Владимир Шухостанов, Леонид Ведешин, Александр Цыбанов
Отделение «Диагностика и безопасность техносферы» РАЕН — НПФ «ДИАТЕХ», Москва, тел.: 254-70-32, Эл. почта: v-p@diatech.ru
Для полноценного и всестороннего исследования и диагностики объектов современной техносферы необходимо привлечение широкого спектра средств, методов и технологий, обеспечивающих обработку и анализ большого объема различных данных и получение новой дополнительной информации. К ним следует отнести современные космические диагностические технологии в совокупности с глобальными информационными технологиями, которые должны являться обязательной составной частью комплекса экспертнодиагностических работ по объектам техносферы.
Космическая и ГИС-диагностика техносферы – это новое научно-технологическое направление, которое с помощью космических средств и компьютерного информационного программного обеспечения, в сочетании с современными наземными методами диагностики, позволяет проводить исследование состояния техносферы и происходящих в ней процессов с целью вмешательства, воздействия и управления этими процессами, поддержания устойчивого состояния техносферы, обнаружения, предупреждения и предотвращения негативных, неуправляемых изменений, явлений и процессов с созданием наглядной, когнитивно-компьютерной картины глобального состояния современной техносферы.
Данные космической диагностики существенно дополняют результаты проводимых нами наземных диагностических работ. Обработанные данные дистанционного зондирования являются важным источником информации о состоянии как диагностируемых объектов, так и ближайшего окружения до начала проведения наземной диагностики, поскольку имеющихся топографических данных часто явно недостаточно либо они требуют детального уточнения и актуализации. Во время проведения наземного комплекса диагностических работ результаты космической диагностики сравниваются с данными наземной диагностики, в частности топогеодезической и георадарной (рис. 1), и уточняются. В итоге мы получаем финальный проект, содержащий картографическую основу с космическим снимком и объектами техносферы, выявленными методами космической диагностики.
Рис. 1. Топогеодезическая и георадарная диагностика.
Проект по о. Сахалин
Диагностика технического состояния магистрального нефтепровода на о. Сахалин проводилась на основе методики-технологии космической диагностики с применением геоинформационных пакетов. В качестве базового программного обеспечения использовались Adobe Photoshop, ERDAS IMAGINE и ArcGIS.
Adobe Photoshop применяется на ранних стадиях обработки космоснимков. Программа обладает богатым инструментарием для обработки растровых изображений, позволяет выполнить начальный анализ космоснимка: получить общую оценку растра с целью предварительного выявления и, если необходимо, выделения интересующих объектов без привязки к топооснове, а также провести коррекцию и фильтрацию растрового изображения.
ERDAS IMAGINE используется для работы с растровыми изображениями, а также с трехмерными моделями рельефа. В отличие от Adobe Photoshop, ERDAS IMAGINE поддерживает множество географических проекций, позволяет проводить трансформацию и коррекцию изображений, обеспечивает импорт/экспорт данных в разные графические и специальные ГИС-форматы. С его помощью, в основном, проводится дешифрирование космического снимка и, при необходимости, его привязка к топооснове. Специфика космической диагностики объектов техносферы заключается в их относительно небольших размерам, поэтому для качественного дешифрирования таких объектов требуются снимки высокого разрешения (1-5 м). После дешифрирования проводится классификация объектов с получением тематического растра.
ArcGIS – основной инструмент для обработки векторной информации. На базе ArcGIS происходит окончательное построение ГИС-проекта. Проводится оцифровка растра, создание тематических векторных слоев, добавление необходимой пояснительной информации, создание баз геоданных.
Космическая диагностика технического состояния нефтепровода на о. Сахалин была предусмотрена Техническим заданием. Она являлась составной и обязательной частью комплекса экспертнодиагностических работ по магистральному нефтепроводу ОАО «Роснефть-Сахалинморнефтегаз» общей протяженностью 198 км (рис. 2). Работы проведены в 3 этапа: на участках «Тунгор-Сабо» (протяженность 34,2 км), «Сабо-Блокпост №3» (27,4 км) и «Блокпост №3-Погиби» (136 км).
Рис. 2. Магистральный нефтепровод ОАО «Роснефть-Сахалинморнефтегаз».
Целями исследования являлись обзорная трассодиагностика нефтепровода по космическим снимкам, оценка его общего состояния, рельефа, обнаружение следов землетрясения (Нефтегорск, 1995 г.), выявление по космоснимкам элементов и узлов нефтепровода и коммуникаций в техническом коридоре трассы. Результаты космической диагностики учитывались при оценке технического состояния и остаточного срока службы нефтепровода, разработке прогнозов работоспособности, мероприятий и рекомендаций по содержанию и ремонту нефтепровода.
Предварительно выполнен сбор, систематизация и анализ космической информации, имеющейся по району прохождения нефтепровода. Для этого трасса нефтепровода была нанесена на карту по 49 высокоточным GPS-координатам характерных точек оси нефтепровода. На их основе по карте региона установлен коридор трассы нефтепровода. С использованием карты коридора трассы собрана космическая информация, имеющаяся по району прохождения трубопровода и полученная с помощью 9-ти различных космических аппаратов и различной съемочной аппаратуры дистанционного зондирования. По всему коридору нефтепровода удалось найти только космоснимки LANDSAT-7 за сентябрь и декабрь 2001 г. (рис. 3). Они и были выбраны для целей космической и ГИС-диагностики. Причем для участка «Тунгор-Сабо» получен 4-канальный и синтезированный снимки, для остальных участков — 3-канальный снимок. У остальных восьми систем дистанционного зондирования снимки по коридору либо не найдены (EROS, QUICKBIRD, KVR-1000), либо их качество не приемлемо из-за облачности (KFA-1000, MK-4), либо имеются только единичные кадры, охватывающие лишь часть трассы нефтепровода (IKONOS-2).
Рис. 3. Снимок с системы «LANDSAT-7».
Привязка изображений к карте региона на основе полиноминальной геометрической модели, а также дешифрирование космоснимков “LANDSAT-7” выполнены средствами ERDAS IMAGINE. В ходе обработки снимков проведены: комбинационный мультиканальный анализ, коррекция растрового изображения, работа над слоями, классификация объектов, другие виды обработки.
В итоге была выявлена трасса нефтепровода и проведено её сравнение с трассой, построенной на основе данных GPS. Для участка «Тунгор-Сабо» выявление трассы произведено в различных спектральных каналах (рис. 4). Выявленная трасса имеет отклонения от реальной. Отличия связаны с погрешностями привязки и дешифрирования.
Рис. 4. Результаты космической диагностики трассы нефтепровода с использованием различных спектров.
При выявлении трассы нефтепровода по 4-канальному изображению наиболее информативным оказался коротковолновый инфракрасный канал №5 со спектральным диапазоном 1,55 – 1,75 мкм и пространственным разрешением 30 м. Далее по значимости идут каналы: красный №3 (0,63 – 0,69 мкм, 30 м) и зеленый №2 (0,52 – 0,60 мкм, 30 м). Хуже всех, с точки зрения выявления трассы, оказался панхроматический канал со спектральным диапазоном 0,52 – 0,90 мкм и пространственным разрешением 15 м. Очень хорошую выявляемость трассы показала мультиспектральная комбинация каналов: средний инфракрасный №7 (2,09 – 2,35 мкм, 30 м), ближний инфракрасный №4 (0,75 – 0,90 мкм, 30 м) и видимый зеленый №2 (0,52 – 0,60 мкм, 30 м).
Проведена работа по установлению объектов, влияющих на работу нефтепровода, и потенциально опасных объектов, расположенных в техническом коридоре нефтепровода шириной около 4 км. Важно отметить, что, например, места близкого расположения и пересечения с газопроводами линий электропередачи (ЛЭП) потенциально подвержены воздействию блуждающих токов и, в большей степени, – коррозионному воздействию, что следует учитывать при оценке остаточного срока службы с учетом коррозии. Были выявлены другие нефтепроводы, ЛЭП, газопроводы, дороги, реки, просеки, а также места их пересечения либо близкого расположения с магистральным нефтепроводом (рис. 5).
Рис. 5. Пример выявления нефтепровода и других объектов по космоснимку.
На основе комбинирования каналов космического снимка для участка «Блокпост №3 – Погиби» был проведен анализ рельефа, выявлены возвышенности и участки возможного подтопления местности в коридоре трассы нефтепровода, которые могут влиять на его работу.
Для участка «Блокпост №3 – Погиби» в ERDAS IMAGINE была проведена классификация объектов на основе различия градаций яркости объектов в разных каналах космического снимка. С помощью гистограммы яркости было определено количество классов для данного снимка и в ручном режиме заданы классы. Затем сходные классы были объединены, в некоторых классах проведена замена цвета.
Для этого участка также создана высокоточная цифровая модель рельефа (рис. 6). ЦМР была восстановлена из топосновы на основе метода обратных взвешенных расстояний (ОВР): первоначально с нанесением изолиний, урезов воды и высотных отметок, а затем с нанесением нефтепровода, ЛЭП, дорог, других трубопроводов. На ЦМР был наложен космический снимок LANDSAT-7. В конечном итоге была получена пространственная когнитивная картина нефтепровода и его коридора с возможностью интерактивного перспективного просмотра и эффектом пролета по заданной траектории.
Рис. 6. Фрагмент цифровой модели рельефа с наложением топоосновы.
Первые итоги и выводы
Подводя некоторые итоги выполненных исследований, следует отметить, что, судя по результатам космической и ГИС-диагностики, общее техническое состояние нефтепровода — удовлетворительное. Анализ рельефа выявил несколько участков с перепадами высот по трассе нефтепровода, что может быть причиной подтоплений либо дополнительных нагрузок на нефтепровод. Явных следов землетрясения (Нефтегорск, 1995 г.) и разломов не обнаружено. Результаты обзорной космической трассодиагностики, оценки общего состояния нефтепровода, диагностики рельефа, грунтов, узлов и коммуникаций использованы как существенная и необходимая часть при определении перспектив дальнейшей эксплуатации, ресурса нефтепровода и при разработке краткосрочных и долгосрочных прогнозов по его дальнейшему содержанию и безопасной эксплуатации.
В настоящее время нами ведутся работы по поиску новых методов дешифрирования применительно к космической диагностике объектов техносферы. Обсуждается возможность разработки и установки на космические аппараты специальных камер, работающих в спектральных диапазонах, способных точнее выявить диагностируемые объекты техносферы. Проводится работа по улучшению визуализации и динамичности ЦМР для более качественного когнитивного восприятия большого объема информации.
Применение космической и ГИС-диагностики в сочетании с наземными диагностическими технологиями позволяет повысить оперативность, качество и экономическую эффективность проектов. Кроме того, с дальнейшим развитием технологии космической и ГИС-диагностики и созданием диагностических баз данных значительно упростится работа с большими массивами информации, произойдет переход на качественно новый уровень восприятия получаемой информации не только руководителями работ и диагностическим персоналом, но и непосредственно Заказчиком.
