CC BY
81
УДК 656.7.08.560
ПРИМЕНЕНИЕ ДЕЛЬТАЛЕТА "П0ИСК-06НТ”
для геоэкологического мониторинга объектов
НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА
Т.В. КОНДРАНИН, И.В. НИКИТИН, А.Г. ТОПЧИЕВ
В статье дан анализ состояния работ по конструированию, летным испытаниям и внедрению в практику информационного обеспечения нефтегазовой отрасли принципиально новой системы локального аэромониторинга основанной на применении дельталета «Поиск - 06НТ», оборудованного бортовым программно-аппаратурным комплексом дистанционного зондирования.
Экстенсивное освоение нефтегазовых месторождений Западной Сибири порождает проблемы, связанные с угрозой экологической безопасности труднодоступных и удаленных полярных регионов [1,2]. Нарушения технологии освоения месторождений, изношенность оборудования вызывает техногенные аварии в промысловых зонах и на трубопроводах. Это неизбежно приводит к необратимой деградации почвенного и растительного покрова, загрязнению поверхностных и подземных вод на огромных территориях, дешифрируемых даже на космических снимках обзорных масштабов. Реальной стала угроза экоцида целостных экосистем арктических регионов особо чувствительных к антропогенным нагрузкам. Актуальны задачи не только индикации и картографирования таких объектов, но в первую очередь выявления причин и факторов нарушения экологической безопасности, а также разработка превентивных мероприятий по предотвращению таких угроз [1].
Разработка методов и технологий создания высокоэффективных геоинформационных систем оперативного геоэкологического контроля является необходимым условием для выполнения программы Государственного контроля использования и охраны земель. Особенностью таких систем является необходимость оперативного развертывания и функционирования на локальных участках стрессового состояния природно-техногенных геотехнических систем в труднодоступных и удаленных от мест базирования авиапредприятий районах России [3].
В настоящее время накоплен положительный опыт применения сверхлегких летательных аппаратов, используемых для аэровизуального патрулирования объектов нефтегазового комплекса. Актуальной задачей является разработка эффективной конфигурации систем локального геоэкологического мониторинга, основанной на комплексировании названных средств с данными спутниковой съемки. Результаты экспериментально-производственных работ, выполненных в лаборатории Геоэкологии Севера географического факультета МГУ совместно с Московским физикотехническим институтом и СКБ Московского государственного технического университета гражданской авиации, позволили сделать однозначный вывод о том, что в широком спектре сверхлегких авиационных платформ, предназначенных для размещения бортового программноаппаратурного комплекса (БПАК), наибольшую эффективность по комплексу показателей имеют дельталеты [5,6,7] и, в частности, разработанный в СКБ МГТУ ГА специализированный экспериментальный дельталет «Поиск - 06 НТ» (рис. 1).
Эффективность применения дельталетов в задачах информационного обеспечения программ геоэкологического контроля по сравнению с традиционно применяемыми спутниковыми и аэросъемочными системами обусловлена следующими факторами:
дельталеты легко доставляются и базируются непосредственно вблизи объектов аэросъемки, что позволяет обеспечить существенную экономию летного времени, необходимого на подлет к съемочному объекту от аэродромов постоянного базирования;
Рис. 1. Дельталет "Поиск-06НТ"
возможность выполнения полетов с земной поверхности, водной поверхности и снега позволяет осуществить подбор места базирования в пределах съемочной площади, а следовательно, воспользоваться оптимальными метеоусловиями, устанавливающимися даже на незначительный период времени на локальном участке выполнения летно-съемочных работ (ЛСР);
крейсерская скорость (70-90 км/ч) и широкий диапазон высот (от 100 м до 4000 м) позволяют оперативно выбирать оптимальные съемочные условия с учетом индикатрисс рассеяния, пространственного и спектрального разрешения исследуемых объектов дистанционного зондирования (ДЗ), а также исключить смаз изображения при выполнении ЛСР на предельно малых высотах, что особенно важно при сборе дистанционной информации для решения задач крупномасштабного топографического картографирования в масштабах от 1:500 до 1:10 000 методом цифровой аэросъемки;
базирование дельталета в непосредственной близости к объекту съемки позволяет организовывать синхронные наземные обследования по данным дистанционной информации, оперативный просмотр которой выполняется на месте в ходе проведения полевых работ. Недоступные для традиционно применяемых летных средств (ТУ-134 СХ, АН-30, МИ-8 МТ, КА-26) сверхмалые высоты (150-300 метров) и минимальные скорости выполнения ЛСР (70-90 км/ч) позволят получить сверхинформативную по спектральным, калориметрическим и частотно-пространственным характеристикам исходную информацию на локальном уровне не только в оптическом, но также в ближнем ИК- и тепловом диапазонах; локальный мониторинг наиболее нарушенных элементов биосферы, выполняемый с использованием дельталетов в пределах целостных геотехнических систем (например, неф-
тяных месторождений или магистральных газопроводов), исключает непроизводительные затраты на тотальное "сканирование" всей лицензируемой площади месторождения, при котором до 80% материалов аэросъемки не используется для дешифрирования. Важнейшим преимуществом применения дельталета является возможность участия специалистов (заказчиков) в планировании летно-съемочных работ непосредственно на объекте мониторинга. Оперативное управление летно-съемочным процессом, исходя из функциональных задач мониторинга, корректирование параметров летных работ в зависимости от изменяющихся метеоусловий, особенностей динамики спектральных и калориметрических характеристик объектов ДЗ, освещенности и оптико-физических свойств ландшафта, обеспечивают повышение эффективности всей программы аэрокосмического мониторинга в целом [8,9].
В настоящее время авторской группой специалистов лаборатории Геоэкологии Севера географического факультета МГУ совместно с Московским физико-техническим институтом (ГОУ МФТИ) и Московским государственным техническим университетом гражданской авиации (МГТУ ГА) разработан способ локального геоэкологического мониторинга природноантропогенных геосистем, в частности территорий нефтегазовых месторождений с применением дельталета «Поиск - 06 НТ», на базе которого создана система локального мониторинга (СЛМ). Основная задача состоит в синхронном получении высококачественных цветных цифровых кадров с разрешением не менее 9 мегапикселей на ПЗС матрицу 2/3 дюйма с заданным продольным и поперечным перекрытием и телевизионных кадров с помощью цифровой телевизионной камеры формата БУСАМ с 3-мя ПЗС матрицами. При этом оптическая ось первой из названных камер должна находиться в надирном положении, а второй с расчетным угловым смещением. Кроме того, необходимым условием функционирования блока съемочной аппаратуры является возможность приведения его по углу места и азимуту с помощью командного прибора в оптимальное положение по отношению к индикатриссе рассеяния объекта съемки. Поворотная платформа бортового комплекса должна обеспечивать также режим отработки углов сноса (компенсацию угла разворота продольной оси летательного аппарата относительно съемочного галса при боковом ветре). В целях увеличения производительности при выполнении аэросъемочных работ линейных инженерных сооружений решена задача сканирования полосы съемки методом ритмичного качания платформы, при котором оптические оси съемочных систем отклоняются на заданный угол с требуемой для обеспечения покрытия периодичностью в плоскости, перпендикулярной съемочному галсу. Решение поставленных задач достигнуто тем, что в состав бортового комплекса локального аэромониторинга, размещенного на борту дельталета, включены: блок аэросъемочной аппаратуры, блок навигационных данных, блок управления платформой, блок контроля параметров бортовой аппаратуры. Блок аэросъемочной аппаратуры в составе цифровой телевизионной камеры и цифрового аэрофотоаппарата высокого разрешения размещен на поворотной платформе, обеспечивающей его разворот в вертикальной и горизонтальной плоскостях (рис. 2).
При этом предусмотрена возможность устанавливать предварительно рассчитанный, исходя из требований решаемой задачи, угол рассогласования оптических осей в вертикальной и горизонтальной плоскостях обеих названных камер. Блок навигационных данных на базе персонального компьютера, сопряженного с ОРБ-приемником, включает топографическую электронную карту местности с проложенными аэросъемочными маршрутами, точками наземных геодезических измерений, объектами локального мониторинга в соответствии с поставленной функциональной задачей. В процессе полета формируется база данных путевых точек в блоке навигационных данных. В каждый дискретный отрезок времени плановое положение проекции летательного аппарата на местности отображается на электронной карте. Блок управления поворотной платформой предусматривает следующие режимы выполнения локального аэромониторинга:
Рис. 2. Размещение блока аэросъемочной аппаратуры на поворотной
платформе дельталета
- получение серии снимков с заданным продольным перекрытием при выполнении маршрутной съемки линейных объектов, с компенсацией угла разворота съемочной платформы при ветровом сносе летательного аппарата и, соответственно, отклонении оси летательного аппарата от направления съемочного галса;
- получение серии снимков на площадные объекты при выполнении плановой съемки с заданным продольным и поперечным перекрытием при смещении оптических осей аэросъемочной аппаратуры в плоскости перпендикулярной направлению аэросъемочного галса и последующей геометрической коррекцией изображений;
- получение серии снимков с заданным перекрытием при выполнении съемки линейных объектов, например линий электропередачи, при полете дельталета вдоль объекта съемки на высоте его размещения.
Блок контроля параметров бортовой аппаратуры позволяет выполнять текущую регистрацию и контроль функционирования всех блоков и систем бортового комплекса локального аэромониторинга объектов природно-техногенной сферы [9].
Создание бортового программно-аппаратурного комплекса (БПАК) на названной выше платформе позволило выполнить на ряде объектов геоэкологического мониторинга программу летных испытаний новой информационной системы, предназначенной для рационального природопользования и экологически устойчивого развития нефтедобывающих регионов Севера России.
Программа работ предусматривала реализацию следующих этапов.
1. Выполнение опытно-конструкторских и экспериментальных работ по созданию нового поколения бортового программно-аппаратурного комплекса в следующем составе:
• спутниковая навигационная система GARMIN GPS II Plus с программным обеспечением;
• тепловизионная камера с программным обеспечением и периферией, размещенная в карданном подвесе с демпферами и виброгасителями;
• цифровая профессиональная телевизионная камера высокого разрешения DV с 3 ПЗС-матрицами и фото режимом - Sony DCR-VX9000, предназначенная для выполнения съемки в надир;
• контрольный видеомонитор LCD Marshall V-LCD-4-PA;
• маятниковая система подвеса аэросъемочной аппаратуры, снабженная демпферами и виброгасителями;
• бортовая система энергообеспечения (12 и 28 Вольт);
• видеокамера F-15 (S-VHS), предназначенная для выполнения перспективной аэросъемки в карданной системе подвеса снабженной демпферами и виброгасителями;
• бортовой вычислительный комплекс на базе Rover Book Discovery MTS;
• специальный программный комплекс, обеспечивающий захват видеокадра синхронно с получением GPS-данных центра видеокадра и отслеживания проекции ЛА на местности в программной среде MapInfo .
2. Выполнение стендовых и летных испытаний бортового программно-аппаратурного комплекса на контрольно-измерительном полигоне по широкому кругу функциональных задач газотранспортной отрасли. Автоматизированная обработка данных ДЗ, анализ результатов, выработка рекомендаций по усовершенствованию бортового программно-аппаратурного комплекса.
3. Разработка технологии получения и обработки синхронной спутниковой информации для создания базового информационного слоя ГИС. Радиометрическая и геометрическая коррекция, регистрация в программной среде MapInfo. Тематическое дешифрирование. Векторизация данных.
4. Выполнение экспериментальных летно-съемочных работ на линейной части Уренгойского коридора магистральных газопроводов в зоне технической ответственности ООО «Мос-трансгаз» с использованием усовершенствованного бортового программно-аппаратурного комплекса.
5. Разработка технологии интерпретации комплекса мониторинговой информации на базе геоинформационных технологий. Автоматизированная обработка данных и представление выходных материалов в единой программной оболочке на основе обработки комплекса мониторинговой информации в соответствии с унифицированной технологией.
6. Автоматизированная интерпретация материалов локального мониторинга на основе комплексного системного анализа данных контактных измерений на контрольноизмерительных полигонах, параметров внутритрубной поршневой дефектоскопии и материалов синхронной спутниковой информации в программной среде MapInfo. Статистическая обработка информации и подготовка отчетной документации проводится по следующим актуальным задачам газотранспортной отрасли:
• создание интегрированной информационно-картографической базы данных в доступной для пользователя электронной форме на геотехнические системы линейной части Уренгойского коридора магистральных газопроводов в зоне технической ответственности ряда газотранспортных предприятий;
• создание интегрированной картографической базы данных в формате MapInfo, обеспечивающей учёт наличия, размещения и технических характеристик газовой сети (в т.ч. и проектируемых её участков), актуализацию, корректировку и уточнение планового положения;
• приведение картографической и планово-проектной документации, находящейся в ведении УМГ, к единому масштабу, проекции и системе координат, совмещение с атрибутивной базой проектной документации и данных по дефектоскопии, перевод в машинно-совместимую форму, организация рабочего места ГИС - оператора;
• привязка данных дефектоскопии и технической диагностики, создание атрибутивной базы данных и обновление по результатам поршневой дефектоскопии;
• выявление на ранней фазе и прогнозирование опасных экзогенных геологических процессов, картографирование и ландшафтная индикация в зоне влияния коридора коммуникаций по данным локального мониторинга и синхронной спутниковой информации;
• выявление, ранняя диагностика и расчет параметров напряженного состояния трубопроводов и инженерно-технических сооружений (деформация оснований и фундаментов) по данным локального мониторинга, в том числе на участках проявления опасных экзогенных геологических процессов;
• мониторинг зоны землеотвода, выявление нарушений землепользования в зоне ограничений хозяйственной деятельности вдоль трассы трубопровода по данным локального мониторинга;
• информационное обеспечение работ по шурфовке и замене участков газопровода, выявленных по данным дефектоскопии, определение оптимального маршрута выезда на место ремонтных бригад, подвоза и складирования оборудования;
• информационное обеспечение инженерно-геологических изысканий на стадии техникоэкономического обоснования и проектирования строящихся и реконструкции действующих участков трассы газопроводов;
• оперативный локальный мониторинг аварийных участков трассы газопровода (предоставление информации осуществляется в течение 2-3 часов после согласования технического задания на выполнение летно-съемочных работ).
В настоящее время созданная на линейную часть магистральной газотранспортной системы геоинформационная система прошла опытно-производственную апробацию и успешно внедрена в практику информационного обеспечения ООО «Мострансгаз». Полученные по данным локального аэромониторинга массивы актуализированной растровой информации составляют более 5 Гб и покрывают Уренгойский коридор коммуникаций на протяжении более 1,5 тыс. км. Совместно со специалистами Центральной производственно-технической лаборатории (ЦПТЛ) выявлено более 260 проблемных участков, запланированных к проведению комплексной внут-ритрубной поршневой дефектоскопии, наземных обследований и повторному аэромониторингу. Технология создания вышеназванных материалов защищена Патентом на группу изобретений, объединенных общим названием «Способ локального аэромониторинга геотехнических систем и бортовой комплекс для его осуществления» (Патент № 2227271 от 10.12.2002 г.). В связи с завершением этапа опытно-конструкторских работ и успешного проведения стендовых испытаний нового поколения программно-аппаратурного комплекса, выполненного в ГОУ МФТИ совместно с лабораторией Геоэкологии Севера географического факультета МГУ, СКБ МГТУ ГА и ОФ СЛА России, разработана программа и осуществлены комплексные летноэксплуатационные испытания авиационной платформы и бортовой системы на Киржачском и Ржевском полигонах. В 2006 г. Роспатент принял решение о выдаче Патента РФ на полезную модель «Бортовая система локального аэромониторинга объектов природно-техногенной сферы».
В процессе работ проведены также предварительные маркетинговые исследования современного состояния потребностей рынка РФ на ближайшие 3-5 лет и перспективу до 2010 г. Потенциальными потребителями СЛМ для выполнения функциональных задач информационного обеспечения могут быть следующие государственные и частные пользователи:
- земельно-кадастровые службы субъектов РФ - 35-40 комплектов;
- частные предприятия, занятые в подготовке топографо-геодезической основы для -
оформления земельных сделок - 18-20 комплектов;
- службы экологического мониторинга - 20-25 комплектов;
- подразделения МЧС в субъектах РФ - 35-40 комплектов;
- маркшейдерские, землеустроительные и геоэкологические службы ведущих нефтегазодобывающих компаний РФ - 15-18 комплектов;
- региональные подразделения РАО «Газпром» и его дочерних газотранспортных предприятий (ООО «Мострансгаз» и др.) - 18-20 комплектов.
Производительность предлагаемой системы локального мониторинга 25 кв. км/час. Стоимость 1 кв. км - 250 рублей. Достигается снижение затрат на выполнение дистанционного зондирования в сравнении с существующими космическими системами (QuickBird, IKONOS, IRS, SPOT-5 и др.) в 7 раз; с данными, получаемыми с помощью авиационных платформ - в 12 раз. Прибыль от выполнения производственных летно-съемочных работ составит не менее 80000 - 100 000 тыс. руб./год.
Обобщение данных локального мониторинга и ввод в производственную эксплуатацию комплексов таких систем в перспективе будет способствовать оптимизации управления, рациональному природопользованию и устойчивому развитию регионов РФ. Таким образом, сохраняя преемственность в части общей методологии научно-прикладных исследований аэрокосмического мониторинга, структуры базы данных атрибутивной информации и функций информационно-справочных ГИС, предлагаемые технологии СЛМ позволяют перейти на качественно новый уровень информационного обеспечения региональных органов управления и предприятий всех форм собственности по данным совмещенного космического и локального мониторинга.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кондратьев К.Я., Козодеров В.В., Топчиев А.Г., Федченко П.П. Биосфера: методы и результаты дистанционного зондирования. - М., Изд-во "Наука", 1990.
2. Солнцева Н.П. Добыча нефти и геохимия природных ландшафтов. - М., Изд-во МГУ, 1998.
3. Топчиев А.Г., Бородин Б.Ф., Антипов А.В. Система локального мониторинга "Биосфера ТМ" // Геодезия и картография, № 6. Геодиздат, 1997.
4. Топчиев А.Г., Девичев А.А., Любимцев М.Ю. Геоинформационная система оперативного Госземконтроля зоны влияния предприятий нефтегазового комплекса / "Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэросъемка", №7. Изд-во Московского государственного университета геодезии и картографии, 1997.
5. Топчиев А.Г., Девичев А. А., Любимцев М.Ю. Система геоинформационного обеспечения экологически устойчивого развития регионов добычи, переработки и транспортировки углеводородов // ГИС для оптимизации природопользования в целях устойчивого развития территорий. Материалы Международной конференции. Барнаул. 1998.
6. Никитин И.В. Экономические аспекты применения дельталетов в сельском хозяйстве// Научный Вестник МГТУ ГА, серия Общество, экономика, образование, №45, 2001.
7. Никитин И.В. Опыт практического использования сверхлегких воздушных судов в отраслях экономики на примере дельталетов СКБ МГТУ ГА // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов, №86, 2005.
8. Топчиев А.Г. Информационно-аналитическая система управления устойчивым развитием территории нефтяных месторождений Среднего Приобья // Экологические системы и приборы, № 3 - М., 2001.
9. Топчиев А.Г., Горбенко В.Я., Петренко А.С., Девичев А.А. Способ локального аэромониторинга геотехнических систем и бортовой комплекс для его осуществления. // Бюллетень № 11. Изд-во Роспатента РФ, 2004. (Патент № 2227271 от 10.12.2002 г.).
APPLYING TRICKE «POISK-O6 NT» FOR GEOECOLOGICAL MONITORING OF OBJECTS OIL
AND GAS COOPLEX
Kondranin T.V., Nikitin I.V., Topchiev A.G.
In a paper the analysis of a state of operations on constructing, flight tests and implementation in practice of data support oil and gas branch of a principally new system of local aeromonitoring grounded on applying tricke « Poisk-06 MT» of remote sensing, arranged with a board program - instrument complex is given.
Сведения об авторах
Кондранин Тимофей Владимирович, 1943 г.р., окончил МФТИ (1967), доктор физикоматематических наук, профессор, первый проректор, заведующий кафедрой систем, устройств и методов геокосмической физики МФТИ, автор трех изобретений, более 150 научных работ, область научных интересов: математическое моделирование переноса излучения в неоднородных средах, научнометодическое и программно-алгоритмическое обеспечение проектирования и эксплуатации оптикоэлектронных бортовых комплексов и систем дистанционного зондирования.
Никитин Игорь Валентинович, 1953 г.р., окончил МИИГА(1979), кандидат технических наук, пи-лот-эксперт-испытатель СЛА, ведущий научный сотрудник, научный руководитель СКБ МГТУ ГА, автор 10 изобретений, 86 научных работ, область научных интересов - сверхлегкая авиация, проектирование и конструкция, область и эффективность применения сверхлегких воздушных судов, аэродинамика и динамика полета, методы испытаний.
Топчиев Анатолий Георгиевич, 1946 г.р. окончил МГУ (1974), доктор технических наук, ведущий научный сотрудник НИИЛ геоэкологии севера географического факультета МГУ, член-корреспондент Международной академии информатизации; профессор кафедры автоматизации проектирования объектов нефтегазовой промышленности РГУ нефти и газа, автор более 50 научных работ, область научных интересов - аэроскосмический мониторинг, бортовые программно-аппаратурные комплексы, геоинфор-мационные системы объектов нефтегазовой промышленности.
