宋婷婷，劉振東

(1.山東省國土測(cè)繪院,山東濟(jì)南 250000；2.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院有限公司,山東濟(jì)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(diǎn)，對(duì)線路的測(cè)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(jī)搭載多傳感器獲取長輸管道監(jiān)測(cè)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(jī)采集的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行隱患智能提取分析，并整合測(cè)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(jī)巡檢平臺(tái)[4]，實(shí)現(xiàn)油氣管道的智能化管理及分析。

1 平臺(tái)構(gòu)建邏輯

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

圖1 平臺(tái)邏輯圖

無人機(jī)定期航測(cè)巡檢獲取管道周邊影像、像控點(diǎn)以及POS數(shù)據(jù)，通過無人機(jī)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)以及通過監(jiān)測(cè)、提取獲取的地物圖斑全部作為成果庫，成果庫作為無人機(jī)巡檢管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)源，提供數(shù)據(jù)支撐。GIS管理平臺(tái)提供了圖層管理、巡視任務(wù)管理、測(cè)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(shí)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(jī)簡介

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

固定翼無人機(jī)采用常見飛機(jī)模型，具有滯留空中時(shí)間長、抗風(fēng)能力強(qiáng)、監(jiān)測(cè)范圍廣、飛行速度快、成本低、續(xù)航能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在作業(yè)過程中，可以通過無線數(shù)據(jù)鏈將監(jiān)測(cè)影像實(shí)時(shí)傳回地面。缺點(diǎn)是飛機(jī)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(jī)優(yōu)點(diǎn)為操控簡單，可以懸停，4個(gè)遙感操作對(duì)應(yīng)飛行器的前后、左右、上下和偏航方向的運(yùn)動(dòng)；空中飛行搭配多軸云臺(tái)穩(wěn)定，機(jī)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(jī)，在一個(gè)軸出現(xiàn)問題時(shí)，仍然可以順利返航。缺點(diǎn)為飛行效率較低，續(xù)航能力較固定翼低，飛機(jī)速度較固定翼小，空中滯留時(shí)間短等[6]。

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

無人機(jī)航攝平臺(tái)示意圖如圖2所示。無人機(jī)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(jī)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(tái)與地面監(jiān)控平臺(tái)通過數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行信息通訊[7]。

圖2 無人機(jī)平臺(tái)示意圖

2.1.2 DOM數(shù)據(jù)及實(shí)景建模

DOM數(shù)據(jù)的生產(chǎn)采用ENVI軟件，完成圖像增強(qiáng)、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(shí)景建模采用Smart3D(ContextCapture)軟件，對(duì)影像和POS數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)空三匹配計(jì)算，構(gòu)建TIN模型，紋理映射、坐標(biāo)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(cè)

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

(1)通過對(duì)管道不同時(shí)相的影像進(jìn)行提取，對(duì)管道上方施工進(jìn)行地物圖斑提取，并進(jìn)行變化監(jiān)測(cè)分析；

(2)對(duì)地面管道周圍的標(biāo)志樁、標(biāo)志牌、測(cè)試樁、里程樁等管道保護(hù)設(shè)施進(jìn)行識(shí)別和提??；

(3)對(duì)地面管道周圍溝槽開挖、動(dòng)土痕跡進(jìn)行圖斑提??；

(4)通過DOM影像分析，對(duì)管道周圍的水土環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析水土流失對(duì)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(duì)外進(jìn)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(tái)進(jìn)行疊加調(diào)用。

2.2 GIS處理平臺(tái)

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(yùn)用了php面向?qū)ο蟮奶攸c(diǎn)，使用了大量設(shè)計(jì)模式，內(nèi)置輕量級(jí)模板，模塊之間耦合度很低，服務(wù)端容器可以快速擴(kuò)展功能模塊。同時(shí)，Laravel提供對(duì)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(jì)的管道巡檢平臺(tái)的界面展示基于Cesium開源庫[11]，Cesium開源庫可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地圖的二三維一體化顯示，對(duì)地圖實(shí)現(xiàn)放大、縮小、量測(cè)、對(duì)比、平移、疊加顯示等基本在線地圖功能，同時(shí)還包含了時(shí)間軸等與空間時(shí)間相關(guān)的控件，可對(duì)基于無人機(jī)獲得遙感影像按時(shí)間軸關(guān)聯(lián)動(dòng)態(tài)顯示，實(shí)現(xiàn)二三維一體化動(dòng)態(tài)巡檢管理。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(jī)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(jī)巡檢管理平臺(tái)，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示。整個(gè)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(gè)平臺(tái)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(tái)提供底圖服務(wù)數(shù)據(jù)，專題數(shù)據(jù)作為管理平臺(tái)的疊加數(shù)據(jù)，例如測(cè)試樁數(shù)據(jù)、隱患數(shù)據(jù)、無人機(jī)航飛路線數(shù)據(jù)等，供統(tǒng)計(jì)、分析使用。數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了分布式部署和備份，為平臺(tái)的安全運(yùn)行提供保障。數(shù)據(jù)庫采用開源數(shù)據(jù)庫PostgreSQL，進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的管理。

系統(tǒng)服務(wù)層是整個(gè)平臺(tái)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(tái)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(dú)立服務(wù)模型的方式注冊(cè)在服務(wù)器端，可以根據(jù)用戶需求動(dòng)態(tài)注冊(cè)、停止、運(yùn)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(tái)的管理功能，包括圖層管理、測(cè)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(jìn)行網(wǎng)站門戶登錄的模塊，該模塊分角色進(jìn)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(jí)別控制功能界面的操作。

安全保障體系是平臺(tái)建設(shè)、運(yùn)行過程中建立的體系。

3.2 功能模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

以山東省濱州市某天然氣長輸管道為試驗(yàn)區(qū)域，完成系統(tǒng)的主要功能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

3.2.1 圖層管理

圖層管理主要實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)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(tái)的底圖，可依據(jù)用戶需求實(shí)現(xiàn)平臺(tái)底圖的切換，地圖的平移、縮放、量測(cè)、標(biāo)繪等功能。

(2)專題管理。將無人機(jī)航飛的影像、測(cè)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(tái)底圖上，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)疊加顯示。其中，時(shí)空影像功能以時(shí)間軸的方式動(dòng)態(tài)切換無人機(jī)不同時(shí)段的航飛影像，便于動(dòng)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(tái)的重要功能，是對(duì)無人機(jī)影像進(jìn)行地圖光譜分析、樣本對(duì)比、圖斑提取識(shí)別的結(jié)果進(jìn)行瀏覽、定位、查詢等。在隱患管理中，實(shí)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(bào)表統(tǒng)計(jì)方式進(jìn)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(jí)別和在地圖中的定位，進(jìn)行相關(guān)處理。將對(duì)隱患的處理方式、處理時(shí)間、處理人、在地圖中的定位進(jìn)行管理操作。將歷年的隱患以報(bào)表形式進(jìn)行管理，方便管理人員進(jìn)行查詢檢索。

3.2.3 測(cè)試樁管理

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

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

測(cè)試樁聯(lián)動(dòng)定位功能：用戶點(diǎn)擊列表某一測(cè)試樁名稱，可實(shí)現(xiàn)測(cè)試樁在地圖中的快速定位；

測(cè)試樁識(shí)別功能：用戶在地圖中點(diǎn)擊某一測(cè)試樁，查詢出該測(cè)試樁位置、埋深、電流等管道屬性信息；

其他功能：測(cè)試樁樣式編輯、刪除、屬性信息變更等功能。測(cè)試樁管理如圖6所示。

圖6 測(cè)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(duì)無人作業(yè)航線的管理，包括航飛任務(wù)計(jì)劃、任務(wù)實(shí)施進(jìn)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(cè)試樁、標(biāo)志樁和警示牌)的位置，對(duì)巡檢照片和巡檢視頻進(jìn)行瀏覽管理。

3.2.4.3 管道路由管理

實(shí)現(xiàn)管道路由在地圖中的瀏覽、快速查詢、點(diǎn)擊識(shí)別等功能，以地圖為入口實(shí)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(jī)巡檢管理平臺(tái)，對(duì)其中的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理及入庫、平臺(tái)框架、平臺(tái)功能的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了說明，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)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(jìn)行空間化管理巡檢，有助于以后開展大規(guī)模無人機(jī)長輸管道巡檢。