨大，效率低下，容易因記憶不清而導致部分圖片被棄用，或位置信息誤差較大，不同程度地影響路由綜合評價的準確性。

以直升機、固定翼小飛機為交通工具的空中踏勘，僅適用于管道全線地形平坦，施工困難點較少的工程項目。對于復雜地區(qū)項目，縱然采用直升機、固定翼小飛機踏勘，解決了工作耗時長的問題，但拍攝的影像資料清晰度差，拍攝地點辨認困難，可用的圖像資料很少，缺少客觀的第一手影像資料的支持，使得線路路由選線綜合評估缺少數據資料支持，無法取得預期效果。

在巴布亞新幾內亞戰(zhàn)略管道工程、Horizon 外輸管道工程和澳大利亞北氣東輸聯(lián)絡線工程等項目中，將基于地理信息系統(tǒng)的圖像自獲取技術與傳統(tǒng)的直升機、固定翼小飛機空中踏勘相結合，既解決了踏勘工作耗時長、投入大、安全社會風險高等系列問題，又得到了在數量和質量上均優(yōu)于地面踏勘的第一手圖像資料。在圖像資料數據的后期編輯處理上，用可讀取轉換地理信息屬性的軟件進行批量處理，可得到與管道工程地理信息系統(tǒng)數據庫相結合的結構性數據文件，以準確、可靠的圖像資料作為地理信息數據庫的重要部分，豐富了項目線路工程方案的綜合評價內容。該方法同樣適用于地面踏勘中的圖像獲取及后期處理。

2.基于地理信息系統(tǒng)的圖像自獲取設備

基于地理信息系統(tǒng)的圖像自獲取設備主要包括圖像采集設備、設備載體及固定裝置、實時控制系統(tǒng)3部分。

2.1.圖像采集設備

圖像采集設備主要由高性能運動相機及大容量背夾電池、存儲卡等附件組成。高性能運動相機(如Go-Pro系列)具有防水、防震、防抖、內置衛(wèi)星定位系統(tǒng)等優(yōu)點，其拍攝速度快、穩(wěn)定性好、獲取的圖像像素質量高。

在巴布亞新幾內亞戰(zhàn)略管道等項目中，應用了Go-Pro 運動相機Hero4，除上述特點外，其還具有快速連續(xù)攝像、廣角鏡頭、動態(tài)影像獲取高清圖像及內置GPS衛(wèi)星系統(tǒng)定位等功能。

2.2.設備載體及固定裝置

設備載體及固定裝置可根據野外踏勘的出行方式和運載工具而定。當采用汽車等交通工具進行地面踏勘時，可用手持相機的方式進行圖像采集，不需特定載體和固定裝置。采用空中踏勘方式時，設備載體可為直升機、固定翼小飛機或其他飛行器，相機及其附件需外掛在飛行器下方，則需要設計特定的固定裝置，防止相機的脫落，并起到減震作用，如圖1。

Figure 1.Carriersand fixtures for different aircraft equipment in the Papua New Guinea project 圖1.巴布亞新幾內亞項目中不同飛行器設備載體及固定裝置

2.3.實時控制系統(tǒng)

在電腦或其他移動終端上安裝控制軟件APP，通過藍牙實現移動終端與相機的數據傳輸，從而實時控制圖像獲取過程。但上述所指的實時控制僅限于限定距離內的有效控制，如飛行器內外艙之間、建筑的室內外之間，并未進行遠距離控制的有效性測試。

技術人員可通過實時控制系統(tǒng)控制相機，對其設置參數進行調整，以實時控制圖像資料的采集效率和采集質量。

3.基于地理信息系統(tǒng)的圖像批處理轉換

攝相機通過內置的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，將圖像攝取點的地理位置信息以坐標形式記錄，并作為圖像本身的一個屬性保存起來。技術人員在整個踏勘過程完成后，可使用圖像批處理軟件一次性地將圖像資料批量讀取，通過識別圖像的地理信息屬性，將其轉化成與線路工程地理信息系統(tǒng)數據庫相兼容的數據文件，如“.KMZ”格式文件。

ST Solutions Picture to Google Earth 即是一款可對帶有地理信息的照片進行批量處理轉換的工具，支持Windows/Mac/iOS/Linux/Android 系統(tǒng)，如圖2。轉換處理大量具有地理信息屬性的圖片后，生成KMZ格式文件，將該文件導入到谷歌地球等軟件中，圖像資料就可按其拍攝地坐標分布排列了。

Figure 2.Image batch conversion tool 圖2.圖像批處理轉換工具

4.與地理信息系統(tǒng)及路由選線綜合評估的結合

油氣管道地理信息系統(tǒng)(GIS)是指在計算機軟件、硬件、數據庫和網絡的支持下，按照數據采集標準對基礎空間數據、管道本體及附屬設施數據、高后果區(qū)數據、管道應急數據等進行入庫，并在專業(yè)的油氣管道地理信息平臺基礎上開發(fā)全國管網一張圖、輔助規(guī)劃設計、數字化管理、第三方施工開挖管理、高后果區(qū)管理、應急決策輔助分析、系統(tǒng)配置管理等應用模塊的計算機管理系統(tǒng)。

在管道建設過程中，用于路由選線綜合評估的地理信息系統(tǒng)基本要素包括地形地貌、水系分布、地表植被、地質災害、交通設施、社會依托、人口分布、保護區(qū)及環(huán)境敏感點等[3]。依據上述要素，可形成工程沿線的綜合風險評估結果，用于判定線路工程方案的合理性[4]，而圖像資料是形象表述上述要素的基本素材。

將批處理轉換過的圖像資料導入到地理信息系統(tǒng)平臺中，圖像資料將會按照地理位置坐標分布在管道沿線各個關鍵約束點上，所有圖像資料是一個整體的數據結構層，點擊某個圖像圖標便可查看相應圖像，如圖3。分布于各個要素點的圖像資料可為地理信息系統(tǒng)數據庫使用者提供現場實景再現，作為評判線路工程諸約束點特征的基礎材料，將踏勘成果豐富地補充在了地理信息系統(tǒng)數據庫中，也為線路路由選線綜合評估提供了支撐，使得其評估結果更具有說服力。

Figure 3.Image StructureData file imported intoGIS圖3.導入到GIS中的圖像結構數據文件

此外，即使項目參與者未進行工程現場踏勘，也可通過保存在地理信息系統(tǒng)數據庫中的圖像結構數據熟悉現場狀況，為其制定或審查技術方案提供依據。以結構性數據形式保存的圖像資料還可與地理信息系統(tǒng)數據庫一起歸檔存儲，實現向業(yè)主的整體移交，或供后期瀏覽查證。

5.與傳統(tǒng)圖像處理手段的分析對比

與傳統(tǒng)方法相比，基于地理信息系統(tǒng)的圖像自獲取及批處理方法是對踏勘圖像資料獲取及后期處理方法的改進，具有一定的技術優(yōu)勢。

在基于地理信息系統(tǒng)的圖像獲取方法中需應用專業(yè)運動型攝像機作為圖像攝取設備，較傳統(tǒng)攝像機在拍攝質量、拍攝速度、抗振防抖及穩(wěn)定性等方面具有相對優(yōu)勢，尤其是采用直升機、固定翼小飛機等進行踏勘時，由于飛行速度快、距離遠、飛機發(fā)動機產生的振動影響等，普通攝像設備無法獲取可用圖像資料。同時，使用相機實時控制APP，可實時瀏覽所拍攝圖像的質量，隨時對其參數設置進行調整，以達到獲取高質量圖像資料的目的，對以載人飛行器為載體的空中踏勘尤為重要。當然，該方法在地面踏勘中同樣可以使用。

基于地理信息系統(tǒng)的圖像獲取方法使得所取得的圖像資料具有了地理位置信息屬性，所拍攝的圖像具有了唯一坐標，實現了圖像拍攝的自動記憶功能，摒棄了傳統(tǒng)的靠人腦記憶的方式，提高了工作效率。

基于地理信息系統(tǒng)的圖像批處理方法，可同時對大量圖像資料進行編輯轉換，形成與地理信息系統(tǒng)軟件相兼容的結構數據文件，各圖像在數據文件中按照地理坐標位置進行排列，方便技術人員使用。而傳統(tǒng)手段需對圖像資料逐張整理，整理成踏勘報告或打包保存，無法整合成結構性數據文件。

與線路工程地理信息系統(tǒng)結合后，可在地理信息系統(tǒng)數據庫中體現原始踏勘圖像資料數據，豐富了其數據庫內容，為路由選線綜合評估提供了支撐，同時便于圖像資料的歸檔存儲或向業(yè)主移交，都是使用傳統(tǒng)處理手段無法比擬的。

6.結論

1)基于地理信息系統(tǒng)的圖像自獲取及批處理技術是線路踏勘圖像資料獲取及處理的一種新手段，可提高效率，確保數據準確。

2)基于地理信息系統(tǒng)的圖像獲取方法拍攝的圖像資料具有地理位置坐標信息屬性，實現了圖像拍攝的自動記憶功能。

3)基于地理信息系統(tǒng)的圖像自獲取及批處理技術可將圖像資料轉換為地理信息系統(tǒng)的結構性數據文件，便于歸檔存儲、移交和后期查閱。

4)基于地理信息系統(tǒng)的圖像自獲取及批處理技術可與線路路由綜合評估相結合，豐富評估資料內容，使評估結果更具有說服力。