Тепловая инфракрасная аэросъемка (ТИКАС) позволяет решать целый ряд целевых задач картирования и контроля состояния техногенных и природных объектов. Прежде всего – это задача картирования продуктопроводов, в том числе – тепловых сетей, наиболее актуальная для городских территорий, для которых ТИКАС позволяет составлять масштабные схемы тепловых сетей с результатами их дистанционной диагностики, оперативно выявлять аварийно-опасные и аварийные участки теплосетей. Все получаемые материалы интегрируются в целевые и муниципальные геоинформационные системы (ГИС).
Remote diagnostics of pipelines by thermal infrared airborne surveys data.
S. Sklovskiy, A. Panarin
Thermal infrared airborne survey allows you to solve some of targets for mapping and monitoring natural and technological objects. The first one is the mapping of pipelines, primarily thermal networks, the most relevant for urban areas, for which thermal infrared survey allows you to make large-scale schemes of thermal networks with their remote diagnostics to quickly identify dangerous and damaged sections of thermal networks. All received data are integrated into the target and municipal geoinformational systems.
Key words: thermal, infrared, survey, networks, remote, diagnostic, mapping, monitoring, geoinformational
Среди широкого круга задач, решаемых тепловой инфракрасной аэросъёмкой (ТИКАС), наиболее востребованными являются задачи картирования и дистанционной диагностики состояния продуктопроводов – тепловых сетей а также магистральных нефте- и газопроводов. Выполняемая с помощью специализированной авиационной тепловизионной системы высокого разрешения «ИКАР-002М» (Рис. 1),
Рис.1 Тепловизор ИКАР-002М на борту вертолёта Robinson R-44
|
ТИКАС позволяет в спектральном диапазоне 8 – 14 мкм с высоты 350м получать кординатно-привязанные тепловые инфракрасные (ИК) изображения в оптическом угле 120° с пространственным разрешением 0,2м и с температурной чувствительностью 0,05° (при температуре фона 20°С)
1. Подземные тепловые сети.
Характерной чертой урбанизированных территорий является наличие плотной сети подземных водо-несущих коммуникаций, утечки из которых приводят к изменению температурного режима грунтовых вод, их химического и бактериального состава.
Особое положение тепловых сетей среди прочих водо-несущих коммуникаций обусловлено следующими причинами:
– В нашей стране подземные тепловые сети имеются на территории практически всех городов. Например, в Москве их общая протяженность составляет порядка 15000 км. Общий расход циркулирующей сетевой воды составляет 250 тыс. м3/час, что пятикратно превышает дебет р. Москвы. При этом по данным московских теплоэнергетических компаний полная фактическая величина утечек по Москве составляет в среднем 2 л/сек на 1 км2.
– Теплосетевая вода имеет высокую температуру (от 70°С до 150°С) и находится под значительным давлением, что делает утечки одним из наиболее интенсивных источников воздействия на грунты (вплоть до образования суффозионных воронок) и подземные воды.
– В условиях городского ландшафта утечки из тепловых сетей находят отражение в тепловом поле земной поверхности независимо от типа покрытия.
В арсенале современных средств дистанционного зондирования ТИКАС – единственный метод, позволяющий определять местоположение тепловых сетей, а также выполнять дистанционную диагностику их состояния (Рис. 2).
Рис. 2 Картирование тепловых сетей по данным ТИКАС (8-14 мкм, негатив).
|
При этом выделяются:
- нормированные теплопотери (трасса в нормальном состоянии, целостная и сухая теплоизоляция);
- повышенная утечка тепла (влажная или нарушенная изоляция, увеличение интенсивности коррозионных процессов);
- высокая утечка тепла (небольшие свищи, подтопление теплопровода грунтовыми водами или водами сопутствующих коммуникаций, нарушенная и влажная теплоизоляция);
- аварийное состояние (разрыв теплопровода с изливом теплоносителя).
Наземная заверка наших данных в Москве, где ТИКАС выполняется ежегодно в режиме мониторинга, показывает, что при каждом цикле аэросъемки обнаруживается до 800 аварийных и аварийно-опасных участков.
Другая весьма актуальная задача, успешно решаемая с помощью тепловой ИК аэросъемки – картирование тепловых сетей. Схемы тепловых сетей являются совершенно необходимым элементом любой муниципальной ГИС. Наш опыт работ в различных городах показывает, что существующие схемы расположения подземных тепловых сетей либо очень неточны и немасштабны, либо отсутствуют вообще. Иногда даже эксплуатационные службы точно не знают, где на самом деле проходит теплотрасса.
Материалы ТИКАС позволяют за один цикл откартировать не менее 70% сетей диаметром от 50 мм с актуализацией информации при последующих мониторинговых работах.
Важным достоинством тепловой ИК аэросъёмки являются высокая производительность и оперативность. Так за один съемочный день может быть обследовано более 50 км2 городской территории.
Файлы координатно-привязанных с точностью используемой навигационной системы (GPS+ГЛОНАСС) помаршрутных тепловых ИК изображений проходят предварительную камеральную обработку (распаковку, технологическую коррекцию и т.п.), записываются на DVD диски и передаются Заказчику на следующий после аэросъёмки день вместе с программой визуализации IritView, позволяющей специалистам Заказчика незамедлительно приступать к экспресс-анализу теплового поля, выявляя явно неблагополучные участки.
Дальнейшая камеральная обработка данных ТИКАС включает в себя их ортотрансформацию по исходной крупномасштабной топооснове, дешифрирование и интерпретацию теплового поля, составление (либо актуализацию) векторных схем расположения тепловых сетей и диагностику их состояния.
Материалы тепловой ИК аэросъёмки позволяют:
- оперативно оценивать реальное состояние теплосетевой инфраструктуры города;
- создавать (актуализировать) векторные схемы расположения тепловых сетей в кондициях исходной топографической основы (например, 1:2000);
- оперативно выявлять аварийные и аварийно-опасные участки тепловых сетей;
- интегрировать получаемые материалы в муниципальные и специализированные ГИС;
- выявлять несанкционированные подключения к теплосетям;
- оценивать эффективность капиталовложений в теплосетевое хозяйство на основе мониторинговых аэросъёмок;
- снижать затраты на капитальный ремонт теплосетей за счёт реальной оценки состояния теплотрасс и корректировки планов ремонтных работ;
- принимать решения о продлении ресурса теплосетей;
- устанавливать очерёдность объектов капитального ремонта в зависимости от размера доступных финансовых средств.
2. Нефте- и газопроводы
Формирование тепловых аномалий над магистральными нефте- и газопроводами происходит так же, как и над теплотрассами. Нефть и газ в трубопроводах перекачиваются под большим давлением, за счет чего перекачиваемый продукт разогревается до температуры 45-50˚С. При большом диаметре труб (≥ 1000 мм) создается кондуктивный поток тепла, достаточный для формирования положительной тепловой аномалии, даже при подземной прокладке. ТИКАС позволяет решать задачи картирования местоположения ниток продуктопровода (Рис. 3) и объектов его инфраструктуры, определять участки его подтопления, выявлять утечки, как подземные, так и из крановых узлов.
Рис. 3 Коридор магистральных газопроводов по данным ТИКАС (8-14 мкм, негатив).
|
Опыт наших работ показывает, что тепловая ИК аэросъёмка данных объектов может быть выполнена с малых (до 100м) высот, при этом реальное пространственное разрешение составляет 0,1-0,2м. На изображении такого качества отчетливо проявляются нюансы теплового следа продуктопровода, выделяются участки его обводнения грунтовыми водами (а значит, и повышенной коррозионной опасности), места развития гидратных пробок.
При этом утечки из нефтепроводов обнаруживаются как радиационноконтрастные объекты (изменение спектральных характеристик почво-грунтов), а утечки из газопроводов – как температуроконтрастные (отрицательные аномалии теплового поля, сформированные за счет адиабатического расширения выходящего газа).
3. Задача определения глубины залегания одиночного продуктопровода
При наличии априорных данных о диаметре трубопровода и сети эталонных наземных измерений (1 точка на 1 – 5 погонных км) по данным тепловой ИК аэросъёмки, выполненной с малых высот и с высоким пространственным разрешением, возможно решение задачи определения глубины залегания этого продуктопровода (с относительной погрешностью, не превосходящей 15%). Результаты расчета могут быть представлены в виде графика в требуемом масштабе, а также в цифровом виде (Рис. 4).
Рис. 4 Результаты расчёта глубины залегания нефтепровода
|
Все варианты прокладки трубопроводов могут быть сведены к задаче для цилиндрической полости. Ее решение, полученное методом наложения полей, дается формулой Форхгеймера:
где T(x,y) – температура в точке (x,y), T0– невозмущенная температура поверхности, T1– температура трубопровода, h – глубина залегания до центра трубопровода, r1– радиус трубопровода.
Имея реальное усредненное на некоторой длине трубопровода распределение температуры T(x), методом координатного спуска производится минимизация взвешенной суммы
(Рис. 5). Реальное усредненное распределение температуры T(x) (красным) и распределение Форхгеймера T(x,0) в минимальном экстремуме (зеленым).
Рис. 5 Графики наблюдённой усреднённой температуры T(x) (красный) и распределения Форхгеймера T(x,0) в минимальном экстремуме (зеленый).
|
Результатом минимизации является набор параметров T0, T1, h, при этом величина h-r0 и есть искомое значение глубины до поверхности трубы.
—————————
Резюмируя сказанное, отметим, что все материалы тепловой ИК аэросъемки в виде тематических растровых и векторных слоёв интегрируются в специализированные и муниципальные геоинформационные системы и в итоге представляют собой исключительно эффективный инструмент анализа состояния объектов трубопроводной инфраструктуры, принятия технических, финансовых и управленческих решений.
Литература:
1. Антыпко А.И. Основы дистанционного теплового мониторинга геологической среды городских агломераций. М, Недра, 1992
2. Пируева Т.Г., Скловский С.А. Методические аспекты дистанционного теплового мониторинга городских территорий и природных объектов. Разведка и охрана недр. 2011. №7 с. 65-68
3. Пируева Т.Г., Скловский С.А. Тепловая ИК аэросъёмка: картирование и диагностика тепловых сетей. Строительная инженерия. 2005. № 11 с. 24-29, № 12 с. 44-49