航测技术在油气管道全生命周期建设中的应用

杨 洋 万仕平 吕继书 郭 杨 沈大勇

1. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 四川省遥感信息测绘院, 四川 成都 610100

0 前言

近年来,随着中国油气管网的初步形成,油气管道建设与运维过程中的安全、经济、环保等问题越来越受到关注。传统油气管道勘察设计、施工管理和运维存在资料不齐,不易存储管理,设计与现场施工脱节以及运维技术低下等问题,不仅从安全、环保角度无法进行全方位把控,在经济方面,也不能有效地降低成本,做到开源节流[1-3]。

油气管道全生命周期建设简单来说就是通过“3S”技术与计算机技术相结合,实现油气管道规划、勘察、设计、施工、运营、维护直至报废的全周期数字化管理,核心在于掌握油气管道及周边环境的相关信息和状态,从而采取针对性的建设维护措施,使油气管道的运维及对周边的影响能在受控条件下进行[4-6],而基础地理数据采集是获取油气管道及周边环境信息的主要途径。目前基础地理数据的采集手段分为人工测量技术、卫星遥感技术和航测技术,由于航测技术的快速发展以及广泛应用,相比另外两种采集手段,航测技术应用于油气管道全生命周期建设更具优势。

1 航测技术的优势

航测技术主要指通过大型飞机、直升机、飞艇、动力三角翼和无人机等航空器,搭载由GPS、相机、惯导、激光发射器等设备组装的系统进行航空摄影测量,获得指定区域、指定精度的基础地理数据的方法和技术,成果包括数字高程模型(DEM)、数字正射影像(DOM)和数字线划图(DLG)。

航测技术经过多年发展与应用,从以往的大型搭载工具逐渐轻型化,如采用直升机、动力三角翼、无人机等小型飞机,在可以满足数据要求和精度的同时也做到更灵活、更经济、更快捷地进行采集工作。人工测量技术则不仅存在投入人员多、工期长、外业量大、人员危险性高等弊端,而且成果只限于DLG数据,无法提供满足数字化管理与分析的基础地理数据,对于三维油气管道设计更加望尘莫及。而相对于卫星遥感技术,航测技术主要具备以下优势[7-9]:

1)分辨率:航测时的飞行高度更容易根据工程具体要求决定,由此采集的影像分辨率更高,获得地表和地质信息更加详细、准确。

2)现势性:遥感数据一般以一个周期进行采集,以存档数据为主,即便是对于加急编程的数据也是需要卫星到对应轨道附近方可获得,而航测技术一般专门针对固定区域进行航飞,在现势性方面毫无疑问更好。

3)数据精确性:由于卫星高度和地表植被遮挡等因素,卫星遥感数据无法满足施工图设计和现场施工的需求,而随着航测技术中机载激光lidar技术和多角度倾斜摄影技术的逐渐成熟,大大提高了数据精确性,特别是高程精度的提高,对油气管道建设十分重要。

2 设计阶段应用

在油气管道设计阶段,需根据已获取的基础地理数据和各专业相关数据完成油气管道选定线和设计,地理数据中的房屋、植被、地形、道路等都是油气管道线路走向的重要制约因素。

传统设计方法采用的地理数据分别是可研初设阶段的中小比例尺栅格地形图或遥感影像,施工图设计阶段的RTK测量1∶500、1∶1 000、1∶2 000大比例尺线划图。而航测技术的成果不仅可以轻松取代这些数据,还可做到一次性采集应用于油气管道全周期,同时由于其覆盖面更广、数据内容更丰富,可避免重复设计、提高设计效率和降低项目成本。航测技术在设计阶段应用如下:

1)可研初设阶段,提供相比中小比例尺地形图或遥感影像更准确清晰直观的地理数据,设计人员可直接室内完成线路的选线和定线[10-11],见图1。

图1 航测技术与选定线

2)DOM或者DLG都可以直接用作地方政府报批底图。

3)航测技术处理获取的高精度DLG数据可直接达到施工图设计的地形图要求。

4)可直接室内完成航测范围内的改线段地形图编制和油气管道设计,减少现场重复作业。

5)传统设计方法中,土石方计算和作业带开挖主要依靠经验判断,而使用DLG和DEM可以直接用于土石方量计算和作业带开挖模拟等,为施工阶段提供更准确依据。

6)通过DEM和DOM的叠加分析,可重建油气管道沿线三维地形地貌,实现三维油气管道设计[12]。

3 施工阶段应用

施工阶段的有关数据是油气管道全生命周期建设的重要组成部分,数据采集的准确性、完整性、可追溯性为今后的油气管道运营、管理与维护起到了重要的作用。当前施工过程中简单的台账记录已不能满足油气管道数字化管理的要求,须将施工过程中各方面数据进行数字化采集、整理、转换,最终以数据库的方式进行结构性管理。施工数据采集过程既要求数据具有合规性、真实性、可靠性、外延扩展性和逻辑一致性,同时又要满足与空间数据、专业数据(设计数据、工程地质数据等)和属性数据挂接关系的正确性，以及时间精度与历史数据的融合精度等要求[13-14]。

航测数据为施工数据的采集和管理提供了数据支持,提高了数字化采集工作的效率和准确性,并可根据空间位置和逻辑一致性对施工数据进行检查和显示,把控施工过程,防止施工问题的不可逆性和不可追溯性。航测技术在施工阶段应用如下:

1)施工数据采集过程中,DOM为野外踏勘人员在进行应急资源调查(如居民地、高压线等)过程中,可以更有针对性、更直观快速地找到调查对象位置与属性,减少野外工作量。

2)将已采集的焊口、弯头、穿跨越、三桩、水工保护等施工数据的空间位置与航测技术成果进行叠加分析,可随时监控施工过程是否符合设计和规范。

3)航测技术成果可以为竣工数据的采集、处理和制图提供基础地理数据,并用作地方政府报备等后续工作。

4)根据不同时间段的航测技术成果,可以直观查看施工前后现场及地貌植被恢复状态。

5)结合航测技术成果与施工数据采集成果,还原真实三维施工现场,实现施工数字化管理。

4 运维阶段应用

油气管道全生命周期建设不仅为设计与施工阶段带来了便利,也是为实现更好地管理,最终实现从设计、施工到运营维护的一体化建设与管理。如何将航测技术与油气管道运营维护相结合,是实现整个全生命周期数字化油气管道管理的重要环节。航测技术在运维阶段应用如下:

1)油气管道智能巡检:结合“3S”技术,通过数字化平台准确快速分析、判断、显示管线巡检重点区域,加上对巡检人员、巡检地点实时定位,实现对油气管道的智能巡检维护,提高维抢修反应效率[15-18]。

2)数字化应急指挥:通过航测技术成果,应急指挥人员可以快速直观地了解事故现场的位置和周边环境要素,结合数字化智能分析功能模块,迅速进行事故灾害模拟与分析,形成应急指挥与救援方案[19-20]。

5 结论

航测技术不仅在地理数据采集手段方面具有较大优势,从根源上保持了数据格式和内容的一致性和先进性,为油气管道建设本身带来经济效益和方便;同时,作为整个油气管道全生命周期建设的基础手段和关键环节,广泛应用于油气管道建设的各阶段,贯穿于整个油气管道全生命周期建设过程。达到全面提高勘察设计水平,更新勘察设计、施工、运维和维护理念、建设高效优质工程,并提供决策支持和社会服务。

但是，由于油气管道行业内多年形成的建设理念,对基础地理数据获取依然按照传统测量手段的模式进行规划和要求,航测技术本身也存在受制于天气因素和对于地物地貌及植被的局限性,对精度要求较高的线路纵断面测量仍然存在一定的问题。因此,要将航测技术应用于油气管道全生命周期建设,发挥其最大优势,需要业主单位、设计单位和施工单位彻底摒弃传统理念,制定出与之相适应的技术方案。

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