無人機(jī)及圖像處理技術(shù)在油氣田生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

穆 嘯

（河南中原油田信息通信技術(shù)有限公司，濮陽 457001）

1 研究目的

油氣管道是油氣資源配送的主要方式，目前我國長輸管道超過12萬公里，并且分布于全國各地，因此管道的運(yùn)行安全不僅關(guān)系中國各地經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時直接關(guān)系沿線群眾的生命財產(chǎn)安全。近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，油氣管道建成后，管道沿線占壓、安全間距不足以及其他危及管道的行為日益突出，給集輸管道的運(yùn)行帶來了極大的安全隱患。

無人機(jī)管道巡線作為一項日趨成熟的新理念、新技術(shù)，主要是采用先進(jìn)的無人駕駛飛行器、遙感傳感器、遙測遙控、無線通訊、GPS差分定位和遙感應(yīng)用等技術(shù)，對管線、站庫等進(jìn)行監(jiān)控巡查，一方面定期提供管道沿線的情況的圖像影視資料，為管道巡檢管理的技術(shù)管理人員提供第一手資料；另一方面，一旦發(fā)生安全事故，無人機(jī)可緊急升空，為應(yīng)急指揮第一時間提供現(xiàn)場情況，可以直觀的處理各種問題，提高決策的準(zhǔn)確性，在管線智能化建設(shè)方面具有極大的優(yōu)勢。

無人機(jī)作業(yè)實(shí)時獲取到的獲取到的圖像實(shí)時傳輸距離有限，目前民用無人機(jī)的實(shí)時圖傳距離一般在5～10km左右，需要對無人機(jī)圖像傳輸技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究，以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)圖像的超視距即時傳輸。

2 研究內(nèi)容

針對油田野外作業(yè)部分人力難以到達(dá)地區(qū)，及搶險作業(yè)存在安全隱患地點(diǎn)，研究利用無人機(jī)使用3G/4G網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信等手段，將現(xiàn)場視頻圖像實(shí)時傳送至總部指揮中心，形成一套可快速部署的搶險現(xiàn)場畫面實(shí)時回傳方案。同時，研究使用Pix4D、Smart3D等影像處理軟件對無人機(jī)采集的影像文件處理生成DLG（數(shù)字線畫地圖）、DRG（數(shù)字柵格地圖）、DOM（數(shù)字正射影像圖）、DEM（數(shù)字高程模型）、油氣儲運(yùn)管道及罐體數(shù)字三維模型。在三維模型或者點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，加入地理信息系統(tǒng)（GIS），將三維模型精確的進(jìn)行處理并賦予屬性（管道直徑，材質(zhì)等），提高設(shè)備信息化管理的水平，為油氣田廠區(qū)、站場等數(shù)字化建設(shè)、改造提供高精度、可視化管理手段。

3 主要技術(shù)方案

3.1 無人機(jī)圖傳延伸研究測試方案

由于無人機(jī)常用的機(jī)載圖傳設(shè)備的傳輸距離目前大都在5km左右，較遠(yuǎn)的也不超過10km。為了增加無人機(jī)實(shí)時圖像傳輸距離，我們可借助3G/4G無線通信網(wǎng)絡(luò)，甚至在沒有3G/4G網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域，使用衛(wèi)星通信，也可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)實(shí)時圖像傳輸距離的延伸。

3.1.1 測試環(huán)境

多旋翼無人機(jī)一套，圖傳距離5km；應(yīng)急通信車一輛，車上集成有車載靜中通衛(wèi)星小站一套，寶利通視頻會議終端一套。

3.1.2 測試內(nèi)容

無人機(jī)機(jī)載攝像機(jī)所采集到的視頻畫面通過無人機(jī)圖像傳輸設(shè)備傳送至無人機(jī)地面站系統(tǒng)的筆記本電腦。使用視頻信號線將地面站系統(tǒng)筆記本電腦與應(yīng)急通信車視頻會議終端相連接，地面站系統(tǒng)成為視頻會議系統(tǒng)參會的一方，視頻會議系統(tǒng)將無人機(jī)實(shí)時畫面在視頻會議系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行廣播，即實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)實(shí)時畫面與應(yīng)急通信車的對接，系統(tǒng)示意圖如下：

圖1 無人機(jī)圖傳連接衛(wèi)星通信示意圖

3.1.3 測試結(jié)果

通過現(xiàn)場調(diào)試，使用多旋翼無人機(jī)拍攝的實(shí)時畫面成功接入應(yīng)急通信車，并可通過衛(wèi)星傳輸至視頻會議系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)控中心遠(yuǎn)程指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)。

3.2 圖像處理技術(shù)研究方案

3.2.1 無人機(jī)圖像處理概述

無人機(jī)航空攝影與傳統(tǒng)航空攝影有較大區(qū)別，首先飛行高度低，影像分辨率高，其次高機(jī)動性和靈活性可隨時隨地執(zhí)行航攝任務(wù)；但由于無人機(jī)重量輕、速度慢、受風(fēng)力影響較大，所以對拍攝過程中行高設(shè)計、航測時間、空氣能見度、航片旁向航向重疊率等因素都有很高的要求，只有航測作業(yè)前根據(jù)測區(qū)實(shí)際情況合理判斷設(shè)置好各項參數(shù)值，才能拍攝出高質(zhì)量滿足應(yīng)用需求的航拍影像。

通過對無人機(jī)獲取的原始相片數(shù)據(jù)進(jìn)行快速拼圖，結(jié)合專業(yè)圖像處理軟件，最后可以得到標(biāo)準(zhǔn)格式的圖像成果文件：DOM：數(shù)字正射影像圖；DEM：數(shù)字高程模型；DLG：數(shù)字線畫地圖；DRG：數(shù)字柵格地圖。

3.2.2 無人機(jī)圖像拼接處理實(shí)驗

（1）獲取油氣管線所在地的Google影像地圖并加載至無人機(jī)地面站軟件中，并在地圖上畫出管線上方的航線。

（2）無人機(jī)按照規(guī)劃好的航線進(jìn)行圖像采集，會得到一組連續(xù)的照片文件。

（3）通過圖像拼接軟件將連續(xù)的照片處理成為一個覆蓋油氣管線上方較大面積的拼接圖。

（4）通過專業(yè)的圖像處理軟件，將帶有坐標(biāo)、海拔等參數(shù)信息的圖像文件處理成三維模型

3.3 三維建模實(shí)驗方案

（1）通過使用多旋翼無人機(jī)搭載五鏡頭傾斜攝影云臺，對目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)照片拍攝。（2）使用Smart3D圖像處理軟件將獲得的圖像文件進(jìn)行處理，得到目標(biāo)的三維模型。

（3）生成的模型，由多個帶有GPS坐標(biāo)及高度信息的點(diǎn)支持，因此可以在模型上直接進(jìn)行長度測量，高度測量，面積測量等。

4 研究結(jié)果

借助多樣的通信傳輸技術(shù)手段，可以將無人機(jī)系統(tǒng)有限的圖傳距離無限延伸，并且隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，今后5G技術(shù)將實(shí)現(xiàn)更大帶寬信息量、更高速度的傳輸，可以更好的滿足無人機(jī)實(shí)時圖像遠(yuǎn)程傳輸?shù)男枰?/p>

使用圖像處理技術(shù)，將數(shù)量、容量都十分龐大的基礎(chǔ)影像資料轉(zhuǎn)變成為直觀明了的單一拼接圖像、三維模型等文件，不僅大大減少了油氣管線巡線工作的工作量，并且，制作的影像處理文件，均帶有地理坐標(biāo)信息等參數(shù)，能為油氣生產(chǎn)信息化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為今后油氣生產(chǎn)大數(shù)據(jù)提供地理信息數(shù)據(jù)源。