Применение на предприятиях нефтегазовой отрасли геоинформационных систем с использованием данных ДЗЗ и технологии GPS

 

 

Применение на предприятиях нефтегазовой отрасли геоинформационных систем с использованием данных ДЗЗ и технологии GPS

 

Антон Даниленко, компания “Прайм Груп” 

Большинство технологических объектов предприятий нефтегазовой отрасли имеют пространственное распределение. Поэтому современный подход к автоматизации таких предприятий подразумевает широкое применение геоинформационных систем. Интеграция ГИС с данными дистанционного зондирования Земли и GPS-измерениями позволяет получать оперативную и достоверную информацию при решении многих практических задач – от управления технологическим объектом до обоснования инвестиционных затрат.

 

 

Географические информационные системы (ГИС) как область информационных технологий зародились в конце 1960-х годов. Однако масштабное внедрение этих систем сдерживал недостаточный уровень развития вычислительной техники. Только с середины 1980-х годов начался бурный рост этой IT-области, обусловленный небывалыми темпами развития компьютерной индустрии.

Географическая информационная система – программно-аппаратный комплекс, осуществляющий сбор, отображение, обработку, анализ и распространение информации о пространственно распределенных объектах и явлениях на основе электронных карт, связанных с ними баз данных и сопутствующих материалов.

 

В общем случае ГИС позволяют решать в три класса задач:

1. информационно – справочные;
2. сетевой анализ;
3. пространственный анализ и моделирование.

Фактически ГИС - это информационные системы с географически организованной информацией. В простейшем варианте геоинформационные системы - это сочетание обычных баз данных  с электронными картами и планами, то есть мощными графическими средствами. Основная идея ГИС - соединить данные на карте и в обычной базе данных. При этом проявляется однозначное соответствие каждого отдельного векторного элемента на электронной карте с отдельной строкой в таблице БД.

Многие ГИС-аналитики утверждают, что до 80% информации, связанной с деятельностью человека, имеет пространственное распределение и, следовательно, лежит в области компетенции ГИС. Вне пределов ГИС-анализа лежит оставшаяся часть информационного пространства, не имеющая пространственной привязки, например, бухгалтерия предприятия.

В настоящее время наметилось новое направление развития ГИС в качестве переднего интерфейса, интегрирующего такие информационные системы, как СУБД, АСУ ТП, ERP. Особенно это ярко проявляется в предприятиях нефтегазовой отрасли, находящихся на острие развития и внедрения перечисленных информационных систем.

Если рассматривать ГИС по сферам применения, то основными направлениями применения ГИС в предприятиях нефтегазовой отрасли являются следующие:

• Геология и геофизика, разведка недр;
• Проектирование и прокладка трубопроводов;
• Решение сетевых коммуникационных задач;
• Управление имуществом и территориями, контроль за состоянием оборудования и трубопроводов;
• Экология (контроль разливов нефти, оценка ущерба, моделирование и т.п.);
• Управленческие задачи, планирование.

 

 

Данные ДЗЗ

Получение и обработка данных для ГИС – наиболее важный и трудоемкий этап создания подобных информационных систем. В настоящее время самым перспективным и экономически целесообразным считается метод получения данных об объектах на основе данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и GPS-измерений.

В широком смысле ДЗЗ – это получение любыми неконтактными методами информации о поверхности Земли, объектах на ней или в ее недрах. Традиционно к данным ДЗЗ относят только те методы, которые позволяют получить из космоса или с воздуха изображение земной поверхности в каких-либо участках электромагнитного спектра.

 

Достоинства метода ДЗЗ заключается в следующем:

1. Актуальность данных на момент съемки (большинство картографических материалов безнадежно устарели);
2. Высокая оперативность получения данных;
3. Высокая точность обработки данных  за счет применения GPS – технологий;
4. Высокая информативность (применение спектрозональной, инфракрасной и радарной съемки позволяет увидеть детали, не различимые на обычных снимках);
5. Экономическая целесообразность (затраты на получение информации посредством ДЗЗ существенно ниже наземных полевых работ);
6. Возможность получение трехмерной модели местности (матрицы рельефа) за счет использования стереорежима или лидарных методов зондирования и, как следствие, возможность проводить трехмерное моделирование участка земной поверхности (системы виртуальной реальности).

Дистанционные методы характеризуются тем, что регистрирующий прибор значительно удален от исследуемого объекта. При таких исследованиях явлений и процессов на земной поверхности расстояния до объектов могут измеряться от единиц до тысяч километров. Это обстоятельство обеспечивает необходимый обзор поверхности и позволяет получать максимально генерализованные изображения.

 

В настоящее время выделяют следующие виды съемки для получения данных ДЗЗ:

1. Космическая съемка (фотографическая или оптико-электронная):

• Панхроматическая (чаще в одном широком видимом участке спектра) – простейший пример черно-белая съемка;

• Цветная (съемка в нескольких, чаще реальных цветах на одном носителе);
• Многозональная (одновременная, но раздельная фиксация изображения в разных зонах спектра);
• Радарная (радиолокационная);

2. Аэрофотосъемка (фотографическая или оптико-электронная):

• Те же виды ДЗЗ, что и в космической съемке;
• Лидарная (лазерная).

Оба вида съемки находят широкое применение в нефтегазовой отрасли при создании ГИС предприятия, при этом каждый из них занимает свою нишу. Космическая съемка (КС), имеет более низкое разрешение (от 30 до 1 м в зависимости от типа съемки и типа КА ), но за счет этого охватывает большие пространства. КС используется для съемки больших площадей в целях получения оперативной и актуальной информации о районе предполагаемых геологоразведочных работ, базовой подосновы для создания глобальной ГИС на район разработки полезных ископаемых, экологического мониторинга нефтяных разливов и т.п. При этом используется как обычная монохромная (черно-белая съемка), так и спектрозональная.

Аэрофотосъемка (АФС), позволяет получать изображение более высокого разрешения (от 1-2 м до 5-7 см). АФС используется для получения высоко детальных материалов для решения задач земельного кадастра применительно к арендуемым участкам добычи полезных ископаемых, учета и управления имуществом. Кроме того, использование АФС на сегодняшний день представляется оптимальным вариантом получения данных для создания ГИС на линейно-протяженные объекты (нефте-, газопроводы и т.д.) за счет возможности применения “коридорной” съемки.

 

В табл.1 приведены краткие характеристики основных типов КА ДЗЗ коммерческого использования, применение которых возможно для решения задач по созданию и обновлению ГИС предприятий нефтегазового комплекса. На фото 1 представлены примеры фотоснимков различного разрешения.

 

Таблица 1. Краткие характеристики КА для получения данных ДЗЗ коммерческого использования

 

Название КА	Разрешение панхроматическое	Разрешение многозональное	Размер кадра	Страна
QuickBird 2	0,61 м	2,44 м	16 х 16 км	США
Iconos 2	1 м	4 м	11 х 11 км	США
EROS A1	1,8 м	-	12,5 х 12,5 км	США
КВР - 1000	2 м	-	40 х 40 км	Россия
Spot 5	5 м(2,5 м)	10 м	60 х 60 км	Франция
ТК - 350	10 м	-	200 х 300 км	Россия
Landsat 7	15 м	30 м	170 х 185 км	США

 

 

Следует также отметить, что по оценкам экспертов, в ближайшем будущем данные ДЗЗ станут основным источником информации для ГИС, в то время как традиционные карты будут использоваться только на начальном этапе в качестве источника статичной информации (рельеф, гидрография, основные дороги, населенные пункты, административное деление).

 

 

Фото 1. Пример фотоснимков различного разрешения

 

 

 

 

Технологии GPS

В настоящее время наблюдается бурный всплеск применения спутниковых систем, предназначенных для определения параметров пространственного положения объектов. Сегодня применяются две системы второго поколения – американская GPS (Global Positioning System) и российская ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система).

Данные систем глобального спутникового позиционирования (СГСП) применяются в различных (мониторинговые, изыскательские, исследовательские и т.п.) системах, где требуется жесткая пространственно-временная привязка результатов измерений. Основными  достоинствами СГСП являются:

• Глобальность;
• Оперативность;
• Всепогодность;
• Точность;
• Эффективность.

О тенденциях развития этих систем можно судить по объему продаж спутниковых приемников GPS/ГЛОНАСС, который удваивается через каждые 2-3 года и, как ожидается по оценкам экспертов, в ближайшие годы возрастет с 8 до $16 млрд. Этот прогноз базируется в том числе на том, что к 2005-07 гг. планируется развернуть  европейскую систему глобального позиционирования – Galileo.

Обе системы – и ГЛОНАСС и GPS – двойного назначения, применяемые как в интересах безопасности собственных стран, так и в гражданских целях. Поэтому в РФ использование спутниковых приемников глобального позиционирования сопряжено с определенными ограничениями.

Основные направления применения спутниковых систем глобального позиционирования при геоинформационном обеспечении предприятий нефтегазового сектора экономики следующие:

• Развитие опорных геодезических сетей всех уровней от глобальных до съемочных, а также проведение нивелирных работ в целях геодезического обеспечения деятельности предприятий;
• Обеспечение добычи полезных ископаемых (открытая разработка, буровые работы и др.);
• Геодезическое обеспечение строительства, прокладки трубопроводов, кабелей, путепроводов, ЛЭП и др. инженерно-прикладных работ;
• Землеустроительные работы;
• Спасательно-предупредительные работы (геодезическое обеспечение при бедствиях и катастрофах);
• Экологические исследования: координатная привязка разливов нефти, оценка площадей нефтяных пятен и определение направления их движения;
• Съемка и картографирование всех видов – топографическая, специальная, тематическая;
• Интеграция с ГИС;
• Применение в диспетчерских службах;
• Навигация всех видов – воздушная, морская, сухопутная.

В глобальных системах позиционирования выделяют три главные подсистемы (см. рис.1):

1. Наземного контроля и управления (НКУ);
2. Созвездия спутников (космических аппаратов - КА);
3. Аппаратуры пользователей (АП).

 

 Рис. 1. Компоненты глобальной системы позиционирования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подсистема НКУ состоит из станций слежения за КА, службы точного времени, главной станции с вычислительным центром и станций загрузки данных на борт КА. Спутники GPS проходят над контрольными пунктами дважды в сутки. Собранная информация об орбитах обрабатывается и прогнозируются координаты спутников (эфемериды). Эти и другие данные с наземных станций загружаются на борт каждого КА.

Подсистема КА (GPS) состоит из 24 основных спутников и 3 резервных (планируется увеличить эту группировку еще на 18 спутников). Каждый спутник имеет несколько атомных эталонов частоты и времени, аппаратуру для приема и передачи радиосигналов, бортовую компьютерную аппаратуру.

В системе глобального спутникового позиционирования каждый КА выполняет роль отдельного геодезического опорного пункта с известными координатами в текущий момент времени. Координаты измеряемого объекта, на котором находится GPS-приемник определяются методом линейных засечек. Измеренные параметры определяют поверхности положения, в точке пересечения которых находится искомый объект.

Все способы  измерения дальностей основаны на определениях времени прохождения радиосигнала от спутника до приемника. В связи с этим точности эталонного времени уделяется повышенное внимание. На каждом КА установлено несколько атомных стандартов частоты, одновременно являющихся стандартами времени. Измерения производятся в так называемом беззапросном режиме, когда передатчик на спутнике работает непрерывно, а GPS-приемник включается по мере надобности.

Точность определения координат при использовании GPS-приемников может варьироваться в широких пределах от нескольких десятков метров до единиц сантиметров и зависит от способов измерений, которые делятся на:

• Абсолютные способы определения геоцентрических координат (автономные, дифференциальные);
• Относительные способы определения пространственных векторов – базовых линий (статические, кинематические).

Наибольшую точность обеспечивают дифференциальные и относительные  статические способы. В их основе лежит способ измерения координат с двух станций находящихся друг от друга на относительно небольшом удалении (до 30 км). При этом считается, что на таких расстояниях измерения с двух станций до спутников искажены одинаково. Подобные методы измерений позволяют проводить профессиональные геодезические спутниковые GPS-приемники таких фирм как: Leica (Швейцария), Ashtech (США), Trimble (США) и некоторые другие.