舒 艷 孫向東 呂金蓬

中石化石油工程地球物理有限公司地理地質(zhì)信息勘查分公司, 湖北 武漢 430000

0 前言

隨著油氣勘探程度不斷加深,地震勘探采集越來越精細,施工區(qū)域越來越復雜,克服復雜地表障礙物實現(xiàn)觀測系統(tǒng)的合理設計和科學高效的管理成為高精度地震勘探采集中的重點及難點[1]。北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)及第五代移動通信(5G)技術的不斷創(chuàng)新應用,為無人機航拍技術實時獲取復雜工區(qū)地理信息數(shù)據(jù)提供了更豐富的實施條件,如何充分挖掘大量數(shù)據(jù),并應用于高精度地震勘探中,成為現(xiàn)階段無人機輔助三維高精度地震勘探采集的研究重點。無人機航拍獲取的實時地理信息數(shù)據(jù)[2],為地震勘探采集提供了地形地貌特征、地表巖性露頭表征[3]、交通和水文地物信息、植被土質(zhì)甚至不同時期地物變化等多種重要信息。特別對復雜三維高精度地震勘探的區(qū)域,可高清識別不同類型的障礙物[4]，利于室內(nèi)精細設計[5]，便于室外重點踏勘，提升地震勘探采集數(shù)字化信息化野外服務[6]。

1 無人機航拍需求

三維高精度地震勘探采集排列點和炮點分布密集,呈現(xiàn)大排列、高覆蓋、小面元的特征[7]。地震勘探采集包括測量、鉆井、放線、放炮、儀器接收等工序,工序緊湊復雜;施工區(qū)域面積較大,野外地表環(huán)境復雜,障礙物多且不均勻,采集工期較長。項目涉及營地建設、運輸設備、雷管炸藥運輸、工農(nóng)問題等安全生產(chǎn)[8],需要精細的設計和規(guī)劃才能高效安全完成生產(chǎn)采集任務。

以往地震勘探采集通常以谷歌衛(wèi)星影像為底圖進行物理點的設計,精度低，更新慢。野外人員需到現(xiàn)場確認設計點位是否在安全距離內(nèi),若不合適則與施工組溝通后再選擇點位。此流程中存在野外信號差,民工責任心不強,現(xiàn)場設置炮點偏移過大,靠經(jīng)驗估計安全距離不夠等問題；物理設計點位因反復調(diào)整,易造成分布不均勻,達不到滿覆蓋要求;因工農(nóng)問題干擾或季節(jié)更替,原設計點位不能采集,測量人員要多次測量等問題。

無人機航拍屬于低空遙感的一種,搭載GNSS和航攝儀等裝置,獲取飛行姿態(tài)的瞬時空間位置[7],拍攝地面影像信息。因無人機具有快速響應、機動靈活、精度高、可重復性等優(yōu)點,使無人機航拍在三維高精度地震勘探采集中得到全方面的應用[9]。同一區(qū)域谷歌衛(wèi)星影像和無人機航拍影像對比見圖1。圖1-a)谷歌衛(wèi)星影像清晰度較差,顏色不均,時效性較差,地物分界線不明;而圖1-b)無人機航拍影像能夠清楚識別各類障礙物及周邊環(huán)境,畫質(zhì)清晰,地物邊界輪廓清楚,精度高，時效性強。

a)谷歌衛(wèi)星影像a)Google satellite image

b)無人機航拍影像b)UVA aerial photography圖1 同一區(qū)域谷歌衛(wèi)星影像和無人機航拍影像對比圖Fig.1 Comparison of satellite image and UVA aerial photography in the same area

無人機航拍可根據(jù)地形設置不同飛行高度和搭載各類高清航攝儀,獲取高分辨率高精度的勻色原片、高清視頻、三維傾斜模型、正射影像(DOM)、數(shù)字線劃圖(DLG)、數(shù)字高層模型(DEM)等一系列空間地理信息數(shù)據(jù)產(chǎn)品[10],見圖2。無人機航拍可實現(xiàn)最快1天內(nèi)生產(chǎn)出工區(qū)快拼圖DOM用于地震勘探采集前期踏勘[11],DOM和DEM疊加用于山區(qū)空中踏勘,高清視頻用于大型湖泊、高陡區(qū)域的重點踏勘,傾斜三維模型用于復雜區(qū)域精細三維踏勘。無人機航拍可以真實、快速、準確地獲取地震勘探區(qū)域內(nèi)地表紋理信息、高程信息、地形地貌信息[12],對復雜區(qū)域三維高精度地震勘探采集顯得尤為可貴。

隨著谷歌地圖退出中國以及版權知識產(chǎn)權意識加強,無人機航拍技術得到了充分的發(fā)展。實時高效獲取的無人機航拍影像，為地震勘探采集提供豐富的地表信息和坐標信息[13],直接獲取地物點準確坐標和障礙物類型及特征。技術人員在室內(nèi)高效完成設計，野外人員只需在重點區(qū)域進行重點踏勘，提高了物理點位一次設計的成功率，提升了野外人員到點率，大大節(jié)省人力物力,確保安全高效的施工[14]。

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

b)高清視頻b)HD video

c)三維傾斜攝影模型c)3D oblique photography model

d)數(shù)字正射影像(DOM)d)Digital orthophoto

e)數(shù)字線劃圖(DLG)e)Digital line graph

f)數(shù)字高程模型(DEM)f)Digital elevation model圖2 無人機航拍獲取產(chǎn)品類型圖Fig.2 Product types of UAV aerial photography

2 無人機航拍應用

無人機航拍通過搭載高分辨率航攝儀,利用空、地控制系統(tǒng)實現(xiàn)影像的自動拍攝與獲取,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮和實時傳輸;無人機集群協(xié)同作業(yè),快速高效獲取工區(qū)大范圍的真實狀況;無人機輕巧機動、作業(yè)能力強,可服務于懸停喊話制止違章作業(yè)[15]。目前,無人機航拍輔助地震勘探采集主要以測圖為主,提供準確識別地表障礙物范圍及坐標位置,滿足高效率、高精度、滿覆蓋的三維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資料質(zhì)量品質(zhì)。

無人機航拍三維高精度地震勘探采集中的應用主要有以下方面。

2.1 統(tǒng)籌分區(qū)

準確的地理信息坐標和豐富的圖像信息,疊加矢量地質(zhì)圖、構造圖,巖性分布圖等[17],進行數(shù)字化信息化作業(yè)模式,做到全區(qū)了然于圖上。重點區(qū)域重點部署,便于規(guī)劃施工。

疊加不同類型的矢量圖,如管線圖、城鎮(zhèn)圖等,掌握不同障礙物分布特點,針對不同障礙物的類型,進行分區(qū)精準施工,合理高效完成生產(chǎn)任務。

根據(jù)地表地貌信息,準確量測判讀,明確所需震源類型、鉆機類型等,精細分類作業(yè),預計所需鉆機數(shù)量和雷管藥量,達到控制采集預算的目的。

2.2 高效設計

根據(jù)無人機獲取的高分辨率航拍影像和地理信息,準確量測炮點與障礙物距離,優(yōu)選最佳物理點[18]。

通過設置不同障礙物的不同安全距離,如高壓線100 m、房區(qū)50 m、水域20 m,進行緩沖區(qū)分析,精準量測，合理偏移,提高一次性布設成功率。

對于大型障礙物,江河湖區(qū)、林區(qū)、懸崖區(qū)等可高效統(tǒng)計排列空道穿過的次數(shù)和道數(shù),合理變觀設計,提高覆蓋次數(shù),指導野外排列擺放。

2.3 精準踏勘

通過無人機航拍獲取的產(chǎn)品能提供豐富的地表信息、實時高清真實的全區(qū)視圖和高精度的地理坐標信息[19],為地震勘探采集施工準備、規(guī)劃和設計提供指導。

無人機航拍影像清晰直觀，利于室內(nèi)判讀,肉眼可識別最小5 cm分辨率地物,更加便于識別障礙物。

高精度導出的重難點范圍和物理點位圖,提供給相關人員進行重點踏勘,提升了到點率,提高了工作效率,實現(xiàn)了高效踏勘。

2.4 優(yōu)化路線

結(jié)合無人機航拍高清影像,識別道路類型和寬度,疊加高德地圖,優(yōu)化日常行車路線,做到合理安排車輛路途，為施工人員提供精確的線路指導(如最近的定點醫(yī)院),避免盲目繞路。

針對大型施工設備(如可控震源車輛),結(jié)合無人機航拍高清影像,通過精細量測,識別道路類型和周邊障礙物，量測寬度，合理設計和規(guī)劃行車路線。

2.5 精細落實

數(shù)字化疊加綜合分析,提高物理點設計的準確度和均勻性,對每個物理點的狀態(tài)，即設計、鉆井、下藥、放炮、捫井及填埋工序進行跟蹤作業(yè),做到安全可控每個環(huán)節(jié),保證形成一個完整的作業(yè)鏈條,便于物料的統(tǒng)計，使工農(nóng)賠償解決有據(jù)可依。

地震勘探采集實現(xiàn)數(shù)字化作業(yè),可預測施工難點，持續(xù)跟蹤野外進展情況,快速掌握施工面臨的難題,并及時調(diào)整，統(tǒng)籌推進整體施工方案的落實,為項目管理人員提供便捷的施工輔助指導。

2.6 HSSE管理

將無人機航拍獲取的產(chǎn)品進行數(shù)字化的綜合分析和疊加顯示,直觀、快速、準確了解復雜區(qū)域重難點,有序推進,合理施工,提高生產(chǎn)質(zhì)量控制。

通過無人機高清影像精準識別分析地形、地物,組織開展安全風險識別[20],對于高風險的作業(yè)區(qū)域,指導HSSE管理人員制定相應的應急預案并進行安全培訓,識別隱患區(qū)域(如山林密集區(qū)蛇蟲鼠蟻防治、易垮塌區(qū)域避險、水流湍急區(qū)安全施工等),避免因隱患情況不了解而引發(fā)的安全生產(chǎn)事故。

3 應用實例及效果

三維高精度地震勘探采集的觀測系統(tǒng)設計,優(yōu)選炮點和排列點,保證覆蓋次數(shù)的均勻性，是確保地震勘探采集獲得良好資料品質(zhì)的關鍵。

以江漢平原某三維高精度地震勘探采集項目為例,工區(qū)屬于江漢油田老勘探區(qū)域,油井、油氣管網(wǎng)、水管縱橫交錯;建筑物、工廠相對集中;水系漢江及大堤從工區(qū)穿過，河流田關河、興隆河、湖泊宋湖、借糧湖較多,禁炮區(qū)較大;涉及101 km2水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū),影響排列及炮點布設。宜采取井炮、可控震源、水炮及電火花多方式聯(lián)合施工。

3.1 精準室內(nèi)識別

根據(jù)不同障礙物分布特點分區(qū)進行精細施工。如居民地、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等易引發(fā)工農(nóng)問題的區(qū)域,合理調(diào)配工農(nóng),進行提前溝通協(xié)調(diào)，預防人為砍線阻撓耽誤工期；地下地上的油氣管線、水網(wǎng)、輸油氣管線、高壓線等交錯復雜區(qū)域，進行綜合分析，設置合理的安全距離;對穿越公路及河流溝渠的排列空道進行統(tǒng)計分析，指導野外排列貫通擺放,合理設計排列偏移。

3.2 輔助炮點設計

復雜地表障礙物設置適當精確的緩沖區(qū),優(yōu)選有利位置,重點檢查目的層區(qū)域內(nèi)點位的井深及藥量,合理設計炮點,保證質(zhì)量品質(zhì)。工業(yè)區(qū)復雜區(qū)域,優(yōu)選激發(fā)點位,精細踏勘設計激發(fā)點位,見圖3-a);漢江及漢江大堤禁炮區(qū)設置200 m緩沖區(qū),疊加緩沖區(qū)域,規(guī)避房屋等障礙物，合理設計可控震源激發(fā)點施工,見圖3-b)。室內(nèi)人員通過無人機航拍影像量測道路寬度,識別道路材質(zhì),重點識別道路上方及旁側(cè)障礙物,提前規(guī)劃震源車的路線和加固鋪設的路面,指導野外車輛的高效施工。

a)工業(yè)區(qū)炮點優(yōu)化設計a)Optimum design of shot points in industry zone

b)漢江大堤炮點優(yōu)化設計b)Optimized design of shot points over the Han River embankment圖3 復雜區(qū)域障礙物炮點優(yōu)化設計圖Fig.3 Optimum design of shot point for obstacles in complex area

3.3 指導野外排列

漢江呈南北方向斜穿整個地震勘探采集施工區(qū)域,涉及90道排列,2 900 多個排列點落在水中,排列斷開147處,1道排列最多斷開4處,如何高效指導排列的擺放及貫通連接成為施工重難點之一。通過提取漢江物理點進行統(tǒng)計分析,改變了傳統(tǒng)手工坐標紙作圖方式，數(shù)字化指導設計跨江排列檢波器及大線擺放與連接,高效科學施工,見圖4。

圖4 過漢江的排列空道統(tǒng)計圖圖Fig.4 Statistics of permutation empty channel acrossthe Han River

3.4 炮點進度管理

通過將每日物理點疊加在無人機高清DOM成果,直觀掌握野外鉆井采集進度及狀態(tài),合理安排施工進度,做到穩(wěn)步推進。外業(yè)打井—下藥—放炮—填埋流程,做到一一跟蹤作業(yè),確保安全生產(chǎn)。每日分發(fā)的批量任務點,遇到什么障礙,進入什么狀態(tài),對應施工人員現(xiàn)場拍攝的視頻和照片，使物理點有記錄可追蹤。做到室內(nèi)與室外同步,一目了然,科學生產(chǎn),矢量化管理,實現(xiàn)有據(jù)可依、可追蹤的野外流程化作業(yè),見圖5。

圖5 炮點進度管理分布圖Fig.5 Schedule management and distribution chartof the shot points

4 結(jié)論

通過對無人機航拍優(yōu)勢分析,總結(jié)無人機在三維高精度地震采集中統(tǒng)籌分區(qū)、高效設計、精準踏勘、優(yōu)化路線、精細落實和HSSE管理等方面的應用。利用無人機航拍獲取的一系列地理信息數(shù)據(jù)產(chǎn)品來指導復雜障礙區(qū)三維高精度地震勘探采集,實現(xiàn)高精度、可視化、數(shù)字化管理，合理進行炮點及排列點設計，提高一次布設成功率。在本文實例中，無人機航拍在三維高精度地震勘探采集中精準室內(nèi)識別、輔助炮點設計、指導野外排列、炮點數(shù)據(jù)管理和安全追蹤等方面的應用得到業(yè)主充分肯定。隨著科學技術的不斷進步和三維高精度地震勘探采集的深入開展,無人機航拍優(yōu)勢越來越明顯,可以大大節(jié)省野外施工時間,提高生產(chǎn)效率,保障安全科學施工。更多服務于地震勘探的無人機航拍探索和應用有待更進一步挖掘。