基于GIS的油氣管道無人機巡檢平臺研究

宋婷婷，劉振東

(1.山東省國土測繪院,山東濟南 250000；2.山東省特種設(shè)備檢驗研究院有限公司,山東濟南 250000)

0 引言

油氣管道的鋪設(shè)呈現(xiàn)距離長、覆蓋廣、地形復(fù)雜等特點，對線路的測量提出了較高的要求[1]。隨著數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的不斷發(fā)展，可利用無人機搭載多傳感器獲取長輸管道監(jiān)測數(shù)據(jù)[2-3]。本文以GIS(地理信息系統(tǒng))為基礎(chǔ)，將無人機采集的遙感數(shù)據(jù)進行隱患智能提取分析，并整合測試樁、油氣管線路由數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于GIS的油氣管道無人機巡檢平臺[4]，實現(xiàn)油氣管道的智能化管理及分析。

1 平臺構(gòu)建邏輯

針對油氣管道巡檢需求以及無人機巡檢任務(wù)多、數(shù)據(jù)量大等特點，本文提出一種基于Laravel框架的無人機油氣管道管理平臺，以無人機巡檢平臺為基礎(chǔ)構(gòu)建邏輯圖，如圖1所示。

圖1 平臺邏輯圖

無人機定期航測巡檢獲取管道周邊影像、像控點以及POS數(shù)據(jù)，通過無人機獲取的數(shù)據(jù)進行DOM數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，從DOM數(shù)據(jù)圖斑數(shù)據(jù)中提取管道上方以及周邊壓蓋物信息，無人機獲取的影像數(shù)據(jù)以及通過監(jiān)測、提取獲取的地物圖斑全部作為成果庫，成果庫作為無人機巡檢管理平臺的數(shù)據(jù)源，提供數(shù)據(jù)支撐。GIS管理平臺提供了圖層管理、巡視任務(wù)管理、測試樁管理、隱患管理、航拍圖片管理、巡檢線路管理等內(nèi)容，實現(xiàn)長輸管道的流程化、可視化管理。

2 主要技術(shù)介紹

2.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1.1 巡線無人機簡介

按照不同平臺構(gòu)型，無人機可分為無人直升機、固定翼無人機、多旋翼無人機[5]，目前，作為管道巡線的無人機以固定翼無人機和多旋翼無人機為主。

固定翼無人機采用常見飛機模型，具有滯留空中時間長、抗風能力強、監(jiān)測范圍廣、飛行速度快、成本低、續(xù)航能力強等特點，在作業(yè)過程中，可以通過無線數(shù)據(jù)鏈將監(jiān)測影像實時傳回地面。缺點是飛機起飛降落限制較大，需要長距離跑道，采用跑道或降落傘降落，在降落精度上也存在較大誤差。多旋翼無人機優(yōu)點為操控簡單，可以懸停，4個遙感操作對應(yīng)飛行器的前后、左右、上下和偏航方向的運動；空中飛行搭配多軸云臺穩(wěn)定，機身穩(wěn)定，拍攝影像清晰；飛行安全，搭載6軸或8軸的無人機，在一個軸出現(xiàn)問題時，仍然可以順利返航。缺點為飛行效率較低，續(xù)航能力較固定翼低，飛機速度較固定翼小，空中滯留時間短等[6]。

根據(jù)多旋翼和固定翼無人機特點，結(jié)合巡檢特點，多旋翼無人機用在城區(qū)管網(wǎng)巡檢優(yōu)勢明顯。固定翼適用于長距離輸送管道的巡檢。

無人機航攝平臺示意圖如圖2所示。無人機系統(tǒng)一般包括飛行設(shè)備(飛控設(shè)備、GPS定位、地面監(jiān)控站)、遙感設(shè)備(紅外掃描儀、機載攝影儀、光譜成像儀等)、軟件系統(tǒng)(數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、地名監(jiān)控系統(tǒng)等)，空中平臺與地面監(jiān)控平臺通過數(shù)據(jù)鏈進行信息通訊[7]。

圖2 無人機平臺示意圖

2.1.2 DOM數(shù)據(jù)及實景建模

DOM數(shù)據(jù)的生產(chǎn)采用ENVI軟件，完成圖像增強、糾正、正射校正、鑲嵌、數(shù)據(jù)融合以及各種變換、信息提取、圖像分類等。

三維實景建模采用Smart3D(ContextCapture)軟件，對影像和POS數(shù)據(jù)進行自動空三匹配計算，構(gòu)建TIN模型，紋理映射、坐標系選擇等過程，完成三維模型的建模。

2.1.3 圖斑提取監(jiān)測

對DOM影像數(shù)據(jù)進行的圖斑提取、監(jiān)測分析[8-9]主要包括以下方面：

(1)通過對管道不同時相的影像進行提取，對管道上方施工進行地物圖斑提取，并進行變化監(jiān)測分析；

(2)對地面管道周圍的標志樁、標志牌、測試樁、里程樁等管道保護設(shè)施進行識別和提??；

(3)對地面管道周圍溝槽開挖、動土痕跡進行圖斑提?。?/p>

(4)通過DOM影像分析，對管道周圍的水土環(huán)境進行監(jiān)測，分析水土流失對管道的影響。

2.1.4 服務(wù)發(fā)布

將成果庫中的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)服務(wù)的形式對外進行提供。將上述步驟中的影像地圖數(shù)據(jù)、管線專題數(shù)據(jù)、隱患專題數(shù)據(jù)發(fā)布成WMTS、WMS或矢量切片服務(wù)，供巡檢管理平臺進行疊加調(diào)用。

2.2 GIS處理平臺

2.2.1 Laravel框架模式

Laravel是基于mvc模式的php框架，Laravel框架充分運用了php面向?qū)ο蟮奶攸c，使用了大量設(shè)計模式，內(nèi)置輕量級模板，模塊之間耦合度很低，服務(wù)端容器可以快速擴展功能模塊。同時，Laravel提供對象映射關(guān)系(ORM)，操作數(shù)據(jù)更加快捷[10]。

2.2.2 Cesium三維模型

本文設(shè)計的管道巡檢平臺的界面展示基于Cesium開源庫[11]，Cesium開源庫可以實現(xiàn)對地圖的二三維一體化顯示，對地圖實現(xiàn)放大、縮小、量測、對比、平移、疊加顯示等基本在線地圖功能，同時還包含了時間軸等與空間時間相關(guān)的控件，可對基于無人機獲得遙感影像按時間軸關(guān)聯(lián)動態(tài)顯示，實現(xiàn)二三維一體化動態(tài)巡檢管理。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1 總體架構(gòu)

總體架構(gòu)基于Laravel框架，構(gòu)建了B/S(瀏覽器—服務(wù)器)模式的無人機管道巡檢管理流程，利用Cesium三維地圖空間框架體系，建立多尺度、多源空間信息、多模型的無人機巡檢管理平臺，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示。整個架構(gòu)體系主要包括數(shù)據(jù)層、系統(tǒng)服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)層、接入層和安全保障體系。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)層是整個平臺的基礎(chǔ)，包括基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)用來為管理平臺提供底圖服務(wù)數(shù)據(jù)，專題數(shù)據(jù)作為管理平臺的疊加數(shù)據(jù)，例如測試樁數(shù)據(jù)、隱患數(shù)據(jù)、無人機航飛路線數(shù)據(jù)等，供統(tǒng)計、分析使用。數(shù)據(jù)庫進行了分布式部署和備份，為平臺的安全運行提供保障。數(shù)據(jù)庫采用開源數(shù)據(jù)庫PostgreSQL，進行空間數(shù)據(jù)的管理。

系統(tǒng)服務(wù)層是整個平臺的核心模塊，系統(tǒng)服務(wù)提供了地圖瀏覽服務(wù)、地圖疊加服務(wù)、數(shù)據(jù)查詢服務(wù)，以及一些平臺巡檢功能業(yè)務(wù)服務(wù)，包括隱患分析服務(wù)、用戶權(quán)限管理服務(wù)、數(shù)據(jù)管理服務(wù)、系統(tǒng)管理服務(wù)等，以上功能服務(wù)以獨立服務(wù)模型的方式注冊在服務(wù)器端，可以根據(jù)用戶需求動態(tài)注冊、停止、運行、刪除服務(wù)。

應(yīng)用服務(wù)層是用戶接觸最多的模塊，該模塊以可視化界面的形式為用戶提供巡檢平臺的管理功能，包括圖層管理、測試樁管理、巡檢任務(wù)管理、管道路由管理、航攝照片視頻管理以及隱患管理。

接入層是用戶進行網(wǎng)站門戶登錄的模塊，該模塊分角色進行權(quán)限控制，系統(tǒng)管理員擁有最高權(quán)限，根據(jù)用戶所屬的權(quán)限級別控制功能界面的操作。

安全保障體系是平臺建設(shè)、運行過程中建立的體系。

3.2 功能模型設(shè)計與實現(xiàn)

以山東省濱州市某天然氣長輸管道為試驗區(qū)域，完成系統(tǒng)的主要功能設(shè)計和實現(xiàn)。

3.2.1 圖層管理

圖層管理主要實現(xiàn)對平臺底圖服務(wù)和專題服務(wù)的管理。

(1)底圖管理。通過Openlayers API調(diào)用“天地圖·山東”發(fā)布的影像地圖和線劃地圖作為平臺的底圖，可依據(jù)用戶需求實現(xiàn)平臺底圖的切換，地圖的平移、縮放、量測、標繪等功能。

(2)專題管理。將無人機航飛的影像、測試樁數(shù)據(jù)、管道路由數(shù)據(jù)、隱患數(shù)據(jù)作為專題數(shù)據(jù)疊加在平臺底圖上，可以實現(xiàn)動態(tài)疊加顯示。其中，時空影像功能以時間軸的方式動態(tài)切換無人機不同時段的航飛影像，便于動態(tài)監(jiān)管,如圖4所示。

圖4 圖層管理

3.2.2 隱患管理

隱患管理是平臺的重要功能，是對無人機影像進行地圖光譜分析、樣本對比、圖斑提取識別的結(jié)果進行瀏覽、定位、查詢等。在隱患管理中，實現(xiàn)隱患預(yù)警、隱患處理、歷史隱患的管理，隱患以地圖瀏覽和報表統(tǒng)計方式進行管理，如圖5所示。

圖5 隱患管理

隱患預(yù)警分為一般隱患、特大隱患、重大隱患，巡檢管理人員根據(jù)隱患的級別和在地圖中的定位，進行相關(guān)處理。將對隱患的處理方式、處理時間、處理人、在地圖中的定位進行管理操作。將歷年的隱患以報表形式進行管理，方便管理人員進行查詢檢索。

3.2.3 測試樁管理

測試樁管理是無人機巡航與人工巡檢相結(jié)合的功能模塊。將人工巡檢的測試樁定檢數(shù)據(jù)疊加到無人機航飛影像上，宏觀監(jiān)測與法定檢驗共同使用。測試樁管理主要包括以下功能：

測試樁名稱快速檢索功能：用戶可以輸入測試樁的名稱、關(guān)鍵字等屬性進行快速檢索；

測試樁聯(lián)動定位功能：用戶點擊列表某一測試樁名稱，可實現(xiàn)測試樁在地圖中的快速定位；

測試樁識別功能：用戶在地圖中點擊某一測試樁，查詢出該測試樁位置、埋深、電流等管道屬性信息；

其他功能：測試樁樣式編輯、刪除、屬性信息變更等功能。測試樁管理如圖6所示。

圖6 測試樁管理

3.2.4 其他功能模塊

3.2.4.1 巡視任務(wù)管理

巡視任務(wù)管理是對無人作業(yè)航線的管理，包括航飛任務(wù)計劃、任務(wù)實施進度、作業(yè)結(jié)果查詢等功能。

3.2.4.2 照片視頻管理

基于管線三樁一牌(里程樁、陰保測試樁、標志樁和警示牌)的位置，對巡檢照片和巡檢視頻進行瀏覽管理。

3.2.4.3 管道路由管理

實現(xiàn)管道路由在地圖中的瀏覽、快速查詢、點擊識別等功能，以地圖為入口實現(xiàn)巡檢路線的靈活調(diào)閱。

4 結(jié)束語

本文研究了在長輸管道巡檢作業(yè)中基于GIS構(gòu)建無人機巡檢管理平臺，對其中的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理及入庫、平臺框架、平臺功能的設(shè)計及實現(xiàn)進行了說明，實現(xiàn)了無人機巡檢作業(yè)的流程化、可視化管理，顯著提升了巡檢質(zhì)量和效率。利用GIS技術(shù)進行空間化管理巡檢，有助于以后開展大規(guī)模無人機長輸管道巡檢。