遥感技术在黄土沟壑区管道选线中的应用研究

2020-03-06杨卫涛

油气与新能源 2020年2期

关键词：选线黄土管道

杨卫涛

（陕西省天然气股份有限公司）

随着卫星遥感分辨率的提高和航空遥感的发展，遥感技术在管道选线中的应用越来越多［1］。通过遥感技术，可以对管道的沿线数据进行阶段性的更新，第一时间获取最新资料。本文主要研究和探讨多尺度遥感影像数据在管道线路比选中的应用。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

陕北黄土高原梁峁沟壑区内黄土堆积厚度大，地表水系发育，沟壑纵横，地形破碎，灾害多沿沟谷发育。道路和水利的建设、石油和煤炭等矿产资源的开采活动较频繁。

陕北黄土沟壑研究区主要包括风沙高原区、黄土丘陵和黄土-基岩丘陵沟壑区、黄土塬区、黄土低山和黄土-石质低山区等。

该研究区示意图详见图1。

图1 陕北黄土沟壑研究区示意

各区域地貌特征如下：

（1）风沙高原区位于长城沿线以北，由固定、半固定沙丘和滩地组成，地势起伏相对平缓。

（2）黄土丘陵和黄土-基岩丘陵沟壑区是由大小不一的黄土峁、黄土梁组成，梁、峁顶面海拔为1 200～1 600 m，相对切割深度为150～200 m，沟谷和谷间地各占一半。

（3）黄土塬区仅有洛川塬，塬面平坦、高程1 000～1 200 m，四周为深切沟谷，谷深100～250 m，谷坡坡度大于 45° 。

（4）黄土低山和黄土-石质低山区含白于山海拔1 600～1 800 m、子午岭海拔1 400～1 600 m，黄龙山海拔1 600～1 700 m，此三地组成高原内部土石中低山，侵蚀作用活跃，沟谷发育，相对高差200～500 m不等。

1.2 数据来源

针对陕北黄土高原特殊的地貌特征，结合其气候特征，人文、社会和经济发展情况，根据研究区域不同分区的具体情况，有针对性地选取不同尺度的遥感影像数据。全部研究区可以采用低分辨率卫星Landsat OLI/TIRS 8或Landsat ETM+7的数据，Landsat数据的第8波段具有较高的光谱分辨率和空间分辨率（15 m）。复杂线路确定中，可以选用中等分辨率卫星——高分一号的数据，其最高分辨率能够达到 2 m。县城及其周边区域，可以选用WorldView-2的数据，其最高分辨率达到0.5 m。

2 研究方法

2.1 遥感影像预处理

图像预处理是图像处理工程中非常重要的环节，主要包括：几何校正、图像融合、图像镶嵌和图像裁剪等。遥感影像处理的主要技术路线如图2所示。

图2 影像处理技术路线示意

2.1.1 几何校正与正射校正

由于受传感器、遥感平台（卫星）和地球自转等诸多因素的影响，在成像过程中，遥感影像不可避免地会发生几何畸变，必须经过几何校正，才能保证工作精度，并同其他信息配准使用。同时，受透视投影、摄影轴倾斜、大气折光、地球曲率和地形起伏等诸多因素的影响，在成像过程中，遥感影像的各像点会产生不同程度的几何变形而失真，必须经过正射校正。正射校正图像，不但消除了成像过程中各种因素导致的影像畸变，而且包含了比线划图更丰富和更直观生动的信息。

2.1.2 影像融合

在遥感影像处理过程中，影像融合是一个博采众长的过程，吸纳各类型影像的优势特征，得到具备较好的空间信息、纹理信息和光谱信息的遥感影像。本文研究遥感影像融合方法遵循以下原则：（1）能够清晰地表现纹理信息，能够突出主要地物类型，特别是植被、耕地等信息；（2）影像光谱特征还原真实、准确，没有异色；（3）各种地类特征明显，边界清晰，通过目视解译可以区分各种地类信息；（4）融合影像色调均匀、反差适中，色彩接近自然真彩色。本次项目作业区的融合方法主要采用NNDiffuse Pan Sharpening方法，图3是高分1号数据采用该方法融合前后的真彩合成图像对比。

图3 数据融合前后真彩合成图对比

2.1.3 图像镶嵌

图像镶嵌的实质是图像间的几何配准和色调匹配问题。由于不同景别的图像成像时间不同，光照条件和地面景观的变化可能引起相邻图像间具有一定的色调差异，需要采用几何匹配、亮度匹配和直方图匹配等一系列技术措施，使不同图像的颜色和色调趋于一致。

2.1.4 图像裁剪

在实际工作中，经常需要根据研究工作的范围，对影像进行裁剪，减少冗余信息，突出主题，提高计算机处理速度。图像裁剪分为规则裁剪和不规则裁剪两种形式。规则裁剪是指裁剪图像的边界是一个矩形，通过左上角和右下角两点的坐标可以确定图像的裁剪位置。不规则裁剪是指根据自己的研究范围进行影像裁剪，可以手动绘制感兴趣区裁剪，也可以根据研究区域范围的矢量数据进行裁剪。

2.2 遥感解译标志的建立

遥感影像处理后，需要对地形地貌、地质构造、岩土体工程地质条件，及滑坡、崩塌、岩溶等较大的不良地质现象类型进行解译［2-5］。按照不同的地形地质背景、灾害类型，建立解译标志进行解译，具体内容如下：

（1）水系解译包括水系形态、密度及方向特征，冲沟形态及成因，河流袭夺现象，水系发育与岩性、地质构造的关系等。

（2）地形地貌解译主要包括各种地形地貌的形态类别、地貌分区界线，及二者与各种地质现象的内在联系。

（3）地层岩性解译按照工程地质条件划分，厚度可以根据遥感影像特征和野外调查验证等确定。

（4）地质构造解译主要包括断裂、褶皱和大型节理的分布、性质、规模、延伸长度等［6］。

（5）水文地质解译包括大型泉点或泉群出露位置和范围，湖泊、沼泽的分布位置与范围等［7］。

（6）不良地质和特殊性岩土解译包括调查各种不良地质现象和特殊性岩土的分布范围，研究其分布规律、产生原因、危害程度、发展趋势，及其对管道路线的影响。

（7）第四系地质解译包括圈定各种成因类型的第四系地貌形态和堆积物类型，评价它们与地层岩性、地质构造之间的关系和对管道路线的影响。

解译过程中遵循的原则是：从地质研究程度高、地质资料丰富的地区开始，再延及地质研究程度低、地质资料较少的地区；从区域性宏观解译逐渐向局部性微观问题过渡；从直观信息提取逐渐向复杂地质体的信息提取过渡，循序渐进、反复解译。

2.3 新技术

本文研究以陕西省典型地质地貌区域——黄土沟壑区为样本区，在综合运用遥感技术的同时，尝试运用了一些新技术。如：进行了区域多层次空间探测技术的试验研究，应用卫星遥感、航空测绘、无人机探测技术和地质雷达等不同层级的空间探测技术手段，利用 GIS（地理信息系统）空间分析，结合管道长度、地形、地质、土地利用、河流、湿地、道路和铁路等数据，建立空间分析模型。根据知识、经验，估计线路建设施工的成本，然后将空间分析模型与评估成本结合，构建油气管道的最低成本路径模型。在管道选线时，将卫星遥感图像作为基础数据，融合土地利用情况，采用空间分析建模和数据叠加，以最低成本路径模型生成的线路成功避开了成本较高的城市区和工业区。

与遥感常用的单一化方法比较，多尺度遥感影像结合使用的精度和效率更高，为未来油气管道选线提供了一条探索之路。

3 管道线路比选

管道比选主要考虑线路长度、穿跨越的交通线路、穿跨越的水系、矿权设置、自然保护区设置、居民地和规划区、地貌、地质条件、新构造运动与地震、不良地质等因素。通过对解译要素的比较，权衡各自的优势，选出最优线路。

以榆西线米脂至绥德段为例，通过对管道沿线的地物信息的影像处理和解译标志的建立，解译出沿线地物。提出两种布线方案，如图4所示。方案1和方案2的区别是B段线路不同，其中B1段二者是相同的，不同在于穿越青银高速后，方案1选择的是B2段，方案2选择的是B3段。

方案1和方案2相同的B1段：自米脂气站开始，沿包西线西侧、无定河西岸缓坡敷设，经小桑坪村、周家沟村、尚庄村、冯庄村和李石畔村，到达四十里铺镇西，经袁家砭村、三十寨村，穿越太中铁路、青银高速。

方案1的B2段：沿着十里铺村北沟，经高石角村，以隧道穿越方式到达柳家庄村南，跨越大理河、G307，到达绥德分输站。

方案2的B3段：沿着十里铺村北沟向西南方向敷设，到达沙滩坪南，跨越大理河和G307，到达大理河西岸，沿缓坡往南敷设，经柳家庄村，最后到达绥德分输站。

图4 米脂至绥德段线路比选方案

表1为B段的比选参数和过程。两种方案线路长度相当，穿越、跨越水系及交通线路相当，地质复杂程度相当，不良地质易发程度相当。但 B2段地貌比 B3段的复杂，在施工过程中不同地貌区对管道的选线影响很大，地貌类型越复杂，线路费用越高。在遥感影像图上，山地的构造和遥感特征都是比较明显的，两种方案比较可以得知，B2段中的山地和丘陵路段比B3段的多，施工路段坡度大，因此，建设费用高。综合考虑，认为方案2优于方案1。