CC BY
330
УДК 528.42:528.92 А.В. Середович СГГ А, Новосибирск
ПОСТРОЕНИЕ ЦИФРОВЫХ ТОПОГРАФИЧЕСКИХ ПЛАНОВ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕДОБЫЧИ С ПРИМЕНЕНИЕМ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ
Введение
В настоящее время для топографических съемок используется современное геодезическое оборудование: электронные тахеометры и GPS-приемники. Кроме того, постоянно идет процесс совершенствования такого оборудования и повышения степени автоматизации процесса съемки. Особенностями лазерного сканирования являются дистанционность, высокая скорость и высокая информативность получаемой модели. Т. е. координируются не отдельные точки, а весь объект в целом. Автоматический режим измерений, также, в значительной степени освобождает результаты съемки от влияния человеческого фактора. Комплекс работ по созданию цифровых топографических планов (ЦТП) масштаба 1 : 500, выполненных в 2004-2005 гг. на площадных объектах ОАО «Сибнефть-Ноябрьскнефтегаз», подтвердил высокую эффективность применения наземного лазерного сканирования при съемке сложных технологических объектов. В ходе работ решались следующие задачи:
1. Выбор моделей наземных лазерных сканеров, наиболее подходящих для съемки сложных технологических объектов;
2. Разработка методики выполнения полевых работ, при съемке сложных технологических объектов;
3. Разработка методики построения цифровых топографических планов сложных технологических объектов по данным наземного лазерного сканирования.
1. Особенности современных лазерных сканеров.
Современные наземные лазерные сканеры среднего радиуса действия (до 1 000 м) при одинаковом принципе действия, заключающемся в измерении расстояний и углов до точки отражения, значительно различаются по своим характеристикам. Сканеры, работающие в фазовом режиме значительно быстрее импульсных, однако ограничены по дальности съемки. Пошаговый механизм работы угломерной части в несколько раз снижает скорость съемки, по сравнению с непрерывным. Расходимость лазерного излучения определяет размер лазерного пятна в точке отражения, что влияет на точность определения расстояний. В табл. 1 приведены основные характеристики наиболее распространенных современных наземных лазерных сканеров.
Исходя из особенностей объектов, оптимальным сочетанием характеристик сканера для выполнения топографической съемки, будет
точность измерений до 25-30 мм, дальность действия до нескольких сотен метров и высокая скорость сканирования. Примененные в практических работах сканеры Riegl полностью подходят под данные параметры.
Таблица 1. Характеристики современных наземных лазерных сканеров
Модель сканера Метод изм. расст. Макс. даль- ность, м Расходи- мость лазера, мрад Точность изм. расст., мм Режим изм. углов Скорость съемки т/сек Угловая точность Компен- сатор
Leica HDS3000 импульсный 100 0,12 4 пошаговый 1800 00’12” нет
Leica HDS4500 фазовый 53,5 0,22 3 непрерывный 625000 01’12” нет
Trimble GX импульсный 350 0,06 6 пошаговый 1000 00’12” 6”
iQsun625 фазовый 76 0,20 3 непрерывный 240000 01’12” нет
I-Site 4400 импульсный 400 2,00 50 непрерывный 4400 — 20”
Riegl LMS- Z210i импульсный 400 3,00 25 непрерывный 12000 18” нет
Riegl LMS- Z360i импульсный 200 2,00 12 непрерывный 12000 9” нет
Riegl LMS- Z420i импульсный 1000 0,25 10 непрерывный 12000 9” нет
2. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ
2.1. Планирование, создание планово-высотного обоснования
На этапе планирования осуществляется постановка задачи и определяется круг требований, предъявляемых к конечному продукту. Исходя из поставленной задачи, выбирается методика работ и оборудование. Далее на объектах создается сеть планово-высотного обоснования (ПВО). Требования к плотности пунктов ПВО, необходимых для выполнения крупномасштабных топографических съемок методом лазерного сканирования аналогичны требованиям для выполнения тахеометрической съемки.
2.2. Составление абрисов
Перед выполнением съемки объекта необходимо составить подробный абрис на объект съемки. Абрис представляет собой аналог топографического плана, выполненный в результате глазомерной съемки, на котором отображена вся информация, которая необходима для построения цифрового топографического плана, т.е. положение объектов, их назначение, характеристики. В дальнейшем абрис используется для дешифрирования объектов и присвоения им семантических характеристик.
2.2. Сканерная съемка
Основными задачами, которые необходимо решать в ходе выполнения сканерной съемки являются:
- Выбор углового шага сканирования. Расчет углового шага сканирования определяется исходя из минимального размера объектов, подлежащих съемке. Практический опыт показал, что при съемке объектов нефтегазодобычи оптимальным является шаг в 0,1 - 0,08°;
- Выбор местоположения сканерных станций. Местоположение сканерных станций необходимо выбирать с условием как можно большего захвата окружающих объектов, на расстоянии достаточном для их дешифрирования. Установка сканера в наиболее высокие точки значительно повышает информативность точечной модели. Для технологических площадок в качестве высоких точек могут быть использованы крыши зданий, насыпи и обваловки, металлические площадки переходов через трубопроводы. В ходе выполнения полевых работ один из сканеров устанавливался на крыше автомобиля УАЗ, за счет чего высота сканера достигала порядка 4 м, что значительно увеличивало обзорность. Показатели средней плотности сканерных станций на примере съемки дожимной насосной станции (ДНС) представлены в табл. 2;
- Геодезическая привязка сканерных станций. Большинство современных моделей сканеров не имеют устройств для точного горизонтирования и центрирования прибора. Поэтому привязка сканерных данных осуществляется через специальные марки, располагаемые в пределах сцены сканирования, координаты которых получены с пунктов ПВО с помощью тахеометра. В ходе работ, использовалась схема расстановки марок, представленная на рис. 1.
Таблица 2. Расстояния между станциями сканирования
Минимальное расстояние, м Максимальное расстояние, м Среднее расстояние, м
Площадь с высокой контурностью 21 79 44
Площадь со средней контурностью 26 116 70
Вся территория ДНС 21 116 60
Применение данной схемы для каждой станции, позволило существенно сократить затраты времени на расстановку марок и избежать пропусков при их привязке. Время, затрачиваемое для работы на каждой станции (вместе с переходом на следующую станцию) составило около 25 минут, при средней охватываемой площади 0,4 Га.
2.3. Формирование единой точечной модели объекта
Для данных, полученных сканерами Riegl, процедура формирования единой модели осуществляется в программном продукте RiSCAN PRO, куда, кроме сканерных данных, подгружается файл с координатами всех марок, определенных в единой системе с помощью тахеометра. Программа автоматически выбирает соответствующие по расположению марки, производит трансформацию координат полученных в процессе сканирования, и выводит значение средней квадратической ошибки положения марок относительно внешней системы координат. Среднее значение ошибки составило порядка 10 мм, максимальная ошибка не превышала 15 мм.
2.4. Векторизация точечной модели
Построение цифрового топографического плана осуществлялось в программном продукте Cyclone, куда после трансформации были импортированы файлы данных сканера Riegl. Для этого выполнялось выделение отдельных участков общей точечной модели, для которых задавался вид сверху в ортогональной проекции. За счет влияния ошибки измерения расстояний в данных присутствует шумовая составляющая. Визуально, на поверхности объектов это выражается в «рыхлости» данных (т.е. отсканированная плоскость будет иметь некоторую толщину, зависящую от степени шумовой составляющей), а на углах и гранях в ряде точек «висящих в воздухе». Поэтому контура необходимо максимально равномерно вписывать в точечную модель.
Построение контуров площадных и линейных объектов выполняется с помощью полигонов, линий и полилиний. Точечные объекты строятся с помощью точек, располагаемых по центру объекта. Одновременно с векторизацией осуществляется разделений объектов по тематическим слоям. После построения контурной части, ее необходимо наполнить высотными отметками. Для этого в необходимых местах выполняются сечения точечной модели, по которым определяются отметки объектов или их взаимные превышения.
Следующим этапом следует присвоение объектам семантической информации (назначение, материал, характеристики и т. д.). Для этого используется функция добавления к векторным объектам текстовых атрибутов. По сути, формируется подобие базы данных, в которой каждому объекту присвоены некоторые значения.
На сегодняшний момент ЦТП обычно формируется в формате геоинформационных систем (ГИС). В данном случае стояла задача формирования ЦТП в формате ГИС Mapinfo. Для этого осуществлялся экспорт данных из ПО Cyclone в формат COE (Cyclone object exchange). Далее, с помощью AutoCAD-плагина COE, файл импортировался в формат DWG (родной формат AutoCAD), после чего передавался в Mapinfo с помощью приложения «Универсальный транслятор». При этом атрибуты, заданные в Cyclone, в Mapinfo передавались как отдельные текстовые объекты. В дальнейшем объекты копировались в заготовленные шаблоны слоев, текстовые атрибуты заносились в таблицы семантических данных, а объекты оформлялись в соответствии с требованиями для топографических
планов масштаба 1:500. Полученный в результате топографический план полностью соответствовал всем требованиям по информативности и оформлению.
После построения ЦТП был проведен полевой контроль. Для этого на объекте стальной
компарированной рулеткой длиной 50 м измерялись расстояния между четкими контурами, которые потом сравнивались с теми же расстояниями на ЦТП. Высотный контроль проводился по аналогичной схеме, с использованием повторных
измерений точек по контурам и рельефу, выполненных электронным тахеометром. Средние значения расхождений составили для планового положения 4 см, для высотного 5 см, максимальные значения расхождений не превышали 10 см. Фрагмент ЦТП масштаба 1 : 500, полученного по данным наземного лазерного сканирования представлен на рис. 2.
Заключение
Опыт работ показал, что технология лазерного сканирования позволяет значительно сократить время полевых работ. Бригада из 3 человек, с одним сканером за 10-часовой рабочий день выполняет крупномасштабную топографическую съемку сложного объекта, до 10-14 гектар. На абрис в этом случае затрачивается дополнительно около 4 часов. Полученный ЦТП обладает высокой степенью достоверности. Так, вместо отдельных пикетов, специалист камеральной группы имеет перед глазами полную модель объекта, что позволяет избежать пропусков и ошибок, а также способствует постоянному самоконтролю. Построение ЦТП по данной технологии занимает примерно на 50% процентов больше времени, чем по традиционным измерениям, так как при упрощении полевых работ центр тяжести переносится на камеральную обработку Трехмерная точечная модель позволяет определять взаимное положение объектов с ошибкой 1-2 см, что несколько точнее, чем по полученному ЦТП. Это вызвано тем, что для достижения такой точности необходимо очень подробно строить векторные объекты, что значительно увеличит время, затрачиваемое на их создание. Кроме того, в реальности, объекты не имеют правильной геометрической формы (т. е. углы не всегда прямые а стены ровные). Подводя итог, можно сказать, что технология наземного лазерного сканирования является эффективным инструментом для построения цифровых моделей сложных технологических объектов. Помимо ЦТП, данная технология позволяет
Рис. 2. Фрагмент ЦТП масштаба 1 : 500
получать трехмерные модели с теми же трудозатратами, что является большим преимуществом на перспективу.
© А.В. Середович, 2006
