无人机航拍在三维高精度地震勘探采集中的应用

舒 艳 孙向东 吕金蓬

中石化石油工程地球物理有限公司地理地质信息勘查分公司, 湖北 武汉 430000

0 前言

随着油气勘探程度不断加深,地震勘探采集越来越精细,施工区域越来越复杂,克服复杂地表障碍物实现观测系统的合理设计和科学高效的管理成为高精度地震勘探采集中的重点及难点[1]。北斗卫星定位系统及第五代移动通信(5G)技术的不断创新应用,为无人机航拍技术实时获取复杂工区地理信息数据提供了更丰富的实施条件,如何充分挖掘大量数据,并应用于高精度地震勘探中,成为现阶段无人机辅助三维高精度地震勘探采集的研究重点。无人机航拍获取的实时地理信息数据[2],为地震勘探采集提供了地形地貌特征、地表岩性露头表征[3]、交通和水文地物信息、植被土质甚至不同时期地物变化等多种重要信息。特别对复杂三维高精度地震勘探的区域,可高清识别不同类型的障碍物[4]，利于室内精细设计[5]，便于室外重点踏勘，提升地震勘探采集数字化信息化野外服务[6]。

1 无人机航拍需求

三维高精度地震勘探采集排列点和炮点分布密集,呈现大排列、高覆盖、小面元的特征[7]。地震勘探采集包括测量、钻井、放线、放炮、仪器接收等工序,工序紧凑复杂;施工区域面积较大,野外地表环境复杂,障碍物多且不均匀,采集工期较长。项目涉及营地建设、运输设备、雷管炸药运输、工农问题等安全生产[8],需要精细的设计和规划才能高效安全完成生产采集任务。

以往地震勘探采集通常以谷歌卫星影像为底图进行物理点的设计,精度低，更新慢。野外人员需到现场确认设计点位是否在安全距离内,若不合适则与施工组沟通后再选择点位。此流程中存在野外信号差,民工责任心不强,现场设置炮点偏移过大,靠经验估计安全距离不够等问题；物理设计点位因反复调整,易造成分布不均匀,达不到满覆盖要求;因工农问题干扰或季节更替,原设计点位不能采集,测量人员要多次测量等问题。

无人机航拍属于低空遥感的一种,搭载GNSS和航摄仪等装置,获取飞行姿态的瞬时空间位置[7],拍摄地面影像信息。因无人机具有快速响应、机动灵活、精度高、可重复性等优点,使无人机航拍在三维高精度地震勘探采集中得到全方面的应用[9]。同一区域谷歌卫星影像和无人机航拍影像对比见图1。图1-a)谷歌卫星影像清晰度较差,颜色不均,时效性较差,地物分界线不明;而图1-b)无人机航拍影像能够清楚识别各类障碍物及周边环境,画质清晰,地物边界轮廓清楚,精度高，时效性强。

a)谷歌卫星影像a)Google satellite image

b)无人机航拍影像b)UVA aerial photography图1 同一区域谷歌卫星影像和无人机航拍影像对比图Fig.1 Comparison of satellite image and UVA aerial photography in the same area

无人机航拍可根据地形设置不同飞行高度和搭载各类高清航摄仪,获取高分辨率高精度的匀色原片、高清视频、三维倾斜模型、正射影像(DOM)、数字线划图(DLG)、数字高层模型(DEM)等一系列空间地理信息数据产品[10],见图2。无人机航拍可实现最快1天内生产出工区快拼图DOM用于地震勘探采集前期踏勘[11],DOM和DEM叠加用于山区空中踏勘,高清视频用于大型湖泊、高陡区域的重点踏勘,倾斜三维模型用于复杂区域精细三维踏勘。无人机航拍可以真实、快速、准确地获取地震勘探区域内地表纹理信息、高程信息、地形地貌信息[12],对复杂区域三维高精度地震勘探采集显得尤为可贵。

随着谷歌地图退出中国以及版权知识产权意识加强,无人机航拍技术得到了充分的发展。实时高效获取的无人机航拍影像，为地震勘探采集提供丰富的地表信息和坐标信息[13],直接获取地物点准确坐标和障碍物类型及特征。技术人员在室内高效完成设计，野外人员只需在重点区域进行重点踏勘，提高了物理点位一次设计的成功率，提升了野外人员到点率，大大节省人力物力,确保安全高效的施工[14]。

a)匀色原片a)Aerial photograph after color uniformity

b)高清视频b)HD video

c)三维倾斜摄影模型c)3D oblique photography model

d)数字正射影像(DOM)d)Digital orthophoto

e)数字线划图(DLG)e)Digital line graph

f)数字高程模型(DEM)f)Digital elevation model图2 无人机航拍获取产品类型图Fig.2 Product types of UAV aerial photography

2 无人机航拍应用

无人机航拍通过搭载高分辨率航摄仪,利用空、地控制系统实现影像的自动拍摄与获取,可实现数据的压缩和实时传输;无人机集群协同作业,快速高效获取工区大范围的真实状况;无人机轻巧机动、作业能力强,可服务于悬停喊话制止违章作业[15]。目前,无人机航拍辅助地震勘探采集主要以测图为主,提供准确识别地表障碍物范围及坐标位置,满足高效率、高精度、满覆盖的三维高精度地震勘探采集要求[16],提高地震勘探采集施工效率和资料质量品质。

无人机航拍三维高精度地震勘探采集中的应用主要有以下方面。

2.1 统筹分区

准确的地理信息坐标和丰富的图像信息,叠加矢量地质图、构造图,岩性分布图等[17],进行数字化信息化作业模式,做到全区了然于图上。重点区域重点部署,便于规划施工。

叠加不同类型的矢量图,如管线图、城镇图等,掌握不同障碍物分布特点,针对不同障碍物的类型,进行分区精准施工,合理高效完成生产任务。

根据地表地貌信息,准确量测判读,明确所需震源类型、钻机类型等,精细分类作业,预计所需钻机数量和雷管药量,达到控制采集预算的目的。

2.2 高效设计

根据无人机获取的高分辨率航拍影像和地理信息,准确量测炮点与障碍物距离,优选最佳物理点[18]。

通过设置不同障碍物的不同安全距离,如高压线100 m、房区50 m、水域20 m,进行缓冲区分析,精准量测，合理偏移,提高一次性布设成功率。

对于大型障碍物,江河湖区、林区、悬崖区等可高效统计排列空道穿过的次数和道数,合理变观设计,提高覆盖次数,指导野外排列摆放。

2.3 精准踏勘

通过无人机航拍获取的产品能提供丰富的地表信息、实时高清真实的全区视图和高精度的地理坐标信息[19],为地震勘探采集施工准备、规划和设计提供指导。

无人机航拍影像清晰直观，利于室内判读,肉眼可识别最小5 cm分辨率地物,更加便于识别障碍物。

高精度导出的重难点范围和物理点位图,提供给相关人员进行重点踏勘,提升了到点率,提高了工作效率,实现了高效踏勘。

2.4 优化路线

结合无人机航拍高清影像,识别道路类型和宽度,叠加高德地图,优化日常行车路线,做到合理安排车辆路途，为施工人员提供精确的线路指导(如最近的定点医院),避免盲目绕路。

针对大型施工设备(如可控震源车辆),结合无人机航拍高清影像,通过精细量测,识别道路类型和周边障碍物，量测宽度，合理设计和规划行车路线。

2.5 精细落实

数字化叠加综合分析,提高物理点设计的准确度和均匀性,对每个物理点的状态，即设计、钻井、下药、放炮、扪井及填埋工序进行跟踪作业,做到安全可控每个环节,保证形成一个完整的作业链条,便于物料的统计，使工农赔偿解决有据可依。

地震勘探采集实现数字化作业,可预测施工难点，持续跟踪野外进展情况,快速掌握施工面临的难题,并及时调整，统筹推进整体施工方案的落实,为项目管理人员提供便捷的施工辅助指导。

2.6 HSSE管理

将无人机航拍获取的产品进行数字化的综合分析和叠加显示,直观、快速、准确了解复杂区域重难点,有序推进,合理施工,提高生产质量控制。

通过无人机高清影像精准识别分析地形、地物,组织开展安全风险识别[20],对于高风险的作业区域,指导HSSE管理人员制定相应的应急预案并进行安全培训,识别隐患区域(如山林密集区蛇虫鼠蚁防治、易垮塌区域避险、水流湍急区安全施工等),避免因隐患情况不了解而引发的安全生产事故。

3 应用实例及效果

三维高精度地震勘探采集的观测系统设计,优选炮点和排列点,保证覆盖次数的均匀性，是确保地震勘探采集获得良好资料品质的关键。

以江汉平原某三维高精度地震勘探采集项目为例,工区属于江汉油田老勘探区域,油井、油气管网、水管纵横交错;建筑物、工厂相对集中;水系汉江及大堤从工区穿过，河流田关河、兴隆河、湖泊宋湖、借粮湖较多,禁炮区较大;涉及101 km2水产养殖区,影响排列及炮点布设。宜采取井炮、可控震源、水炮及电火花多方式联合施工。

3.1 精准室内识别

根据不同障碍物分布特点分区进行精细施工。如居民地、水产养殖区等易引发工农问题的区域,合理调配工农,进行提前沟通协调，预防人为砍线阻挠耽误工期；地下地上的油气管线、水网、输油气管线、高压线等交错复杂区域，进行综合分析，设置合理的安全距离;对穿越公路及河流沟渠的排列空道进行统计分析，指导野外排列贯通摆放,合理设计排列偏移。

3.2 辅助炮点设计

复杂地表障碍物设置适当精确的缓冲区,优选有利位置,重点检查目的层区域内点位的井深及药量,合理设计炮点,保证质量品质。工业区复杂区域,优选激发点位,精细踏勘设计激发点位,见图3-a);汉江及汉江大堤禁炮区设置200 m缓冲区,叠加缓冲区域,规避房屋等障碍物，合理设计可控震源激发点施工,见图3-b)。室内人员通过无人机航拍影像量测道路宽度,识别道路材质,重点识别道路上方及旁侧障碍物,提前规划震源车的路线和加固铺设的路面,指导野外车辆的高效施工。

a)工业区炮点优化设计a)Optimum design of shot points in industry zone

b)汉江大堤炮点优化设计b)Optimized design of shot points over the Han River embankment图3 复杂区域障碍物炮点优化设计图Fig.3 Optimum design of shot point for obstacles in complex area

3.3 指导野外排列

汉江呈南北方向斜穿整个地震勘探采集施工区域,涉及90道排列,2 900 多个排列点落在水中,排列断开147处,1道排列最多断开4处,如何高效指导排列的摆放及贯通连接成为施工重难点之一。通过提取汉江物理点进行统计分析,改变了传统手工坐标纸作图方式，数字化指导设计跨江排列检波器及大线摆放与连接,高效科学施工,见图4。

图4 过汉江的排列空道统计图图Fig.4 Statistics of permutation empty channel acrossthe Han River

3.4 炮点进度管理

通过将每日物理点叠加在无人机高清DOM成果,直观掌握野外钻井采集进度及状态,合理安排施工进度,做到稳步推进。外业打井—下药—放炮—填埋流程,做到一一跟踪作业,确保安全生产。每日分发的批量任务点,遇到什么障碍,进入什么状态,对应施工人员现场拍摄的视频和照片，使物理点有记录可追踪。做到室内与室外同步,一目了然,科学生产,矢量化管理,实现有据可依、可追踪的野外流程化作业,见图5。

图5 炮点进度管理分布图Fig.5 Schedule management and distribution chartof the shot points

4 结论

通过对无人机航拍优势分析,总结无人机在三维高精度地震采集中统筹分区、高效设计、精准踏勘、优化路线、精细落实和HSSE管理等方面的应用。利用无人机航拍获取的一系列地理信息数据产品来指导复杂障碍区三维高精度地震勘探采集,实现高精度、可视化、数字化管理，合理进行炮点及排列点设计，提高一次布设成功率。在本文实例中，无人机航拍在三维高精度地震勘探采集中精准室内识别、辅助炮点设计、指导野外排列、炮点数据管理和安全追踪等方面的应用得到业主充分肯定。随着科学技术的不断进步和三维高精度地震勘探采集的深入开展,无人机航拍优势越来越明显,可以大大节省野外施工时间,提高生产效率,保障安全科学施工。更多服务于地震勘探的无人机航拍探索和应用有待更进一步挖掘。