基于激光吸收光谱与多模态成像的管道微渗漏融合定位方法及系统

本发明涉及基于激光吸收光谱与多模态成像的管道微渗漏融合定位方法及系统，属于光电子技术和光学成像。

背景技术：

1、陆上油气长输管道服役周期跨度大，大量管线存在管材腐蚀、地质不均匀沉降、第三方机械损伤、焊接疲劳失效、法兰密封老化等问题，极易产生肉眼不可见的早期微渗漏。当前行业主流泄漏监测方案存在三点根本性短板：

2、第一，压力波法、流量平衡法、负压波法、管道内检测机器人等技术仅对中大规模泄漏产生明显水力参数扰动，对于挥发量极低的微孔微量渗油，管网压力、流量、声波信号几乎无特征变化，完全不具备早期隐患检出能力，只能在渗漏扩大形成土壤大面积浸油后被动处置，丧失风险前置干预窗口期。

3、第二，无人机搭载单一红外热成像巡检为目前野外最常用手段，依靠渗漏油品改变地表热导率形成温差异常进行判断，但极易受日光直射热效应、积水低温区、植被枯荣温差、扬尘雾气、树荫阴影干扰，只能圈定模糊异常区域，无法从物质层面证明该热斑由油气挥发导致，野外复杂工况虚警率居高不下，运维人员复核工作量极大，识别可信度不足。

4、第三，单独tdlas激光吸收光谱技术可利用烃类分子中红外特征吸收实现油气痕量气体特异性检测，检测灵敏度可达ppb级别，但仅能输出管线沿线一维浓度分布曲线，缺少二维空间形貌信息，仅能判断“管线是否存在油气挥发”，无法给出泄漏点精确坐标、渗漏浸润范围与扩散形态，定位精度差，无法指导定点维修作业。

5、同时，现有的多光谱图像融合算法大多仅做像素灰度、边缘特征的视觉叠加处理，未引入分子光谱物质识别真值做强约束校验，本质仍属于纯视觉图像识别算法，在野外复杂背景下抗干扰能力有限。综上，行业亟需一套分子定性溯源+多模态空间成像定位+光谱-影像交叉逻辑验证一体化的微渗漏精准定位方法。

技术实现思路

1、为克服现有油料管道微渗漏监测灵敏度不足、单一探测体制环境适应性差、光谱检测无法精准空间定位、视觉识别误报率高等缺陷，本发明提供基于激光吸收光谱与多模态成像的管道微渗漏融合定位方法及系统，构建像素级空间位置-光谱浓度时序耦合映射关系，突破传统分立检测逻辑，利用光谱浓度梯度反向约束图像疑似区域，同时利用图像纹理时序变化修正光谱漂移噪声。针对油气微渗漏“低浓度、弱边界、类背景、无显性形变”独有特征，设计光谱阈值自适应多尺度权重分解机制，根据实时微渗漏甲烷浓度信噪比自适应调整分解尺度，引入光谱特征掩码剔除土壤干湿、植被温差、光照变化、盐碱干扰，实现微渗漏弱特征多尺度自适应增强与伪异常剥离，构建甲烷浓度场-地形图像融合可视化重建图形，直观呈现渗漏溯源位置、扩散范围和地表异常对应关系；

2、本发明实现管道萌芽级微渗漏物质定性判别、像素级点位锁定、渗漏强度量化分级，从底层算法逻辑提升复杂野外场景下隐患识别可靠性，真正落实油气管道泄漏风险前置防控。

3、本发明的技术方案如下：

4、本发明的第一个方面提供基于激光吸收光谱与多模态成像的管道微渗漏融合定位方法，包括：

5、步骤1：构建移动观测平台，通过移动观测平台对油料管道进行巡检，并采集油料管道的多模态数据，包括激光光谱吸收幅值序列、可见光图像、红外温度场矩阵和激光主动吸收成像图像；

6、步骤2：对采集的可见光图像、红外温度场矩阵和激光主动吸收成像图像进行预处理与配准；

7、步骤3：对配准后的可见光图像、红外温度场矩阵和激光主动吸收成像图像进行多尺度分解并提取异常特征，对异常特征进行特征融合，获取疑似渗漏候选区域；

8、步骤4：提取疑似渗漏候选区域的像素中心坐标，并映射至tdlas激光吸收光谱扫描单元的扫描轨迹，根据扫描轨迹对应空间点位的激光光谱吸收幅值序列，判断疑似渗漏候选区域是否为管道真实早期微渗漏点；

9、步骤5：计算管道真实早期微渗漏点对应的路径积分甲烷浓度，通过路径积分甲烷浓度获取油气挥发通量，按照油气挥发通量划分多级预警，并利用红外温度场矩阵生成渗漏扩散热力图；结合地形高程信息与地表温度信息，构建可视化渲染子模型，并标注预警信息，完成管道微渗漏定位。

10、根据本发明优选的，步骤1的具体实现过程包括：

11、移动观测平台包括无人机巡检平台，搭载tdlas激光吸收光谱扫描单元、可见光高清成像单元、中长波红外热成像单元和近红外激光主动照明成像单元；

12、tdlas激光吸收光谱扫描单元用于采集激光光谱吸收幅值序列，可见光高清成像单元用于采集可见光图像，中长波红外热成像单元用于采集红外温度场矩阵，近红外激光主动照明成像单元用于采集激光主动吸收成像图像；

13、移动观测平台沿油料管道进行巡检，若tdlas激光吸收光谱扫描单元检测到油料管道上方存在油气挥发云团，则同步采集油料管道的多模态数据，包括油料管道的激光光谱吸收幅值序列、可见光图像、红外温度场矩阵和激光主动吸收成像图像。

14、根据本发明优选的，步骤2的具体实现过程包括：

15、对可见光图像、红外温度场矩阵、激光主动吸收成像图像并行执行预处理，包括采用双边滤波去除高斯噪声、暗通道先验算法去雾、直方图均衡化提升低对比度区域细节；

16、采用尺度不变特征变换算法sift对预处理后的可见光图像、红外温度场矩阵和激光主动吸收成像图像进行特征点粗匹配，并通过透视变换模型进行几何偏差精校正，将可见光图像、红外温度场矩阵和激光主动吸收成像图像统一投影至同一地理像素坐标系下，完成像素级配准。

17、根据本发明优选的，步骤3的具体实现过程包括：

18、对完成像素级配准的可见光图像、红外温度场矩阵、激光主动吸收成像图像采用小波基开展多尺度分解，获取低频背景分量与多尺度高频细节分量，并提取异常特征，包括边缘轮廓突变区域、灰度异常斑块、红外温度畸变区和激光气溶胶吸收高亮区；

19、其中，边缘轮廓突变区域包括：获取可见光图像中每个像素的局部8邻域灰度梯度幅值，若局部灰度变化大于变化阈值且连通像素数大于等于50个像素，则作为边缘轮廓突变区域；

20、灰度异常斑块包括：计算可见光图像中每个像素的局部窗口内像素灰度均值与周边背景窗口灰度均值偏差，若局部窗口的像素灰度均值与背景窗口的灰度均值差的绝对值大于40，且连通像素面积大于20像素，则作为灰度异常斑块；

21、红外温度畸变区包括：在红外温度场矩阵中的预设背景窗口内统计平均温度，若与平均温度的温差绝对值大于1.5摄氏度，且连通区域大于50像素，则作为红外温度畸变区；

22、激光气溶胶吸收高亮区包括：对于激光主动吸收成像图像中的每个像素，与像素周边邻域内比对吸收特征，将油气挥发气团吸收激光最大的像素作为激光气溶胶吸收高亮区；

23、将提取得到的异常特征进行特征融合，包括将可见光图像、红外温度场矩阵、激光主动吸收成像图像进行空间位置关联，并与异常特征的空间位置进行对齐；将同一个像素位置只存在一个或两个异常特征的像素进行剔除，再通过背景差分法剔除静态背景干扰，输出疑似渗漏候选区域。

24、进一步优选的，变化阈值的取值范围为35-40。

25、根据本发明优选的，步骤4的具体实现过程包括：

26、每个疑似渗漏候选区域包括n个有效异常像素，疑似渗漏候选区域的像素中心坐标（xc, yc）表示为、，其中，、表示疑似渗漏候选区域中的第i个有效异常像素的坐标；

27、读取疑似渗漏候选区域对应的成像单元预先标定的相机内参矩阵以及径向、切向畸变参数，将像素中心坐标构造为齐次像素向量，利用内参矩阵的逆矩阵求解得到携带镜头畸变的归一化图像平面坐标；再采用畸变参数完成畸变校正，获取消除镜头畸变后的归一化坐标；以相机光心作为射线起点，将归一化坐标与单位z分量组合，得到相机坐标系下的空间射线方向向量；

28、读取移动观测平台预先标定的成像单元相对机体的安装外参，包括相机-机体旋转矩阵与平移向量；将相机坐标系下的空间射线方向向量分为射线起点与射线方向向量，射线起点作为三维空间点，同时执行旋转与平移变换转换至机体坐标系；射线方向向量仅执行旋转变换，不施加平移操作，得到机体坐标系下的空间射线；

29、读取移动观测平台的实时姿态信息与 gps 位置信息，得到机体坐标系向大地地理 enu坐标系转换的旋转矩阵与机体原点大地位置；对机体坐标系下射线起点执行旋转-平移变换，射线方向向量仅做旋转变换，获得大地地理坐标系下的空间射线；将大地地理坐标系下的空间射线与 tdlas激光吸收光谱扫描单元的扫描轨迹进行空间求交匹配，获取对应的空间点位，并调取空间点位的激光光谱吸收幅值序列，依据空间点位的激光光谱吸收幅值序列，判断疑似渗漏候选区域是否真实存在：

30、若多模态数据中存在疑似渗漏候选区域，并且对应激光光谱吸收幅值序列检测出油气烃类特征吸收谷、二次谐波解调油气浓度高于预设判定阈值，则判定为管道真实早期微渗漏点；

31、若仅存在疑似渗漏候选区域，但对应位置无油气特征光谱响应，直接判定为环境干扰并予以剔除。

32、进一步优选的，预设判定阈值为连通像素>50像素且浓度为>5 ppm·m；

33、根据本发明优选的，步骤5的具体实现过程包括：

34、对管道真实早期微渗漏点绑定gps地理坐标，调取管道真实早期微渗漏点对应空间点位的激光光谱吸收幅值序列；采用波长调制光谱二次谐波解调算法对激光光谱吸收幅值序列进行数字锁相相敏解调处理，获取吸收峰深度；读取tdlas激光吸收光谱扫描单元的标定曲线；将解调得到的吸收峰深度代入标定曲线反演求解激光传播路径上的路径积分甲烷浓度：

35、；

36、其中，为路径积分甲烷浓度，h2f为吸收峰深度，k为标定斜率，b为基线偏移量；

37、当计算得到的路径积分甲烷浓度低于预设检出限时，则判定管道真实早期微渗漏点不存在有效甲烷吸收，剔除管道真实早期微渗漏点；否则，不剔除管道真实早期微渗漏点；

38、结合移动观测平台飞行高度、云台俯仰角度、风场实测或估算参数，采用高斯烟羽扩散简化模型，建立路径积分甲烷浓度与管道真实早期微渗漏点挥发通量之间的映射关系，通过映射关系反推埋管道真实早期微渗漏点对应的油气挥发通量；按照油气挥发通量大小划分为三级预警：0.5～2l/d为萌芽预警级、2～10l/d为轻微渗漏级、大于 10l/d 为扩张风险级；

39、采集中长波红外热成像单元输出的红外温度场矩阵，红外温度场矩阵中各元素存储对应像素位置的地表实测温度；基于红外温度畸变区的边界，向外进行逐像素判断温差，当像素温差衰减至背景温度噪声阈值时停止扩张，将红外温度畸变区的边界到停止扩张的位置作为渗漏温度扩散范围；

40、在红外温度畸变区内采用双三次样条插值算法对渗漏温度扩散范围内的离散温度采样点进行空间重构，得到连续分布的地表温度场，结合激光光谱吸收幅值序列对应的烃类浓度空间分布对地表温度场进行修正，包括将烃类浓度空间分布与地表温度场逐像素对比烃类浓度值与检出限，若地表温度场的烃类浓度值与检出限低于烃类浓度空间分布的烃类浓度值与检出限，则对应位置值为1，否则为0，得到烃类浓度置信权重掩膜；利用烃类浓度置信权重掩膜对地表温度场进行加权矫正，将矫正后的温度值与地表温度场进行叠加，得到修正后的地表温度场；将修正后的地表温度场的温度数值映射至预设色彩标尺，生成渗漏扩散热力图；

41、将管道真实早期微渗漏点的gps地理坐标、路径积分甲烷浓度、红外温度场矩阵、地形数据进行地理空间配准，构建地理栅格，包括地形高程栅格和地表温度栅格，每个地理栅格存储大地坐标、地形高程、地表温度信息，并将地理栅格重采样为与红外温度场相同的空间分辨率；

42、基于路径积分甲烷浓度，采集tdlas激光吸收光谱扫描单元观测的几何参数，包括激光视线俯仰角、渗漏气团有效垂直厚度，根据几何参数计算激光穿过甲烷气团内部的有效光程，将路径积分甲烷浓度除以有效光程，得到激光采样区域内甲烷气团等效平均浓度，基于高斯烟羽扩散简化模型，结合近地面风速、大气稳定度、扩散系数，将甲烷气团等效平均浓度反向推演，求解渗漏源出口位置的等效近地面初始气体浓度；将渗漏源等效近地面初始气体浓度、环境风场参数、经过地理空间配准的地形高程栅格、地表温度栅格输入高斯扩散函数，引入地形修正因子与地表温度对流修正因子，遍历巡检区域全部地理栅格，逐点计算地理栅格的近地面油气浓度，输出全区域近地面油气浓度二维栅格场；其中，地形修正因子表示地形起伏对油气扩散的阻挡与汇流效应，地形为平坦区域时地形修正因子定义为1，否则为0，地表温度对流修正因子表示地表温度差异带来的近地面对流强弱变化，地表温度等于背景温度时地表温度对流修正因子定义为1，否则为0；

43、构建可视化渲染子模型，包括将全区域近地面油气浓度二维栅格场的油气浓度数值映射为梯度色彩，叠加地形底图、管道矢量信息、渗漏源点位标记以及渗漏风险等级标识，生成带地理信息的渗漏扩散热力图；

44、标注渗漏中心点坐标、油气扩散边界、预警等级，形成标准化预警文件，将预警文件推送至管网运维管理平台，完成管道微渗漏定位。

45、进一步优选的，标定斜率k为[0.001, 0.004]v/(ppm·m)；基线偏移量b为[-0.02,0.02]v；预设检出限为1~5 ppm·m；背景温度噪声阈值为0.3摄氏度或者0.5摄氏度。

46、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现基于激光吸收光谱与多模态成像的管道微渗漏融合定位方法的步骤。

47、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现基于激光吸收光谱与多模态成像的管道微渗漏融合定位方法的步骤。

48、本发明的第二个方面提供基于激光吸收光谱与多模态成像的管道微渗漏融合定位系统，包括：

49、多模态数据采集模块，被配置为：构建移动观测平台，通过移动观测平台对油料管道进行巡检，并采集油料管道的多模态数据，包括激光光谱吸收幅值序列、可见光图像、红外温度场矩阵和激光主动吸收成像图像；

50、预处理与配准模块，被配置为：对采集的可见光图像、红外温度场矩阵和激光主动吸收成像图像进行预处理与配准；

51、疑似渗漏候选区域获取模块，被配置为：对配准后的可见光图像、红外温度场矩阵和激光主动吸收成像图像进行多尺度分解并提取异常特征，对异常特征进行特征融合，获取疑似渗漏候选区域；

52、管道真实早期微渗漏点判断模块，被配置为：提取疑似渗漏候选区域的像素中心坐标，并映射至tdlas激光吸收光谱扫描单元的扫描轨迹，根据扫描轨迹对应空间点位的激光光谱吸收幅值序列，判断疑似渗漏候选区域是否为管道真实早期微渗漏点；

53、预警分级模块，被配置为：计算管道真实早期微渗漏点对应的路径积分甲烷浓度，通过路径积分甲烷浓度获取油气挥发通量，按照油气挥发通量划分多级预警，并利用红外温度场矩阵生成渗漏扩散热力图；结合地形高程信息与地表温度信息，构建可视化渲染子模型，并标注预警信息，完成管道微渗漏定位。

54、本发明的有益效果在于：

55、1、本发明检测灵敏度可达ppb级别，能够捕捉管道微孔、微焊缝萌芽状态微量渗油，填补传统水力监测手段早期泄漏感知空白。

56、2、野外复杂工况下误报率较单一红外巡检降低70%以上，隐患识别可信度大幅提升，减少运维人员无效现场复核成本。

57、3、泄漏点定位精度达到亚米级，可直接指导定点开挖检修，降低管网运维人力与物资消耗。

58、4、多平台模块化集成，长输干线大范围巡检与场站设备定点监测均可落地。

59、5、提前遏制渗漏扩大引发的土壤/水体污染、易燃易爆油气积聚爆炸等重大安全事故，具备显著的环保效益与安全生产价值。