CC BY
134НАУКИ О ЗЕМЛЕ EARTH SCIENCE
Наземное лазерное сканирование объектов промышленных площадок на территории
нефтегазовых месторождений Ground-based laser scanning of industrial sites on the territory of oil and gas fields
Ь Л московский
■p ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ
УДК 528.482:528.72 DOI 10.24411/2413-046Х-2019-16004 Бударова Валентина Алексеевна,
кандидат технических наук, доцент кафедры геодезии и кадастровой деятельности Института сервиса и отраслевого управления Тюменского индустриального университета (ТИУ), 625000, Россия, г. Тюмень, ул. Володарского, д. 38
Мартынова Наталья Григорьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры геодезии и кадастровой деятельности Института сервиса и отраслевого управления Тюменского индустриального университета (ТИУ), 625000, Россия, г. Тюмень, ул. Володарского, д. 38
Шереметинский Артем Витальевич, аспирант кафедры геодезии и кадастровой деятельности Института сервиса и отраслевого управления Тюменского индустриального университета (ТИУ), 625000, Россия, г. Тюмень, ул. Володарского, д. 38
Привалов Александр Васильевич, студент кафедры геодезии и кадастровой деятельности Института сервиса и отраслевого управления Тюменского индустриального университета (ТИУ), 625000, Россия, г. Тюмень, ул. Володарского, д. 38
Budarova V.A., budarova@bk. ru
Martynova N.G.,
natali.cherdanceva@mail.ru
Sheremetevsky A.V., artemshere93@gmail.com Privalov V.A.,
aleksandr-privalov@mail.ru
Аннотация. В статье рассмотрена оценка точности наземного лазерного сканирования для выполнения топографической съемки промышленных площадок нефтегазовых комплексов, рассчитаны оптимальные настройки разрешения сканирования. Раскрыты преимущества создания топографического плана местности по результатам наземного лазерного сканирования. Приведен пример и результаты наземного лазерного сканирования на объекте нефтегазового комплекса. В исследовании раскрыт процесс уравнивания облака точек и дана абсолютная ошибка таких действий. Приводится цифровая модель объекта нефтегазовой отрасли в виде облака точек. Надежность и точность предложенного метода была проверена с помощью полевых данных, демонстрируя надежное и стабильное решение для точной регистрации наборов данных наземного лазерного сканирования.
Summary. The article describes the assessment of the accuracy of ground-based laser scanning to perform a topographical survey of industrial sites of oil and gas complexes, calculated the optimal settings for scanning resolution. The advantages of creating a topographic plan of the area based on the results of ground laser scanning are revealed. The example and results of ground laser scanning at the oil and gas complex object are given. The study reveals the process of equalizing the point cloud and gives the absolute error of such actions. A digital model of the oil and gas industry object in the form of a point cloud is presented. The reliability and accuracy of the proposed method has been verified with field data, demonstrating a reliable and stable solution for accurate recording of ground laser scanning data sets.
Ключевые слова: геодезия, наземное лазерное сканирование, топографическая съемка, топографический план местности, нефтегазовый комплекс.
Keywords: geodesy, ground-based laser scanning, topographic survey, topographic plan of the area, oil and gas complex.
Введение
Развитие системы цифровых технологий затрагивает все сферы деятельности человека. Что касается нефтегазового сектора экономики, то важным направлением является развитие цифровых технологий области нефтегазовых систем. Поэтому
устойчивое развитие таких территорий, подразумевает внедрения и применение новейших технических и технологических разработок.
Нефтегазовые территории характеризуются наличием сложной инженерной системы, а именно расположением объектов недвижимости , состоящие из разнообразных элементов, состоящие из большое количество трубопроводов, эстакад, зданий, резервуаров и др. Что касается съемки таких объектов, то необходимо большого количества времени. Поэтому рационально применять технологию наземного лазерного сканирования (НЛС) [1]. Изучение данной технологии широко представлено в разнообразных научных работах [2-8], где раскрываются основные проблемы и методы их решения на реальных объектах пространства. Стоит отметить, что результатом проведения НЛС может являться топографический план, цифровая модель местности.
Целью исследования является анализ технологии наземного лазерного сканирования (НЛС) для создания цифровых топографических планов местности на территории промышленных площадок с густой сетью линейных объектов: водопроводы, нефте- и газопроводы. В работе поставлены следующие задачи:
1. рассчитать точность определения координат точки с использованием наземного лазерного сканера;
2. рассчитать оптимальные настройки разрешения сканирования для производства полевых работ.
Методология проведения исследования
Развитие современных съемочных технологий влияют на точность создания топографических планов местности, которые являются одной из ключевых практических целей в геодезии [9]. Поэтому первой областью, где начали применяться наземные лазерные сканеры, стала именно топография. Очевидным преимуществом НЛС по сравнению с классическими способами тахеометрической съемки, а также с методами спутниковых определений координат, является высокая скорость сбора пространственных данных. Так, основная нагрузка по созданию топографического плана местности по результатам НЛС переносится на камеральную работу. Но именно это и есть следствие технологического прогресса.
Для расчета точности определения координат точки воспользуемся следующими формулами [10]:
Московский экономический журнал №6 2019
где т
коми.
- СКО точности работы компенсатора;
ту
m
- суммарное влияние СКО измерения горизонтального и вертикального углов; расст. _ измерения расстояний лазерным дальномером;
га,
1 - СКО взаимного уравнивания (регистрации) сканов по зонам;
расстояние от сканера до снимаемой точки; а - ошибка измерения горизонтального и вертикального угла;
^ - точность работы компенсатора. mperi * 2;0 мм.
Опытный специалист может добиться СКО взаимного уравнивания (регистрации) сканов по зонам перекрытий в специализированном ПО величины равной mperi * 2;0 мм.
Выполним расчет на примере использования наземного лазерного сканера Leica ScanStation P40, имеющего следующие характеристики:
- СКО измерения горизонтально угла - 8";
- СКО измерения вертикального угла - 8";
- СКО измерения расстояний - 1,2 + 10 ppm;
- Точность работы компенсатора - 1,5".
Расчет точности сканирования по формулам (1-4) показал, что на расстоянии от
сканера до объекта сканирования 30 м величина тскан' при расстоянии 50 м
величина тскан, — ММ, ПрИ расстоянии Ю0 м - тскан. "5,0 ММ. а при расстоянии
тс.кан ММ [10].
270 м (предельное расстояние работы данного сканера) -
Графическая точность плана - 0,1 мм, то есть 5 см для масштаба 1:500. Как видно, точность определения координат данным сканером удовлетворяет этим требованиям с
запасом. Полнота плана при выполнении топографической съемки с использованием наземного лазерного сканера сомнений не вызывает.
Однако, разрешение сканирования влияет на время выполнения съемки с одной станции, соответственно, необходимо выбрать оптимальную плотность съемки. В таблице 1 представлена длительность сканирования в зависимости от настройки разрешения (все остальные поднастройки стандартные).
Таблица 1 - Длительность сканирования
Разрешение, мм / 10м 50 25 12=5 6=3 зл 1=6 0=8
Время полуоборота сканера (360°) 00:00:20 00:00:33 00:00:58 00:01:49 00:03:30 00:13:33 00:54:06
По свойству средней линии треугольника, разрешение прямо пропорционально расстоянию: 10 мм на 10 метров равны 50 мм на 50 метров. Территории нефтегазовых площадок представляют собой компактные густо застроенные территории. Поэтому фактические расстояния между сканерными станциями не будут превышать 40-50 метров. Таким образом, рекомендуется для создания топографического плана выбирать плотность сканирования, равную 12,5 мм на 10 м, то есть 6,25 см расстояние между точками при удаленности от сканера 50 метров. Это позволит получить детальное облако точек, не пропустив важных элементов ситуации. На рисунке 1 представлен фрагмент облака точек, по которому частично отрисованы инженерные коммуникации.
-¿¿С _ , щ (Г — ' г rAt v, ■ —.-•„ 1 (. НКк^ ^Кг 1 щЩЯЛг- ШР*5
___...¿^jflb 11 |Y^H^^^^^^^H
Рис. 1. Инженерные коммуникации в облаке точек.
В процессе работы произведено уравненное облако точек. Так произведен импорт данных с координатами опорных пунктов в базу данных облака точек объекта в программе Registration XYZ. На рисунке 2 отображен результат работы в данной программе.
Рис. 2. Связь облака точек с координатой опорно-геодезического пункта Процесс уравнивания сканов в плане выполнен посредством перемещения одного скана относительно другого в горизонтальной плоскости и разворота, в целях сочетания облака точек обоих сканов по основным данным. Аналогично выполнено уравнивание сканов по высоте, но перемещение сканов идет относительно по вертикальной оси. Абсолютная ошибка по связям между облаком и пунктами опорно-геодезической сети составила 0.022 м, расчет был произведен в программе Registration Diagnostics.
Результаты и обсуждение, область применения результатов Результатом НЛС объектов нефтегазового комплекса стала цифровая модель объектов пространства, которая представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Цифровая модель нефтегазовых объектов, состоящая из облака точек
Далее все полученные результаты являются исходными данными для оформления топографического плана. Данные можно импортировать в программный комплекс AutoCad Civil3D и приступить к оформлению топографического плана согласно условным знакам для соответствующего масштаба плана.
Выводы
Таким образом, использование наземного лазерного сканирования существенно облегчает полевые работы, за счет автоматизации и высокой скорости сбора пространственных данных. Для получения детального облака точек и впоследствии качественного топографического плана рекомендуется настраивать плотность
сканирования 12,5 мм на 10 метров. При этом точность определения координат будет на порядок меньше, чем допустимая точность съемки.
Список литературы
1. Наземное лазерное сканирование: монография / В. А. Середович, А. В. Комиссаров, Д.
B. Комиссаров, Т. А. Широкова. - Новосибирск: СГГА, 2009. - 261 с.
2. Середович В. А., Алтынцев М. А., Попов Р. А. Особенности применения данных различных видов лазерного сканирования при мониторинге природных и промышленных объектов // Вычислительные технологии. - 2013. - Т. 18. - С. 141-144.
3. Гура Т. А., Иналов Т. Р., Заворотынская В. В., Махинько А. С., Тхазеплова Д. А., Тлапшоков А. Т. Лазерное сканирование промышленных объектов // Наука. Техника. Технологии (политехнический вестник). - 2017. - № 2. - С. 225-229.
4. Гура Т. А., Мавропуло М. Д., Ковалева А. А., Трошкин Н. И., Знова М. К., Стрельцов А. И. Мировой опыт создания информационных моделей объектов с помощью технологии сканирования // Наука. Техника. Технологии (политехнический вестник). - 2017. - № 2. -
C. 209-212.
5. Yang B., Zang Y., Dong Z., Huang R. An automated method to register airborne and terrestrial laser scanning point clouds [Electronic resource]. - Mode of access : http://www.sciencedirect.com/science/ article/pii/S0924271615001975(дата обращения 15.04.2019)
6. Могильный С. Г., Шоломицкий А. А., Иванов А. В., Середович А. В., Лагутина Е. К., Мартынов А. В. Investigation of methods for determining geometric parameters of rotating aggregates by laser scanning data // Вестник СГУГиТ. - 2018. - Т. 23, № 3. - С. 89-107.
7. Неволин А. Г., Медведская Т. М. Обработка результатов наземного лазерного сканирования с учетом коэффициента отражения сигнала // Вестник СГУГиТ. - 2014. - № 1 (25). - С. 47-53.
8. Комиссаров А. В. Обоснование направлений использования данных цифровой съемки при наземном лазерном сканировании // Вестник СГУГиТ. - 2016. - № 1 (33). - С. 95-100.
9. Антонович К. М. Пути развития ГНСС-технологий в геодезии // Вестник СГГА. -2006. - Вып. 11. - С. 52-57.
10. Привалов А. В. Обеспечение безопасной эксплуатации инженерных объектов нефтегазовых комплексов на основе результатов наземного лазерного сканирования [Текст] / А. В. Привалов, А. М. Олейник // Состояние, тенденции и проблемы развития нефтегазового потенциала Западной Сибири. - Тюмень: ТИУ, 2018. - С. 243-251.
