О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ ДЕФОРМАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА СООРУЖЕНИЙ НЕФТЕГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

О возможности применения наземного лазерного сканирования для деформационного мониторинга

V | V

сооружении нефтегазовых месторождении

Олейник Анатолий Михайлович

к.т.н., доцент, кафедра геодезии и кадастровой деятельности, Тюменский индустриальный университет, [email protected]

Привалов Александр Васильевич

инженер-геодезист ООО «Северная строительная компания», [email protected]

В статье выполнен расчет точности сканирования сооружений наземными лазерными сканерами Leica ScanStation P30, Leica RTC360, Trimble TX8, Topcon GLS-2000 и электронными тахеометрами с интегрированными компактными высокоскоростными сканерами Leica MS60, Trimble SX10 в диапазоне от 10 до 50 м. Анализ полученных результатов СКО показал, что все исследуемые модели НЛС и электронных тахеометров удовлетворяют нормативной точности на всем диапазоне расчетных расстояний. Также при определении крена высотных сооружений на площадках нефтегазового комплекса (осветительные, прожекторные мачты) ошибка определения крена наземным лазерным сканированием в относительной мере составила икан = 3,3х10"4 для Trimble TX8, имеющего худшие расчетные показатели точности, что на порядок меньше допустимых значений, указанных в нормативной документации. Поэтому, вышеуказанные инструменты могут использоваться для сканирования инженерных объектов на территории промышленных площадок нефтегазовых месторождений при их мониторинге. Предложены рекомендации по дальности установки инструмента от объекта сканирования, обеспечивающие нормативную точность определения деформаций. Ключевые слова: деформация, мониторинг, наземное лазерное сканирование.

Обеспечение безопасности зданий и сооружений нефтегазовых месторождений, строительство и эксплуатация которых планируется в сложных природных условиях, осуществляется посредством геотехнического мониторинга состояния оснований, строительных конструкций и систем инженерно-технического обеспечения. Комплекс работ по геотехническому мониторингу (ГТМ) при строительстве и эксплуатации сооружений на многолетнемерзлых грунтах регламентирует СП 25.13330.2012 (п. 15), в который входят геодезические наблюдениям за деформациями фундаментов зданий и сооружений [14]. Методы проведения геодезических работ (геодезического деформационного мониторинга) устанавливает программа наблюдений в зависимости от требуемой точности измерения, конструктивных особенностей фундамента, инженерно-криологической и гидрогеологической характеристик грунтов основания, возможности применения и экономической целесообразности метода в данных условиях [1, 6].

Одним из современных методов получения пространственных координат точек и развития деформационных процессов инженерных сооружений является наземное лазерное сканирование (НЛС), которое имеет ряд достоинств, а именно - высокая информативность и производительность труда [2, 13]. Однако, проблема применения НЛС заключается в том, что на данный момент не разработаны нормативно-правовые и нормативно-технические документы, регламентирующие порядок действий при мониторинге с использованием сканирующих систем. В Федеральном Законе №384-ФЗ (статья 15, п. 6) указано, что проектируемые мероприятия по обеспечению безопасности сооружения должны быть обоснованы одним или несколькими из следующих способов:

1) результаты исследований;

2) расчеты и (или) испытания, выполненные по сертифицированным или апробированным иным способом методикам;

3) моделирование сценариев возникновения опасных природных процессов и явлений и (или) техногенных воздействий, в том числе при неблагоприятном сочетании опасных природных процессов и явлений и (или) техногенных воздействий;

4) оценка риска возникновения опасных природных процессов и явлений и (или) техногенных воздействий.

В связи с этим возникает необходимость в обосновании необходимой точности и разработке методик применения НЛС для целей геодезического деформационного мониторинга инженерных объектов нефтегазовых месторождений, расположенных в сложных природных условиях.

Как известно, сущность наземного лазерного сканирования (НЛС) заключается в измерении расстояний (дальностей) с высокой частотой от сканера до объектов местности и направления распространения сигнала [2,

X X

о го А с.

X

го m

о

ю

2 О

м

CS

0

CS

01

о

Ш

m

X

<

m О X X

10, 13]. Результатом лазерного сканирования является массив точек, каждая точка которого имеет следующие характеристики: пространственные координаты (X, Y, Z), интенсивность отраженного сигнала (/). Кроме того, для повышения информационной емкости массива точек, также выполняют цифровую съемку, которая позволяет получить для каждой точки информацию о реальном цвете объекта.

Рассмотрим точность измерений положения точек НЛС для целей определения деформаций инженерных сооружений нефтегазовых месторождений.

Для геодезического контроля (геодезического мониторинга) сооружений, возводимых на насыпных, проса-дочных, заторфованных и других сильно сжимаемых грунтах, включая и многолетнемерзлые грунты, устанавливается III класс точности [1], согласно которому требуется достижение точности измерения вертикальных перемещений равной 5 мм, горизонтальных - 10 мм. Для мониторинга земляных сооружений - 10 и 15 мм соответственно.

Средняя квадратическая ошибка в положении единичной точки скана тскан может быть рассчитана по формуле [8, 9, 12]:

т„

= Im

^комп. ^^У ^^рас. ^^рег.'

(1)

где ткомп. - СКО точности работы компенсатора; тУ - суммарное влияние СКО измерения горизонтального и вертикального углов;

mn

■ СКО измерения расстояний лазерным дально-

*-рас.

мером;

трег. - СКО регистрации сканов по зонам перекрытий; Влияние ошибок компенсатора, измерения горизонтальных, вертикальных углов и расстояний на точность измерения координат единичной точки лазерным сканером может быть вычислено по формулам [2, 8, 9, 10, 12,

13]: _

тУ = 2V* sin a, трас. = d мм + D мм/км,

(2)

(3)

^комп. = '*5(ПД (4)

где I - расстояние от сканера до снимаемой точки; a - ошибка измерения горизонтального и вертикального углов;

ß - точность работы компенсатора. В программном модуле Leica Cyclone Register возможно добиться СКО взаимного уравнивания (регистра-

п

*-рег.

ции) сканов по зонам перекрытий трег = 2,0 мм.

Таблица 1

Инструмент СКО, мм при расстоянии, м

10 20 30 40 50

Leica ScanStation P30 (8") 2,7 3,0 3,3 3,6 3,8

Leica RTC360 (16") 2,9 3,4 3,9 4,3 4,7

Trimble TX8 (16,5") 3,3 3,8 4,2 4,6 4,9

Topcon GLS-2000 (6") 3,1 3,3 3,6 3,8 4,0

Leica MS60 (1") 2,9 2,9 3,0 3,0 3,1

Trimble SX10 (1") 2,9 2,9 3,0 3,0 3,0

необходимо отметить, что в связи с плотным расположением инженерных объектов на территории промышленных площадок и большим количеством коммуникаций, расстояние от НЛС до сканируемого объекта составит не более 50 метров. Результаты расчета точности сканирования по формулам (1 - 4) при расстояниях 1050 м от инструмента до сканируемого сооружения приведен в таблице 1.

Из анализа полученных результатов СКО (табл. 1) можно сделать следующие выводы:

1) разница в точности между сканирующими тахеометрами и сканерами Leica RTC360 и Trimble TX8 составляет более 1 мм, начиная с 40 метров;

2) сканер Topcon GLS-2000 имеет точность ниже, чем Leica ScanStation P30, не смотря на более высокую угловую точность. Это обуславливается тем, что дальномер фирмы Leica имеет лучшие точностные характеристики;

3) все исследуемые модели НЛС и электронных тахеометров удовлетворяют точности ГОСТ 24846-2019 на всем диапазоне расчетных измерений, поэтому могут использоваться для сканирования инженерных объектов на территории промышленных площадок нефтегазовых месторождений при их мониторинге.

Крены сооружений башенного типа в относительной мере могут быть рассчитаны по формуле [11]:

I = Q/H, (5)

где Q - величина крена в линейной мере;

H - высота сооружения.

При расстоянии от НЛС до сканируемого сооружения 50 метров и минимальной высоте сооружений башенного типа на площадках нефтегазового комплекса равной 15 м (осветительные, прожекторные мачты) ошибка определения крена таких сооружений наземным лазерным сканированием в относительной мере составит ¡скан = 3,3х10-4 для Trimble TX8, имеющего худшие расчетные показатели точности, что на порядок меньше допустимых деформаций для башенных сооружений, указанных в СП 126.13330.2017.

Надежными считаются измерения, точность которых в 3-4 раза меньше допустимых величин отклонений [1, 3, 7], в связи с этим предлагаются рекомендации по дальности установки инструмента от объекта съемки, которые представленные в таблице 2.

Таблица 2

Рекомендации по выполнению наземного лазерного сканирования

Модель инструмента Измерение г ных и верти формац оризонталь-кальных де-ий РВС Измерение крена сооружений башенного типа

V=100-700 м3 V>700 м3

Leica MS60 До 50 м До 50 м

Trimble SX10 До 50 м

Leica ScanStation P30 До 30 м До 50 м

Topcon GLS-2000 До 20 м До 50 м

Leica RTC360 До 15 м До 50 м

Trimble TX8 До 10 м До 50 м

Выполним расчет точности сканирования точек на примере наземных лазерных сканеров Leica ScanStation P30, Leica RTC360, Trimble TX8, Topcon GLS-2000 и электронных тахеометров с интегрированными компактными высокоскоростными сканерами Leica MS60, Trimble SX10 [4, 5]. Прежде, чем перейти к расчетам,

Таким образом, технологии наземного лазерного сканирования с использованием рассмотренного оборудования при соблюдении определенной программы работ обеспечивают точность в три раза превосходящую эксплуатационные допуски для зданий, башенных сооружений и резервуаров.

Учитывая рекомендации табл. 2 наиболее оптимальными для выполнения геодезического деформационного мониторинга инженерных объектов на территории нефтегазовых месторождений являются сканирующий тахеометр Trimble SX10 или наземный лазерный сканер Leica ScanStation P30, которые обладают большей скоростью съемки по сравнению с другими моделями, а также менее ограничены в условиях выполнения полевых работ.

Литература

1. ГОСТ 24846-2019. Грунты. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений [Текст]. -Введ. 2021 - 01 - 01. - Москва: Стандартинформ, 2020.

- 15 с.

1. Комиссаров, А. В. Теория и технология лазерного сканирования для пространственного моделирования территорий [Текст]: автореф. дис. на соиск. учен. степ. докт. техн. наук (25.00.34) / Комиссаров Александр Владимирович; СГУГиТ. - Новосибирск, 2015. - 278 с.

2. Монтаж стальных вертикальных цилиндрических резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов объемом от 100 до 50000 м3: ведомственные строительные нормы [Текст]: Введ. 1990 - 01 - 01. Москва: Мин-монтажспецстрой, 1990. - 43 с.

3. Наземный лазерный сканер Leica RTC360 [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://geosystems.ru/shop/lazernye-skanery/nazemnye-lazernye-skanery/lazernyy-skaner-leica-rtc360/

4. Наземный лазерный сканер Leica ScanStation P30 [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://geosystems.ru/shop/lazernye-skanery/lazerniy-skaner-leica-scanstation-p30

5. Олейник, А. М. Геодезический мониторинг геотехнических систем добычи и транспорта газа в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов: Теория и практика [Текст] / А. М. Олейник. - Тюмень: ТГСХА, 2011.

- 356 с.

6. Положение о системе технического диагностирования сварных вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов: руководящие документы Госгортехнадзора России [Текст]: Введ. 1995 - 09

- 01. - Москва, 1995. - 17 с.

7. Привалов, А. В. Геодезический деформационный мониторинг сооружений башенного типа и резервуаров с применением наземного лазерного сканирования [Текст] / А. В. Привалов, А. М. Олейник // Актуальные проблемы геодезии, кадастра, рационального земле- и природопользования: материалы II Междунар. науч.-практич. конф. - Тюмень: ТИУ, 2018. - Т. 2. - С. 78 - 84.

8. 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.

9. Привалов, А. В. Оценка технического состояния объектов на основе данных лазерного сканирования [Текст] / А. В. Привалов, А. М. Олейник // Актуальные проблемы геодезии, кадастра, рационального земле- и природопользования: материалы междунар. науч.-прак-тич. конф. - Тюмень: ТИУ, 2018. - С. 90 - 93.

10. Руководство по определению кренов инженерных сооружений башенного типа геодезическими методами /

Центр. н.-и. и проект.-эксперим. ин-т организации, механизации и техн. помощи стр.-ву Госстроя СССР. -Москва: Стройиздат, 1981. - 56 с.

11. Середович, А. В. Исследование точности сканирования сферических марок наземным лазерным сканером Leica ScanStation P40 [Текст] / А. В. Середович, М. Л. Юрьев, А. В. Привалов // Геодезия, землеустройство и кадастры: вчера, сегодня, завтра: материалы междунар. науч.-практич. конф. - Омск: ОмГАУ, 2017. - С. 396 - 400.

12. Середович, В. А. Наземное лазерное сканирование [Текст] / В. А. Середович, А. В. Комиссаров, Д. В. Комиссаров, Т. А. Широкова. - Новосибирск: СГГА, 2009. -261 с.

13. СП 25.13330.2012 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах [Текст]. - актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88; введ. 2013 - 01 - 01. - Москва: Стандартинформ, 2012. - 123 с.

On the possibility of application of ground laser scanning for deformation monitoring of oil and gas fields

JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_

Oleinik A.M., Privalov A.V.

Industrial University of Tyumen, Northern Construction Company The article calculates the accuracy of scanning structures with ground laser scanners Leica ScanStation P30, Leica RTC360, Trimble TX8, Topcon GLS-2000 and electronic total stations with integrated compact highspeed scanners Leica MS60, Trimble SX10 in the range from 10 to 50 m. that all investigated models of NLS and electronic total stations satisfy the standard accuracy over the entire range of calculated distances. Also, when determining the heel of high-rise structures on the sites of the oil and gas complex (lighting, searchlight masts), the error in determining the roll by ground laser scanning in a relative measure was iscan = 3.3x10" 4 for the Trimble TX8, which has the worst calculated accuracy indicators, which is an order of magnitude less than the permissible values specified in the normative documentation. Therefore, the above tools can be used to scan engineering objects on the territory of industrial sites of oil and gas fields during their monitoring. Recommendations on the distance of the tool installation from the scanned object are proposed, which ensure the normative accuracy of determining deformations. Keywords: deformation, monitoring, ground laser scanning. References

1. GOST 24846-2019. Soils. Methods for measuring deformations of the

foundations of buildings and structures [Text]. - Introduction. 2021 - 01 -01. - Moscow: Standartinform, 2020.- 15 p.

2. Komissarov, A.V. Theory and technology of laser scanning for spatial

modeling of territories [Text]: author. dis. for a job. learned. step. doct. tech. Sciences (25.00.34) / Komissarov Alexander Vladimirovich; SGUGiT. - Novosibirsk, 2015.- 278 p.

3. Installation of steel vertical cylindrical tanks for storage of oil and oil

products with a volume of 100 to 50,000 m3: departmental building codes [Text]: Introduction. 1990 - 01 - 01. Moscow: Minmontazhspetsstroy, 1990.- 43 p.

4. Terrestrial laser scanner Leica RTC360 [Electronic resource] / Access

mode: https://geosystems.ru/shop/lazernye-skanery/nazemnye-

lazernye-skanery/lazernyy-skaner-leica-rtc360/

5. Terrestrial laser scanner Leica ScanStation P30 [Electronic resource] /

Access mode: http://geosystems.ru/shop/lazernye-skanery/lazerniy-skaner-leica-scanstation-p30

6. Oleinik, A.M. Geodetic monitoring of geotechnical systems for gas

production and transportation in the conditions of the spread of permafrost: Theory and practice [Text] / A.M. Oleinik. - Tyumen: TGSKhA, 2011.- 356 p.

7. Regulations on the system of technical diagnostics of welded vertical

cylindrical tanks for oil and oil products: guiding documents of the Gosgortekhnadzor of Russia [Text]: Introduction. 1995 - 09 - 01.-Moscow, 1995.- 17 p.

8. Privalov, A. V. Geodetic deformation monitoring of tower-type structures

and reservoirs using ground-based laser scanning [Text] / A. V. Privalov, A. M. Oleinik // Actual problems of geodesy, cadastre, rational land and nature management: materials of the II Int. scientific and practical conf. -Tyumen: TIU, 2018.- T. 2. - P. 78 - 84.

9. Privalov, A. V. Ensuring safe operation of engineering facilities of oil and

gas complexes based on the results of ground laser scanning [Text] / A. V. Privalov, A. M. Oleinik // State, trends and problems of development of oil and gas potential of Western Siberia. - Tyumen: TIU, 2018.- P. 243 - 251.

X X

о го А с.

X

го m

о

ю

2 О

м

10. Privalov, A. V. Assessment of the technical condition of objects based on

laser scanning data [Text] / A. V. Privalov, A. M. Oleinik // Actual problems of geodesy, cadastre, rational land and nature management: materials of the international. scientific and practical conf. - Tyumen: TIU, 2018.- S. 90 - 93.

11. Guidelines for determining the rolls of tower-type engineering structures by geodetic methods / Center. n.-i. and project. -experiment. in-t of organization, mechanization and tech. assistance to the building of the USSR State Construction Committee. - Moscow: Stroyizdat, 1981.- 56 p.

12. Seredovich, A. V. Study of the accuracy of scanning spherical marks with

a ground laser scanner Leica ScanStation P40 [Text] / A. V. Seredovich, M. L. Yuriev, A. V. Privalov // Geodesy, land management and cadastres: yesterday, today, tomorrow: materials of the international scientific-practical conf. - Omsk: OmGAU, 2017.- S. 396 - 400.

13. Seredovich, V. A. Ground laser scanning [Text] / V. A. Seredovich, A. V.

Komissarov, D. V. Komissarov, T. A. Shirokova. - Novosibirsk: SGGA, 2009.- 261 p.

14. SP 25.13330.2012 Bases and foundations on permafrost [Text]. - updated

edition of SNiP 2.02.04-88; entered 2013 - 01 - 01. - Moscow: Standartinform, 2012.- 123 p.

CS

0

CS

01

O m m

X

<

m o x

X