Аэрокосмический мониторинг месторождений нефти и газа

«Развитие инновационных профессионшzьных ко.мпетенций в новой среде обучения

-

виртушzьной

среде профессионшzьной деятельности»

В. Г. Аковецкий v

аэрокосмическим мониторинг v

месторождении

нефти и газа Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по нефтегазовому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающuхся по направлению подготовки дипломированных специшщстов 130500 «Нефтегазовое дело»

МОСКВА НЕДРА

2008

УДК ББК

528(075.8) 26.12 А38 Рецензенты:

кандидат технических наук ВА. Гутников (доцент кафедры управления эколого-экономическими

системами экологического факультета Российского университета Дружбы народов), кандидат технических наук В.Н. Лавров (ведущий сотрудник лаборатории дистанционного зондирования Земли ОАО •Промrаз•)

А38

Аковецкий В.Г.

Аэрокосмический мониторинг месторождений нефти и газа: Учебное

пособие для вузов.- М.: 000 •Недра~Бизнесцентр•, 2008.- 454 с.: ил.

ISBN 978-5-8365-0329-1 Рассмотрены современные подходы к проведению аэрокосмического мониторинга на

объектах нефтеrазовоrо комплекса. Впервые подробно изложены методические и технологи­

ческие подходы 1iаб.1юдений исследуемых территориальных объектов месторождений нефти и rаза на основе использования аэрокосмических технологий. Приведева классификация систем мониторинга и покаэано место аэрокосмических технологий, используемых для на­

блюдений природных компонентов окружающей среды, а также технологических объектов

систем эксплуатации месторождений и магистральных трубопро!ЮДов. Детально рассмотре­ ны съемочные комплексы, используемые для nолучения иэоОражений. Приведевы совре­ менные технологии измерений и дешифрирования объектов, применяемые для анализа и

отображения наблюдаемых характеристик исследуемых объектов месторождений нефти и rаза. Рассмотрены особенности проведения аэрокосмических мониторинrовых наблюдений природных и технологических обЪектов, иаходящихся на территории сухопутных и морских месторождений нефти и rаза, а также на территории магистральных трубопроводов. Для студентов и аспирантов высших учебных заведений, обучающихся по специаль­ ностям •Защита окружающей среды•, •Безопасность технологических процессов и произ­ водств•, •Экология и природопользование•, •Геология нефти и rаза•, •Проектирование, строительство и эксплуатация трубопроводных систем•, а также для учащихся магистерской подготовки по специальностям •Нефтеrазовая rеоэколоrия•, •Геоинформатика•.

Akovetskiy V.G. Aerospace monitoring of oil and gas fields. Teaching manual. ConternJ>orary rnethods of conducting aerospace rnonitoring on the oil and gas oblects are analyzed. For the first tirne you could find detailed description of rnethodological and technological approaches to oЬservations of analyzed territorial objects of oil and gas fields, based оп aerospace techпologies. Classification of rnoпitoring systems is shown and indicated place of аегоsрасе technologies, that are used for natural surrouпding eпvironrnent oЬservations, and technological objects of fields and trunk pipeline орегаtiоп systems. Iп detail exarniпed survey cornplexes, used for irnages collectiпg. Conternporary technologies of objects rneasurernent and decodiпg are shown. These techпologies are applied for analysis and iпdicatioп of observed characteristics of oil апd ~ fields objects. Coпsidere~ rnain. characteristics of coпductlпg aerospace rnoпitoriпg oЬservatюns of пatural and techпologlcal objects, located оп land and sea oil and gas fields and оп truпk pipeliпe territory. For students and graduates who are specializiпg iп •Eпviroпrneпtal Protectioп•, •Techпo­ logical processes and productioп security•, •Ecology and пature rnanagerneпt•, •Geology of oil ani:l gas•, •Design, constructioп and operatioп of pipeliпe systems•, апd for takiпg rnaster's degree in •Oil and gas geoecology•, •Geoiпforrnatics•. Данное издание является собственностью РГУ нефти и rаза

имени И.М. Губкина и ero репродуцирование (воспроизведение) любыми способами 6е8' соrласия университета запрещается.

ISBN 978-5-8365-0329-1

© Аковецкий В.Г., 2008 © Российский rосударствеuiiЬIЙ уире. реитет нефти и rаза имени И.М. Губкина, 2008. © ОФормление. · 000 •Недра-Бизнесцентр•, 2008 © Голубев В.С., оформление серии, 2008

•

ВВЕДЕНИЕ

В начале

XXI

века планетарное развитие человечества все полнее прини­

мает ярко выраженную окраску. Целостное восприятие единой картины мира,

объединяющее процессы, происходящие в различных уголках земного шара, во многом связано с развитием экологических дисциплин изучения окружающей

среды на базе последних достижений информационных технологий. Глобализация мировой экономики и промышленности, энергетических и транспортных сетей приводит к тому, что всеобъемлющее эхо финансово-про­ мышленных и экологических кризисов в одних регионах в явном или неявном

виде оказывает свое воздействие практически на все страны мирового сообще­ ства.

Происходящие процессы глобализации являются определяющей причиной возникновения экологических проблем nланетарного характера, к которым от­ носятся: •парниковый эффект•, истощение озонового слоя, уменьшение площа­ ди лесов, возникновение кислотных дождей, увеличение отходов nроизводства,

загрязнение nочв при сельскохозяйственных работах, а также производство энергии. Ярким проявлением таких процессов является трансграничное загряз­

нение

окружающей

среды

промытленными

объектами

сопредельных

госу­

дарств. К примеру, радиоактивное загрязнение европейских территорий связано

с влиянием nоследствий аварии Чернобыльекой АЭС на Украине, а загрязне­ ние вод Дуная неразрывно связано со сбросом сточных вод промытленными и сельскохозяйственными объектами Германии, Австрии, Венгрии, Румынии, Болгарии и Молдавии. Применительно к задачам нефтегазовой отрасли вопросами охраны окру­ жающей среды занимаются Международная ассоциация представителей нефтя­

ной nромышленности по охране окружающей среды нефтяной институт и газа

(API)

(IPIECA),

Американский

и Международная ассоциация nроизводителей нефти

(OGP).

В Международной ассоциации представителей нефтяной промwшленности по охране окружающей средw (IPIECA) nредставлены нефтяные и газовые ком­ nании, а также ассоциации со всего мира. Основанная в

1974

г., вслед за созда­

нием Программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде

(UNEP), IPIECA

играет роль одного из главных каналов связи с ООН для

нефтяной промышленности. IPIECA является единственной глобальной орга­ низацией, представляющей интересы нефтяной промышленности, - как добы­ вающих, так и nерерабатывающих ее отраслей, в таких ключевых глобальных социальных и экологических воnросах, как ликвидация нефтяных разливов,

глобальные изменения климата, воnросы здравоохранения, качество топлива, разнообразие форм жизни и социальная ответственность.

Через Форум оценки стратегических проблем IPIECA также помогает сво­ им членам выявлять новые глобальные экологические проблемы и оценивает их потенциальное воздействие на нефтегазовую промышленность. В программе

IPIECA

полностью учитываются мировые тенденции, влияющие на эти про­

блемы, и она играет роль форума для обсуждения и сотрудничества с участием представителей нефтяной промышленности и международных организаций. Америкаиский иефтяиой ииститут

объединением в

(API)

является главным отраслевым

Соединенных Штатах, представляющим нефтегазовую про­

мышленность, и единственной организацией, представляющей все сегменты про­

мышленности. Представляя одну из наиболее технологически передовых отрас­ лей в мире, API объединяет более четырехсот корпораций, занятых во всех ви­ дах деятельности нефтегазовой промышленности, в том числе геологоразведке и

добыче, переработке и маркетинге, транспортировке по морю и трубопроводам,

а также сервисные и снабженческие компании, обслуживающие нефтегазовую отрасль.

Штаб-квартира

API

находится в Вашингтоне, федеральный округ Колум­

бия, имеет представительства в тельство своим членам в

33

27

столицах штатов и обеспечивает представи­

штатах страны.

API

обеспечивает форум для всех

сегментов нефтегазовой промышленности, позволяющий преследовать полити­ ческие цели и отстаивать интересы отрасли.

API

проводит фундаментальные

научные, технические и экономические исследования, содействуя укреплению

своих позиций, разработке стандартов и качественных сертификационных про­ грамм, используемых во всем мире. Являясь крупным исследовательским ин­

ститутом,

API

подкрепляет эти общественные политические позиции, ведя на­

учные, технические и экономические исследования.

Междупародпая ассоциация производителей иефти и газа

(OGP)

представ­

ляет перерабатывающую нефтегазовую промышленность перед международны­ ми организациями, такими, как Международная морская организация

Программа Организации Объединенных Наций по окружающей среде

(IMO), (UNEP),

Конвенция региональных морей, и другими группами под •зонтиком• ООН.

Российская Федерация является одной из крупнейших нефтегазодобы­ вающих стран мира. Нефтяная и газовая промышленность являются базовыми отраслями экономики. Россия располагает крупнейшими разведанными запаса­ ми природного газа и нефти. За годы становления и развития нефтяной и газо­

вой промышленности создана мощная производственная инфраструктура добы­ чи, подготовки и транспортировки углеводородного сырья к потребителю. От состояния объектов нефтегазового комплекса зависит не только успех и эконо­

мическая эффективность деятельности отдельной компании, но и промышлен­

ная, экономическая и экологическая безопасность всего государства. В настоящее время наблюдается износ основного производственного фонда нефтегазового комnлекса, что nриводит к увеличению

числа аварийных отка­

зов оборудования. В частности, нефтеnроводы со сроком эксплуатации более

20 лет составляют 75 %, а более 30 лет - 37 %. В газотрансnортной отрасли 35 % газопроводов работают более 20 лет и 37 % - больше 30 лет. Увеличение количества аварий негативно сказывается на экологическом состоянии террито­

рий, на которых расположены объекты нефтеrазового комnлекса.

4

Все больше месторождений разрабатываются в сложных географических условиях Крайнего Севера, на шельфе морей и океанов, что существенно влия­ ет

на уровень

производства

энергоресурсов

и

вызывает дополпительные

внут­

ренние проблемы в нефтяной и газовой промышленности. Их решение требует привлечения принципиально новых информационных технологий, обеспечи­

вающих постоянный комплексный контроль и наблюдение за состоянием объектов как технологической инфраструктуры нефтегазовых комплексов, так и природных объектов компонентов окружающей среды. Длительность реализации инвестиционных проектов в нефтегазовом ком­ плексе достигает исходит

лет. На протяжении данного промежутка времени про­

40-60

изменение

законодательных

природных компонентов

и

нормативных

документов,

состояния

окружающей среды, замена и реконструкция

исnоль­

зуемого технологического оборудования. Учет изменяющихся условий реализа­ ции nроекта требует наблюдения, контроля и управления этими процессами, что априорно предполагает их сопровождение и управление на основе исполь­

зования данных постоянных мониторингоных наблюдений. Решение перечисленного комплекса задач предполагает использование ин­

новационных подходов, базирующихся на последних научных достижениях. Их успешное применение возможно лишь при наличии полной информационной

картины всех этапов реализации инвестиционных проектов. Такой подход тре­

бует наличия информационного обеспечения, обязательной составной частью которого должно являться геоинформационное обеспечение. Широкое распространение ГИС получили при решении экологических за­

дач. В

1990

году был разработан и принят в эксплуатацию •Глобальный ре­

сурсный банк данных•

(GRID).

Он предназначен для использования в интере­

сах международной службы, занимающейся анализом данных по окружающей среде, и создан в рамках Программы ООН по окружающей среде в качестве

составного компонента •Глобальной системы мониторинга окружающей среды•.

Аналогичный по своему значению •Проект глобальной базы данных•, был вы­ полнен в рамках Международной геосферно-биосферной программы •Глобаль­ ные изменения•.

Геоинформационное обеспечение, как вид информационного обеспечения, содержит геопространственную, функционально ориентированную информацию

об инфраструктурных объектах месторождений нефти и газа. Учитывая стадий­ ность реализации проектов, а также необходимость постоянного обновления и актуализации используемой информации, необходимо создавать технологии мониторингоных наблюдений, обеспечивающих оперативное получение широко­ го спектра измерительной информации на значительных территориях. Конеч­ ным результатом проведения мониторингоных наблюдений является совокуп­ ность

геоинформационных

продуктов,

отражающих

состояние

исследуемых

объектов на текущий момент времени реализации инвестиционного проекта. Данные геоинформационные продукты используются в качестве исходных дан­ ных для построения моделей оценки, прогноза, ситуационного моделирования

исследуемых процессов и явлений, а в конечном счете, для выработки управ­ ляющих решений реализации инвестиционного проекта.

Характерной особенностью геоинформационного обеспечения мониторинга

5

объектов нефтегазового комплекса является трехуроненная технология его соз: дания.

На первом уровне создается геоинформационное обеспечение территории месторождения или трубопровода, содержащее цифровую топографическую мо­

дель, а также построенные на ее основе цифровые модели происходящих геоло­

гических, гидрометеорологических, экологических процессов и явлений, отно­ сящиеся к соответствующей стадии инвестиционного проекта.

На втором уровне, в геопространстве топографической модели, создается геоинформационное обеспечение проекта, содержащее модели инфраструктур­

ных и технологических объектов месторождений или трубопроводов, относя­ щиеся к текущему моменту реализации инвестиционного проекта.

На третьем уровне, используя полученные разновременные модели состоя­

ния объектов, строят динамическую модель исследуемых процессов или явле­

ний, которая является основой для принятия

соответствующих управляющих

решений при реализации проекта.

Повышение эффективности создания геоинформационного обеспечения на основе рассмотренных подходов мониторингоных наблюдений, с точки зрения стоимости, точности, надежности и производительности, возможно посредством

использования унифицированных технологий сбора исходной информации, их обработки и хранения.

Наиболее

полно

данным

требованиям

удовлетворяют

аэрокосмические

технологии дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Именно эти техноло­

гии

могут обеспечить инновационный подход, который в рамках мониторинго­

ных наблюдений за исследуемыми технологическими и природными территори­ альными объектами нефтегазового комплекса дает качественно новый путь ре­ шения традиционных задач.

Примерам такого подхода был логический мониторинг•

(1990

международный проект •Глобальный эко­

год), ориентированный на использование для

экологических целей военных спутниковых группировок.

В настоящее время создались наиболее благоприятные условия использо­ вания технологий аэрокосмического мониторинга в нефтегазовой отрасли. Это связано со значительными успехами в разработке космических и аэросъемоч­ ных систем дистанционного зондирования Земли на основе принципиально но­

вых цифровых информационных технологий. Материалы космической съемки по своим информационным характеристикам стали сравнимы с материалами аэросъемки. Наряду с этим в последнее десятилетие в составе аэросъемочных комплексов

появились качественно новые системы, которые существенно рас­

ширили сферу использования средств дистанционного зондирования Земли. К таким системам

новые

следует отнести измерительные лазерные сканеры, длинновол­

радиолокаторы

подповерхностного

зондирования,

радиолокационные

системы децИметрового пространствеиного разрешения, лазерные спектрометры

для измерения фоновых уровней концентраций малых газовых компонент. Сле­ дует отметить также появление нового класса аэросъемочных комплексов, ис­

пользуемых при проведении съемок с беспилотных летательных апnаратов (БПЛА).

В Российской Федерации наиболее широко технологии аэрокосмических

6

съемок используются в предприятиях ОАО •Газпром~. ОАО «Роснефть~. ОАО

«Сурrутнефтегаз~. ОАО •Транснефть~. Большой объем исследовательских ра­ бот выполняется в дочерних предприятиях ОАО •Газпрома~. таких как ВНИИГАЗ, ОАО •Промгаз~. а также Институте нефти и газа РАН РФ. В частности, в рамках ОАО •Газпром•, на базе дочерней компании «Газ­ ком~. рассматривается возможность разработки специализированной низкоор­ битальной спутниковой группировки •Смотр~. ориентированной на решение задач

нефтегазовой

отрасли.

В

состав

данной

группировки

предполагается

включить:

радиолокационные спутники •Стрелка Р1~. •Стрелка Р2~. спутник

•Стрелка

ОС•

с

оптико-электронной

аппаратурой

среднего

разрешения,

«Стрелка ОВ• с оптико-электронной аппаратурой высокого разрешения, назем­ ный комплекс управления, наземный целевой комплекс приема и обработки

данных. Высота орбиты спутников составит ствования

- 7

530-670

км, срок активного суще­

лет.

В НПО им. С.А. Лавочкина совместно с Росгидрометом проведена пред­

проектная разработка универсальной космической системы «Арктика•. Ее соз­ дание предполагается выполнить в течение ближайших четырех лет на базе созданных космических платформ типа «Навигатор• (НПО им. С.А. Лавочки­

на) и «Экспресс• (НПО ПМ им. М.Ф. Решетнева). Аппараты •Арктика• ори­ ентированы на решение задач поиска и разведки месторождений полезных ис­ копаемых, создание кадастра, ведение мониторинга. В состав данной группи­ ровки должно входить шесть космических аппаратов.

В настоящее время, несмотря на отсутствие специализированных спутни­ ковых группировок, в нефтегазовой отрасли получают распространение техно­ логии дистанционного

зондирования

на

основе

существующих

космических

и

авиационных съемочных систем. Ключевое место в решении этих задач зани­

мают аэрокосмические фотограмметрические технологии. Эти технологии по­ зволяют на единой аnпаратно-программной метрологической основе осущест­

вить технологический цикл обработки, включающий получение изображений, измерение пространствеиных координат объектов местности; функциональное дешифрирование изображений объектов и отображение их в виде цифровых геоинформационных продуктов в пространствеиной системе координат. Следует однако отметить, что несмотря на отдельный успешный опыт ис­ пользования технологий дистанционного зондирования Земли для решения за­ дач нефтегазовой отрасли, они не нашли широкого применения как для реше­

ния чисто технологических задач, так и для решения экологических задач. Ос­ новной причиной данного положения является отсутствие квалифицированных

кадров, специализированных учебников и учебных пособий, а также соответст­ вующих дисциплин в нефтеrазовых

учебных заведениях, готовящих специали­

стов в области охраны окружающей среды, геоэкологии, промытленной эколо­ гии, разработки и обустройства месторождений нефти и газа, проектирования

трубопроводных систем. Целью представленного учебного пособия является рассмотрение основ­ ных методов и технологий решения задач мониторинговых исследований про­

цессов и явлений, происходящих на

территории месторождений нефти и газа,

а также трасс трубопроводов на основе использования аэрокосмических техно-

7

логий в рамках реализации инвестицииониого проекта. В качестве отправных

положений разработки данного пособия приняты требования существующих нормативно-методических документов к видам создаваемых геоинформацион­ ных

продуктов

и

отчетных

документов,

используемых

на

этапах

предпроект­

ных и проектных работ, а также на этапах строительства и эксплуатации объектов.

Разработка данного пособия потребовала использования широкого спектра информационных материалов, которые были предоставлены руководством ком­ паний ЗЛО •Совзонд•, ИТЦ •СканЭкс•, •Геокосмос•, ГНПЦ им. М.В. Хруни­ чева. ЗЛО НПП •Центр прикладной геодинамики•. 000 •Агентство Геоин­ форматики и Риска•. которым автор выражает свою признательность.

•

Раздел

1

СИСТЕМЫМОНИТОРИНГА

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Глава

1

ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ

МОНИТОРИНГОВЫХ НАБЛЮДЕНИЙ 1.1.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Изложение любой новой дисциплины принято начинать с определения ос­ новных понятий и терминов. Не будем изменять этой традиции и мы. В своей первоначальной основе термин «мониторинг• в переводе с латин­

ского слова тonitor означает наблюдающий или предостерегающий. Именно так называли в старину впередсмотрящего матроса, который наблюдал с мачты

судна за линией горизонта и первый сообщал о появлении суши или встречных кораблей. В своей современной трактовке термин «мониторинг• появился в ХХ веке для характеристики периодически выполняемых наблюдений за исследуемыми процессами и явлениями в различных сферах жизнедеятельности человека.

В стандарте

ISO 4225-80

под мониторингом понимаются многократные

измерения для слежения за изменением какого-либо параметра в некотором интервале времени.

Учитывая универсальность данного понятия, его широко используют для характеристики наблюдений за динамически протекающими процессами. Из­ вестны такие понятия, как мониторинг проекта, финансовый мониторинг, мони­

торинг окружающей среды, мониторинг опасных геологических процессов и явле­ ний и т.д.

Использование термина «мониторинг• применительно к наблюдениям про­ цессов, происходящих в окружающей среде, было рекомендовано комиссией

Научного комитета по проблемам окружающей среды при ЮНЕСКО в 1971 г. После Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде, состоявшейся в 1972 г., данный термин стал повсеместно использоваться в научных кругах. При введении этого понятия акцентировалось внимание на его естественнона­ учный подход, где под мониторингом понимается комплексная система наблю­ дений, оценки и прогноза изменений окружающей среды под влиянием антро­ погенных воздействий.

Именно на этой конференции была разработана программа по окружаю­ щей среде UNEP (ЮНЕП). В 1974 году ООН одобрила программу UNEP по

проблемам окружающей среды, в рамках которой была предложена •Глобаль­ ная система

no

мониторингу окружающей среды• (ГСМОС).

Основными целями данной системы являлись:

установление уровня выбросов загрязнителей в окружающую среду, их распространение в пространстве и во времени;

определение величин потоков и скоростей выбрасываемых загрязнителей и

вредных продуктов их превращений; обеспечение сравнения пробоотбора,

обмен

опытом

организации

мониторинга;

б

обеспечение информацией в глобальном и региональном масшта ах для

принятия решений по управлению борьбой с загрязнителями;

v

создание систем стандартизации в области охраны окружаюшеи среды~ Вопросами стандартизации было поручено заниматься международнон ор­

ганизации по стандартизации (ISO), которая разработала стандарты группы ISO 9000 (Международная система стандартов по управлению ка_;еством) и

группы 14000 (Международная система стандартов по окружаюшеи среде). В развитие данных стандартов в Российской Федерации разработаны ГОСТы группы Р (Стандарты по управлению качеством) и группы

17 (Стандарты по

охране природы).

Следующим этапом международного сотрудничества в области разработок

программ экологического мониторинга стала программа наблюдения и оценки распространения загрязняющих вредных веществ на большие расстояния в Ев­ ропе. Она была принята в 1979 г. на общеевропейском совещании в Женеве. В этой программе содержатся:

методические рекомендации по отбору проб и их анализу, определению химических характеристик;

сбор данных о выбросах; построение математических моделей для оценки трансграничных потоков; составление экспериментальных и расчетных данных, их анализ.

Следует отметить, что начиная с момента присоединения России к дея­ тельности UNEP (1995 г.), Роскомгидромет стал принимать участие в програм­ ме глобального климатического мониторинга.

Говоря об организации комплексных мониторинговых наблюдений в Российской Федерации, следует выделить три основных наnравления их раз­ вития:

государственный мониторинг окружающей среды с целью оценки и про­ гноза изменения ее состояния на федеральном и региональном уровнях;

мониторинг компонентов окружающей среды чрезвычайных ситуаций;

с целью nрогнозирования

локальный мониторинг компонентов окружающей среды территориальных

природных и технологических объектов с целью оценки и прогноза изменения их состояния;

Первое направление комnлексного мониторинга окружающей среды с це­ лью оценки и проrноза изменения ее состояния связано с решением экологиче­

ских задач на уровне государства и его субъектов.

Второе направление развития комnлексных мониторингоных наблюдений реализуется в рамках единой государственной программы мониторинга

окру­

жающей среды для целей обеспечения безопасности территорий и проживаю­ щего на них населения от воздействия природных процессов и явлений, а так­ же техногеиных аварий и катастроф.

Третье направление развития систем комплексных мониторингоных на­ блюдений связано с переходом от систем государственного и республиканского мониторинга

10

к системам

локального мониторинга компонентов окружающей

среды. Данный вид мониторинговых наблюдений осуществляется в рамках тер­ ритории действия организации или предприятия.

На уровне отдельного предприятия эти три направления объединяются в рамках единой системы производственного экологического мониторинга или в рамках локального мониторинга природно-технической системы территориаль­ ных объектов предприятия.

Для их эффективного использования на уровне системы управления про­

ектом рассмотрим требования нормативных документов к перечию решаемых функциональных задач и структуре организации мониторинговых наблюдений в рамках заданных территориальных образований.

1.2.

ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ГОСУДАРСТВЕННОГО МОНИТОРИНГА

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Задачи оценки и прогноза состояния компонентов окружающей среды в рамках государственных территориальных образований требуют организации комплексных наблюдений на основе законодательно оформленных норматив­ ных требований. В Российской Федерации впервые создание Единой государ­ ственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ) законодательно было оформлено Постановлением Совета Министров - Правительства Российской

Федерации от 24 ноября 1993 г . .N2 1229. Соответствующими приказами и по­ становлениями была также предусмотрена разработка территориальных подсис­ тем ЕГСЭМ. Основными задачами ЕГСЭМ являлись:

разработка общероссийской программы наблюдения за состоянием окру­ жающей среды;

разработка и реализация единой научно-технической политики в области экологического мониторинга;

организация наблюдений и проведение измерений показателей объектов экологического мониторинга;

организация хранения и создание специализированных банков данных; обеспечение органов управления информацией о состоянии окружающей природной среды, природных ресурсов и об экологической безопасности; обмен банками и базами данных с международными геоинформационными системами;

оценка и прогноз состояния окружающей природной среды и антропоген­ ных воздействий; организация и проведение оперативного контроля и сверхточных измере­

ний радиоактивных и химических загрязнений при авариях и катастрофах; про­ гноз последствий и оценка ущерба. Начиная с 1996 г., в России стали функционировать первые региональные информационно-аналитические экологические центры (РИАЦ), информация которых использовалась в государственных докладах о состоянии окружающей среды в субъектах федерации. Однако следует отметить, что по ряду организационных и технических

причин эта система до конца разработана не была. В настоящее время концептуальные вопросы организации системы госу­ дарственного мониторинга окружающей среды прописаны в Федеральном За­ коне -«06 охране окружающей среды• (от 10 января 2002 r.). В этом законе в статье

1

понятие мониторинг определено в следующем иЗJiожении:

11

.мониторинг окружающей среды (экологиЧЕский .мониторинг)

- комплексная

система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза из­ менений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов.

u

u

в развитие этого закона в постановлении Правительства Россинекои Федерации от 31 марта 2003 г. N2 177 •Об организации и осуществлении государ­ ственного мониторинга окружающей среды (государственного экологического мониторинга)• раскрывается понятие государственного мониторинга окружающей среды и его составляющих компонентов:

•Под

государственным

венным экологическим

мониторингом

u

окружаюшеи

среды

(государст­

мониторингом) понимается комплексная система на­

блюдения за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений со­ стояния окружающей

среды

под воздействием природных и антропогенных

факторов (далее именуется - экологический мониторинг). Экологический мониторинг включает в себя мониторинг атмосферного

вьздуха, земель, лесов, водных объектов, объектов животного мира, уник~ьно~

экологической системы озера Байкал, континентального шельфа Россинекои

Федерации, состояния недр, исключительной экономической зоны Российской Федерации, внутренних морских вод и территориального моря Российской Федерации•. В этом

постановлении

отмечено,

что целями

проведения экологического

мониторинга являются:

1)

наблюдения за состоянием окружающей среды, в том числе за состоя­

н~Jем окружаюшей среды в районах расположения источников антропогенного возлействия и воздействием этих источников на окружающую среду;

2)

оценка и прогноз изменений состояния окружающей среды под воздей­

ствием природных и антропогенных факторов; 3) обеспечение потребностей государства, физических и юридических лиц в достоверной информации о состоянии окружающей среды и ее изменениях,

необходимой для предотвращения и (или) уменьшения неблагаприятных по­ следствий таких изменений. Совместно с экологическим мониторингом осуществляется экологический контроль в области охраны окружающей среды. Он проводится в целях обес­

печения исполнения законодательства в области охраны окружающей среды, соблюдения требований, в том числе нормативов и нормативных документов, в области охраны окружающей среды, а также обеспечения экологической безо­ пасности.

Наряду с экологическим осуществляется также производственный эколо­ гический контроль. Он осуществляется в целях обеспечения выполнения в про­ цессе хозяйственной и иной деятельности мероприятий по охране окружающей среды, рациональному использованию и восстановлению природных ресурсов, а

также в целях соблюдения требований в области охраны окружающей среды, установленных законодательством в области охраны окружающей среды.

Исходя из изложенных положений следует, что система экологического мониторинга является источником исходных данных для системы

ского управления и контроля

экологиче­

воздействия на окружающую среду.

Эффективность проведения экологического мониторита определяется nо­ лучением полной и объективной информации о состоянии окружающей среды, которая, в свою очередь, зависит от перечня наблюдаемых обьектов и их пара­

метров, т.е. объектов охраны окружающей среды.

Объектами охраны окружающей среды от загрязнения, истощения, дегра12

дации, порчи, уничтожения и иного негативного воздействия хозяйственной и иной деятельности являются земли, недра, почвы; поверхностные и подземные воды;

леса

и

иная

растительность,

животные и

другие организмы

и

их генети­

ческий фонд; атмосферный воздух, озоновый слой атмосферы. В первоочередном порядке охране подлежат экологические системы, при­ родные ландшафты и природные комплексы, не подвергшиеся антропогенному воздействию.

Следовательно, перечисленные объекты попадают в систему мониторинга, как наблюдаемые объекты окружающей среды. Требования к мониторингу атмосферного воздуха прописаны в ФЗ «Об охране атмосферного воздуха~ (принят 2 апреля 1999 г. Государственной Ду­ мой, ред. Федеральных законов от 22.08.2004 г . .'Ni! 122-ФЗ, от 09.05.2005 г . .'Ni! 45-ФЗ, от 31.12.2005 г. N!! 199-ФЗ). В статье 23 этого закона говорится: «... Государственный мониторинг атмосферного воздуха является составной частью

государственного мониторинга окружающей среды и осуществляется

федеральными органами исполнительной власти в области охраны окружающей среды, другими органами исполнительной власти в пределах своей компетен­

ции в порядке, установленном Правительством Российской Федерации (п. 2 в ред. Федерального закона от 22.08.2004 г. N!! 122-ФЗ) . ....Территориальные органы федерального органа исполнительной власти в

области охраны окружающей среды совместно с территориальными органами федерального органа исполнительной власти в области гидрометеорологии и смежных с ней областях устанавливают и пересматривают перечень объектов, владельцы которых должны осуществлять мониторинг атмосферного воздуха (в

ред. Федерального закона от В статье

25

22.08.2004

г.

N!!

122-ФЗ)•.

данного закона определяется, что «производственный кон­

троль за охраной атмосферного воздуха осуществляют юридические лица, кото­

рые имеют источники вредных химических, биологических и физических воз­ действий на атмосферный воздух и которые назначают лиц, ответственных за проведение производственного контроля за охраной атмосферного воздуха, и

(или) организуют экологические службы ... (п. г. М 199-ФЗ)•.

3

в ред. Федерального закона от

31.12.2005

Необходимость выполнения мониторинга земель прописана в Земельном Кодексе (в ред. Федеральных законов от 30.06.2003 г. М 86-ФЗ, от N!! 58-ФЗ, от 03.10.2004 г. N2 123-ФЗ, от 21.12.2004 г. N2 172-ФЗ, от N!! 189-ФЗ, ОТ 29.12.2004 г. N!! 191-ФЗ, от 07.03.2005 г. м 15-ФЗ, от

N!! 111-ФЗ, от 22.07.2005 г. М 117 -ФЗ, от 31.12.2005 г. М

29.06.2004 г. 29.12.2004 г. 21.07.2005 г. 206-ФЗ ). В статье 67

этого документа говорится:

«Государственный мониторинг земель представляет собой систему наблю­ дений за состоянием земель. Объектами государственного мониторинга земель являются все земли в Российской Федерации. Задачами государственного мониторинга земель являются:

1)

своевременное выявление изменений состояния земель, оценка этих из­

менений, прогноз и выработка рекомендаций о предупреждении и об устране­ нии последствий негативных процессов;

2) информационное обеспечение ведения государственного земельного ка­ дастра, государственного земельного контроля за использованием и охраной земель, иных функций государственного и муниципального управления земель­ ными ресурсами, а также землеустройства;

3) обесnечение граждан информацией о состоянии окружающей среды в части состояния земель.

1З

в зависимости от целей наблюдения и наблюдаемой территории государ­ ственный мониторинг земель может быть федеральным, региональным и локальным

...•.

Порядок осуществления государственного мониторинга земель прописан в

постановлении Правительства РФ от 28 ноября 2002 г. «Об утверждении по­ ложения об осуществлении государственного мониторинга земель•.

В зависимости от целей и территории наблюдения мониторинг подразде­ ляется на федеральный, региональный и локальный и осуществляется в соот­ ветствии с федеральными, региональными и местными проrраммами.

Мониторинг включает в себя:

u

u

а) сбор информации о состоянии земель в Россинекои Федерации, ее обработку и хранение; б) неnрерывное наблюдение за исnользованием земель исходя из их целевого назначения и разрешенного исnользования;

v

в) анализ и оценку качественного состояния земель с учетом воздеиствил

природных и антроnогенных факторов ... Получение информации nри осуществлении мониторинга может nроизводиться с использованием:

а) дистанционного зондирования (съемки и наблюдения с космических аn­

nаратов, самолетов, с nомощью средств малой авиации и других летательных апnаратов); б) сети nостоянно действующих полигонов, эталонных стационарных и иных участков, межевых знаков и т.п.;

в) наземных съемок, наблюдений и обследований (сnлошных и выбороч­ ных);

г) соответствующих фондов данных.

Съемки, наблюдения и обследования, осуществляемые в ходе проведе­ ния мониторинга, в зависимости от срока и nериодичности nроведения делят­ ся на:

а) базовые (nроводятся для получения данных о состоянии земель на мо­ мент начала ведения мониторинга);

б) периодические (проводятся для nолучения данных о состоянии земель за оnределенный nериод - раз в 3 года и более); в) оnеративные (nроводятся для получения данных о состоянии земель на текущий момент).

ФеДеральная служба земельного кадастра России, ее территориальные ор­ ганы и

организации осуществляют мониторинг с

использованием автоматизи­

рованной информационной системы, функционирующей во взаимодействии с автоматизированными информационными системами органов государственной власти и органов местного самоуправления.

Порядок мониторинга геологической среды nрописан в •Положении о по­ рядке осуществления

государственного

мониторинга состояния

недр

Россий­

ской Федерации от 21 мая 2001 г. М 433 (БюЛJiеmепь пормативных актов фе­ дералыtьtХ орzанов исполпительпой власти, 2001, М 33). Настоящее Положение устанавливает nорядок осуществления государст­ венного мониторинга состояния недр Российской Федерации.

1. Государственный мониторинг состояния недр или геологической среды

(д~ее по тексту - ГМСН) nредставляет собой систему регулярных наблюде­

нии, сбора, накопления, обработки и анализа информации, оценки состояния

геологической среды и nроrноза ее изменений nод влиянием естественных при­ родных факторов, недрапользования и других видов хозяйственной деятельно-

14

сти. ГМСН является составной частью (подсистемой) комплексной системы мониторинга окружающей природной среды. 2. Целью ГМСН является информационное обеспечение управления госу­ дарственным фондом недр и рационального недрапользования в части, выте­ кающей из задач и функций ГМСН.

3.

Основными задачами ГМСН являются:

получение, обработка и анализ данных о состоянии недр; оценка состояния недр и прогнозирование его изменений; своевременное

выявление

и

прогнозирование

развития

природных

и

тех­

ногенных процессов, влияющих на состояние недр;

учет состояния недр по объектам недропользования, запасов подземных вод и их движения;

разработка, обеспечение реализации и анализ эффективности мероприятий по обеспечению экологически безопасного недрапользования и охраны недр, а также по предотвращению или снижению негативного воздействия оnасных геологических процессов;

регулярное информирование органов государственной власти, организаций,

недропользователей и других субъектов хозяйственной деятельности об изме­ нениях состояния недр в установленном порядке;

межведомственное

взаимодействие

и

международное

сотрудничество

в

сфере экологически безопасного природопользования.

4.

Система государственного мониторинга состояния недр включает сле-

дующие подсистемы: мониторинг подземных вод; мониторинг опасных экзогенных геологических процессов; мониторинг опасных эндогенных геологических процессов;

мониторинг месторождений углеводородов; мониторинг месторождений твердых полезных ископаемых;

мониторинг участков недр, используемых для целей, не связанных с добы­ чей полезных ископаемых; мониторинг участков недр, испытывающих воздействие хозяйственной деятельности, не связанной с недропользованием; мониторинг геологической среды континентального шельфа.

Организацию работ по государственному мониторингу состояния недр осуществляет Министерство природных ресурсов Российской Федерации (МПР России) во взаимодействии с другими специально уполномоченными государ­ ственными органами в области охраны окружающей природной среды и приро­ допользования.

Государственный

мониторинг состояния

ральном, региональном, территориальном

недр осуществляется на феде­

( административно-территориальном)

и объектном (локальном) уровнях. Ведение объектного (локального) монито­ ринга состояния недр осуществляют недрапользователи и иные субъекты хо­ зяйственной деятельности, влияющие на состояние недр. Условия, объемы и виды мониторинга определяются в процессе nолучения участков недр в недра­ пользование.

Информационной основой осуществления ГМСН являются сведения о со­

стоянии недр, полученные при выполнении геологоразведочных, горнодобы­ вающих и всех других видов работ, связанных с государственным геологиче­

ским изучением и использованием недр, и данные по на.блюдательным пунктам,

объединяемым в государственную опорную, ведомственные, муниципальные и локальные (объектные) наблюдательные сети.

15

Необходим.остъ проведения мониторинга во~нъtх обьеюпов прописана в ст~­

тье 30 ФЗ от 3 июня 2006 г .• о введении в деиствие Водного кодекса Россинекой Федерацию·.

В соответствии с этой статьей:

1. Государственный мониторинг водных объектов представляет собой сис­ тему наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния водных объекто~,

находящихся в федеральной собственности, собственности субъектов Россин­ екой Федерации, собственности муниципальных образований, собственности физических лиц, юридических лиц.

2.

Государственный мониторинг водных объектов является частью государ­

ственного мониторинга окружающей среды. 3. Государственный мониторинг водных объектов осуществляется в целях:

1)

своевременного

выявления

и

прогнозирования

развития

негативных

процессов, влияющих на качество воды в водных объектах и их состояние, раз­ работки и реализации мер по предотвращению негативных последствий этих процессов;

оценки эффективности осуществляемых мероприятий по охране водных

2)

объектов;

3) информационного обеспечения управления в области использования и охраны водных объектов, в том числе для государственного контроля и надзора

за использованием и охраной водных объектов. 4. Государственный мониторинг водных объектов включает в себя: 1) регулярные наблюдения за состоянием водных объектов, количествен­ ными

и

качественными

показателями

состояния

водных

ресурсов,

а

также

за

режимом использования водоохранных зон;

2)

сбор, обработку и хранение сведений, полученных в результате наблю­

дений;

3) внесение сведений, полученных в результате наблюдений, в государст­ венный водный реестр;

4) оценку и прогнозирование изменений состояния водных объектов, ко­ личественных и качественных показателей состояния водных ресурсов. 5. Государственный мониторинг водных объектов состоит из: 1) мониторинга поверхностных водных объектов с учетом данных монито­ ринга, осуществляемого при проведении работ в области гидрометеорологии и смежных с ней областях; 2) мониторинга состояния дна и берегов водных объектов, а также состоя­ ния водоохранных зон;

3) мониторинга подземных вод с учетом данных государственного монито­ ринга состояния недр;

4) наблюдений за водахозяйственными системами, в том числе за гидро­ техническими сооружениями, а также за объемом вод при водапотреблении и

. .... В соответствии со статьей 60 •Ввод в эксплуатацию объектов, предна­

водоотведении

значенных для транспортировки, хранения нефти и (или) nродуктов ее перера­

ботки, без оборудования таких объектов средствами предотвращения загрязне­ ния водных объектов и контрольно-измерительной апnаратурой для обнаруже­ ния утечки указанных веществ запрещается•.

Одновременно с данным законом в ГОСТ 17.1.3.05-82 ( •Охрана nрироды. Гидросфера. Общие требования к охране nоверхностных и nодземных вод от за­

грязнения нефтью и нефтеnродуктами•, 1982 г.) nроnисаны требования к транс­ nортированию нефти через водные объекты. В частности, там оnределено, что: 16

~ .... Сооружения

и

средства

для

транспортирования

и

хранения

нефти

должны быть оборудованы контрольно-измерительной аппаратурой для обна­ ружения наступившей утечки нефти... В местах возможного попадания нефти в водные объекты должны быть сооружены нефтеулавливающие устройства и приспособления для локализации и сбора разлившейся нефти. Места возможного попадания нефти в водные объекты должны быть обо­ рудованы средствами для информации аварийной службы и заинтересованных водопользователей.

При обнаружении утечки нефти должны быть приняты необходимые меры по ее ликвидации, а также по предотвращению попадания нефти в поверхност­ ные и подземные воды и ликвидации наступившего загрязнения поверхностных и подземных вод

... ».

Необходимость выполнения мониторинга леса прописана в Лесном кодексе (принят Государственной Думой

тьей

69

22

января

1997

года). В соответствии со ста­

этого кодекса 4 [30, 96]. На объектах компании ведутся работы по производственно­ му экологическому мониторингу (ПЭМ), который обеспечивает: сохранение установившихся экосистем и обеспечение экологической безо­ пасности

производственного персонала и населения, проживающего в зонах от­

ветственности производственных объектов; своевременное получение разрешений на проведение строительных работ;

организацию постоянного контроля техногеиного влияния объектов ОАО ~газпром~ на окружающую среду при нормальных режимах работы объектов и в случаях нештатных и аварийных ситуаций.

Организация ПЭМ включает инженерно-экологические изыскания, эколо­ гический мониторинг до начала и в ходе строительства объектов; проектирова­ ние объектов с учетом обеспечения их экологической безопасности; разверты­ вание средств и систем ПЭМ при эксплуатации объектов.

Работы по созданию системы ПЭМ проводятся на предприятиях отрасли в соответствии с Комплексной научно-технической программой работ по созда­ нию

и

внедрению

системы

производственного

экологического

мониторинга

объектов ОАО ~газпром~. В целях эффективной реализации в отрасли единой технической политики в области обеспечения производственной экологической безопасности создан отраслевой Инженерно-технический центр производственно-экологической безо­ пасности газовой промышленности ~оргэкогаз», на который возложены задачи проектирования и внедрения систем ПЭМ объектов ОАО ~газпром~. В настоящий момент работы по ПЭМ осуществляются на таких пред­ приятиях ОАО •Газпром», как Астраханьгазпром, Оренбурггазпром, Надымгаз­ пром и др. Немалый вклад в создание методологии производственного экологи­ ческого мониторинга внесли работы по организации системы ПЭМ газопровода

Россия- Турция •Голубой поток». Задачами системы ПЭМ газопровода Россия- Турция являются: сбор и накопление информации об атмосферных выбросах, загазованности прилегающей к объектам газопровода территории, сбросах сточных вод, состоя­ нии водной, воздушной, биологической и геологической сред; контроль

и

оценка

экологической

ситуации

в

зоне

влияния

газотран­

спортной системы (ГГС), оперативное выявление аварийных ситуаций; прогноз изменения компонентов природной среды в зоне влияния ГГС; своевременное доведение

данных

ПЭМ до

ответственных должностных

лиц и поддержка принятия решений по управлению экологической обста­ новкой.

Основные технические решения по созданию системы ПЭМ газопровода

Россия -Турция были заложены в Технико-экономическое обоснование (ТЭО) проекта строительства газопровода.

На дальнейших стадиях проектирования

был разработан комnлексный подход к организации ПЭМ. Междисциплинар­ ным авторским коллективом под руководством академика РАН В.И. Осипова

была создана Концепция производственного экологического мониторинга газо­ провода Россия- Турция (1999 г.). Концепция определяет следующие принцилы создания системы ПЭМ газопровода Россия

-

Турция:

.

организацию наземного и дистанционного контроля;

единую технологию функционирования системы ПЭМ; работу системы ПЭМ в режиме реального времени; обеспечение единства системы в условиях организации строительства по участкам.

53

Она включает:

u

разработку программ и регламентов измерений и наблюдении; привлечение местных организаций при общем руководстве и координировании работ;

u

контроль как уровней загрязнений природнои среды, так и опасных

гео-

логических процессов;

предоставление отчетности в контролирующие органы;

создание и наполнение Баз Данных (БД) ПССМ по результатам контроля окружающей среды.

Мониторинг четко •привязан• к стадиям работ по созданию ПС Россия -

Турция.

Проектирование включало в себя разработку и согласование в контроли-

рующих органах схем размещения элементов системы ПЭМ и

разработку ра­

бочего проекта системы ПЭМ. · В структуре ПЭМ были выделены три основные части: информационно­

измерительная сеть (ИИС); информационно-управляющая подсистема (ИУП); попсистема связи и телекоммуникаций. Разработанная в проекте информационно-измерительная сеть (ИИС) сис­ темы ПЭМ имеет комплексный характер, т.е. охватывает все компоненты при­

родной среды, с которыми взаимодействует газопровод, и включает наземные,

подземные (скважинные), судовые и дистанционные средства наблюдений. ИИС организуется на принципах экономической достаточности, обеспечи­ вая рациональный выбор современных измерительных средств и схем их раз­

мещения на местности таким образом, чтобы масштабы измерительной сети не приводили к чрезмерному удорожанию системы.

Информационно-управляющая

подсистема (ИУП) является

важнейшим

интеллектуальным звеном ПЭМ, на которое возлагаются функции сбора и об­ работки мониторингавой информации, описывающей картину развития на кон­ тролируемой территории природных и техногенно-природных процессов, свя­

занных с функционированием газотранспортной системы на всех этапах ее жизненного цикла.

Технологические решения, принятые при разработке системы ПЭМ газо­ провода Россия - Турция, ориентированы на применение современных про­ граммно-аппаратных

средств

измерительной

и

вычислительной

техники,

средств связи и телекоммуникаций. Основное требование к работе системы надежность и достоверность данных измерений и наблюдений, оперативность

при работе системы в реальном масштабе времени. Развертывание системы ПЭМ происходило поэтапно и включало:

1. Создание технических средств экологического мониторинга ( организа­ цию стационарных аналитических лабораторий, передвижных экологических лабораторий,

постов контроля загазованности атмосферы, систем контроля

опасных геологических процессов, метеопоетон и пунктов отбора проб).

2. Организацию измерительной сети системы ПЭМ (установку измери­ тельных звеньев, обустройство пунктов контроля). 3. Создание специальных программных средств экологического мони­ торинга, а также организацию Центра экологического мониторинга на Ставро­

польском участке трассы и Центра производственно-экологической безопасно­ сти газопровода в Краснодаре.

4. Разработку Программы ПЭМ на начальном этапе эксплуатации. 5. Создание службы ПЭМ газопровода Россия- Турция. Результатом создания системы ПЭМ газоnровода Россия - Турция явля54

ется единый программно-аппаратный комплекс, служащий для обеспечения экологической безопасности контролируемой территории и акватории. Таким образом, впервые в практике ОАО •Газпром~ создана единая, мо­ бильная, открытая для пользователей система ПЭМ, предназначенная для обес­ печения комплексного контроля природной среды в зоне влияния объектов га­ зопровода.

3.4.

СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Третья группа систем производственного экологического мониторинга реа­

лизуется посредством интегрированных автоматизированных технологий сбора и анализа, оценки и прогноза информации, объединяющих наблюдения природ­ ных компонентов и источников техногеиного воздействия. В основу разработки системы мониторинга природно-технических систем (ПТС) положена идеоло­ гия рассмотрения природных и технологических объектов как единого природ­ но-технического комплекса [42, 87]. Здесь под ПТС понимается совокупность состояний взаимодействия между природными компонентами окружающей сре­ ды и инженерными сооружениями на различных стадиях реализации проекта,

от проектной до ликвидационной. В качестве объектов наблюдений экологиче­ ского

мониторинга

ПТС

выступают инженерные

сооружения

и

конкретные

компоненты природной среды, влияние которых на инженерные сооружения может вызвать аварийные ситуации с возможными социально-экологическими

последствиями. Данный подход построения систем ПЭМ изложен в работах

[9,

13, 20, 35, 55, 63, 93]. В

основу

концепции

построения

системы

ПЭМ

положены

принципы,

обеспечивающие комплексность, систематичность и периодичность, полигонный характер исследований и автоматизацию обработки данных [42). Ко.мплексность исследований предполагает оценку состояния всех при­ родных компонентов, формирующих структуру приземных слоев атмосферы, почвенио-растительного покрьва, животного мира, водных объектов, рельефа, горных пород, подземных вод, историко-археологических и рекреационных ре­ сурсов.

Для построения текущих моделей состояния природной среды в районе

предполагаемого строительства необходимо проведение изыскательских работ на всех стадиях создания ПТС (от предпроектной до ликвидационной). В основе получения исходной информации лежит сочетание

методов аэ­

рокосмического зондирования и наземных инженерно-геологических, геодезиче­

ских, экологических работ. Систе.матwтость и периодиttность исследований предполагает непре­

рывное получение информации, начиная с обоснования инвестиционных и про­ ектных решений по размещению объектов и выполнения специальных изыска­ тельских работ, с продолжением наблюдений на этапах строительства и экс­ плуатации. Такой подход позволяет выполнять оценку и прогноз изменения

состояния наблюдаемых объектов на основе использования Баэ данных и инст­

рументария математического моделирования на протяжении всего цикла работ. Полшонный xaptntmep исследований обусловлен особенностями ПТС

нефтегазовоrо комплекса, в частности, протяженностью трубопроводов, автомо­ бильных дорог, ЛЭП. Охватить региональными исследованиями все площади предполагаемого строительства и зоны их возможного влияния на окружающую

среду полностью практически невозможно. В связи с этим стационарные на-

55

блюдения и специальные виды работ должны проводиться на специально соз­ данных полигонах, отражающих типичное состояние исследуемых территор~­

альных объектов. Полученные на полигонах данные должны быть в дальнеи­ шем экстраполированы на аналогичные по своим характеристикам территори-

альные объекты Авто.матшация обработки данных. Современный уровень организации мониторинга предполагает создание геоинформационных систем, включающих в себя базу данных о состоянии ПТС на всех стадиях их создания и эксплуата­

ции. При этом база данных о состоянии ПТС основывается на продуктах тема­ тической обработки этой исходной информации (тематические карты, схемы,

графики). отражающих различные состояния ПТС и их компонентов. Инфор­

мационную базу данных необходимо формировать на трех уровнях сбора ин­ формации, определяющих содержательную структуру и отражающих динамику

состояния ПТС (рис.

3.2).

Оrсюда следует, что в основу базы данных заложена картографическая

информация, в том числе и содержащаяся в системе ее условных обозначений и в экспликациях, как разновидность моделей состояния ПТС на момент сбора исходных параметров. Оперативность выдачи информации достигается при по­ мощи включения автоматизированной картографической системы. Структура технологии функционирования мониторинга ПТС - это соче­ тание ряда nоследовательных и в то же время взаимосвязанных технологиче­

r.ких функциональных модулей исследования ПТС (рис.

3.3).

Каждый модуль

оnределяется перечием задач, решаемых на его уровне и получаемых при этом результатов.

Перечень основных задач, решаемых посредством данных технологических модулей, включает:

· оценку фонового состояния природной среды района предполагаемого

строительства;

режимные

исследования

по

оценке

динамики

параметров

состояния

nриродно-технических систем;

nрогнозирование устойчивости природно-технических систем;

организацию

базы

данных

оценки

состояния

природно-технических

r.истем;

уnравляющую функцию мониторинга.

Оценка фоново2о состояния природной среды района предnолшаи~о2о строительства осуществляется на основе специализированного ния

территории

предполагаемого

освоения

по

сложности

районирова­

ландшафтно-эко­

логических условий посредством составления тематической карты масштаба 1:100 000. Система ее условных обозначений строится по принцилу фиксации сос­

тояния создаваемой ПТС до начала строительства с выделением участков раз­ личных категорий по сложности ландшафтно-экологических условий. По дан­ ным оценки сложности ландшафтно-экологических условий определяются тип, местоположение, количество и размеры опорных nолигонов и размещение наб­

людательной сетй. Определяются объемы инженерно-экологических изысканий. Для таких участков осуществляется экологическая паспортизация. Осно­ v

вои экологического паспорта должна стать карта фонового ландшафтно-эко­

логического состояния участка, составляемая в масштабе

1:10 000

с отражением

на ней параметров состояния всех компонентов nриродной составляющей про­

ектируемой ПТС до начала строительных работ.

Р~ ш:слеiJоганu по оценке ihDuuauш ruzp~U~aapoв соамяния

природно-111ехнuvашх cucmeA~ осуществляются на опорных и специальных 5I

Базоваи информации

Информации о ПТС,

о ПТС, существующаи

nолученнаа в процессе

до начала строительства

изысканий

__,..

1

1

1

Регулярные (режимные)

Данные об опасных природных

Данные об аномалиях

наблiQАении по отдельным

явленних и их влиянии

состоинии технических

компонентам ПТС

на состонине ПТС

1

Оценка конкуВыбор направлении трассы (местопорентоспособи ости ЛО8еННЯ площадок) вариантов

_l

Рекомендации

(трассирование)

по инженерной

1

_l

J

Состоиине

птс

защите

1

Возможность

Прогноз влияния

критических

ПТСнаокру-

ситуацнА

жающую среду

1

1

1

1

t

J

1

Оперативный о состоянии птс

J

Размещение

1

прогноз

1

1

1

1

элементов ПТС

1

1

прогноз

о состоянии птс

Атлас инженерных решений по защите

Рекомендации

Долгосрочны А

-+

-+

по инженерной

Г+

ПТС, назначенных по результатам мониторинга ее состоинии

заwите --

3.2.

----

и эксплуатации ПТС

l

Рис.

Оператнвнаи информация, полученная в процессе строительства

Структура информационной базы данных иоинторниrа ПТС

--

---

----

----

----------

1

Оценка фоНОВОГО СОСТОIIНИВ природноll

.....

среды района предполаrаемого стронтел

..ства 1

AHtiЛUitlllчecКJie оценочные данные

1 Техиогеннав иарущеиносп.

ландшафтов

1

1

Источники, средниll уровеи .. и ско-

1

Вероятность активации опасных при-

рость заrрвзненив

родных и техно-

природноll среды

rенных процессов

•

Уровен .. инженерноll

защнтыПТС

Режимные исследоваиив параметров СОСТОIIИИВ

КОАСпонеитов ПТС

f--+

Подnлов ка

u~

1

t::

1111

1 Вероятность

Вероятныll

возникиовенив

ущерб

техногеиных аварий

окружающей

и катастроф

среде

~

"' = = ~ = =

исходных данных

(оперативная

информация)

Cl.

=

~

Создание нормативно-

справочной информации

)1111

J Районированиетерритории по сложности ландщафтно-

Эколоrическнll

экологических условий

риск

:а

= = ~

Синтезllрующие оценочные данные

:а

Шириназоны

Динамика COCТOIIHИII параметров

влияния птс

компонентов ПТС

на окружающую среду

"' 1111

~

\С

= ="'= = "' с 1111

Cl.

Проrиозы устойчивости

ПТС и изменений

Рекомендации

по инженерной защите ПТС и окружающей среды

--·-----··---

Рас. З.З. СтрухтурнаJI техиолоПIЧеСЖU схема функционироааииJI нитеrрированиой систеliiЫ ПЭМ

~"'

обработка исходных

данных

tlll

1111

Резул•~t~~~рующие оценочные данные

Цифровая

Создание снетемы автоматнзнрованного

картоrрафирования

полигонах комплексом методов,

в том

числе с

применением аэрокосмического

зондирования (АКЗ), стационарных полевых топографо-геодезических, геофи­ зических, инженерно-rеологических, почвенно-геоботанических, гидрологиче­

ских, метеорологических, геохимических наблюдений с отбором контрольных проб для лабораторных испытаний. При этом участки вблизи действующих и возможных источников выбросов атмосферных, почвенно-грунтовых, водных загрязнителей, а также участки локализации проявления опасных природных и

техногеиных процессов оборудуются как специализированные посты наблюде­ ний в системе опорного полигона.

Результаты режимных наблюдений после обработки фиксируются в пас­ портах участков с обязательным составлением дежурных карт состояния ПТС на момент исследований с приложеннем к нему всего документального факти­ ческого материала.

В процессе сезонных и многолетних режимных исследований паспорт ка­ ждого участка дополняется картой динамики ландшафтно-экологических усло­

вий в масштабе паспорта; фототекой эталонов элементов ПТС в динамике, с обязательными аэро- и наземными изображениями ее различных состояний; данными с анализом факторов, определяющих изменчивость состояния ПТС;

таблицами, графиками, диаграммами. Прогнозирование устойчивости природно~технических систем осуще­ ствляется посредством моделирования функционирования ПТС при различных режимах в условиях динамического равновесия природных и техногеиных ком­

понентов. С этой целью, по данным оценки динамики состоянця ПТС, полу­ чаемым в процессе режимных наблюдений, моделируется ряд критических зна­ чений параметров, включающих: степень техногеиной нарушенности ландшафтов территории; средний уровень загрязнения ландшафтов; скорость загрязнения;

вероятность возникновения аварийных ситуаций;

вероятный ущерб окружающей среде в результате возникновения аварий; ширину

зоны

влияния

создаваемой

ПТС

на

окружающую

природную

среду.

Моделирование осуществляется в картографической форме путем построе­ ния серии аналитических прогнозно-оценочных карт по одному или нескольким

расчетным критериям, которые в комплексе служат основой расчетов и по­

строения карты устойчивости ПТС, систематизирующей все эти данные. Карта устойчивости ПТС строится на всю площадь зоны ее влияния на окружающую среду в масштабе 1:25 000 - 1:100 000 в зависимости от площади (протяжения) птс.

В структуре карты устойчивости ПТС содержится блок рекомендаций по инженерной защите ПТС на неустойчивых участках, что позволяет использо­

вать эту карту в качестве элемента технологии управления состоянием ПТС для обоснования расчетов объемов и стоимости проектно-изыскательских работ и строительства защитных сооружений.

Организация базы данных оценки состояния природно-технических систем осуществляется на основе автоматизированной картографической сис­ темы, формируемой на трех уровнях создания и эксплуатации ПТС. В качестве исходной информации для формирования ГИС в зависимости от формы их представления используются: данные аэрокосмического зондиро­

вания (АКЗ); картографические материалы с системами их условных обозначе­ ний и экспликациями; исходные картографические данные, получаемые из фе-

59

деральных источников (топографические, ресурсные, коммуникационные и др.)

в традиционной и цифровой формах; результаты наземных режимных наблюде­ ний в табличной и графической формах.

Организация пространствеиной информации в банке данных может рас­

сматриваться на уровне создания логической многослойной модели картогра~ фической системы, содержащей слои по каждому компоненту организационнои

структуры природной и технической составляющих ПТС.

Y~~paвJUIIOЩtUI функция Atoнumopwua заключается в необходимости вы­

полнения коррекции наблюдаемых параметров природно-технических систем. Природные геосистемы обладают способностью к самовосстановлению. При­

родно-технические системы, объединяющие природные и технически объекты, не могут постоянно находиться в равновесном состоянии без управляющего воздействия со стороны человека. Выбор и оптимизация критериев оценки со­ стояния ПТС определяют структуру их управления.

В результате функционирования модулей ПЭМ на основе геоинформаци­ онных технологий осуществляется определение текущего состояния наблюдае­ мых объектов, результаты которого попадают в модуль управления, осуществ­ ляющий выбор технологических режимов воздействия на окружающую среду. Например, в структуре оценки состояния ПТС магистрального газопровода помимо

параметров,

характеризующих

состояние

природных

компонентов,

влияющих на техническое состояние трубопроводных конструкций и окружаю­ щую среду, должны отражаться параметры, характеризующие состояние техни­

ческих конструкций самого трубопровода (состояние гидроизоляции, степень коррозии, наличие и стадии nодтопления, всплытие гильз трубопровода, повре­ ждение обваловки, пучение и деформации металлических конструкций и грун­ тов траншей). Кроме того, в структуре специализированных карт, отражающих состояние ПТС, имеется раздел, отражающий рекомендации по инженерной

защите ПТС и окружающей среды, являющиеся основой соответствующих ин­ женерных решений.

Следует также отметить, что одной из целей системы ПЭМ является пре­ дупреждение (прогноз) аварийных ситуаций. Это направление связано с взаи­ модействием системы ПЭМ с системой по предотвращению и ликвидации чрезвычайных ситуаций [5, 6, 13, 14, 35, 59, 64, 65, 67, 112, 140-145].

В сфере техногенной, природной и экологической безопасности существуют:

мониторинг техногеиных опасностей и воздействий; мониторинг опасных явлений и процессов;

экологический моииторинг природных компонентов.

Первые два вида мониторинга организуются при координирующей роли МЧС России в составе Единой государственной системы предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций техногеиного и природного

характера, третий - Министерством природных ресурсов, производственными предприятиями и организациями.

Предлагается объединить все эти три вида мониторинга в единую государ­ ственную систему мониторинга, при определяющей роли системы государст­ венного экологического мониторинга.

В настоящее время разрабатываются или уже существуют системы эколо­ гического мониторинга в рамках отдельных административно-территориальных

образований. Там же существуют ведомственные системы мониторинга и кон­

троля за состоянием объектов окружающей среды и возникновением чрезвы­

чайных ситуаций техногеиного и природного характера. Они предназначены 60

для осуществления слежения и контроля за экологической обстановкой и ис­ точниками техногеиной и природной опасности, прогнозирования и выявления чрезвычайных ситуаций различного характера, а также формирования и выдачи соответствующей информации в Автоматизированные информационно­ управляющие системы (АИУС) - РСЧС, •Экобезопасность России~ и другие информационно-управляющие системы.

В задачу данных систем входит мониторинг и контроль всех техногенно

опасных объектов, к которым относятся объекты нефтегазового комплекса. На уровне предприятий и организаций такие функции может как раз взять на себя интегрированная система ПЭМ. В этом случае ее основными функциями будут:

наблюдение, оценка, прогноз и контроль источников и факторов техногеи­ ных воздействий и опасных природных явлений;

наблюдение, оценка, прогноз и контроль состояния окружающей среды; выявление и оценка ответных реакций человека, критических популяций

наземных животных, обитателей водной среды, биоценозов и экасистем на тех­ ногенные и опасные природные явления;

своевременное обнаружение, идентификация и прогнозирование техногеи­ ных аварий и катастроф, а также формирующихся при этих авариях и катаст­ рофах вредных, поражающих факторов, уровней физических полей (поля избы­ точного давления, теплового, акустического), полей концентраций радиоактив­ ных, химических, биологических веществ; контроль за динамикой процессов на отдельных промышленных, сельско­

хозяйственных и других объектах;

оценка степени опасности складывающейся экологической обстановки при нормальном регламентном функционировании опасных объектов, а также при чрезвычайных ситуациях, возникающих при техногеиных авариях и катаст­ рофах; проведение систематических инспекционных измерений фоновых парамет­ ров состояния окружающей природной среды;

наблюдение, оценка и прогноз трансрегиональных переносов опасностей; ранжирование территорий по степени экологического неблагополучия, вы­ деление зон экологического кризиса и экологического бедствия; комплексная оценка состояния среды обитания человека, составление и ведение

экологических,

отдельных

метеорологических,

сейсмических

и других

карт для

территорий.

Реализация указанных функций может быть обеспечена при условии, что интегрированная система ПЭМ будет строиться по иерархическому принцилу с

опорой на системы стационарных и подвижных пунктов первичной информа­

ции, основанных на использовании контактных и дистанционных методов об­ наружения,

идентификации

и контроле радиоактивных, вредных химических,

биологических веществ, а также различного рода явлений и процессов, опреде­ ляющих состояние окружающей природной среды, возможность возникновения

и развития чрезвычайных ситуаций.

Экологический мониторинг, как один из основных перечисленных видов мониторинга, будет иметь более широкое целевое назначение. Подключение

отраслевых систем ПЭМ к соответствующей диспетчерской службе Автомати­ зированных информационно-управляющих систем (АИУС) - РСЧС имеет ряд трудностей.

Каждая отраслевая система ориентирована на определенный комnонент природной среды и имеет свой набор показателей. Вследствие этого затрудня­

ется использование единого методологического подхода при nостроении базы 61

данных и базы знаний. При использовании в единой системе информации, по­ лучаемой при слежении за окружающей средо~ в различных ведомствах, имеет место несовместимость во времени наблюдении, связанных в единую цепь про­

цессов и воздействий. Примером может служить наблюдение выбросов вредных веществ и вспышек заболеваний или изменения биопродуктивности, выпадения

осадков и изменения характеристик почвы и т.п. Некоторая разобщенность ве­

домственных систем обусловливает отсутствие единой методической основы

сбора, накопления и анализа информации. Следовательно, разработка интегри­ рованных систем ПЭМ должна быть согласована по соответствующим парамет­ рам и регламентам с соответствующими системами мониторинга и контроля за

состоянием объектов окружающей среды и возникновением чрезвычайных си­ туаций техногеиного и природного характера соответствующего уровня.

3.5. ИНТЕГРИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЕМ

zpynna

Четвертая реализуется

в

рамках

систем производственного экологического мониторинга корпоративных

интегрированных

систем

управления

предприятием, объединяющих всю совокупность автоматизированных систем проектирования,

приятий.

строительства

Следует

отметить,

и

что

эксплуатации

в

технологических

зависимости

от

мощности

систем

пред­

предприятия,

уровня автоматизации выполняемых работ на практике используются все четы­ ре направления организации мониторингоных наблюдений. Отличительной осо­ бенностью реализации автоматизированных систем производственного экологи­ ческого мониторинга является их функциональная ориентация на решение за­ дач, связанных с охраной окружающей среды. Одновременно с решением дан­ ного

класса

задач

реализация

проектов

строительства

и

эксплуатации

магист­

ральных трубопроводов, разработки и эксплуатации месторождений требует использования

автоматизированных систем.

На современном этапе развития происходит разработка интегрированных корпоративных систем, объединяющих в своей основе всю совокупность суще­ ствующих автоматизированных и автоматических систем сбора, обработки, ана­

лиза информации. Они широко используются при интеграции систем экологи­ ческого мониторинга со всей совокупностью систем автоматического проекти­ рования, контроля и диагностики [8, 13, 20, 56, 61, 67, 98, 104].

Проблема интеграции существующих динамично развивающихся компо­ нентов системы управления магистральных трубопроводов в единую АСУ за­ ключается в различии методологических и инструментальных средств, исполь­

зуемых разработчиками для их построения. Как показывает мировая практика, жесткая

регламентация

программных

средств

для

развития

столь

разных

по

своей направленности программных пакетов (АСКИД, ~галактика•, АСУ-Бюд­ жет, СДКУ-ОДКУ-РАИС, СКУТОР и ~эксперт., SCADA), разрабатываемых различными компаниями, по-видимому, невозможна.

В АК ~ Транснефть• для систематизации данных технического состояния основного оборудования приняты на вооружение два во многом дополняющих друг друга программных продукта: ~ЭКСПЕРТ• -продукт Центра технической

диагностики ~диаскан•, представляющий собой базу данных результатов об­ следований внутритрубными дефектоскопами и акустико-эмиссионными мето­ дами, и СКУТОР - система контроля и управления технического обслужива62

ния и ремонта МНП, которая является информационно-еправочной системой

по основным техническим объектам магистральных нефтепроводов. ППП .,эКСПЕРТ• оперирует с базой данных результатов диагностики и реализует методики прочностных расчётов только для труб, а СКУТОР- формирует ба­

зу каталожных данных по всему перечию основного оборудования. С внедрением современной технологии диспетчерского управления и сбора

данных (SCADA - Supervisory Contгol And Data Acquisition) соразмерно с объемом регистрируемой информации расширились аналитические возможно­ сти эксплуатационных служб ОАО МНП. На современном этапе одним из са­ мых широко используемых средств функциональной диагностики является ди­

агностика утечек на эксплуатационном участке трубопровода. Для контроля утечек обычно применяются такие методы, как наблюдение с воздуха или обход трассы, сообщения случайных очевидцев, мониторинг ус­ ловий эксплуатации трубопроводов с использованием «интеллектуальных• тех­ нологий и другие; все они характеризуются той или иной степенью достоверно­

сти. Наилучший результат в определении утечек дает оптимальное сочетание этих методов. Применеине .,интеллектуальных• технологий возможно только в

трубопроводных системах, оборудованных системами SCADA. Новейшие разра­ ботки компании Enbridge Pipeline Inc. в SCADA системах - программный ком­ плекс PROGYS включает средства обнаружения утечек в трубопроводах ком­ пании Stoner Associates (Carlisle, Ра, USA)- мирового лидера в разработке ана­ литических и программных средств в этой области [104].

Чтобы сохранить относительную свободу разработчиков в выборе путей развития, необходимо принять на вооружение современные средства сбора, хра­ нения, обработки и представления информации, интегрирующие все компонен­ ты АСУ лишь по общности данных, используемых и генерируемых этими про­ граммными продуктами.

Характерной особенностью нефтепроводов являются значительная протя­

женность и территориальная привязанность всех входящих в них объектов: ка­ ждый объект имеет конкретные географические координаты или границы. По­ этому информацию как об отдельных объектах, так и нефтепроводе в целом

целесообразно систематизировать и анализировать в виде тематических геогра­ фических карт, где на единую топографическую основу накладывается инфор­

мация о трубопроводе и его отдельных объектах. В практике эксплуатации каждый объект магистрального трубопровода традиционно идентифицируется географической привязкой - либо пикетом по трассе, либо ориентиром на местности (например, названием близлежащего на­ селенного пункта). Поэтому целесообразность перехода от архивов и БД от­ дельных служб управления на ГИС основу при интеграции разноплановой ин­ формации в Системе управления МНП не вызывает сомнений. Схематично ГИС МНП можно представить как слоёную структуру, имею­

щую в каждом конкретном объекте вертикальную связь по его географическим координатам.

Горизонтальные слои - функционально ориентированные СУБД отдель­ ных служб ОАО МНП со специфической атрибутивной информацией. В мето­

дологии ГИС такие слои называются тематическими покрьгrиями. Объем и достаточность информации определяется кругом задач, решаемых каждой службой, которой вменяется в обязанность своевременно вводить, перепрове­ рять, дополнять и исправлять данные только своего тематического слоя. Интег­ рирующей основой выступает вертикальная объектно-ориентированная струк­

тура привязки всей информации к географическим координатам объекта. 6З

Функционально ГИС магистрального трубопровода можно рассматривать как глобальную информационно-аналитическую систему с развитым программ­

иым аппаратом хранения, поиска, систематизации и представления информа­ ции, где каждый функционально-тематическом ело~ обслуживается своим про­ граммным комплексом, обусловленным спецификои задач каждого подразделе­

ния ОАО МНП. Примерам такого

решения

является

Геоинформационная

система для

управления трубопроводом

[104]. Система PipeGIS (Pipeline Geographic Information Sistem) адаптирована

для работы с трубопроводами и обеспечивает легкое администрирование и об­

работку требующейся документации. Вместе с клиентами было разработано про­ грессивное и настраиваемое решение для профессионального управления тру­

боnроводом. Основная цель - простота в работе и быстрый доступ к данным.

PipeGIS

является профессиональным и экономным решением для опера­

торов, которые не обладают сnециальными знаниями в области ГИС. Система работает на платформе РС Клиент-Сервер и использует проrраммный продукт

WinGIS 2000 (разработчик PROGIS AG Австрия). PipeGIS обладает возможно­ стями соединения объектов с базами данных: MS Access, SQLBASE, Paradox, FохРго. Применеине географической информационной системы позволяет: объеди­

dBase, ORACLE, Ingress, Jnformix, Sybase, MS Excel, SQL Server, нять

географические

данные

с

производственно-техническими

параметрами,

данными корпоративных систем, системами моделирования и прогнозирования; осуществлять

дисnетчеризацию

данных,

поиск

оптимального

решения

транс­

nортировки нефтепродуктов для линейного участка трубопровода; взаимодейст­ вовать с другими информационными системами, существующими реляционны­

ми базами данных, хранилищами информации, системами по сбору и обработке данных дистанционного зондирования, системами управления активами и фи­ нансовыми ресурсами nредприятия.

Структура (рис.

геоинформационной

системы

управления

трубопроводом

3.4) включает: 1. Геопространственную базу данных, которая содержит аннотационную и

атрибутивную информацию, необходимую для анализа, и обеспечивает: связь пространствеиных (географических) характеристик с атрибутивными данными;

организацию цикла инвентаризации технических объектов и оборудования;

взаимодействие с базами данных других систем (SCADA, LEOS, SAP R/3 и др.);

информационную поддержку расчетных задач;

использование данных химической лаборатории, измерений датчиков.

2. Гешшформационное обеспечение, которое необходимо для создания, сопровождения и обновления базовых топографических и тематических данных. В системе геоинформационного обеспечения осуществляется: обновление карт по аэрокосмическим снимкам; топографическая

привязка технологических объектов;

проектирование трассы трубопровода с учетом рельефа местности; применение трехмерных моделей местности для решения различных задач; привязка технических объектов с помощью GPS;

отображение топографических и тематических карт различного уровня; генерализация, текстовое описание и леrендирование;

векторное масштабирование карт, управление визуализацией отдельных слоев и групn слоев;

PipeGIS

Рис.

3.4.

Структура rео101формацио1П1ой системы управJiеИИЯ трубопроводом

построение буферных зон; сравнение (по слоям) двух карт, их численный анализ и оверлей;

визуализация местоположения объекта, оснащенного средством GPS. Геоинформационное моделирование, которое обеспечивает решение при­

3.

кладных задач, связанных с общим технологическим циклом транспортировки нефтепродуктов:

поиск объектов по многомерным критериям; реагирование на экспресс-сообщения об аварии; поиск оптимальных маршрутов движения ремонтных бригад; прогноз состояния процессов затопления и подтопления объектов трубопровода; прогноз состояния природных объектов; информацию об условиях окружающей среды, загрязнении, анализ степени риска.

4. Интерфейс пользователя позволяет специалистам (диспетчерам) рабо­ тать в единой информационной среде, оперативно nолучать эксnресс-инфор­

мацию о состоянии всех основных технологических процессов. Он обеспе­ чивает:

поиск и визуализацию данных, их анализ и редактирование;

установление логической связи между графическими, табличными, текстовыми и другими данными;

nолучение и обработку данных из других систем; возможностъ подключения новых приложений; составление отчетно-сnравочной документации; распечатку карт и документов.

Прикеnение rеоинформационных технологий позволяет автоматизировать: 3-1589

расчет основных эксплуатационных характеристик оборудования (износ, КПД);

б

v

расчет характеристик мощности и нагнетательнои спосо ности на

сосов·

,

расчет эффективного диаметра трубопровода, коэффициента износа; архивное хранение инвентаризационных, технических и технологических данных оборудования;

v

поддержку системы управления и принятия решении;

интеграцию с другими информационными системами (SCADA, LEOS, SAP

R/3);

контроль состояния производственных объектов; производственный экологический и природноресурсный мониторинг; представление данных посредством географических карт, таблиц и графиков (диаграмм) через выполняемые запросы в базу данных. .

Данная концепция реализована в фирмах: Traгospetrol, Petronos Malaysщ TransCaвada Midstream Cochraвe, Berkley Petroleum Stoddart, Genesis Exploration Islaпd Lake, Mobll Oil Canada Didsbury, Gas of Portugal - Georeferencia,

Berkley Petroleum Wilder.

4 АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ НАБЛЮДЕНИЙ Глава

В ЗАДАЧАХ МОНИТОРИНГА ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

4.1.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Учитывая приоритетность использования систем дистанционного зондиро­

вания Земли в системах локального мониторинга природно-технических систем,

данный класс мониторинговых наблюдений целесообразно выделить в отдель­ ный вид и определить как аэрокосмический мониторинг месторождений нефти и газа.

Аэрокосмический мониториш месторождений нефти и газа - это система пространствеино-временных наблюдений территориальных объектов с целью оценки

и

прогноза

их

состояния,

осуществляемых

посредством

аэрокосмиче­

ских комплексов дистанционного зондирования Земли с использованием интег­ рированных геоинформационных систем.

Территориальными обьектами наблюдений аэрокосмического мониторинга являются компоненты нефти и газа.

природной и технологической

среды

месторождений

Компоненты природной среды включают землю, недра, почвы, поверхност­ ные и подземные воды, атмосферный воздух, растительный, животный мир и иные организмы;

Компоненты технологической среды включают инженерные сооружения месторождений нефти и газа на суше и на шельфе, технические системы транс­

портировки, хранения и переработки нефти и газа, а также вспомогательные

сооружения, созданные

человеком для обеспечения его социальных потреб­

ностей.

По величине охвата наблюдаемых территорий различают:

федеральный,

региональный, локальный и детальный уровень.

Федеральный уровень наблюдений осуществляется при расположении ис­ следуемых объектов на территории двух и более государственных образований или их субъектов. Данный вид мониторинга проводится в зоне ответственности проектируемых, строящихся и эксплуатируемых магистральных трубопроводов, проходящих через территории соответствующих федеральных и региональных

образований. Региональный уровень наблюдений выполняется при расположении иссле­ дуемых объектов на территории двух или более субъектов региона. Он прово­ дится в зоне ответственности инженерных сооружений месторождений нефти и газа,

принадлежащих отдельной

компании, включая промысловые и магист­

ральные трубопроводы. Локальный уровень наблюдений осуществляется при расположении иссле­ дуемых объектов на территории отдельного субъекта региона. Он проводится в зоне ответственности отдельного добывающего, транспортирующего или перс­ рабатывающего предприятия. Детальный уровень наблюдений выполняется при расположении исследуе­

мых объектов на территории отдельного предприятия. Он проводится в зоне ответственности технологического объекта предприятия, например, добывающей скважины, нефтебазы, нефтеперекачивающей станции, газокомпрессорной стан­ ции и т.д.

По протяженности проведения мониторинга выделяются инвестиционные циклы реализации

конкретного проекта.

Применительно к инвестиционному

проекту, лежащему в основе реализации работ технологического цикла, можно выделить прединвестиционный (предпроектный), инвестиционный (проектный) и эксnлуатационный этапы выполняемых работ.

Требования к видам работ, используемым методам и технологиям, перечию наблюдаемых объектов для каждого из этапов работ определятся программой мониторинга.

Характерной особенностью проведения локального мониторинга ПТС яв­ ляется необходимость, наряду с оценкой и прогнозом состояния компонентов природной среды и технологической среды при штатном функционировании

наблюдаемого объекта, выполнять прогноз его состояния при возникновении чрезвычайных ситуаций. Решение данного класса задач осуществляется посред­

ством наблюдения опасных природных процессов и явлений, а также техно­ генных аварий и катастроф. По результатам наблюдений проводится оценка и прогноз

состояния компонентов природной и технологической среды месторо­

ждений при возникновении нештатных ситуаций. Отличительной особенностью локального мониторинга природно-техничес­

ких систем является комплексный характер проводимых наблюдений, сочетаю­ щий аэрокосмические дистанционные и наземные контактные средства измере­ ний. Именно данный подход позволяет построить оптимальные системы мони­ торинговых наблюдений, обеспечивающий оценку и прогноз исследуемых про­ цессов и явлений на территории месторождений по материалам дистанционного зондирования

Земли

на основе

использования эталонных данных наземных

контактных измерений.

Структурная схема, определяющая содержание аэрокосмического монито­ ринга месторождений нефти и газа, представлена на рис. з•

4.1. 67

АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТИ И ГАЗА

J

t

+

1

ШТАТНЫЙ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ) РЕЖИМ

+

... КОМПОНЕНТЫ

ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ

РЕЖИМ ЧРЕЗВЫЧАЙНОЙ СИТУАЦИИ

t

_у.

_I

~

~

l

J

... ~

КОМПОНЕНТЫ ТЕХНQJIОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

ИIIIJIR, в~ра, nочвы,

ГАЗОВЫЙ КОМПЛЕКС:

НЕФТЯНОЙ КОМПЛЕКС:

nоверхвоетвые и nодземные воды,

месторождеинн гаэа на суше,

месторожденнк нефти на суше,

атмос+ерныl воздух,

месторожденнн гаэа на шельфе, месторожденик нефти на шельфе,

раСТIIтельиыl мир,

системы газопроводов,

системы нефтепроводов,

. .аотиыlмвр

подземные хранилища газа,

хранилвша нефти, нефтебазы,

гаэоnерерабатывающие заводы

нефтеперерабатывающие заводы

+ 1

+

ФЕдЕРАЛЬНЫЙ 1 УРОВЕНЬ

...

j_ РЕГИОНАЛЬНЫЙ 1 УРОВЕНЬ

... -t ПРЕДИНВЕСТИЦИОННАЯ ФАЗА ПРЕдПРОЕКТНАЯ СТАДИЯ

(ФОНОВЫЙ)

Pllc:. 6.1.

... г----.

J

t

(СТРОИТЕЛЬНЫЙ)

геологические процессы, метеорологические nроцессы гидрологические процессы, лесные пожары

j j_ 1 ДЕТАЛЬНЫЙ

УРОВЕНЬ

-t

ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ

_i

1ЛОКАЛЬНЫЙ

УРОВЕНЬ

...

ИНВЕСТИЦИОННАЯ ФАЗА ПРОЕКТ И СТРОИТЕЛЬСТВО

ОПАСНЫЕ ПРИРОДНЫЕ

J

j

_t г--+

ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ ФАЗА

(ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЙ)

Струхтурнu схема Орг8101381U1Н аэрокос:мичесхого моiОIТОрннга месторождений нефти и rаза

4.2.

СТРУКТУРА АЭРОКОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТИ И ГАЗА

При решении задач мониторинговых наблюдений объектов нефтегазового комплекса

главенствующее

место

отводится

локальному

мониторингу

компо­

нентов окружающей среды, который трактуется как производственный экологи­ ческий мониторинг или мониторинг природно-технических систем. Именно данный класс мониторинговых наблюдений носит комплексный характер и

обеспечивает оценку и прогноз состояния исследуемых объектов на протяжении реализации всего технологического цикла инвестиционного проекта. Здесь на­

блюдаемыми объектами являются территориальные компоненты окружающей среды и все технологические инфраструктурвые объекты месторождений нефти и газа.

В качестве временного интервала при выnолнении мониторинга используется технологический цикл работ, который включает:

прогноз, поиск и разведку месторождений;

разработку, обустройство, эксплуатацию и ликвидацию месторождений; транспортировку нефти и газа;

переработку нефти и газа. Характерной особенностью реализации проектов освоения месторождений нефти и газа является их поэтапное освоение. На первом этапе выполняются

работы, связанные с прогнозом, поиском и разведкой месторождений нефти и газа. На втором этапе осуществляется их разработка и обустройство. Одновре­ менно с этим проектируются и строятся инфраструктурные объекты транспорта и переработки нефти и газа. На третьем этапе выполняется эксплуатация ме­ сторождений и объектов обслуживающей инфраструктуры. Длительный и многоплановый характер работ, осуществляемый на основе традиционных технологий, предполагает разработку специализированного ин­ формационного (геоинформационного) обеспечения. Оно создается в ходе гео­ логоразведочных работ, а также в nроцессе инженерных изысканий при строи­ тельстве и эксnлуатации технологических объектов. Практически все техноло­ гии создания геоинформационного обеспечения используют материалы аэро­ космических съемок. Учитывая nротяженный по времени характер их выnолне­

ния, данные материалы, а также созданные на их основе геоинформационные

продукты, необходимо использовать в задачах оценки состояния отображаемых территориальных объектов в рамках единой системы аэрокосмического монито­ ринга.

Геоинформационное обеспечение, с точки зрения его назначения и решае­ мых функциональных задач, можно классифицировать на следующие виды: то­ погеодезическое, rеологическое, гидрометеорологическое, экологическое и тех­ нологическое.

Основной задачей топоzеодезическоzо обеспечения является получение геопространственной топографической модели (основы) территории месторож­ дения или трассы трубоnровода на основе картографических, геодезических и

фотограмметрических технологий в пространствеиной системе координат. Гео­ пространственная топографическая модель территории представляется цифро­ вой картографической nродукцией в виде топографической карты, плана или их слоев; ортофотокарты, ортофотоплана; модели рельефа и трехмерной модели земной поверхности.

69

в задачу геологического обеспечения вхо~ит отображение гео~огических процессов и явлений в рамках топографическои модели исследуемои территории.

б

В задачу гидрометеорологического обеспечения входит о;о ражение метеорологических процессов и явлений в рамках топографическои модели иссле­ дуемой территории.

Задачей эхологического обеспечения является отображение экологических процессов и явлений в рамках топографической модели исследуемой террито­ рии.

В задачу технологического обеспечения входит отображение технологических систем и сооружений месторождений и трубопроводов в рамках топогра­ фической модели исследуемой территории.

Геоинфор.JtСационное обеспечение в ходе реализации проектов освоения месторождений нефти и газа используется при решении функциональных задач: мониторинга технологического воздействия на компоненты окружающей среды месторождения или трубопровода; мониторинга воздействия чрезвычайных ситуаций (аварий) на компоненты

окружающей среды месторождения или трубопровода.

· Повышение эффективности создаваемого геоинформационноrо обеспече­

tшя,

с

точки

зрения

стоимости,

точности,

надежности

и

производительности,

возможно при использовании унифицированного подхода к технологиям сбора исходной информации, их обработки и хранения. Ключевое место в решении этих задач занимают аэрокосмические фотограмметрические технологии. Эти технологии позволяют на единой аппаратно-программной метрологической ос­ нове осуществить технологический цикл обработки, включающий получение изображений; измерение пространствеиных координат объектов местности; функциональное дешифрирование изображений объектов и отображение их в виде цифровых картографических продуктов в единой пространствеиной систе­

ме координат.

Характерной особенностью геоинформационноrо обеспечения

месторождений нефти и газа является двухуроненная технология представленная на рис.

ero

создания,

4.2.

На первом уровне создается геоинформационное обеспечение территории месторождения или трубопровода, содержащее топографическую модель, а так­ же созданные на ее основе модели происходящих геологических, гидрометеоро­

логических, экологических процессов и явлений.

На втором уровне, в геопространстве созданной топографической модели, создается геоинформационное обеспечение проекта. Оно ориентировано на ре­ шение функциональных задач.

В настоящее время применение аэрокосмических технологий мониторин­ rовых наблюдений регламентируются нормативными документами. Это позво­ ляет рассматривать материалы аэрокосмических съемок, полученные на различ­

ных этапах работ, в качестве исходных данных мониторинrовых исследований наблюдаемых территориальных объектов. Применение аэрокосмических методов является составной частью геолого­

разведочных работ и большинства видов инженерных изысканий [2]. Свое при­ оритетнос место они занимают благодаря возможностям оперативного получе­ ния комплексной информации на исследуемые территории.

Переход к комплексным цифровым технологиям получения и обработки

информации обеспечивает унификацию технологических процессов сбора, ана­ лиза и хранения информации применительно к различным видам инженерных изысканий. Это позволяет существенно снизить стоимость выполняемых работ

70

В113)'8.18Uци• Построеине rеомпрнчеснзобрu: " ="

ос

~ZQ.

!-

т

+

:11

. :с

=

= = "'Q.

а а.~~~

""'

:а ~ ~ z е ..

:а

. < +

=

б~g-

Q.

+

1111

2

~

2

=

:с

:.с

t:

е:

~

u Q. "~е

=

i • .

1.

2

111

:.с

1111

2z

.. 1-

.. "'

>:

Q.

<

т

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ КАРТЫ

1 Рис.

4.9.

":r

~

:r

!

Техиолоrическаи схема использовании аэрокосмических съемок nри июкенерно-эколо­

rичес:кнх изысканних

выявления

участков

развития

опасных

геологических,

гидрометеорологи­

ческих и техно-nриродных процессов и явлений;

выявления техногеиных элементов ландшафта и инфраструктуры, влияю­

щих на состояние природной среды (nромобъектов, транспортных магистралей, трубопроводов, карьеров и др.); предварительной оценки негативных последствий прямого антроnогенного воздействия (ареалов загрязнения, гарей, вырубок и других нарушений расти­ тельного покрова, изъятия земель и т.n.);

слежения за динамикой изменения экологической обстановки; планирования числа, расположения и размеров ключевых участков и конт­

рольно-увязочных маршрутов для наземного обоснования.

Рекомендуется выполнять предварительное дешифрирование (до проведе­ ния полевых работ), полевое дешифрирование (в процессе nроведения полевых

работ), окончательное дешифрирование (при камеральной обработке материала, выполнении экстраполяционных операций и составлении отчета).

t2

Для повышения достоверности распознавания объектов при экологическом дешифрировании, исключения технического брака используемых снимков и отслеживания динамики развития процессов следует применять способ сравни­ rельного дешифрирования разновременных изображений территории, получен­ ных с различными временными интервалами и в разные сезоны года, или одно­

временной съемки на различные типы плёнок и другие материалы.

На основании результатов сбора материалов и данных о состоянии при­ родной среды и предварительного дешифрирования составляются схематиче­

ские экологические карты и схемы хозяйственного использования территории, предварительные легенды, ландшафтно-индикационные таблицы, оценочные шкалы и классификации, а также планируются наземные маршруты с учетом расположения выявленных источников техногеиных воздействий. Итоги пред­ полевого этапа используются для корректировки программы работ и составле­ ния оптимальной схемы комплексирования дистанционных и наземных иссле­ дований.

На стадии разработки проектной документации дистанционные методы (дешифрирование крупномасштабных АС) являются вспомогательными. Их следует использовать при планировании маршрутного обследования площадок и прилегающей 8-10-километровой зоны для ретроспективной оценки экологи­

ческой обстановки, фенологических наблюдений, а также для обесnечения ана­ логового прогноза возможных изменений комnонентов nриродной среды и эко­

логических последствий строительства по наблюдаемым результатам аналогич­ ных видов деятельности в районах со сходными геолого-структурными и ланд­

шафтно-климатическими условиями. На стадии эксплуатации объектов дистанционные съемки используются для

оценки техногеиного воздействия на

состояния

nриродных

компонентов

окружающей среды, а также для оценки динамики протекания опасных геоло­ гических процессов и явлений.

АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ НАБЛЮДЕНИЙ В ЗАДАЧАХ ЛОКАЛЬНОГО ПРОИ380ДСТВЕННОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

В развитие нормативных документов, относящихся к федеральным строи­

тельным нормам и правилам (СНиП), ОАО «Газпром• разработал стандарт ор­ ганизации «Методические указания по организации и проведению производет­ венного экологического мониторинга линейной части магистральных газопро­ водов• (2007 г.).

В этом стандарте прописаны современные требования к технологиям дис­ танционного зондирования земли (ДЗЗ) при решении задач локального мони­

торинга компонентов окружающей среды. Эти требования определяют правила использования ДДЗ на различных этапах работы.

На начальном этаnе nланирования применения данных ДЗЗ в программах

ПЭМ осуществляют: заказ архивных и оперативных материалов аэрокосмических съемок;

привязку, хранение и оперативный доступ к Базе данных материалов ДДЗ; функциональную обработку материалов ДЗЗ; разработку легенд тематических карт; создание посредством фунциональных rеоинформационньiх систем предва­ рительных

экологических

карт.

Современные многоспектральные цифровые материалы ДЗЗ позволяют перейти на количественные методы мониторинга природной среды. При прове93

дении экологического мониторинга и диагностики геотехнических систем реко­

мендованы съемки на фотографические и цифровые носители информации, осуществляемые посредством многозональных, инфракрасных, лазерных, радио­

локационных съемочных систем, а также аэровизуальные (аэродесантные) об­ следования

ны

[30].

Исходные

материалы

удовлетворять двум

дистанционного

правилам -

зондирования

для

ПЭМ долж­

детальности и обзорности,

а также

должны быть представлены в нескольких информативных спектральных диапа­ зонах.

На региональном уровне используются материалы ДЗЗ низкого и среднего разреш~ния

полосой

захвата до

сотен

километров,

позволяющие

оперативно

изучать обширные территории и выявлять в их пределах изменения природной и -техногенной обстановки. Для этого может использоваться комплект цифро­ вых мозаик материалов спутников MODIS, Landsat, Aster (геометрическое раз­ решение на местности -от километра до десятков метров). На детальном уровне проводится комплексное дешифрирование природ­

ной среды и ПС. При этом из банка материалов ДЗЗ могут быть востребованы снимки Landsat, Asteг, IRS-Liss, SPOT, Ресурс-ДК1, Ikonos, Qiuck Biгd, Orb А/В (с разрешением на местности от 30 до 0,6 м) и средне- и крупномасштабные АФС 1:100 000- 1:15 000 [20]. На стационарном уровне работают с материалами различных аэросъемок

View, EROS масштаба съемку,

Ikoвos,

1:10 000 - 1:200,

результаты

используют перспективные фото- или цифровую

наземного

и аэролазерного сканирования,

а также снимки

Qiuck Bird, Orb View, EROS.

При ландшафтно-индикационном дешифрировании для оценки экологиче­ ского сос.тояния окружающей среды в качестве поисковых признаков должна

использоваться корреляция возможных загрязнений и нарушений с изменением фототона, почвы, растительного покрова, цвета воды внутренних акваторий.

При анализе почв используют снимки в «Красной• области спектра и ближнем ИК-диапазоне, растительного покрова - в «зеленой• области, воды и тепловых потоков- в ближнем и дальнем ИК-диапазоне. В табл. 4.5 представлены рекомендуемые диапазоны и типы съемок при проведении экологического мониторинга, в табл. 4.6 - характеристика инфор­ мативности спектральных каналов.

В обзорных целях синтезированные материалы ДЗЗ можно получать, ис­ пользуя различные wеЬ-сервисы, такие как Google Earth, Google Maps (Google Corp.), WorldWind (NASA). Необходимо учитывать, что располагаемые в Интернете ресурсы не всегда актуализированы, также не всегда может быть установлена дата съемки.

На основе дешифрирования материалов ДЗЗ составляются тематические карты, которые несут информацию, необходимую для решения задач монито­ ринга источников загрязнений, ареалов их распространения, эрозионных и дру­ гих

экзогенных

процессов,

линеаментов

разного

ранга,

производственных

объектов, техногеиной нарушенности и т.д. Для проведения ретроспективного анализа изменения окружающей среды необходимо использование разновре­ менных материалов ДЗЗ.

Возможности экологической интерпретации материалов ДЗЗ расширяются и дополняются наземными полевыми исследованиями, знаниями взаимосвязей,

присущих природным образованиям и отражающих их реакцию на воздействие техногеиных факторов.

С целью систематизации решаемых задач, возникающих при работе с дан94.

Таблица

4.5

Виды работ и рекомендуемые диапазоны и типы съемок Пространст-

Виды работ

венное разрешение, м

Мониторинг состояния

1-30

трубопроводов и потенциальных геологических

Рекомендуемый

Камера

диапазон, мкм

(пш съемки)

2,0-2,46 0,5-0,75 0,75-0,9

Маршрутные аэрофото- и тепло-

опасностей

вые съемки; Quick Bird, Orb View 3, lkonos, КФА-1000, КФА3000, EROS-A1, SPOT КВР1000, Landsat, Aster, Ресурс-ДК!, гиперспектральные данные (Ну-

perion) Мониторинг состояния сооружений и потенциальных геологических опасностей

Таблица

1-30

2,0-2,46 0,5-0,75 0,75-0,9

Аэрофото- и тепловые съемки;

ОгЬ View 3, Ikonos, КФА-1000, КФА-3000, EROSAl, КВР-1000, SPOT, Landsat, Ресурс-ДК 1, rиперспектральные данные (Hyperion)

Quick Bird ,

4.6

Информативность спектральных каналов Об.'!асть Видимая

Длина волны,

Информативный диапазон,

мкм

МКМ

0,40-0,75

Весь диаnазон

Дешифрируемые явления Элементы ландшафта, rеолоrическое строение, экология, инфраструктура

0,6-0,7 Инфракрасная (тепловая)

0,75- более 3,0

Весь диаnазон

Изменение растительности

Элементы ландшафта, rеологическое строение, экология, инфраструктура

0,7-0,9

(ближний инфракрас- Изменение растительности, горных ный)

1,6-1,7;

пород

Изменения горных пород

(коротковолновый инфракрасный)

2,0-2,4

2,25-2,47

Фиксация абсорбции углеводородав (притоки углеводородных

флюидов)

ными ДЗЗ, обработка изображений должна проводиться в две стадии (предва­ рительная и тематическая).

Предварительная обработка должна в обязательном порядке предшество­ вать процедурам тематической обработки. В настоящее время все поставщики

материалов ДЗЗ, как правило, производят предварительную обработку снимков. На этом этапе при необходимости производится составление мозаики снимков на район ПЭМ. Аэрокосмические исследования в рамках экологического мониторинга на всех уровнях и этапах проведения работ должны выполняться в три этапа: под­

готовительный (предполевой), натурных исследований (полевой), камеральной

обработки и анализа, с интеграцией в ГИС исходных данных и результатов об­ работки. Последовательность проведения работ представлена на рис. 4.10.

95

.1 Формирование \ 1 базызнаний 1

Постановка

+

ситуации

Формированиебанка

Оnределение

аэрокосмических

требований к исходным данным

Подбор

геоэкологической

..

задачи

+

Анализ

-r

и картографических данных

...

1

исходных данных

Формирование и накопление электронных баз данных. Интеграция материалов ДЗЗ в ГИС

+

Предварительное дешифрирование

материалов ДЗЗ

t Сопоставление и интерпретация результатов, геоэкологическое дешифрирование

.

Составление предварительных карт геоэкологического содержания

t Определение задач наземной проверки. Проектирование точек отбора проб

t Полевое уточнение результатов дешифрирования, геолого-геоморфологические, ландшафтные,

экологические наблюдении, отбор nроб

... Обработка и анализ результатов данных полевых исследований

_t Редактирование векторных слоев в ГИС с внесением информации, полученной в результате полевых работ

+ Графическое оформление окончательных карт

Рис. 4.10. TeXJIOJioПftleCJtu схема HCПOJIЬЭOВUDIJI ДДЗ ДJIJI целеА эколо11r1ес:хоrо моииторкиrа

Процедуры тематического дешифрирования, использующие различные ал­

горитмы обработки спектральных характеристик элементов изображения (про­ цедуры

генерализации,

межканального

синтеза,

вычленения,

схематизации,

де­

тализации, фильтрации, квалификации, классификации и т.д. ), направлены на установление уникальности классов дешифрируемых элементов изображения и сопоставления их с эталонными образцами. Тематическая классификация (де­

шифрирование) объектов может быть выполнена как в автоматическом (так называемая необучаемая классификация), так и в интерактивном (обучаемая классификация) режимах. Оптимальным является синтез этих двух подходов.

Все современные программные продукты тематического дешифрирования в той или иной мере поддерживают оба метода. Результаты тематического дешифрирования могут быть переданы в ГИС как в растровом, так и в векторном виде. Предпочтение должно быть отдано векторизации результатов дешифрирования, поскольку объем векторной ин­ формации существенно меньше поддается дальнейшим геометрическим и про­ екционным преобразованиям, позволяет произвести количественную оценку результатов дешифрирования стандартными средствами ГИС.

По окончании тематического дешифрирования должна быть решена задача разделения полученных материалов на картографическую

( пространствеиную)

и атрибутивную составляющие. Атрибутивные данные должны быть внесены в базу данных информационной системы в целях исключения избыточности ин­ формации, общего накопления материалов ПЭМ и проведения анализа динами­ ки процессов.

На основе дешифрирования и обработки материалов ДЗЗ, их обоснования наземными методами и данными различных изысканий создаются основные

результирующие карты, представляющие собой набор ГИС-слоев экологическо­ го содержания (ландшафтного, экологического и геотехнического районирова­ ния,

развития

инженерно-геологических

процессов,

техногеиного

состояния

территории и др.).

Обработка данных дистанционного зондирования, внесение результатов

обработки в ГИС, аналитическая обработка данных, количественный и качест­ венный анализ должны решать прямую и обратную задачу (тематическую и картографическую) экологического мониторинга. Все программные продукты, ориентированные на работу с данными ДЗЗ,

должны обеспечивать их первичную и окончательную (тематическую) обработ­ ку. Жестких требований по применению алгоритмов обработки данных дистан­ ционного зондирования не существует. Набор применяемых математических

алгоритмов может быть различен, но результаты дешифрирования должны быть достаточно достоверны и служить основой для качественного анализа ПЭМ. а также поддерживать экспорт конечных продуктов обработки в ГИ С.

Существующие технологии позволяют использовать значительные объемы информации в виде векторных, растровых и атрибутивных данных, а также вы­ полнить все необходимые для исследований операции: ввод, коррекцию, хране­

ние, обработку, анализ, моделирование, манипулирование и вывод. Программные продукты также поддерживают обработку результатов трех­ мерной съемки

поверхности

космической съемки

(лазерное сканирование),

( стереопары,

специальные режимы

перспектинная съемка, синхронная съемка,

разновременная съемка объектов со смещением и т.д.), позволяют строить циф­ ровые модели рельефа и местности.

Современные

nрограммные

комплексы

в

целях

минимизации

объе­

мов экспортируемой информации и проведения количественных оценок резуль-

97

татов таты.

обработки

данных ДЗЗ

позволяют векторизовать полученные резуль­

Материалы ДЗЗ, обеспечивая по одним компонентам максимально информационную основу (водные ресурсы, геологическая среда,

возможную

ландшафты,

нарушение

почвенио-растительного

покрова,

развитие

5шасных

природных и техногеиных процессов), а по другим - минимальным объе~

данных (воздушные массы, химическое загрязнение ландшафтов, животныи мир), в комплексе с результатами наземных работ создают ос~ о в у специали~ зированной

экологической

ГИС

системы

управления

охранои

окружаюшеи

среды.

4.5. АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ В ЗАДАЧАХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Использование

материалов

дистанционного

зондирования

при

решении

аадач мониторинга чрезвычайных ситуаций (ЧС) связано с возможностями оверативного наблюдения в масштабах времени, близких к реальному, динами­

юt развития происходящих процессов практически в любых точках земного ша­ ра. Во:~мож1юсти охвата территорий от нескольких сотен километров до десятка сантимечюв

по:шоляют

идентифицировать

источник

возникновения

чрезвы­

чайной ситуации, выполнить текущую оценку состояния наблюдаемого объекта и осуществить прогноз развития процесса на исследуемой территории. Аэрокосмический мониторинг окружающей среды, применительно к рас­

сматриваемому виду мониторингоных наблюдений, предназначен для повыше­ ния эффективности мероприятий

по предупреждению и ликвидации ЧС на

всех уровнях (федеральном, региональном, местном, локальном). Он служит

для обеспечения безопасности населения и объектов производственного и соци­ ального назначения в природных и техногеиных ЧС, а также выработки реко­ мендаций по уменьшению ущерба и принятия решений в процессе ликвидации

ЧС. Организация данного вида наблюдений предполагает определение номенк­ латуры контролируемых параметров физических полей и явлений, возникаю­ щих в процессе природных и техногеиных ЧС. Решение данного класса задач предполагает определение источников возникновения чрезвычайных ситуаций,

характеристику объектов наблюдения, а также требования к системам наблюде­ IШЯ протекающих процессов.

Объекты аэрокосмического мониторинга и номенклатура контролируемых параметров приведсны в табл. 4.7 и 4.8 [145). Также в данных таблицах указан способ определения (физические принципы), с помощью которых осуществля­ ют измерения контролируемых параметров природных и техногеиных ЧС, диа­

пазон наблюдений используемой аппаратуры и аэрокосмических средств (диа­ пазоны длин волн и частот, необходимых для измерения контролируемых па­ раметров).

При определении возможности использования аэрокосмических средств для обнаружения и наблюдения nриродных и техногеиных ЧС следует учиты­ вать ограничения, накладываемые сезонными, метеорологическими, географиче­ скими

условиями

и

техническими

возможностями

аппаратуры,

щей наблюдение и измерение контролируемых nараметров.

98

осуществляю­

~

Та б д и ца

4.7

НомеНХJiатура контролируемых параметров природных ЧС

Чрезвычайная

Объект

ситуация

мониторинга

Геофиэически

Способ опреде.1ения Контролируемые параметры

(физические принципы)

Спrктральны!r дшша:юн работы средств наб.,юдени!l (измереHIIЯ)

Примечапия

о пас

ные явления: землетрясения

Координаты и размеры зоны ЧС. Сейсмически опасные районы Величина вертикального смещения.

Визуальные наблюде-

рия.

Видимый диаДифференциальная рад11оинтерферометр11Я пазон (ВД). Сантиметровый и оптическая лазерная диапазон (СД). дальнометрия с И СЗ Инфракрасный могут использоваться

Оптическая лазерная

диапазон

для прогнозирования

дальнометрия.

(ИКД)

землетрясений

HIIЯ (ВН). Скорость тектонических движений рельефа. Дифференциальная рад110интерферометНаличие и характер разрушений

извержение аулханов

Зоны (районы) вулканической

Координаты зоны ЧС. Размеры, направление и скорость движения

Видео-, фото- и телесъемка (видеосъемка). Радиолокационная (РЛ) съемка ВН. Видеосъемка. ИК и СВЧ радиомет-

деятельности

потоков лавы.

ри!l.

Высота, размеры и направление движения

Спектрометрия (лазерная). Контактные методы

выбросов вулканической деятельности. Наличие и концентрация ядовитых приме·

ВД; СД; ИКД

П ространетвенное разрешение при съемке

ОТ 100 М ДО 1 КМ Контактные методы используются для кон-

траля примесей

сей в приземном слое атмосферы Геолоrически опасные явления: оползни

сели

обвалы (провалы)

Горные районы,

Координаты, размеры, направление и ско·

ВН. Видеосъемка. РЛ

берега рек

kость перемещения оползней. рутизиа рельефа. Структура поверхности Земли в зоне ЧС

съемка

Горные, пред-

КоордИнаты, размеры, направление и ско·

ВН. Видеосъемка. РЛ

горные селео-

рость перемещения селевого потока.

съемка

nасные районы

Крутизна рельефа. Структура поверхности Земли в зоне ЧС Координаты и размеры зоны о.бвалов (про·

Горные районы, береrа рек валов) Крутизна рельефа, высота подъема воды в

ВН. Видеосъемка. РЛ

s

Горные лавина· Координаты, размеры, направление и ско· опасные районы рость движения лавин

ВД; СД; ИКД

ВД;СД

съемка 1

реках лавины

ВД; СД; ИКД

ВН. Видеосъемка. РЛ съемка

ВД;СД

g

Прододжение табд.

4.7

----·-

Спектра.1ьный

Чрезвычайная

Объект

ситуация

мониторинга

Контродируемые параметры

Способ опреде.1ения (физltческие принци-

Диапазон работы средств набдю-

пы)

дения (измере-

Примечани я

ния)

~етеородоrические опасные явдеиия:

тайфуны

Зоны воздействия тайфунов. Облачные

Координаты и размеры зоны ЧС. Интенсивность осадков. Скорость и наnравление nеремещения тail-

ВН. ВИдеосъемка ИК и СВЧ радиомет-

ВД; СД; ИКД; ммдиметровый

рия.

диапазон

структуры

~уна.

РЛ съемка.

корости ветра на различных высотах.

Зоны nрохож-

смерчи

дения смерча.

Облачные структуры.

пыльные и nесча-

ные бури, снежные бураны

Вuхри Облачные

Координаты и размеры зоны ЧС.

структуры.

Размер и форма облаков.

Состояние поверхиости Земли

Прибрежные

цунами

тихоокеанские акватории

ГИдрологические

Характер разрушений Координаты зоны ЧС. Скорости ветра. Характер и размеры разрушений в городских и сельскохозяйственных районах

диапазон

ВН. Видеосъемка. РЛ съемка

ВД;СД

ВН. ВИдеосъемка. СВЧ радиометрия. РЛ съемка

ВД; СД; миллиметровый

(подъем воды, на-

дамбы, плоти-

верхности.

водпения и эатопле-

ны, морские

Площадь затопления.

nрибрежные

Интенсивность осадков. Высота снежного

зоны

по крова

Леса, стеnи, торфяники, нефтяные ме-

Координаты зоны ЧС. Раз]l!ер ДЫ]I!овоrо шлейфа, площадь огневой зоны, температура, nлощадь rарей. Наnравление и скорость распространения

сторождения

зоны горения.

угольные и

Параметры предnожарной обстановки ~

- --

-~

nазоны

рия.

Координаты зоны ЧС.

Природные пожары

ВД; СД; дециметровый и метровый дна-

Скорость и наnравление ветра. Темnература и давление. Характер разрушений Координаты, площадь и характер разрушений. Высота и длина волн. Нап~авление и скорость nеремещения волн. Глу ина проникиовекия приливной волны Высота подъема воды, nлощадь водной по-

ния)

ВН. Видеосъемка. РЛ съемка

ВД; СД; ИКД; миллиметровый

Поймы рек, во-

явления

Контактные методы

ВН. Видеосъемка. ИК и СВЧ радиомет-

дохранил ища,

, опасные

-

РЛ съемка

ВН. Видеосъемка. ИК радиометрия. СВЧ радиометрия

-

диаnазон

ВД; СД; ИКД; Пара]l!етры предnожардециметровый ~ ной обстановки конмиллиметровый тролируются с ИСЗ (ИК и СВЧ радиометдиаnазоны рия)

Таблица

4.8

Номенхлатура контролируемых параметров техноrеННЬiх ЧС

Чрезвычайная

Объект

ситуация

мониторинга

Контролируемые параметры

Аварии и крушения на

Транспортные ма-

Координаты и характер разрушений

железных

гистрали, мосты, тоннели, подвиж-

транспортных машстралей. Площадь загрязнений от транспор-

ные средства

тируемых грузов

Аварии и катастрофы

Районы морского

морского и речного

судоходства, порты

дорогах

транспорта

Способ определения (физические лринципы)

Спектральный диапазон работы средств наблюдения (измерения)

ВН. Видеосъемка. РЛ съемка

ВД; СД; ИКД сантиметровый

Координаты зоны бедствия. Площадь и направление движения

в н. Радиоприем аварийных

ВД. Диапазон стан-

загрязнений

сигналов.

дартных сигналов

РЛ съемка. СВЧ радиометрия

SOS.

Примечапия Пространствеиное разрешение при

съемке

2-5

м

-

СД; миллиметравый диапазон

Аварии и катастрофы на

авиационном транс-

Районы авиасообщений, аэродромы

Координаты района катастрофы, характер разрушений (пожаров), площадь загрязнений

ВН. Видео 11 ИК съемка. РЛ съемка

ВД; СД; ИКД

Автодороги и при-

Координаты зоны ЧС. Характер и площадь разрушений. Площадь загрязнений от транспор-

ВН. Видеосъемка. РЛ съемка. СВЧ радиометрия

ВД; СД; МИЛЛИметровый диапа-

разрешение при

зон

съемке

Видеосъемка высокого

ВД; СД; ИКД; миллиметровый

разрешение при

диапазон

съемке

щих почву продуктов

РЛ съемка. СВЧ радиометрия

Координаты и площадь дымового шлейфа, огневой зоны. Химический состав дымов

ВН. Видеосъемка. ИК и СБЧ радиометрия. ИК и лазерная

ВД; СД; ИКД; миллиметровый

разрешение при

диапазон

съемке

ВД; СД; ИКД; миллиметровый

разрешение при

диапазон

видеосъемке

порте

Аварии на дорогах

легающие территории

П ространетвенное разрешение при

съемке

2-5

м

Пространствеиное

2-5

м

тнруемых грузов

Аварии на трубопрово-

Объекты аварий

дах и nромыслах

Пожары на промыш-

Объекты аварий

ленных предприяn1ях. транспорте, шахтах

Координаты и площадь ЧС. Характер, размеры и площадь разливов нефn1 и других загрязняю-

и жилых зданиях

П ространетвенное

2-5

1

м

П ространетвенное

2-5

м

спектрометрия

Аварии на химически

Аварийные объек-

опасных объектах

ты: промытленные предприятия, водо-

!

разрешения.

Координаты и площадь зоны ЧС. Направление, температура 11 скорость движения дымового и (или} газового шлейфа.

емы вблизи них, атмосфера в районе Химический состав воздушной ереаварии ды в зоне ЧС Ко.1ичество облаков и интенсивность осадков в зоне ЧС. Направлеюtе 11 скорость ветра -

БН. Видеосъемка. ИК и СВЧ радиометрия. ИК и лазерная спектрометрия,

П ространетвенное

rазоанализ. Контактные методы

-----

2-5

м

j

Продол же ни е та б л.

4.8

Чрезвычайная

Объект

ситуация

мониторинга

Аварии на радиационно-опасных объектах

Атомные электро-

Сnектральный

Контролируемые параметры

станции и друтие

Координаты и nлощадь зоны ЧС. Наличие и характер разрушений,

радиационно-

оnасные объекты

Сnособ оnределения (физические nринципы)

Районы аварий

то в

Аварии иа электроэнерrетических

ТЭЦ, ГРЭС, ГЭС, лэп и др.

системах

диаnазон;

Видеосъеlо(Ка.

диаnазоны радио-

Количество облаков и интенсив-

Видео- и ИК-

активных излуче-

иость осадков.

сnектрометрия.

Интенсивность радиоахтивноrо из-

Дозиметрический кон-

ний

ные сооружения и др.

J[НЭИеобеспечения

!

Гидродииамичесхие аварии

Водохранилища, дамбы, nлотины

ВД; СД; ИКД

Координаты зоны ЧС. Характер и степень разрушений,

Видеосъемка. ИК и СВЧ радиометрия. РЛ съемка

Координаты зоны ЧС. Высота подъема воды, nлощадь затоnления

м

излучений

Видеосъемка РЛ съемка

Водозаборы, очист- Координаты зоны ЧС. Характер разрушений. Химический состав и концентрация аэрозолей в облаках, наличие и амnлИ1)'дЫ теnловых аномалий

коммунальных

2-5

Реrистрация ионизнПространствеиное разрешение при

съемке

Размеры дымовых шлейфов и наличие тепловых аномалий Аварии на

съеlо(ке

троль.

Координаты зоны ЧС. Площадь, характер и степень разрушений

nлощадь зоны.

системах

разрешение nри

иия.

рующи:х

Раэрушени11 зданий и промышленных объек-

Пространствеиное

миллиметровый

nожаров и радиоактивноrо зараже-

аnравление и скорость ветра

Примечакия

ВД; СД; ИКД;

ИК и СВЧ радиометрия. РЛ съемка. Контактные методы.

~ения.

1

диаnазон работы средств наблюдеиия (измерения)

ВД; СД; ИКД; миллиметровый и метровый дна-

1-2 м

Пространствеиное разрешение при

съемке

2-5

м

nаэоны

Видео, ИК и СВЧ радиометрия.

РЛ съемка. Контактные методы. Лазерная сnектрометрия Видеосъемка. РЛ съемка. СВЧ радиометрия

Диаnазон ультрафиолетовоrо из· лучения; ВД; СД; икд

----

--

----

съемке

2-5

м

-

ВД; СД; ИКД; миллиметровый диаnазон_ ~

-·-

Пространствеиное разрешение nри

_

•

Раздел

2

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

АЭРОКОСМИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ ОБЪЕКТОВ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Глава

5

ПРИНЦИЛЫ ПОСТРОЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ОБЪЕКТОВ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ 5.1.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Наблюдения объектов земной поверхности осуществляются по их изобра­ жениям,

получаемым

с

помощью

съемочных

комплексов,

расположенных

на

борту воздушных и космических носителей. Особенности наблюдений объектов земной поверхности по изображениям непосредственно связаны с принципами их построения, а также с особенностями используемой наблюдательной систе­

мы. Различают физические и геометрические принцилы построения изображе­ ний, а также визуальные и автоматические методы наблюдений. Структурная схема, характеризующая принципы построения изображений представлена на рис.

5.1. Физические прииципы построения

изображений используют законы тео­

рии информации, описывающие процессы nередачи информации от источника

сообщения к nриемнику. В качестве источника сообщения выступают объекты земной поверхности, а в качестве приемника

-

съемочные камеры.

Объекты земной поверхности, состоящие из различных естественных и ис­ кусственных материалов, обладают способностью избирательно поглощать и

отражать электромагнитные излучения. Данное свойство объектов nозволяет с nомощью специальных приемных устройств съемочных систем, чувствительных к

оnределенной

длине

электромагнитной

волны,

осуществлять

регистрацию

электромагнитного излучения различной мощности и преобразовывать его в соответствующий видеосигнал с помощью фотохимических или электрических

nреобразователей. При этом различают регистрацию изображений на фотопленку и цифро­ вые носители. При регистрации на светочувствительный материал получаются

фотоизображения, а при регистрации на цифровые носители - цифровые изобра­ жения. В последнем случае для получения видеоизображения необходимо исполь­ зовать устройства, обеспечивающие визуализацию цифрового изображения. Процесс получения цифровых изображений основывается на физических

nринципах регистрации оптического изображения. Это обеспечивается посред­ ством

аналого-цифровых

и цифровых реализаций данного технологического

nроцесса.

103

ПОЛУЧЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ:

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ:

кадровая съемка, щелевая съемка,

панорамнаи съемка, сканерпаи съемка

фотографические изображении, uифровые фотоизображении, uнфровые юображении

."'

•. . а

:11

с.:.:

~ ~ ~е

~~.е

~е

+

+

+

+

д

::1!

Cl

:.:

~:.: -&:111

:11

=

+ +

~

..= ..=:.: Cl

..= ::i.. Cl

С>

,.Q

С>

а с

:11 ::1!

:i ..

~ с

= ::1! =. ..

.

с

.. ~

.:.: . .."= ~

. ..= . . ="'..t . =.. 5 •.=."'= =r:: r:: r:: :.:

д

Cl

~

д

Cl

,11 Cl

,.Q

Cl С>

с

:.:

"' ::1! с...,

~

.. ,11

u

,.Q ~

~

~

С>

::с

+ ... +

+

~

+

Фотометрические (радиометрические)

Геометрические параметры

параметрыизображений

изображений

+

•

Аэросъемка

1 Рис.

~

с

1:{

изображении

=д

.= . ".=- .. .~ = ..

:.:

1111

~

Стереоскопические

. .. ..= .."">"'.=-

Cl С>

Одиночные изображении

5.1.

. .. " ..=.= .."'=:.:

~

,11 Cl

~

=

~

т

•

1

_t

J

Космическая съемка

1

1

ПрнИЦИIIЫ построении изображений земной поверхности

При аналого-цифровой реализации данного процесса в ходе его осуществ­ ления исходные полутоновые фотоснимки формируются в съемочных камерах

на борту носителей, а затем, после химико-фотографической обработки, в виде полутоновых аналоговых фотоизображений поступают на вход сканирующих устройств. Эти устройства обеспечивают преобразование аналоговых полутоно­ вых фотоснимков в совокупность цифровых сигналов оптических плотностей, которые записываются на магнитные носители в фиксированных форматах. В

этом случае получаемые изображения будем называть цифровыми фотоизобра­ жениями.

При цифровой реализации процесса исходные изображения формируют в виде цифровых сигналов непосредственно в ходе сканирования объектов мест­ ности

посредством

съемочных

камер,

расположенных на борту

космических

носителей, откуда они передаются на наземные центры приема. Эти центры обеспечивают: прием и регистрацию цифровых изображений; радиометрическую и геометрическую коррекцию; создание каталога базы цифровых изображений и их регистрацию на магнитных носителях. Такие изображения в дальнейшем

будем называть цифровыми изображениями местности. Преимуществами цифровых изображений по сравнению с аналоговыми фотоизображениями и цифровыми фотоизображениями являются: возможность реализации полностъю цифровой технологии создания карто­ графической продукции; сокращение технологического цикла за счет исключения процессов фото­

химической обработки и сканирования снимков;

104

возможность

одновременного

получения

панхроматических,

цветных

и

спектрозональных изображений; полное исключение

погрешностей, связанных с деформацией фотомате­

риала.

Практическая реализация дистанционного изучения окружающей среды строится на использовании приемников, чувствительных к определенной зоне

электромагнитного спектра излучения (рис. 5.1*). С этой точки зрения различа­ ют виды съемок, обеспечивающие регистрацию: ультрафиолетового излучения, видимого излучения, инфракрасного излучения, радиоизлучения, акустического излучения, магнитного поля, гамма-излучения и испарения объектов.

Ультрафиолетовая съемка выполняется в диапазоне длин электромагнит­ ных волн от 0,01 до 0,4 мкм. Для регистрации изображений используются как фотоумножители, так и фотопленка. Следует отметить, что ультрафиолетовое излучение активно поглощается атмосферой, что позволяет использовать ульт­

рафиолетовую съемку только при съемках на низких высотах.

Съем1еа в виОи.мо.м Оиапазоне

-

вuiJeocъe.мJCa

(0,4-0,74

мкм) выполняется

в настоящее время на фотографические пленки и твердотельные приемники. В зависимости от используемых диапазонов регистрации и

типов регистраторов

различают черно-белые паихроматические изображения, цветные изображения, спектразональные и многозональные (многоспектральные) изображения.

Черно-белые паихроматические изображения получают во всем видимом спектре электромагнитных волн на черно-белую фотопленку или черно-белый светочувствительный твердотельный приемник. При цветной съемке изображе­ ния

регистрируются

на

цветную

фотопленку

или твердотельный

приемник

цветных изображений. При такой съемке регистрируются естественные цвета объектов местности. Наряду с цветными изображениями при решении ряда задач дешифриро­ вания с успехом используются спектрозональные изображения, обеспечиваю­ щие получение цветных изображений с искаженными цветами объектов земной поверхности.

Для получения спектрозональных изображений используют 2-3 слоя мате­ риала, чувствительного к разным зонам электромагнитного спектра и обеспечи­ вающего цветное контрастное воспроизведение изображений объектов. Наи­

больший эффект эти изображения дают при использовании зон электромагнит­ ного спектра, обладающих максимальной отражательной способностью для ис­ следуемых типов объектов.

При многозональной съемке регистрация осуществляется одновременно несколькими приемниками, чувствительными к определенному узкому диапазо­

ну видимого излучения. Съемка в видимом диапазоне осуществляется как с воз­

душных, так и с космических носителей, практически во всем масштабном ряде с разрешением объектов от нескольких сантиметров до нескольких километров. Инфра1ерасная (тепловая) съе.м1еа выполняется в трех диапазонах:

ближнем (0,74-1,2 мкм), среднем (1,8-5,3 мкм) и дальнем (7,0-14 мкм). В ближнем диапазоне осуществляется регистрация отраженного излучения Солн­ ца. В этом диапазоне в качестве приемника может использоваться пленка со специальной фотоэмульсией. В среднем и дальнем диапазонах регистрируется

собственное тепловое излучение объектов земной поверхности, для регистрации которых используются тепловизоры. Они обеспечивают преобразование тепло­ вого излучения в аналоговые или цифровые видеосИгналы с разрешением от 'Здесь и далее рисунки, пронумерованные римскими цифрами, см. на вклейке.

105

1 до 10-30

м. Она с успехом используется для выявления источников темпера­

турных аномалий, вызванных пожарами, авариями трубопроводов.

Лазерная съемка проводится в видимом или ближнем инфракрасном

спектральных

диапазонах

посредством

использования

активного

источника

электромагнитного излучения, лазерного локатора (лидара). Лазер работает в имnульсном режиме. Он испускает короткие импульсы, направление которых

задается оптической сканирующей системой. Режим сканирования должен обеспечивать заданную полосу сканирования. В поперечном направлении ска­ нирование осуществляется посредством использования качающегося зеркала, а

в продольном направлении

- за счет движения носителя. Лазерная съемка с

успехом применяется при выполнении топографических и землеустроительных работ, при съемках объектов электроэнергетики, лесоустроительных и лесотех­ нических съемках.

Радиолокационная съе.мка использует активный источник излучения ра­ диолокатора бокового обзора. Она осуществляется в микроволновом диапазоне электромагнитного излучения. Этот вид съемки основан на изменении интен­

сивности отраженного радиосигнала от различных объектов земной поверхно­ сти. Она с успехом применяется как при съемках из космоса, так и с самолета.

Ее основным достоинством является возможность съемки территорий в любое время суток при любых метеоусловиях. В настояЩее время она обеспечивает разрешение объектов земной поверхности до

1-5

м.

Кроме рассмотренных съемочных систем, широко используемых для полу­

чения изображений земной поверхности, существуют также геофизические ви­ ды съемок, обеспечивающие анализ свойств земной поверхности. К таким ви­ дам съемок относятся радиотепловая, магнитометрическая, рентгеновская съем­ ки, а также гамма-съемка и аэрогеохимическая съемка.

Радиотепловая съе.мка регистрирует пассивное излучение объектов зем­ ной поверхности в микроволновом диапазоне 100 см - 1 мм с помощью радио­ локаторов. Это излучение прозрачно для атмосферы, nоэтому может с успехом регистрироваться приемниками, установленными на космических носителях.

Реzистрация .маzнитноzо излучения выполняется в ходе аэромагнитной съемки

посредством

Основное

использования

назначение

магнитной

в качестве приемников аэромагнитометров.

съемки

-

изучение

геолого-геофизических

свойств земной поверхности. Га.м.ма-спектро.метры используются в ходе nроведения аэрогамма-съем­ ки. Учитывая, что гамма-излучение активно поглощается атмосферой, ее целе­ сообразно проводить с высот, не превышающих 150-200 м. Гаммо-спектро­ метры с успехом могут использоваться при выявлении источников радиоактив­

ного загрязнения земной поверхности. Аэроzеохи.мическая съе.мка основана на регистрации летучих элементов и

соединений, исnаряемых объектами земной поверхности в атмосферу. К лету­ чим относятся сернистый ангидрид, углеводороды, сероводород. Приемниками для регистрации исnарений служат оптические спектрометры, регистрирующие спектры атомного логлощения химических элементов и соединений в параоб­ разном состоянии. Эти виды съемок с успехом используются при контроле на­ личия загрязняющих веществ в атмосфере городов.

Геометрические принципы построения изображений определяются по­ ложением осей визирования съемочных камер в момент съемки и способами nроектирования изображения (1, 48].

По nоложению оси визирования одиночного изображения различают: го­ ризонтальную, плановую и nерспективную съемки (рис.

106

5.2).

Рис. 5.2. Геометрия изобрmкеиия при rоризои­ ТаJIЬИОЙ (nлановой) съемке (а) и перспективиой (наклонной) съемке (6)

а

б

d а

Плановая съе.м.ка проводится с углами наклона, не превышающими 3°, а при перспективной - угол наклона может находиться в диапазоне от 3° до 70800. В случае, если угол наклона равен 0°, то съе.м.ка является zоризонталь­ ной.

По способам проектирования изображений различают (рис. 5.3): кадро­ вую, щелевую, панора.м.ную и сканерную съе.м.ки, а также съе.м.ку с боко­ вьtАl линейньtАl сканированием. и одновре.м.енную съе.м.ку на три линейки

(pushbrooт, вперед -в надир -назад). При кадровой съе.м.ке (рис. 5.3, а) оптическое изображение участка земной поверхности одновременно проектируется посредством объектива на светочув­ ствительный материал, который находится в фокальной плоскости, ограничен­

ной прикладной рамкой. а

б

в

Рис:. 5.3. Спос:обu DOCТpOeiiiUI наобрааевиl

107

При щелевой съемке (рис. 5.3, б) оптическое изображение ~роектируется во время поступательного перемещения носителя с фотокамерои пос~едством совокупности полос земной поверхности, формируемых экспонирующеи щелы~

фотообъектива.

При nанораJtСной съемке (рис. 5.3, в) кадр оптического изо~ражения фор­

мируется в процессе построчного сканирования участка земнои поверхности

перnендикулярно линии полета центральной частью nоля зрения объектива, когда скорость персмещения оптического изображения синхронизирована со скоростью перемещения носителя.

При сканерной съемке (рис. 5.3, z) оnтическое изображение формируется

точечным сканированием в направлении, перпендикулярном полету носителя, посредством перемещения сканирующего элемента, а в направлении полета

-

nутем последовательного суммирования строк в ходе поступательного переме­ щения носителя.

При съемке с боковым линейным сканированием (рис. 5.3, д) оптическое

изображение формируется линейным сканированием в направлении, nерпенди­

кулярном полету носителя, с фиксированным отклонением съемочной камеры на поперечный угол е, а в направлении полета

-

путём последовательного

суммирования строк в ходе постуnательного nеремещения носителя.

При одновременной съемке на три линейки (pиshbrooт, вперед дир -назад) (рис.

5.3,

-

в на­

е) оптическое изображение формируется линейным ска­

нированием: на первую линейку с фиксированным отклонением проектирующе­

го луча вперед на продольный угол ( +0}, на вторую линейку с отклонением проектирующего луча в точку надира (О= 0}, на третью линейку - с отклоне­ нием проектирующего луча назад на продольный угол (-0) - посредством по­ следовательного суммирования строк в ходе поступательного перемещения но­ сителя.

В современных технологиях стереоскопических видов съемки в зависимо­

сти от значений элементов ориентирования снимков и, соответственно, положе­ ния осей визирования различают нормальную, параллельную и конвергентную схемы съемок.

При нормальном случае съемки направления оптических осей съемочной

системы перпендикулярны базису фотографирования.

Стереоизображения

в

этом случае формируются путем получения перекрывающихся кадров с раз­

личных точек базиса фотографирования. Данное взаимное расположение изо­ бражений стереопары обеспечивает оптимальные, с точки зрения стереоизмере­ ний, условия построения стереоскопических изображений и, соответственно, стереоскопической модели местности.

В параллельном случае съемки направления оптических осей систем вза­ имно параллельны базису фотографирования. Конвергентная съемка выполняется при взаимно пересекающихся на­ правлениях оптических осей съемочных систем. С этой целью используется

съемка как с параллельных орбит (маршрутов), так и с одной орбиты (маршру­ та). При съемке с параллельных орбит одной съемочной камерой должна быть предусмотрена возможность отклонения ее оптической оси поперек орбиты как в одну, так и в другую сторону.

При съемке с одной орбиты при исnользовании одной съемочной камеры должна быть предусмотрена возможность отклонения ее оптической оси от вер­ тикального положения вперед и назад.

При съемке с одной орбиты несколькими съемочными камерами (двумя или тремя) их взаимная ориентация фиксируется относительно точки верти108

б

а

3

1

Рис. 5.4. Способы построеЮiя изображений: а - продольное перекрытие; б - поперечное перскрытие

кальнога положения. Эти камеры, расположенные на борту одного носителя,

обеспечивают два линейных пучка визирования: вперед и назад, и три пучка: вперед, вертикально вниз, назад. В данном случае смещение во времени между

съемкой объекта

камерами минимально, что обеспечивает стабильные условия

по освещенности.

На практике существует также общий случай съемки. Он возникает при

подборе перекрывающихся изображений на один и тот же участок земной по­ верхности, полученных в разное время, а иногда и разными съемочными систе­

мами. Общий случай стереосъемки используется, как правило, при получении стереоизображений со смежных орбит. Недостатком данного метода является существенное изменение условий

освещенности земной

поверхности, что ус­

ложняет стереоскопическую обработку таких изображений, особенно при ее выполнении в автоматическом режиме.

При решении задач картографирования земной поверхности на практике

наиболее часто используется нормальный случай съемки. Следует отметить, что при получении стереоизображений важное место занимает зона перекрытия. При стереофотограмметрической обработке разли­ чают продольное и поперечное перекрытие. Продольное перекрытие возникает

при перекрытии участков изображений, образующихся в направлении полета

носителя одного маршрута съемки. Поперечное перекрытие наблюдается при перекрытии изображений, образующихся в направлении, перпендикулярном направлению полета, т.е. со смежных маршрутов (рис. 5.4). Стандартная вели­ чина продольного тия - 20-40 %.

перекрытия составляет

55-65 %,

а поперечного перекры­

5.2. ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИЗОБРАЖЕНИЙ Фотометрические (радиометрические) лараметры изображений определяют изобразительные свойства изображений. Они позволяют оценить возможности отображения на фотографических и цифровых носителях объектов земной по­

верхности. Эти возможности зависят от локазателей контрастов изображений 109

объектов, которые определяют основные информационные свойства объектов земной поверхности.

В качестве основных показателей изобразительных свойств изображений и

соответственно информационных характеристик объектов земной поверхности используются следующие фотометрические параметры [36]: контраст изображений объектов; разрешающая способность изображения; резкость изображения; контрастно-частотная характеристика изображения; разрешение изображения. Контраст изображений объектов (тоновый контраст) определяет разли­

чие в оптических плотностях изображений объектов земной nоверхности. Его величина, в первую очередь, зависит от величины визуального контраста Кв реальных объектов земной поверхности, а также от канала передачи информа­ ции, т.е. от атмосферы.

Величина визуального контраста реальных объектов земной поверхности оnределяется по формуле

(5.1) где ~,. ~ 2 - сnектральные яркости сравниваемых объектов; r~.,, r~.2 - спектраль­ ные коэффициенты яркости объектов с длиной волны Л 1 , Л 2 • Величина оптического контраста изображений отличается от величины ви­ зуального контраста, что связано с искажением сигнала при прохождении через

атмосферу и каналы приемнога устройства съемочной системы, и определяется как разность оптических плотностей сравниваемых изображений объектов:

tillt, 2 = Dt - D2, где

(5.2)

-значения оптических плотностей сравниваемых объектов. Значение оптического контраста можно найти по следующим упрощен­

D 1, D 2

ным формулам

tillt, 2 = Yлlg(rt + Кл + Ол )/(r2 + Кл + ол) или

blJ1. 2 = ylg(rt/r2). где YJ. - коэффициент контрастности изображения для соответствующих сnект­ ральных зон;

кл ,ол

r1, r2 - спектральные коэффициенты яркости объекта и фона; - соответственно коэффициенты задымленности атмосферы и светорас­

сеяния.

Разреиюющая способность изображения характеризует количество раз­ дельно различимых черно-белых штрихов миры на один миллиметр длины.

Разрешающая способность изображения является результирующим nоказателем

качества используемой съемочной системы. Она объединяет в себе разрешаю­

щую сnособность объектива и регистрирующего материала: фотопленки, фото­

бумаги или фотоприемника. Ее величину теоретически можно определить по формуле

1/R = но

1/R.. + 1/Ra.

(5.3)

где ста;

R - разрешающая способность изображения на Ro - разрешающая способность объектива; R:. -

мире абсолютного контра­ разрешающая способность

эмульсионного светочувствительного слоя.

Разрешлющая способность объектива характеризует наименьший угол между лучами, изображающими раздельно две точки или, что то же самое, чис­

ло различимых линий на

1

мм изображения. Разрешающая способность объек­

тива ограничена дифракцией света, которая приводит к тому, что точка изо­

бражается в виде круглого пятна, окруженного темными и светлыми дифракци­ онными кольцами с постепенно убывающей яркостью. В идеальных объективах

84 % световой энергии сосредоточено именно в круглом пятне, в то время как яркость первого кольца составляет 2 % от яркости пятна. Это позволяет в каче­ стве разрешающей способности принять угол, равный радиусу круглого пятна, т.е.

'V

= (r/foб)p",

(5.4)

где \j1 - угловая разрешающая способность объектива; r - радиус круглого ди­ фракционного пятна; /об фокусное расстояние объектива, р" = 206 264. Здесь r 1,22 Л. foo/D, где Л. - длина волны; D - диаметр диафрагмы объектива в мм. Приняв длину волны Л.= 0,556 мкм, что соответствует максимуму чувствитель­

-

=

ности человеческого глаза, получим значение разрешающей способности в се­ кундах 'V" = 140/D. Приведеиные формулы позволяют определить теоретические значения разрешающей способности объектива. Из-за наличия искажений в объективе его реальная разрешающая способность, как правило, меньше теоретической. Реальное значение разрешающей способности объектива определяют посредст­ вом наблюдения увеличенного изображения миры, которое строят в фокальной плоскости объектива. При обработке изображения интерес представляет не тео­ ретическая величина разрешающей способности изображения, а его реальная величина на конкретных ландшафтах земной поверхности. Ее величину для реальных контрастов определяют по формуле

R.., = R(1 - 10-w), где

R... -

(5.5)

разрешающая способность изображений объектов местности;

W -

то­

новый контраст изображения. Резкость изображения характеризует ширину зоны перехода от одного тона к другому. Она характеризует наклон и кривизну поrраничной кривой. Контрастно-частотная характеристика характеризует связь между контра­ стом фотоизображения и пространствеиными частотами структуры поверхности

объектов. Для ее определения используется формула

T(N) = Киэм/К00, (5.6) где T(N) - значение контрастно-частотной характеристики; Киэм - оптический контраст изображения; Коб

-

оптический контраст объекта.

10""-1 Здесь Киэм. =---;;;--. 10 +1 Разреwение изображения характеризует минимальный размер объекта земной поверхности, различимый на изображении. Разрешение изображения определяется по формуле Н.П. Лаврова

111

где А - разрешение изображения, те - масштаб изображения (в снимка); R разрешающая способность изображения по мире абсолютного контраста, t.D тоновый контраст изображения объектов. Рассмотренные фотометрические параметры характеризуют качество фото­ изображений земной поверхности, то есть изображений, зарегистрированных на фотографических носителях информации. В случае если регистрация осуществ­ ляется на твердотельные приемники информации, в качестве показателя каче­ ства выступают радиометрические параметры. Данные параметры по своему функциональному предназначению являются аналогом фотометрических пара­ метров.

Их отличие заключается в замене показателя светочувствительности

используемого фотографического материала энергетическими параметрами све­

точувствительных элементов используемых приемников. Данное обстоятельст­ во позволяет использовать рассмотренные показатели качества изображений применительно ко всему спектру используемых съемочных систем.

5.3 fЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИЗОБРАЖЕНИЙ Из перечисленных видов съемок для решения измерительных задач ис­

пользуют кадровую съемку в видимой зоне электромагнитного спектра. В ее основе лежат законы геометрической оптики: прямолинейность распростране­ ния светового потока в однородной среде, законы отражения и преломления лучей на границе двух сред. Именно эти законы лежат в основе построения оnтического изображения, которое в дальнейшем регистрируется на фотографи­ ческую пленку или цифровой носитель.

Основным узлом съемочных фотокамер является объектив, работа которо­ го строится на законах центрального проектирования:

каждая точка изображается точкой; плоскость, перпендикулярная к оптической оси, изображается также плос­ костью, nерпендикулярной к этой оси;

изображение плоского объекта, расположенного перпендикулярно к опти­ ческой оси, подобно самому объекту. На рис. 5.5 представлена схема сложного объектива и его основные узлы. Здесь F и F' - передний и задний фокусы; прямая FF', проходящая через эти точки, является оптической осью; Н и Н' - передняя предметная и задняя кар­ тинная главные плоскости; S1 и 5 2 - передняя и задняя главные точки, совпа-

Н

Рис.

112

Н'

5.5. Схема прохождении световых лучей в идеальном объеJСТНВе

дающие с узловыми точками;

ния; S1F

= S2F' =/об.

где /об

-

S1F, S2F' -

переднее и заднее фокусные расстоя­

фокусное расстояние объектива.

Главные плоскости объектива оптически сопряжены и линейное увеличе­ ние в них ~ = 1. Следовательно, с точкой q плоскости Н оптически сопряжена точка q' плоскости Н'. Узловые точки характеризуются тем, что в них угловое увеличе­ ние у = 1. Соответственно, сопряженные лучи, проходящие через эти точки,

взаимно параллельны,

Us

= U.~·

Принцилы построения изображения позволяют в качестве определяющих параметров съемочной камеры определить следующие характеристики:

фокусное расстояние объектива /об; относительное отверстие;

разрешающую способность объектива; поле зрения;

формат кадра изображения.

Фокусное расстояние объектива !об характеризует расстояние от задней узловой точки объектива до фокальной плоскости, где расположен светочувст­ вительный слой фотопленки. Фокусное расстояние определяет масштаб полу­ чаемого изображения, который определяется по формуле

где т

-

масштаб изображения; /об

-

фокусное расстояние объектива; Н

-

высота

фотографирования.

Относительное отверстие характеризует отношение действующего отвер­ стия к фокусному расстоянию:

где qo - относительное отверстие объектива; мы (входной зрачок объектива).

D -

размер действующей диафраг­

Величина относительного отверстия объектива определяет его способность передавать яркость исходного объекта. Все объективы по этой характеристике разделяют на малосветосильные (qo < 1:9), нормальные (qo < 1:9 - 1:6,3), свето­ сильные (qo < 1:5,8 - 1:3,5), сверхсветосильные (qo > 1:2,8). Поле зрения определяет угол, в пределах которого оптическое изо­

бражение получается с заданными характеристиками (резкое и постоянно ос­ вещенное). Именно эта величина определяет размеры кадра изображения. По этому показателю различают: узкоугольные объективы

(213 < 40°),

нормально­

угольные объективы (40° < 2~ < 60°), широкоугольные объективы (2~ > 60°). Рассмотренные геометрические параметры построения изображения спра­ ведливы для идеального объектива, дающего строго подобное ( ортоскопиче­ ское) изображение. На практике, в реальных съемочных системах наблюдается нарушение ортоскопии, что приводит к искажениям изображения. Эти наруше­ ния связаны с условиями формирования изображений в съемочной камере, ус­ ловиями съемки и характером земной поверхности.

Нарушение ортоскопии в объективе называется дисторсией. Имеет место дисторсия центрированного и нецентрированного объективов. Днеторсия цен­ трированного объектива вызывает смещение точек изображения по радиальным направлениям. Дисторсия, обусловленная погрешностями центрировки оптиче­

ской системы, состоит из радиальной днеторсии и тангенциальной дисторсии. нз

Последняя перnендикулярна к радиальной дисторсии. Воздействие дисторсии

приводит к нарушению симметрии отображения квадратной сетки (рис. 5.6}, что обусловливает необходимость ее учета при решении измерительных задач.

При решении измерительных задач по изображениям необходимо учиты­ вать смещения координат точек, обусловленные влиянием дисторсии. Поправки за днеторсию в координаты точки изображения, при наличии табличных значений дисторсии, получают по формулам

х

·

= x'(1-M/r);

у=

(5.7)

y'(1-M/r),

где х', у' - измеренные координаты точки изображения; х, у - исправленные координаты точки изображения; !!r - табличные значения поправки за дистор­

сию; r - радиальное расстояние текущей точки от главной точки

(-? == х'

2

+ у' 2 ).

При наличии контрольных сеток для учета днеторсии используются поли­ номы вида

!!r = kor + kt? + k2r'+ ... , где М - поправки за днеторсию в измеренные координаты точки изображения (х', у');

k0 , k 1, k2 -

коэффициенты полиномов; r- расстояния от главной точки.

Кроме днеторсии смещения точек изображения от центральной проекции вызываются деформацией фотоматериала, неприжимом фотопленки, рефракци­ ей атмосферы.

ДеформацUR пленки возникает при фотографической обработке. Различа­ ют систематическую и случайную виды деформаций. Систематическая дефор­

мация описывается аффинными преобразован.иями, которые равномерно рас­ пределяются по всему полю изображения. Случайная деформация не имеет четко выраженного закона искажений, поэтому для ее учета необходимо ис­ пользовать контрольные точки, расположенные по всему полю изображений. При наличии четырех координатных меток на прикладной рамке фотокамеры поnравки за равномерную деформацию определяют по формулам

дхФ = x'(d~ / d.);

(5.8) где дхФ, !!уФ

Рис.

114

5.6.

-

поnравки в измеренные координаты точки изображения, обу-

Днеторса обиатоа

словленные деформацией фотопленки; х', у'

изображения; d.~,

d; -

-

измеренные координаты точки

калиброванные расстояния между координатными мет­

ками; dx, dy - измеренные расстояния между координатными метками. Неприжим фотопленки может происходить во время экспозиции, что свя­

зано с качеством работы фотокамеры. На практике данная величина учитывает­ ся совместно с искажениями, вызванными неравномерной деформацией фото­ материала.

Кроме перечисленных источников искажений, связанных непосредственно с качеством съемочной камеры, отклонение точки от центральной проекции вызывается рефракцией атмосферы. Для ее учета в горизонтальных и плановых

изображениях может быть использована формула вида

Llrr

= 1,51х10-

11

= 1,51х10-

11

хН х х(1 + х 2 / /~)(1- 0,07 Н);

(5.9)

11yr

2

хНху(1 + y jj~)(1-0,07H),

где Llrг, 11yr - поправки в координаты точки из-за рефракции атмосферы; х, у измеренные координаты точки изображения; Н - высота фотографирования. Кроме перечисленных факторов на качество изображения, в первую оче­

редь, на разрешающую способность, влияет сдвиг оптического изображения, вызванный поступательным движением носителя. Его величину можно опреде­ лить по формуле

ос= 0,7(W/Н)foc.t, где Ос - сдвиг изображения, обусловленный движением носителя в момент экспозиции; W - путевая скорость носителя; Н - высота фотографирования; t время экспозиции.

Для минимизации влияния сдвига изображения в топографических фото­

графических системах используют специальные компенсаторы сдвига изобра­ жения.

Кроме перечисленных факторов на геометрию изображения оказывают влияние углы наклона камеры (рис. верхности (рис.

5.2,

а,

6)

и наличие рельефа земной по­

5.7).

Влияние рельефа местности приводит к смещению точек аоа. Данная ве-

Рие.

5.7. Втшаrе ре.u.ефа мееtИОСТИ на reo-

мerpiiiJD иаобрuсенU

. .

115

личина характеризует смещение точек

Oh, обусловленное рельефом местности, и где oh - смещение точки изображе­ ния, обусловленное рельефом местности h; Н - высота съемки; оао - положение точки на изображении при отсутствии превышения местности; оа - положение точки на изображении при наличии превышения h местности. находится по формуле &h

= аоа = оа hjH,

В ходе фотограмметрической обработки перспектинные искажения, ~ы­

званные углами наклона, устраняют путем трансформирования изображении, а

искажения, вызванные рельефом местности, - посредством ортотрансформирования.

Глава

6 ПОСТРОЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОБЪЕКТОВ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ 6.1.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ В основе решения задач аэрокосмического мониторинга лежат модели про­

странствеиных описаний геометрических лараметров объектов земной поверх­ ности. Информацию о характеристиках наблюдаемых объектов земной поверх­ ности в ходе выполнения мониторинга получают путем измерений. Здесь под измерением понимается нахождение значения физической величины опытным

путем с помощью специальных технических средств (ГОСТ

1623-70.

Метроло­

гия. Термины и определения). Нахождение физической величины осуществля­ ется посредством ее сравнения с физически однородной величиной известного размера. Операция, в ходе которой происходит регистрация одного численного

значения из группы сравниваемых, называется наблюдением. Это позволяет рассматривать измерение как процесс получения информации о численном зна­

чении физической величины посредством ее наблюдения с помощью измери­ тельных средств.

В ходе выполнения измерений осуществляется определение количествен­

ных и качественных показателей состояния наблюдаемых объектов с помощью специальных измерительных средств. В общем случае, целью мониторингоных наблюдений является установление уровней рассогласования контролируемых парам~тров исследуемых объектов, имеющихся в фиксируемые интервалы вре­ мени. Достижение указанной цели предполагает решение двух классов измери­ тельных задач.

Первый класс задач связан с определением местоположения систем на­

блюдений исследуемого объекта в пространствеиной системе координат земной поверхности. Это предполагает выбор оптимальной, с точки зрения решаемых задач, системы координат земной поверхности, а также использование измери­

тельных средств, обеспечивающих определение местоположения наблюдатель­ ной системы исследуемого объекта с требуемой точностью. Второй класс задач ориентирован на измерение значений контролируемых лараметров исследуемых объектов, осуществляемых в заданном геопозициони­ рованном пространстве. В ходе решения данного класса задач осуществляются измерения текущего состояния геометрических параметров исследуемых терри­

ториальных объектов земной поверхности; физико-химических параметров при-

116

родных

компонентов

исследуемых

территориальных

объектов

окружающей

среды.

Характерной особенностью аэрокосмического мониторинга объектов зем­ ной поверхности является решение двух классов перечисленных измерительных ·задач в рамках единой информационно-измерительной системы посредством

фотограмметрических измерений, выполняемых в ручном, автоматизированном и автоматическом режимах.

Здесь под фотогра.м.метрически.м. измерением понимается процесс опре­

деления координат объектов земной поверхности путем наблюдений их изо­ бражений на снимках, выполняемых в метрическом пространстве воспроизво­ димых шкал средств измерений. Выполнение измерений предполагает установ­

ление функциональных связей наблюдаемых и измеряемых величин, а также воспроизведение полученных измерительной системе.

моделей

в

используемой

информационно­

Результатом выполнения перечисленных процессов на первом этапе явля­ ется построение геометрической модели земной поверхности по материалам аэрокосмических

съемок,

определяющей

положение

исследуемой

территории

месторождения или трассы трубопровода в рамках единых измерительных сис­ тем координат, а на последующих этапах мониторингоных наблюдений - моде­ лирование исследуемых процессов и явлений,

осуществляемое в рамках ранее

построенной геометрической модели.

Разнородность наблюдаемых характеристик объектов требует использова­ ния единых трактовок всей совокупности технологий измерений и получаемых показателей наблюдаемых объектов. Их рассмотрение должно осуществляться на единой теоретической основе посредством алгоритмического описания тех­ нологических

процессов измерений земной поверхности

в

рамках

соответст­

вующего метрологического обеспечения.

6.2.

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ

НАБЛЮДЕНИЙ

Метрология

-

это

наука об измерениях, методах достижения их единства

и требуемой точности. Ключевое место при реализации измерений в информа­ ционно-измерительных системах, на которых реализованы технологии монито­

ринга объектов земной поверхности, занимает система обеспечения единства измерений. Она предназначена для получения результатов измерений, выра­ женных в узаконенных единицах, независимо от времени, места и средств из­

мерений. Средства измерений, с точки зрения метрологического обеспечения, делят на эталоны, образцовые и рабочие средства измерений. Эталоном являются средства измерений, обесnечивающие воспроизведе­

ние и хранение единицы измерения, изготовленные по особой сnецификации и утвержденные в качестве эталона с целью передачи значения единицы измере­

ния нижестоящим средствам измерений. Следует отметить, что на

практике

особое значение имеют рабочие эталоны. Рабочий эталон - это эталон, предназначенный для передачи единицы измерения образцовым средствам измерения, а также высокоточным рабочим средствам измерений.

Образцовые средства измерения предназначены для передачи единицы

измерения от· эталонов к рабочим средствам измерений. В частности, к образ­ цовым средствам измерений длин, которые наиболее широко используются при

117

выполнении геодезических, фотограмметрических и картографических работ, относятся образцовая шкала, образцовый измерительный прибор и образцовая контрольная сетка.

Образцовая шкала представляет собой пластину из стекла, на которую

нанесены штрихи с точностью, соответствующей классу образцового средства. Образцовая шкала служит для передачи единицы длины образцовым средствам низшей точности, а также рабочим средствам. Примерам образцовой шкалы являются оптические клинья и радиометрические калибровочные таблицы. Образцовый из.JIIерuтельный прибор представляет собой техническое средство, предназначенное для передачи размера единицы длины от одномерной измерительной шкалы к двумерной образцовой контрольной сетке. Образцовая контрольная сетка представляет собой стеклянную пласти­ ну,

на которую

нанесены взаимно перпендикулярные линии

или

контрольные

кресты, координаты которых определяют посредством измерений на образцовом измерительном средстве.

Рабочие средства из.мерений

-

это средства, используемые в повседнев­

ной практике измерений для решения конкретных задач, не связанных с пере­ дачей размера единиц.

Единство измерений достигается системой мер, осуществляющей передачу

размера единицы физической величины от эталона к рабочему средству изме­ рений. Решение данной задачи

заключается в правильной градуировке измери­

тельной шкалы. Методика воспроизведения измерительной шкалы зависит от

используемых средств измерений. Все множества шкал, с точки зрения формальных свойств аксиом теории множеств, классифицируются на неметрические и метрические.

К неметрическим относятся номинальная и порядковая шкалы. Номиналь­

ная шкала является шкалой классификаций, т.е. обеспечивает качественное раз­ деление объектов. Порядковая шкала предполагает квантификацию, т.е. количе­ ственную оценку.

К метрическим относятся интервальные и пропорциональные шкалы. Ин­ тервальная шкала определяет значение интервала и допускает линейные преоб­ разования. Пропорциональная шкала характеризуется абсолютной точкой от­ счета и допустимостью мультипликативных преобразований подобия.

В качестве измерительных шкал при выполнении измерений объектов земной поверхности используются метрические шкалы, обеспечивающие един­ ство средств измерений. Они позволяют определять фотометрические и геомет­

рические характеристики объектов местности. Выбор измерительных шкал за­ висит от характера решаемых задач, наличия опорных (реперных) точек, ис­

пользуемых для построения шкал, а также средств измерений, обеспечивающих их воспроизведение.

Воспроизведение измерительных шкал выполняется в рамках метрики сис­ тем координат, которые применяются для фиксации положения объекта изме­

рений на плоскости или в пространстве. В этом случае измерительная шкала воспроизводится на рабочих средствах измерений посредством реперных точек, положение которых зафиксировано путем использования образцовых средств.

Именно на этих принципах построена система организации измерений в информационно-измерительных системах аэрокосмического мониторинга. В фотограмметрических измерениях при построении геометрической модели ме­ стности по снимкам ~еперные (опорные) точки играют такую же роль, как и точки rосударственнои геодезической сети при выполнении геодезических из­

мерений. Именно параметры реперных точек, полученные с помощью образцо118

вых средств измерений, используются для формирования метрического про­ странства воспроизводимых измерительных шкал рабочих средств измерений аэрокосмических информационно-измерительных систем (рис. 6.1 ). В качестве носителей единиц измерения физических величин измеритель­ ных шкал используются координаты: координатных меток и меток времени съемки;

контрольной сетки крестов съемочной камеры; контрольных эталонных и тестовых сеток измерительных средств;

опорных точек, расположенных на земной поверхности.

При выполнении фотометрических измерений в качестве реперных точек применяются оптические клинья, которые позволяют передавать метрику фо­

тометрических преобразований, а также радиометрические калибровочные таб­ лицы.

Одной из составляющих метрологического обеспечения измерений на зем­ ной поверхности является наличие поверхности, на которой решают измери­ тельные задачи, а также опорной сети, которая физически фиксирует на земной поверхности используемые системы координат.

В качестве определяющей базовой поверхности в настоящее время исполь­ зуются шар, общеземной эллипсоид, референц-эллипсоиды, плоскость. Выбор поверхности относимости определяется протяженностью участка работ, харак­

тером работы, а также используемыми технологиями измерений. В 1873 году немецкий физик Листинг предложил для характеристики фи­ гуры Земли использовать геоид. В качестве геоида принимается поверхность, совпадающая с поверхностью морей и океанов в их спокойном состоянии и

мысленно продолжающаяся под материками. В этом случае уравенная поверх-

Геометрическая модель

~

Фотометрические параметры

1

Геометрические параметры

7

Оптическая

Плановые

nлотиость

координаты (х,у)

1

"'.

~

Пространствеиные

координаты (Х, У,

Z)

i

t

Оnтический клин,

Реnервые точки:

Опорные точки:

раднометрнческан

контрольные кресты,

точк11 планово-высотной

калибровочна• таблица

координатные метки,

основы

метки времени, ЭТ8ЛОИИ811 сетка

Рве. 6.1. MeтpoJIOI1ItleCI обесnече181е аэрокос:мнчее~СП ~ средств 119

ность в любой точке перпендикулярна к отвесной линии, совпадающей с на­ правлением силы тяжести в каждой точке. Эта фигура близко совпадает с по­ верхностью эллипсоида вращения или сфероидом.

Эллипсоид вращения, форма и размеры которого наиболее близко совпа­ дают с поверхностью геоида, является земным эллипсоидом. При его исполь­ зовании для решения практических геодезических задач он должен быть ориен­ тирован специальным образом внутри Земли. Данное ориентирование выполня­

ется под условием минимизации расхождений разности астрономических и гео­ дезических координат.

В зависимости от условия ориентирования различают

референц-эллипсоиды и общеземные эллипсоиды. В случае, если малая полуось эллипсоида ориентирована параллельна оси

вращения Земли, а поверхность эллипсоида наиболее близко совпадает с по­ верхностью геоида в пределах фиксированных участков (территория государст­

ва, континента), то такой эллипсоид является референц-эллипсоидом. На основании большого объема геодезических работ в СССР под руково­ дством российского ученого-геодезиста Феодосия Николаевича Красовского в

1940

г. были получены параметры эллипсоида, которые пришли на смену ис­

пользуемого до того времени референц-эллипсоида Бесселя. Постановлением Совета Министров СССР N.! 760 от 7 апреля 1946 г. эллипсоид Красовского принят в качестве референц-эллипсоида для геодезических и картографических

работ на территории СССР. За исходный пункт был принят центр круглого зала Пулковекай обсерватории с установленными широтой, долготой и азимутом.

Развитие методов геодезических измерений потребовало для решения на­ вигационных задач на основе спутниковых наблюдений перехода от референц­ эллипсоидов отдельных стран к единым общеземным международным эллип­ соuда.JН. Для их построения малая полуось эллипсоида ориентируется параллельна оси вращения Земли, центр эллипсоида совмещается с центром масс Земли, а высоты

геоида

над

эллипсоидом

должны

иметь

минимальное

квадратическое

рассогласование по всей земной поверхности. При соблюдении данных требо­ ваний получаемый эллипсоид становится общеземным эллипсоидом. Его пара­

метры определяют по наблюдениям искусственных спутников Земли. Получен­ ные параметры общеземных эллипсоидов используются для решения навигаци­ онных задач в рамках всей поверхности Земли. Для этих целей в настоящее

время используются эллипсоиды: GRS-80 (Geodetic Reference System, 1980 г.); WGS-84 (Word Geodetic System, 1984 г.); ПЗ-90 (Параметры Земли, 1990 г.). Эллипсоид GRS-80 был разработан для получения единых параметров связи для ряда геодезических координатных систем Европы, Австралии и Аме­

рики. На основе этого эллипсоида построена общеземная координатная система

IТRS (Inteгnational

Terrestrial Reference System). Система закреплена сетью

пунктов, расположенных на всех материках. Погрешности их положения не превышаю:r 10 см.

Эллипсоид

WGS-84 был создан для обеспечения спутниковой системы

глобального позиционирования GPS. Начало системы координат данного эл­ липсоида зафиксировано в центре масс Земли с точностью

1 м.

Эллипсоид ПЗ-90 был разработан в СССР для обеспечения работы отече­ ственной спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС (Глобальная навига­ ционная спутниковая система). Данная система координат закреплена коорди­ натами трех десятков опорных пунктов Космической геодезической сети, при

этом 7 nунктов установлены в Антарктиде. Поrрешность взаимного положения

120

точек пунктов при расстояниях между ними до 1О 000 км менее 30 см. Начало координат совмещено с центром масс Земли с точностью около 1 м.

Постановлением Правительства РФ от 28 июля 2000 г. для геодезических и картографических работ с 1 июля 2002 г. принята единая система координат СК-95, а для обеспечения орбитальных полетов и решения навигационных за­ дач

геоцентрическая система координат ПЗ-90. Для воспроизведения систем координат в единых метрических единицах на земной поверхности используются геодезические сети. Геодезические сети

-

подразделяются

на государственные,

сети

сгущения,

съемочные

и

специальные

сети.

Государственная геодезическая опорная сеть

подразделяется на плановую

и высотную.

Государственные плановые геодезические сети состоят из сетей

4

1, 2, 3

и

классов, различающихся между собой точностью измерений, расстоянием ме­

жду пунктами сети и порядком развития. Началом единого отсчета плановых

координат на территории Российской Федерации служит центр круглого зала

Пулковекай обсерватории в Санкт-Петербурге. Она служит для определения плановых координат (Х, У).

Государственная высотная геодезическая сеть устанавливает единую систему высот на всей территории Российской Федерации. Она является осно­ вой при выполнении топографических съемок и геодезических измерений, по­ зволяет определять разности уровней внутренних и внешних морей и океанов, следить за современными движениями земной коры. За начало высот в Россий­ ской Федерации принят средний уровень высот Балтийского моря. Этот уро­ вень отмечен горизонтальной чертой на медной пластине, которая расположена

в устое моста через Обводной канал в Кронштадте (нуль Кронштадтского фут­ штока). Государственная высотная нивелирная сеть разделяется на сети I, II, III и IV классов.

Геодезические сети сгущения создаются для увеличения плотности госу­ дарственных геодезических сетей.

Съемочные геодезические сети создаются на базе государственных геоде­ зических сетей и сетей сгущения. Они служат в качестве опорных точек при

съемке рельефа и контуров, при привязке объектов геологических наблюдений. Специальные геодезические сети создают для строительства инженерных

сооружений. В качестве опорной геодезической сети при выполнении разбивоч­ ных работ и исполнительных съемок служит строительная координатная сетка. Рассмотренная структура построения совокупности геодезических сетей составляет работ.

планово-высотную

основу

геодезических и

фотограмметрических

6.3. И3МЕРИТFЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ КООРДИНАТ Все множество систем координат, используемых в ходе измерений земной поверхности, можно классифицировать по области применения, по расположе­

нию начала системы координат; по положению координатных осей. По области применения различают: звездные, земные системы коорди­ нат и системы координат средств измерений (приборные системы координат).

Звездные системы координат используются для определения местоположения небесных объектов, а земные системы координат - для определения местопо­ ложения объекtов, находящихся на поверхности Земли. Системы координат 121

средств измерений фиксируют местоположение объекта в системе координат измерительного прибора. По расположению начала систем координат различают: геоцентриче­ ские, квазигеоцентрические и топоцентрические. В геоцентрической системе координат начало системы координат находится в центре масс Земли. В квази­ геоцентрической

системе

координат

начало. системы

координат

находится

в

центре используемого референц-эллипсоида. В топацентрической системе коор­ динат начало системы координат находится на поверхности используемой фи­ гуры Земли.

По положению координатных осей различают сферические координаты; пространствеиные прямоугольные координаты; плоские прямоугольные коорди­ наты и полярные координаты.

Выбор системы координат определяется протяженностью исследуемой тер­ ритории, типом используемых носителей съемочной аппаратуры, а также

требованиями к точности описания объектов земной поверхности. Звездные системы координат используются в астрономии, космической геодезии. Они позволяют зафиксировать положение общеземной системы коор­ динат в пространстве. В зависимости от выбора основной плоскости различают экваториальные (плоскость экватора), орбитальные (плоскость орбиты) и гори­ зонтальные (плоскость местного горизонта) системы координат. Для решения задач на земной поверхности важное значение имеют экваториальные геоцен­ трические системы координат (рис. 6.2). В случае, если ось :Х: направим в точку весеннего равноденствия у, полу­ чим

вторую

экваториальную

звездную

геоцентрическую

систему

координат

не связанную с вращением Земли и удобную для определения положе­ ния небесных тел, в частности ИСЗ. Ось у· лежит в плоскости экватора и до­

ox·y·z·,

z-

полняет систему координат до правой. Ось направлена на северный полюс Земли. Эта система координат неподвижна по отношению к Земле. Положение ее основной плоскости и координатных осей фиксируются координатами звезд, которые содержатся в каталогах звездных положений некоторой эпохи Т. Опре­

деление nоложения объектов в этой системе координат осуществляется с nо­ мощью дуги уМе, которая называется прямым восхождением а, дуги небесного меридиана МеМ, называемой склонением 8, и радиус-вектора R. Прямое восхо­ ждение измеряется двугранным углом между плоскостью небесного меридиана,

ц·,z р

у•

Рне.

6.2.

Эааторна.u.ные rеоцентриче­

екие енетемы хоордннат

122

проходящего через точку весеннего равноденствия, и плоскостью небесного ме­

ридиана определяемой точки и отсчитывается от О до 24ь или от О до 360° по дуге экватора против часовой стрелки. Положительное склонение отсчитывает­ ся от экватора к северу и отрицательное склонение - к югу от О до 90°. Для перехода от сферических звездных координат к прямоугольным гео­

центрическИм звездным координатам используются уравнения вида

х· =

( 1]

Rcos а cos о;

у"= Rsinacoso;

(6.1)

г"= Rsin о. В случае, если ось )( направим на точку пересечения Гринвичского мери­ диана с экватором G, ось 'L направим на северный полюс Земли, а ось У раз­ местим на плоскости экватора перпендикулярно оси х· и дополним систему до правой, то получим первую экваториальную звездную геоцентрическую систему координат. В этой системе координат сферическими координатами являются:

дуга GMe, равная часовому углу меридиана Гринвича t, взятому с обратным знаком, и дуга небесного меридиана МеМ, равная склонению о. Здесь

t

=-Т= (а-5),

где t - угол, равный отрицательному значению часового угла меридиана Грин­ вича (-Т); 5 - гринвичское звездное время, которое примимается как мгновен­ ное значение или среднее значение относительно припятой эпохи. Эта система координат неnодвижна относительно точек земной поверхно­ сти, что позволяет ее с усnехом исnользовать для решения задач на поверхно­

сти Земли, а также для изучения фигуры Земли. Данная система координат связана со второй экваториальной геоцентрической системой посредством функции звездного времени Гринвича 5. Для перехода от второй экваториаль­ ной геоцентрической системы координат к первой экваториальной геоцентриче­ ской системе координат используется уравнение вида

X"1 [-s~n5 cos5 ~: l =

sin5

О] lx'1

со~5 ~ х ~:

(6.2)

.

Зе;кные систе;кы координат используются для решения измерительных задач на земной nоверхности. Они не зависят от времени отсчета и неподвиж­

ны относительно точек земной поверхности. В зависимости от характера ре­ шаемых

задач

используют

nространствеиные

и

плоские

системы

координат.

Пространствеиные прямоугольные системы координат классифицируют по рас­ положению начала системы координат на геоцентрические, квазигеоцентриче­

ские и тоnацентрические координатные системы.

В геоцентрической системе координат

OXYZ

(рис.

6.3)

ординат находится в центре шара со средним радиусом

У -

наnравлена на Северный nолюс Земли; ось Х гринвичского меридиана с экватором; ось

начало системы ко­

Rc = 6371

км. Ось Z -

наnравлена в точку пересечения лежит в плоскости экватора и

дополняет систему координат до nравой. Положение точки на nоверхности ша­

ра определяется географическими координатами, широтой () -

угол, образованный отвесной линией в

данной точке nоверхности шара и плоскостью экватора.

Геоzрафическая доJUота (Л)

- это двугранный угол, образованный плос­

костью начального географического меридиана (плоскость гринвичского мери­ диана) и плоскостью географического меридиана, проходящего через точку по­ верхности шара.

Данная система координат широко используется при решении картографи­ ческих и фотограмметрических задач на изображениях среднего и мелкого мас­ штаба. Для перехода от сферических географических координат к пространствеи­ ным nрямоугольным координатам используются уравнения вида

Х = У=

Z

R.: cos q> cos Л; Rc cos q> sin Л;

(6.3)

= Rcsin q>. В квазиzеоцентрической системе координат

OXYZ

координатные оси

фиксируют положение точек физической nоверхности относительно nринятого референц-эллипсоида. В этой системе начало системы координат находится в центре масс референц-эллипсоида, а координатные оси параллельны соответст­ вующим координатным осям Гринвичской системы координат. Для определе­

ния местоnоложения объектов на референц-эллипсоиде используются сфериче­ ские геодезические координаты: широта (В) и долгота ская высота Н (рис. 6.3, а).

Геодезическая широта В

-

(L),

а также геодезиче­

это угол, образованный нормалью к поверхно­

сти референц-эллипсоида в данной точке и плоскостью экватора. Широта изме­ ряется от О до 90° в северном полушарии экватора со знаком ( + ), а в южном со знаком(-).

Геодезическая доJUота

L -

это двугранный угол между плоскостью на­

чального (нулевого) меридиана и плоскостью меридиана данной точки. Геоде­ зическая долгота измеряется от нулевого меридиана к востоку от О до

знаком(+), а к западу от О до

124

180°

со знаком(-).

180°

со

Геооеэической высотой Н называется расстояние по нормали от поверх­ ности эллипсоида до точки на физической поверхности Земли. Для перехода от сферических геодезических координат к прямоугольным

геоцентрическим координатам референц-эллипсоида (рис.

6.3,

б) используются

уравнения связи вида

Х

::: (N + Н) cos В cos L;

У== (N +Н) cosB siпL;

Z == (N + Н -

(6.4)

е 2 N) sin В,

где Н - высота точки на физической поверхности Земли по нормали от по­ верхности ~ефевенц-эллипсоида; N - нормаль в точке земного эллипсоида; N

= a~1-e sin В)- 12; а - большая = (а -Ь ) 112 fa; Ь - малая полуось 2

2

=

полуось эллипсоида; е - эксцентриситет, е = эллипсоида.

Кроме геоцентрических и квазигеоцентрических систем координат для ре­ шения

геодезических

задач

широко

используются

пря.моуzольные

топоцен­

трические систе.мы координат (MX'Y'Z') (см. рис. 6.3, б). В этих системах на­ чало систем координат М совпадает с точкой земной поверхности или около­ земного пространства. Ось

Z'

совпадает с нормалью к поверхности принятой

сферы. Ось Х! направлена к северу параллельна осевому меридиану, а ось У'

-

перпендикулярна оси Х' и дополняет систему координат до правой.

Для перехода от квазигеоцентрической системы координат к топацентри­ ческой системе координат используются уравнения вида

(6.5)

где Хм, Ум. Zм

-

координаты начала топацентрической системы координат в

геоцентрической системе координат; А'== (а 11 , а 12 , а 13 , •.• , азз)

-

матрица поворо­

та геоцентрической системы координат относительно топацентрической систе­ мы координат.

Здесь

ан а21 азt

= cos В cos L; = -sin В sin L; а 22 = cos L; а 23 = cos В sin L; = cos В; аз2 = О; а33 = sin В. = -sin В cos L; а 12 = -sin L; а 13

При решении ряда специальных задач вводятся промежуточные вспомога­ тельные системы координат, аналогичные топацентрической системе координат.

Их отличие заключается только в ориентации осей координат Х', У', направле­ ния которых задаются исходя из специфики решаемой задачи. Рассмотренные выше географические координаты используются при реше­

нии задач, связанных с обработкой результатов геодезических измерений на

больших территориях. При решении геодезических задач на ограниченных тер­ риториях с успехом используются плоские пря.моуtольные координаты. В России для составления топографических карт масштаба 1:1 000 000 и крупнее применяется проекция Гаусса-Крюгера и используются nJUX:КUe пря-

125

.моуlольные (рис.

координаты

в

равноуlольной

проекции

Гаусса-1\рюlера

6.4).

Данная проекция была разработана Гауссом в 1825 г., а в 1912 г. Л. Крю­ гером были разработаны рабочие формулы для вычисления координат в этой проекции.

Сущность проекции Гаусса- Крюгера определяется следующими основны­

ми положениями. Земной эллипсоид делится меридианами через 6° по долготе на 60 зон, простирающихся от полюса до полюса. Нумерация зон ведется от нулевого (гринвичского) меридиана на восток. Каждая зона nроектируется по отдельности на плоскость, чем обесnечивается максимальное подобие фигур. Средний меридиан каждой зоны называется осевым. Осевой меридиан зоны и экватор изображаются в виде взаимно перпендикулярных прямых, образующих координатные оси xr и Yr· Остальные меридианы и параллели отображаются симметрично осевому меридиану и экватору соответственно.

Начало зональной системы координат Гаусса находится на пересечении осевого меридиана зоны и экватора. Осевой меридиан зоны примимается за ось абсцисс хг. Абсциссы, отсчитываемые от экватора к северу, положительные, а к югу - отрицательные. Осью ординат Yr является изображение экватора. Орди­ наты,

отсчитываемые

ными, а к заnаду

-

к

востоку

от

осевого

меридиана,

являются

положитель­

отрицательными. На территории России всегда значения

абсцисс nоложительны. Ординаты же могут быть положительными и отрица­ тельными. Для исключения отрицательных значений ординат ось абсцисс пере­ носят на 500 км от осевого меридиана к заnаду, а для того чтобы было извест­ но, в какой зоне выполнялись измерения, к ординатам точек приписывают но­ мер зоны. Долгота осевого меридиана зоны восточного полушария определяется по формуле

L = 6°N- 3°, где N - номер а

х

б-градусной зоны. б

х

.... х,,км /

/

1

11100

1000 900

800

1 1

700 600 ~

400

300

100 100 Х.,=800 Klll

о

У.,=ЗОО Klll

Рис. 6.4. Система JCOOpдllllaТ проеJЩНИ faycc:a-Kpюrepa 126

J

1'-,

''

/

1

,.

-

\

\

-\

\ \

м

.=

1\

11:

..

{ ~

>Z

... о

11

""

Эквпор

.....

Для определения плоских координат х и у по известным геодезическим координатам В и

х

L

можно использовать следующие формулье

= 6367558,4969В -

(а0

-

(0,5+(а 4 + a 6t.L2 )bl.2)M 2 N) sin В cos В,

у = (1 +(аз + a5M 2 )t.L 2 )t.L N cos В,

(6.6)

где

N

= 6399698,902- (21562,267- (108,973- 0,612

cos 2B) cos 2B) cos 2B,

ао= 32140,4040- (135,3302- (0,7092- 0,0040 cos 2B) cos 2B);

а4

= (0,25 +0,00252

cos 2B) cos 2B- 0,04166;

as = (0,166 cos 2B- 0,084) cos 2B; аз= (0,3333333 + 0,001123 cos 2B) cos2B - 0,1666667; а5 == 0,0083 - (0,1667-(0,1968-0,0040 cos 2B) cos 2B) cos 2B; М=

L- Lo; долгота искомой точки и осевого меридиана соответственно. В формулах (6.6) В и М выражены в радианах, а координаты х и у вы­

L, Lo -

числяются с точностью до

0,001

м.

При решении мониторингоных задач на локальных участках земной по­ верхности посредством аэрокосмических систем наблюдения используются про­ странствеиные геоцентрические и топацентрические системы координат, а так­

же промежуточные пространствеиные фотограмметрические системы координат.

Промежуточные пространствеиные фотограмметрические системы координат

обеспечивают переход от систем координат измерительных средств к геодезиче­ ским системам координат земной поверхности.

При решении измерительных задач в автоматизированных и автоматиче­ ских измерительных системах, используемых в

фотограмметрии, для регистра­

ции наблюдаемых параметров применяют системы "оординат средств изме­ рений. В частности, в качестве таких инструментальных систем координат ис­ пользуются системы координат монитора, сканирующих систем, системы коор­ динат съемочных камер, системы координат снимка.

6.4. ПОСТРОЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПО ОДИНОЧНОМУ АЭРОКОСМИЧЕСКОМУ ИЗОБРАЖЕНИЮ Построение геометрической модели земной поверхности по одиночному

изображению выполняется аналитическим путем посредством установления связи между координатами точки на изображении и соответствующими

плано­

выми координатами точки местности. Данная задача решается для участка зем­

ной поверхности, где превышениями между точками земной поверхности мож­ но пренебречь, т.е. его можно рассматривать как плоскость с постоянным зна­ чением высоты точек местности.

Для решения данной задачи используются элементы внутреннего и внеш­ него ориентирования снимка. Связь между системой координат снимка и сие-

127

темой

координат съемочной

камеры устанавливается посредством элементов

внутреннего ориентирования.

Эле.JIIенmа.ми

внутреннего

ориентирования называются

параметры

съе­

мочной камеры, которые позволяют восстановить связку проектирующих лучей съемочной камеры, существовавшую в момент съемки. Такими параметрами являются: фокусное расстояние камеры; Хо, у0 - координаты главной точки оптического изображения, определяющие место пересечения главного проекти­

f-

рующего луча с плоскостью оптического изображения. В системе координат снимка начало системы координат находится на месте пересечения координат­

ных меток прикладной рамки съемочной камеры. Ось х снимка, ось у

-

-

горизонтальная ось

вертикальная ось снимка.

Положение оптического изображения в кадровой съемочной камере опре­ деляют (рис. 6.5): 50 - оптическая ось фотокамеры, главный луч, проходящий

- главная точка снимка, лежащая на пересечении оптической оси с плоскостью приклад­ ной рамки; .fк фокусное расстояние камеры, определяющее расстояние от цен­ тра проекции S до плоскости прикладной рамки. В состав фотокамеры входят: через центр проекции перпендикулярно плоскости фотоснимка; о

-

1-

объектив,

2 -

корпус,

3-

прикладпая рамка,

4-

фотопленка.

Наряду с элементами внутреннего ориентирования, определяющими прин­

ципы построения изображения съемочной системой, для перехода от системы координат съемочной камеры к пространствеиной фотограмметрической систе­ ме координат используются эле.JIIенmы внешнего ориентирования (рис.

6.6).

Эле.JIIенmа.ми внешнего ориентирования изображения называются пара­ метры съемочной камеры, определяющие положение связки проектирующих лучей в пространствеиной системе координат земной поверхности. Элементами внешнего ориентирования являются шесть параметров: три линейных Xs, У5, 25 , которые определяют координаты центра проекции съемочной камеры в про­

странетвенной системе координат местности, и три угловых (а, оо, к), фикси­ рующих положение главного луча камеры в пространстве.

Здесь а - продольный угол наклона оптической оси, угол между осью Z и проекцией главного луча на плоскость XZ; оо - поперечный угол наклона, угол между главным лучом и плоскостью XZ; к - угол поворота снимка. Если параметры внешнего ориентирования неизвестны, то для их опреде­ ления используются координаты опорных точек, которые получают из уравне­

ний связи координат точек на изображении и на местности. Используя при­

ближенные значения элементов ориентирования, можно получить приближен­ ные значения координат точек местности. Зная их координаты, можно постро-

б

а

у

в

3 о

D-----~~----