利用无人机搭载热红外成像仪探测地下输油管道的初探研究

王琳，吴正鹏，张晓东，崔龙

(1.天津市测绘院，天津 300381； 2.天津市规划局东丽区规划分局，天津 300300)

利用无人机搭载热红外成像仪探测地下输油管道的初探研究

王琳1∗，吴正鹏1，张晓东1，崔龙2

(1.天津市测绘院，天津 300381； 2.天津市规划局东丽区规划分局，天津 300300)

具有较高温度的石油在地下管道中运行时不断向周围扩散能量，在地表形成一个温度高于背景的热扩散异常带。鉴于这一原理及近年来无人机技术的迅速发展、热红外成像仪体积的缩小和温度灵敏度的提高，展开了用无人机搭载热红外成像仪探测地下输油管道的试验并取得一定的试验成果，初步验证了本文思想的可行性。

热红外遥感；输油管道；无人机

1 引 言

我国各油田的地下输油管道具有随采随埋、埋设随意性、常年累计不明特点。采用地面常规测试方法进行调查，工作量大，需要花费大量的人力和时间。因此地下输油管道的调查问题一直是一个普遍存在的难题。早在1989年，地矿部航空物探遥感中心李景华[1]、周彦儒[2]等人用航空热红外遥感分别针对华北油田、辽河油田的地下输油管道进行调查，取得一定的试验成果并从成像季节、成像时间、飞行高度和温度范围选择等方面对最佳成像条件的选择给出了可行性建议。中国测绘科学研究院的夔中羽[3]也在1989年研究利用航空远红外遥感探测地下热管道的成像机理，并对影响地下热管道远红外成像的主要条件做了细致的讲述。

近年来，随着低空无人机遥感技术的发展，热红外成像仪体积的缩小和温度灵敏度的提高，能否用无人机搭载热红外成像仪探测地下输油管道成为本文关注的一个重点。笔者于2011年11月份开始在天津大港油田展开试验，逐步验证了用无人机搭载热红外成像仪探测地下输油管道的可行性，并于2012年4月中旬利用无人机同时搭载热红外成像仪和可见光相机展开低空热红外遥感探测地下输油管道的试验，取得了可喜的成果。本文将从成像机理、成像条件的选择、试验过程及效果进行论述，并对后续所要做的工作进行展望。

2 成像机理

从理论上讲，自然界中任何温度高于热力学温度(0K或-273℃)的物体都不断地向外发射电磁波，即向外辐射具有一定能量和波谱分布位置的电磁波，其辐射能量大小与其自身的温度和辐射率成正比[4，5]，其关系式如下:

式中，Fλ为物体辐射能量，单位W/cm2；ε为物体发射率；δ为斯蒂忒波尔兹曼常数，(为5.67×10-7)；T为物体表面温度。

从式(1)可以看出，物体辐射强度主要取决于其表面温度和辐射率的大小。受大气窗口的限制，目前红外探测器所使用的电磁波段主要有3 um～5 um和8 um～14um两个波段，对地表常温物体的探测通常使用8 um～14um波段。

图1 大港油田裸露地表的输油管道热红外遥感影像(拍摄时间：2012年8月11日10时)

输油管道输送的是原油。为使原油流畅，沿途需陆续加温，从而使输油管道具有比较恒定的温度。刚加了温的原油温度可达70℃左右，经管道输送到下一个加温站，油温还可保持40℃左右。图1所示为裸露于地表的输油管道热红外遥感影像，其输油管道温度约为40℃。高温管道在地下散发的热量传导到地表，会形成一个热扩散面，使管道顶部覆盖层温度高于背景温度。目前所用热红外成像仪温度分辨率的标称精度为0.035℃，实际工作中由于其他外界因素影响其温度分辨率在0.1℃左右。热红外遥感技术通过感测这些温度异常可以推测地下输油管道的分布状态。

3 成像条件的选择

夔中羽[3]在文中细致的讲述了影响地下输油管道热红外成像的主要条件，总结如下:

(1)热管温度、管道埋深和覆盖土质影响了管道表现在地表的温度，热红外成像仪的温度分辨率是否能与其匹配是影响成像质量的主要因素。

(2)管间距离。在油库附近，热管道经常是双根或多根的。因此需考虑热红外成像仪的几何分辨率和适当的航高，以提高地面实际分辨率。

(3)热管穿跨越。热管在横跨铁路、公路、沟渠、河流等线状地物时，有时应采用野外地面补测方法解决。

(4)背景地物。在背景地物中热辐射较强的地物，尤其是其中的线状地物，容易干扰地下输油管道的判读结果，降低判读精度。

(5)成像季节和成像时刻。管上地表和背景地表的温度差越大，地下输油管道的成像痕迹越明显。因此，无雪覆盖的冬季地面对成像较为有利，春秋两季视地表温度而定。在成像时刻方面，为了领航方便和避开强日光，在早5:00～7:00和早8:00～9:00左右进行为宜。

(6)风云雨雪。拍摄时尽量避开风、云、雨、雪恶劣天气条件。

4 试验区概况

大港油田位于天津市滨海新区内，上世纪60年代初投入生产，发展速度较快，地下输油管道交织成网。其地表覆盖情况如图2所示，表面以裸露的土地和杂草地为主，并覆盖有田地、沼泽地、干沟、水沟、河流、水库、公路等，背景较为复杂。在大港油田的实地踏勘中了解到输油管道(如图3所示)的有关信息如下:

(1)管道直径大多约为15 cm～20 cm；

(2)管道埋深在80 cm～100 cm；

(3)正在输油的管道地面温度在40℃左右。

图2 大港油田地表覆盖情况

图3 大港油田地表输油管道

5 试验过程及效果

5.1 地面试验

鉴于无人机的飞行成本及安全性，空中试验之前于2012年3月14日下午选取大港油田油井较为密集的区域进事先进行一次地面试验，选取4个时间段，分别为下午17:00、晚上21:00、凌晨5:00、上午7:00，其热红外遥感成像结果如图4所示。在选取的4个时间段中，地下输油管道在热红外遥感成像中均有所反映，无明显差异。此次试验结果拓宽了后续的无人机飞行时间段，保证了无人机飞行的安全性。

5.2 空中试验

2012年4月16日早晨6点到大港油田进行空中试验，飞机同时搭载了可见光和热红外成像仪，以便于后续的解译。其飞行的有关参数如下:热红外成像仪焦距13 mm，像元大小为25 u；飞机飞行高度为100 m。

地下输油管道的解译标志为:地下输油管道呈亮色调线性异常显示，几何特征呈直线、折线，个别管道呈微弯曲或弧线形，平面分布多呈束状，或以计量站、转油站为中心与井台呈放射线状连结。如图5所示，(a)图为可见光成像，(b)图为热红外成像，白色圆圈为相对应的磕头机位置，在相邻磕头机之间能够发现地下输油管道。

图4 地面试验中地下输油管道的热红外成像结果

(拍摄时间：2012年4月16日6：00～7：00)图5 空中试验中地下输油管道的可见光和热红外成像对照图

6 结论与展望

本文在大港油田的地面试验中初步验证了利用热红外成像仪能够探测发现地下输油管道，拓宽了后续空中试验时无人机的飞行时间段；在空中试验中用无人机同时搭载热红外成像仪和可见光相机分别获取地下输油管道影像，对比发现能够明显观测到地下输油管道。由于时间限制等原因，本文还有以下不足:

(1)本文在地面和空中试验中选取的地面背景较为单一，以裸露地表为主，下一步应选择地表覆盖较为复杂的区域，如硬化地表，草地覆盖等，以探测研究地表覆盖对地下输油管道的热红外成像质量影响。

(2)飞机飞行高度过低，对于飞机本身及有居民区工业厂区等区域其安全性缺乏保障，下一步应适当提高飞机飞行高度，在安全性和影像成像质量之间找到一个最佳契合点。

(3)数据的后处理，热红外影像像幅小，如何利用现有软件进行热红外影像的空三加密是一个难点。

(4)搜集试验区域已有管道资料作为验证，希望能够探索得到在一定的条件下，管道埋深和管径与其表现在地表温度、辐射范围之间关系的经验性结论。

[1] 李景华.华北油田输油管道航空热红外遥感调查[J].国土资源遥感，1991:34～40.

[2] 周彦儒，王晓红.航空热红外遥感在探测石油管道中的应用[J].国土资源遥感，1998:86～89.

[3] 夔中羽.航空远红外遥感探测地下热管道成像机理[J].遥感信息，1995:22～26.

[4] 赵英时.遥感应用分析原理与方法[M].北京:科学出版社，2003.

[5] 孙家抦.遥感原理与应用[M].武汉:武汉大学出版社，2009.

The Prelim inary Study on Using the UAV Equipped w ith the Thermal Infrared Imager to Detect the Underground Oil Pipelines

Wang Lin1，Wu Zhengpeng1，Zhang Xiaodong1，Cui Long2
(1.Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China；2.Dongli Branch of Tianjin Planning Bureau，Tianjin 300300，China)

Petroleum running in the underground pipelines always diffuses heat and forms diffused heat anomaly zoneswith temperature obviously higher than its surroundings.In view of this and considering the rapid development of the UAV technology，the volume of the thermal infrared imager reduction and the higher sensitivity in recent years，the experiment of using the UAV equipped with the thermal infrared imager to detect the underground oil pipelines is performed and certain achievement is obtained，thus the feasibility of this paper is preliminarily verified.

thermal infrared remote sensing；oil pipelines；the UAV

1672-8262(2013)05-160-04

P631.7

B

天宝(Trimble)公司加固型手持设备系列推出条码成像和增强型GPS功能

2013—03—13

王琳(1984—)，女，助理工程师，主要从事航空航天摄影测量与遥感影像处理有关工作。

(本刊讯)2013年10月17日——天宝公司(Trimble，纳斯达克代码:TRMB)推出了加固型手持电脑Juno®T41TM的全新功能和配置选项。除了手持电脑和智能手机配置，该系列还推出了高速1D/2D条码成像技术和增强型实时1m～2m GPS精度。目前，Juno T41加固型手持机系列的配置可在一台加固型设备上满足多种广泛的业务需求。用户可根据自己的具体业务需求，组合和搭配各种功能，以定制Juno T41设备:结合X的智能手机功能和条码成像技术以组成Juno T41 XS；添加增强型GPS组成XG。将条码成像、增强型GPS和智能手机功能相结合以组成XGS。新配置是对天宝Juno T41手持电脑已有功能的补充。所有型号在坠落、强温、海拔、湿度、震动、化学侵蚀、和撞击等情况下均可表现出军用标准的坚固度，达到IP65或IP68的防水防尘级别。

天宝公司移动计算解决方案部门交付的创新型产品可帮助极端户外环境和工业环境的移动工作者提高工作效率。Juno T41、Yuma®2、RangerTM和Nomad®加固型户外手持电脑可帮助用户采集精确的外业数据，保证其在任何户外或服务相关应用条件下更加高效的工作。