無人機(jī)航拍在三維高精度地震勘探采集中的應(yīng)用

舒 艷 孫向東 呂金蓬

中石化石油工程地球物理有限公司地理地質(zhì)信息勘查分公司, 湖北 武漢 430000

0 前言

隨著油氣勘探程度不斷加深,地震勘探采集越來越精細(xì),施工區(qū)域越來越復(fù)雜,克服復(fù)雜地表障礙物實(shí)現(xiàn)觀測(cè)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和科學(xué)高效的管理成為高精度地震勘探采集中的重點(diǎn)及難點(diǎn)[1]。北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)及第五代移動(dòng)通信(5G)技術(shù)的不斷創(chuàng)新應(yīng)用,為無人機(jī)航拍技術(shù)實(shí)時(shí)獲取復(fù)雜工區(qū)地理信息數(shù)據(jù)提供了更豐富的實(shí)施條件,如何充分挖掘大量數(shù)據(jù),并應(yīng)用于高精度地震勘探中,成為現(xiàn)階段無人機(jī)輔助三維高精度地震勘探采集的研究重點(diǎn)。無人機(jī)航拍獲取的實(shí)時(shí)地理信息數(shù)據(jù)[2],為地震勘探采集提供了地形地貌特征、地表巖性露頭表征[3]、交通和水文地物信息、植被土質(zhì)甚至不同時(shí)期地物變化等多種重要信息。特別對(duì)復(fù)雜三維高精度地震勘探的區(qū)域,可高清識(shí)別不同類型的障礙物[4]，利于室內(nèi)精細(xì)設(shè)計(jì)[5]，便于室外重點(diǎn)踏勘，提升地震勘探采集數(shù)字化信息化野外服務(wù)[6]。

1 無人機(jī)航拍需求

三維高精度地震勘探采集排列點(diǎn)和炮點(diǎn)分布密集,呈現(xiàn)大排列、高覆蓋、小面元的特征[7]。地震勘探采集包括測(cè)量、鉆井、放線、放炮、儀器接收等工序,工序緊湊復(fù)雜;施工區(qū)域面積較大,野外地表環(huán)境復(fù)雜,障礙物多且不均勻,采集工期較長。項(xiàng)目涉及營地建設(shè)、運(yùn)輸設(shè)備、雷管炸藥運(yùn)輸、工農(nóng)問題等安全生產(chǎn)[8],需要精細(xì)的設(shè)計(jì)和規(guī)劃才能高效安全完成生產(chǎn)采集任務(wù)。

以往地震勘探采集通常以谷歌衛(wèi)星影像為底圖進(jìn)行物理點(diǎn)的設(shè)計(jì),精度低，更新慢。野外人員需到現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)設(shè)計(jì)點(diǎn)位是否在安全距離內(nèi),若不合適則與施工組溝通后再選擇點(diǎn)位。此流程中存在野外信號(hào)差,民工責(zé)任心不強(qiáng),現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置炮點(diǎn)偏移過大,靠經(jīng)驗(yàn)估計(jì)安全距離不夠等問題；物理設(shè)計(jì)點(diǎn)位因反復(fù)調(diào)整,易造成分布不均勻,達(dá)不到滿覆蓋要求;因工農(nóng)問題干擾或季節(jié)更替,原設(shè)計(jì)點(diǎn)位不能采集,測(cè)量人員要多次測(cè)量等問題。

無人機(jī)航拍屬于低空遙感的一種,搭載GNSS和航攝儀等裝置,獲取飛行姿態(tài)的瞬時(shí)空間位置[7],拍攝地面影像信息。因無人機(jī)具有快速響應(yīng)、機(jī)動(dòng)靈活、精度高、可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn),使無人機(jī)航拍在三維高精度地震勘探采集中得到全方面的應(yīng)用[9]。同一區(qū)域谷歌衛(wèi)星影像和無人機(jī)航拍影像對(duì)比見圖1。圖1-a)谷歌衛(wèi)星影像清晰度較差,顏色不均,時(shí)效性較差,地物分界線不明;而圖1-b)無人機(jī)航拍影像能夠清楚識(shí)別各類障礙物及周邊環(huán)境,畫質(zhì)清晰,地物邊界輪廓清楚,精度高，時(shí)效性強(qiáng)。

a)谷歌衛(wèi)星影像a)Google satellite image

b)無人機(jī)航拍影像b)UVA aerial photography圖1 同一區(qū)域谷歌衛(wèi)星影像和無人機(jī)航拍影像對(duì)比圖Fig.1 Comparison of satellite image and UVA aerial photography in the same area

無人機(jī)航拍可根據(jù)地形設(shè)置不同飛行高度和搭載各類高清航攝儀,獲取高分辨率高精度的勻色原片、高清視頻、三維傾斜模型、正射影像(DOM)、數(shù)字線劃圖(DLG)、數(shù)字高層模型(DEM)等一系列空間地理信息數(shù)據(jù)產(chǎn)品[10],見圖2。無人機(jī)航拍可實(shí)現(xiàn)最快1天內(nèi)生產(chǎn)出工區(qū)快拼圖DOM用于地震勘探采集前期踏勘[11],DOM和DEM疊加用于山區(qū)空中踏勘,高清視頻用于大型湖泊、高陡區(qū)域的重點(diǎn)踏勘,傾斜三維模型用于復(fù)雜區(qū)域精細(xì)三維踏勘。無人機(jī)航拍可以真實(shí)、快速、準(zhǔn)確地獲取地震勘探區(qū)域內(nèi)地表紋理信息、高程信息、地形地貌信息[12],對(duì)復(fù)雜區(qū)域三維高精度地震勘探采集顯得尤為可貴。

隨著谷歌地圖退出中國以及版權(quán)知識(shí)產(chǎn)權(quán)意識(shí)加強(qiáng),無人機(jī)航拍技術(shù)得到了充分的發(fā)展。實(shí)時(shí)高效獲取的無人機(jī)航拍影像，為地震勘探采集提供豐富的地表信息和坐標(biāo)信息[13],直接獲取地物點(diǎn)準(zhǔn)確坐標(biāo)和障礙物類型及特征。技術(shù)人員在室內(nèi)高效完成設(shè)計(jì)，野外人員只需在重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)踏勘，提高了物理點(diǎn)位一次設(shè)計(jì)的成功率，提升了野外人員到點(diǎn)率，大大節(jié)省人力物力,確保安全高效的施工[14]。

a)勻色原片a)Aerial photograph after color uniformity

b)高清視頻b)HD video

c)三維傾斜攝影模型c)3D oblique photography model

d)數(shù)字正射影像(DOM)d)Digital orthophoto

e)數(shù)字線劃圖(DLG)e)Digital line graph

f)數(shù)字高程模型(DEM)f)Digital elevation model圖2 無人機(jī)航拍獲取產(chǎn)品類型圖Fig.2 Product types of UAV aerial photography

2 無人機(jī)航拍應(yīng)用

無人機(jī)航拍通過搭載高分辨率航攝儀,利用空、地控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)影像的自動(dòng)拍攝與獲取,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮和實(shí)時(shí)傳輸;無人機(jī)集群協(xié)同作業(yè),快速高效獲取工區(qū)大范圍的真實(shí)狀況;無人機(jī)輕巧機(jī)動(dòng)、作業(yè)能力強(qiáng),可服務(wù)于懸停喊話制止違章作業(yè)[15]。目前,無人機(jī)航拍輔助地震勘探采集主要以測(cè)圖為主,提供準(zhǔn)確識(shí)別地表障礙物范圍及坐標(biāo)位置,滿足高效率、高精度、滿覆蓋的三維高精度地震勘探采集要求[16],提高地震勘探采集施工效率和資料質(zhì)量品質(zhì)。

無人機(jī)航拍三維高精度地震勘探采集中的應(yīng)用主要有以下方面。

2.1 統(tǒng)籌分區(qū)

準(zhǔn)確的地理信息坐標(biāo)和豐富的圖像信息,疊加矢量地質(zhì)圖、構(gòu)造圖,巖性分布圖等[17],進(jìn)行數(shù)字化信息化作業(yè)模式,做到全區(qū)了然于圖上。重點(diǎn)區(qū)域重點(diǎn)部署,便于規(guī)劃施工。

疊加不同類型的矢量圖,如管線圖、城鎮(zhèn)圖等,掌握不同障礙物分布特點(diǎn),針對(duì)不同障礙物的類型,進(jìn)行分區(qū)精準(zhǔn)施工,合理高效完成生產(chǎn)任務(wù)。

根據(jù)地表地貌信息,準(zhǔn)確量測(cè)判讀,明確所需震源類型、鉆機(jī)類型等,精細(xì)分類作業(yè),預(yù)計(jì)所需鉆機(jī)數(shù)量和雷管藥量,達(dá)到控制采集預(yù)算的目的。

2.2 高效設(shè)計(jì)

根據(jù)無人機(jī)獲取的高分辨率航拍影像和地理信息,準(zhǔn)確量測(cè)炮點(diǎn)與障礙物距離,優(yōu)選最佳物理點(diǎn)[18]。

通過設(shè)置不同障礙物的不同安全距離,如高壓線100 m、房區(qū)50 m、水域20 m,進(jìn)行緩沖區(qū)分析,精準(zhǔn)量測(cè)，合理偏移,提高一次性布設(shè)成功率。

對(duì)于大型障礙物,江河湖區(qū)、林區(qū)、懸崖區(qū)等可高效統(tǒng)計(jì)排列空道穿過的次數(shù)和道數(shù),合理變觀設(shè)計(jì),提高覆蓋次數(shù),指導(dǎo)野外排列擺放。

2.3 精準(zhǔn)踏勘

通過無人機(jī)航拍獲取的產(chǎn)品能提供豐富的地表信息、實(shí)時(shí)高清真實(shí)的全區(qū)視圖和高精度的地理坐標(biāo)信息[19],為地震勘探采集施工準(zhǔn)備、規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

無人機(jī)航拍影像清晰直觀，利于室內(nèi)判讀,肉眼可識(shí)別最小5 cm分辨率地物,更加便于識(shí)別障礙物。

高精度導(dǎo)出的重難點(diǎn)范圍和物理點(diǎn)位圖,提供給相關(guān)人員進(jìn)行重點(diǎn)踏勘,提升了到點(diǎn)率,提高了工作效率,實(shí)現(xiàn)了高效踏勘。

2.4 優(yōu)化路線

結(jié)合無人機(jī)航拍高清影像,識(shí)別道路類型和寬度,疊加高德地圖,優(yōu)化日常行車路線,做到合理安排車輛路途，為施工人員提供精確的線路指導(dǎo)(如最近的定點(diǎn)醫(yī)院),避免盲目繞路。

針對(duì)大型施工設(shè)備(如可控震源車輛),結(jié)合無人機(jī)航拍高清影像,通過精細(xì)量測(cè),識(shí)別道路類型和周邊障礙物，量測(cè)寬度，合理設(shè)計(jì)和規(guī)劃行車路線。

2.5 精細(xì)落實(shí)

數(shù)字化疊加綜合分析,提高物理點(diǎn)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度和均勻性,對(duì)每個(gè)物理點(diǎn)的狀態(tài)，即設(shè)計(jì)、鉆井、下藥、放炮、捫井及填埋工序進(jìn)行跟蹤作業(yè),做到安全可控每個(gè)環(huán)節(jié),保證形成一個(gè)完整的作業(yè)鏈條,便于物料的統(tǒng)計(jì)，使工農(nóng)賠償解決有據(jù)可依。

地震勘探采集實(shí)現(xiàn)數(shù)字化作業(yè),可預(yù)測(cè)施工難點(diǎn)，持續(xù)跟蹤野外進(jìn)展情況,快速掌握施工面臨的難題,并及時(shí)調(diào)整，統(tǒng)籌推進(jìn)整體施工方案的落實(shí),為項(xiàng)目管理人員提供便捷的施工輔助指導(dǎo)。

2.6 HSSE管理

將無人機(jī)航拍獲取的產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化的綜合分析和疊加顯示,直觀、快速、準(zhǔn)確了解復(fù)雜區(qū)域重難點(diǎn),有序推進(jìn),合理施工,提高生產(chǎn)質(zhì)量控制。

通過無人機(jī)高清影像精準(zhǔn)識(shí)別分析地形、地物,組織開展安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別[20],對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)的作業(yè)區(qū)域,指導(dǎo)HSSE管理人員制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案并進(jìn)行安全培訓(xùn),識(shí)別隱患區(qū)域(如山林密集區(qū)蛇蟲鼠蟻防治、易垮塌區(qū)域避險(xiǎn)、水流湍急區(qū)安全施工等),避免因隱患情況不了解而引發(fā)的安全生產(chǎn)事故。

3 應(yīng)用實(shí)例及效果

三維高精度地震勘探采集的觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì),優(yōu)選炮點(diǎn)和排列點(diǎn),保證覆蓋次數(shù)的均勻性，是確保地震勘探采集獲得良好資料品質(zhì)的關(guān)鍵。

以江漢平原某三維高精度地震勘探采集項(xiàng)目為例,工區(qū)屬于江漢油田老勘探區(qū)域,油井、油氣管網(wǎng)、水管縱橫交錯(cuò);建筑物、工廠相對(duì)集中;水系漢江及大堤從工區(qū)穿過，河流田關(guān)河、興隆河、湖泊宋湖、借糧湖較多,禁炮區(qū)較大;涉及101 km2水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū),影響排列及炮點(diǎn)布設(shè)。宜采取井炮、可控震源、水炮及電火花多方式聯(lián)合施工。

3.1 精準(zhǔn)室內(nèi)識(shí)別

根據(jù)不同障礙物分布特點(diǎn)分區(qū)進(jìn)行精細(xì)施工。如居民地、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等易引發(fā)工農(nóng)問題的區(qū)域,合理調(diào)配工農(nóng),進(jìn)行提前溝通協(xié)調(diào)，預(yù)防人為砍線阻撓耽誤工期；地下地上的油氣管線、水網(wǎng)、輸油氣管線、高壓線等交錯(cuò)復(fù)雜區(qū)域，進(jìn)行綜合分析，設(shè)置合理的安全距離;對(duì)穿越公路及河流溝渠的排列空道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，指導(dǎo)野外排列貫通擺放,合理設(shè)計(jì)排列偏移。

3.2 輔助炮點(diǎn)設(shè)計(jì)

復(fù)雜地表障礙物設(shè)置適當(dāng)精確的緩沖區(qū),優(yōu)選有利位置,重點(diǎn)檢查目的層區(qū)域內(nèi)點(diǎn)位的井深及藥量,合理設(shè)計(jì)炮點(diǎn),保證質(zhì)量品質(zhì)。工業(yè)區(qū)復(fù)雜區(qū)域,優(yōu)選激發(fā)點(diǎn)位,精細(xì)踏勘設(shè)計(jì)激發(fā)點(diǎn)位,見圖3-a);漢江及漢江大堤禁炮區(qū)設(shè)置200 m緩沖區(qū),疊加緩沖區(qū)域,規(guī)避房屋等障礙物，合理設(shè)計(jì)可控震源激發(fā)點(diǎn)施工,見圖3-b)。室內(nèi)人員通過無人機(jī)航拍影像量測(cè)道路寬度,識(shí)別道路材質(zhì),重點(diǎn)識(shí)別道路上方及旁側(cè)障礙物,提前規(guī)劃震源車的路線和加固鋪設(shè)的路面,指導(dǎo)野外車輛的高效施工。

a)工業(yè)區(qū)炮點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)a)Optimum design of shot points in industry zone

b)漢江大堤炮點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)b)Optimized design of shot points over the Han River embankment圖3 復(fù)雜區(qū)域障礙物炮點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)圖Fig.3 Optimum design of shot point for obstacles in complex area

3.3 指導(dǎo)野外排列

漢江呈南北方向斜穿整個(gè)地震勘探采集施工區(qū)域,涉及90道排列,2 900 多個(gè)排列點(diǎn)落在水中,排列斷開147處,1道排列最多斷開4處,如何高效指導(dǎo)排列的擺放及貫通連接成為施工重難點(diǎn)之一。通過提取漢江物理點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,改變了傳統(tǒng)手工坐標(biāo)紙作圖方式，數(shù)字化指導(dǎo)設(shè)計(jì)跨江排列檢波器及大線擺放與連接,高效科學(xué)施工,見圖4。

圖4 過漢江的排列空道統(tǒng)計(jì)圖圖Fig.4 Statistics of permutation empty channel acrossthe Han River

3.4 炮點(diǎn)進(jìn)度管理

通過將每日物理點(diǎn)疊加在無人機(jī)高清DOM成果,直觀掌握野外鉆井采集進(jìn)度及狀態(tài),合理安排施工進(jìn)度,做到穩(wěn)步推進(jìn)。外業(yè)打井—下藥—放炮—填埋流程,做到一一跟蹤作業(yè),確保安全生產(chǎn)。每日分發(fā)的批量任務(wù)點(diǎn),遇到什么障礙,進(jìn)入什么狀態(tài),對(duì)應(yīng)施工人員現(xiàn)場(chǎng)拍攝的視頻和照片，使物理點(diǎn)有記錄可追蹤。做到室內(nèi)與室外同步,一目了然,科學(xué)生產(chǎn),矢量化管理,實(shí)現(xiàn)有據(jù)可依、可追蹤的野外流程化作業(yè),見圖5。

圖5 炮點(diǎn)進(jìn)度管理分布圖Fig.5 Schedule management and distribution chartof the shot points

4 結(jié)論

通過對(duì)無人機(jī)航拍優(yōu)勢(shì)分析,總結(jié)無人機(jī)在三維高精度地震采集中統(tǒng)籌分區(qū)、高效設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)踏勘、優(yōu)化路線、精細(xì)落實(shí)和HSSE管理等方面的應(yīng)用。利用無人機(jī)航拍獲取的一系列地理信息數(shù)據(jù)產(chǎn)品來指導(dǎo)復(fù)雜障礙區(qū)三維高精度地震勘探采集,實(shí)現(xiàn)高精度、可視化、數(shù)字化管理，合理進(jìn)行炮點(diǎn)及排列點(diǎn)設(shè)計(jì)，提高一次布設(shè)成功率。在本文實(shí)例中，無人機(jī)航拍在三維高精度地震勘探采集中精準(zhǔn)室內(nèi)識(shí)別、輔助炮點(diǎn)設(shè)計(jì)、指導(dǎo)野外排列、炮點(diǎn)數(shù)據(jù)管理和安全追蹤等方面的應(yīng)用得到業(yè)主充分肯定。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和三維高精度地震勘探采集的深入開展,無人機(jī)航拍優(yōu)勢(shì)越來越明顯,可以大大節(jié)省野外施工時(shí)間,提高生產(chǎn)效率,保障安全科學(xué)施工。更多服務(wù)于地震勘探的無人機(jī)航拍探索和應(yīng)用有待更進(jìn)一步挖掘。