статьи

Создание Центра космического мониторинга для решения задач освоения шельфовых месторождений

28.01.2009
Авторы: Болсуновский М.А., компания «СОВЗОНД»
Шельф арктических и дальневосточных морей России —  один из самых перспективных регионов для развития морской добычи нефти и газа. В то же время существенные проблемы при геологоразведке и дальнейшем освоении месторождений возникают из-за суровых климатических условий и тяжелого ледового режима. Интенсификация работ на шельфе требует также повышенного внимания к вопросам экологической безопасности для того, чтобы сохранить уникальные природные комплексы и биологические ресурсы морей и побережий.

В сложных природно-экологических условиях важнейшим средством для решения практических задач становится дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ)  высокого пространственного разрешения с современных космических аппаратов (КА). ДЗЗ относится к одной из наиболее успешно и динамично развивающихся отраслей современного информационного общества.

В настоящее время можно выделить несколько основных тенденций в развитии ДЗЗ:

    резкое увеличение количества КА ДЗЗ на орбите;
    развитие национальных программ ДЗЗ, появление новых «игроков»;
    развитие систем получения, обработки и предоставления данных потребителям;
    улучшение основных характеристик аппаратуры ДЗЗ и качества;
    появление КА ДЗЗ сверхвысокого разрешения нового поколения;
    появление радарных КА ДЗЗ сверхвысокого разрешения с возможностью интерферометрической обработки;
    совершенствование технологий обработки;
    увеличение скоростей передачи данных;
    сокращение времени поставки данных потребителю — развитие концепции «виртуальных станций»;
    широкое использование сетевых технологий и возможностей Интернета и т. д.

Использование данных ДЗЗ в нефтегазовой сфере при освоении шельфовых месторождений

Данные ДЗЗ широко используются при решении различных задач, в т. ч. и весьма успешно, в нефтегазовой сфере. Сложность получения разнообразной пространственно-определенной (в т. ч. геолого-геофизической) информации, в труднодоступных районах и на шельфе Крайнего севера страны традиционными методами повышает значение технологий дистанционного получения данных. Пространственная информация, получаемая средствами ДЗЗ в различных диапазонах электромагнитного спектра, характеризует спектральный образ объектов (в т. ч. геологических) и физические процессы, проистекающие на поверхности и в недрах Земли, что в совокупности с традиционными методами дает интегральную картину, описывающую их состояние, состав и влияние экзогенных и эндогенных факторов.

При освоении месторождений на шельфе космические снимки используются на всех этапах работ — от проектирования до разработки, эксплуатации и вплоть до консервации. На стадии принятия решений об участии в проекте данные ДЗЗ позволят получить общую оценку прибрежной территории и акватории (расположение, природные условия, наличие коммуникаций, промышленных объектов и жилых массивов, геологическая изученность территории). Повторяющиеся съемки обеспечивают мониторинг территории месторождений во времени.

Особое значение в последнее время приобретают данные радиолокационного ДЗЗ. Оперативность получения актуальной пространственной информации о земной поверхности является одним из важнейших требований, предъявляемых к современным данным ДЗЗ наряду с высоким пространственным разрешением, а также геометрической точностью. Именно оперативность является одним из основных преимуществ радиолокационных систем ДЗЗ. Также следует отметить, что радиолокационные данные позволяют определять малейшие вертикальные смещения (вплоть до нескольких мм), что является альтернативой дорогостоящих и трудозатратных наземных измерений. Такие данные имеют неоценимое значение при геологоразведочных работах.

В настоящее время идет очень активное развитие общемировой группировки коммерческих радиолокационных систем, еще три года назад на орбите находилось только три спутника среднего разрешения, работающих в радиодиапазоне, сейчас же доступны данные с восьми радиолокационных спутников, причем пространственное разрешение изображений достигает 1 м (германский спутник  TerraSAR-X).

Можно выделить целый комплекс задач решаемых с применением технологий ДЗЗ для повышения эффективности и качества принятия решений при исследованиях перспективности освоения тех или иных шельфовых месторождений и в процессе их эксплуатации:

    разведка углеводородных ресурсов;
    оценка сейсмической стабильности региона;
    планирование работы при проведении геологоразведочных работ и геофизических исследований;
    планирование развития нефте- и газодобывающей, транспортной, перерабатывающей инфраструктуры;
    инвентаризация запасов углеводородов, оценка продуктивности нефтегазоносных районов и перспектив их освоения;
    оценка и контроль экологического состояния акватории и прибрежной территории в районах добычи и транспортировки нефти и газа;
    контроль состояния инфраструктуры;
    определение границ и контроль использования лицензионных участков;
    планирование и контроль прокладки и эксплуатации трубопроводов;
    обнаружение и картирование протечек в сети нефтепроводов;
    контроль состояния действующих нефтепроводов;
    ликвидация аварий и оценка ущерба;
    обновление и создание картографического материала на территории освоения до масштаба 1:2000 включительно;
    использование в качестве основы для построения геоинформационных систем (ГИС) различного уровня.

Немаловажное значение имеет использование данных ДЗЗ для решения экологических задач и мониторинга состояния окружающей среды. Для экологического анализа используются как пространственные и радиометрические свойства изображений, получаемых со спутников, так и спектральные составляющие, которые позволяют получать дополнительные данные при дешифрировании снимков за счет комбинации отдельных спектральных каналов (рисунок 1).

Рисунок 1

Цветной синтезированный снимок со спутника QuickBird позволяет точно идентифицировать ареалы нефтяных пятен.



Космическая съемка дает возможность фиксировать состояние быстро изменяющихся природных явлений на различные моменты времени. Так, по данным ДЗЗ можно создавать динамические карты ледовой обстановки, что немаловажно при освоении ресурсов северных и дальневосточных морей (рисунок 2).

Рисунок 2

Мониторинг ледовой обстановки



Центр космического мониторинга для решения задач освоения шельфовых месторождений

Современный уровень развития средств и методов исследования Земли из космоса, программных комплексов обработки космических данных и широкое распространение ГИС позволяют получить качественно новую информацию о состоянии территорий, объектов, процессах и динамике их изменения. При этом необходимы и новые методологические системные подходы для комплексных исследований, анализа и эффективного управления отраслями и регионами, в т. ч. и в процессе освоения шельфовых месторождений.

Создание Центров космического мониторинга (ЦКМ), концепцию которых предлагает компания «Совзонд», — ключ к комплексному решению этих задач.

Главная цель деятельности ЦКМ — получение, обработка и анализ оперативных данных ДЗЗ из космоса в целях предоставления наиболее полной, актуальной и объективной информации о природно-ресурсном потенциале, экономическом и экологическом состоянии региона для принятия управленческих решений.

В рамках деятельности ЦКМ, в т. ч. и применительно к комплексному освоению шельфа,  решаются следующие главные задачи:

    оперативное получение данных ДЗЗ наиболее полно обеспечивающих мониторинг  тех или иных видов природных ресурсов, экологических проблем, ледовой обстановки, чрезвычайных ситуаций;
    первичная обработка данных ДЗЗ, подготовка их к последующему автоматизированному и интерактивному дешифрированию, а также визуальному представлению для всех управленческих и контрольных органов, производственных (в т. ч. исследовательских, геологоразведочных и т. д.) и коммерческих структур;
    глубокий автоматизированный анализ данных ДЗЗ для подготовки широкого спектра аналитических картографических материалов по различной тематике, определения разнообразных статистических параметров;
    подготовка аналитических отчетов, презентационных материалов на базе данных космической съемки территории, формирование предложений и рекомендаций по решению тех или иных проблем, привлечению инвестиций, перераспределению сил и средств, вкладываемых в те или иные направления.

ЦКМ представляет высокопроизводительный комплекс программно-аппаратных средств, который позволяет оперативно получать и обрабатывать данные ДЗЗ, в т. ч. радиолокационных, является масштабируемой системой и легко может быть доукомплектован для решения новых задач.

В состав ЦКМ входят (рисунок 3):

    Система получения и обработки информации в реальном режиме времени.
    Система динамического отображения информации в геоинформационной среде.
    Система информационно-аналитической поддержки принятия решений;
    Система связи и управления.

Рисунок 3

Структура ЦКМ



Система получения и обработки информации в реальном режиме времени

Работа системы обеспечивается станцией виртуального приема MyFormosat, сервиса предоставляемого французской компанией SpotImage, и дающего возможность заказчику самостоятельно осуществлять планирование съемки и получать данные с тайваньского спутника высокого разрешения Formosat-2 (рисунок 4).

Рисунок 4

Станция виртуального приема MyFormosat

Основным преимуществом сервиса MyFormosat является оперативность заказа съемки, а также отсутствие необходимости в приобретении дорогостоящего оборудования. Заказчику предоставляется программное обеспечение, которое имеет простой и удобный интерфейс. Используя Интернет можно резервировать ресурс спутника под собственные задачи, осуществлять планирование периодов проведения новой съемки на интересующие территории, оперативно размещать заказы в центр управления спутником Formosat, ежедневно отслеживать выполнение новой съемки заданной территории, анализировать и загружать отобранные  снимки на компьютер в течение 24 часов с момента выполнения съемки. Снимки становятся доступными для загрузки после прохождения первичной обработки, в цифровом виде, в сертифицированных уровнях обработки, что позволяет получать высокую точность позиционирования. Съемка выполняется в двух режимах — панхроматическом с пространственным разрешением 2 м и мультиспектральном — с пространственным разрешением 8 м. Регулярность съемки определяется пользователем, в т. ч. с возможностью ежедневной съемки. Полученные данные геопривязанны и могут использоваться для визуального дешифрирования объектов, загрузки в ГИС или направляться на дальнейшую обработку в зависимости от целей мониторинга. Огромным преимуществом данного сервиса для многих организаций является возможность оперативного получения данных ДЗЗ сотрудником, находящимся в любой точке мира, а также возможность заказа съемки по любой территории России и мира, не ограничиваясь зонами приема наземных станций. Ресурс спутника резервируется под заказчика и никакие другие запросы на зарезервированную территорию, которые могут повлиять на оперативность выполнения съемки, не принимаются.



Система динамического отображения информации в геоинформационной среде

Систему динамического отображения информации предлагается строить на базе сервиса ImageConnect (производитель — компания DigitalGlobe, США), позволяющего обеспечить мультипользовательский доступ к высокоточным данным со спутников QuickBird (пространственное разрешение — 61 см в панхроматическом режиме) и WorldView-1 (пространственное разрешение — 50 см) непосредственно из ГИС-среды предприятия (рисунок 5).

Рисунок 5

Порядок работы с ImageConnect

Сервис ImageConnect является уникальным расширением к ГИС-программам, позволяющим загрузить геопривязанные космические изображения  высокого разрешения в ГИС-среду пользователя непосредственно из архива компании DigitalGlobe.  При этом происходит мгновенное отображение спутниковых данных в программном обеспечении заказчика с автоматическим преобразованием в нужную проекцию (установленную в программе на момент отбора данных). ImageConnect совместим с программными продуктами компаний ESRI (ArcGIS 8.x и 9.x), MapInfo (MapInfo Professional v.8 and v8.5), Autodesk (AutoCAD Map 3D 2006-2008) и др.

ImageConnect позволяет:

    обеспечить одновременный многопользовательский доступ к базе данных ДЗЗ;
    обеспечить интеграцию с ГИС пользователя;
    существенно снизить стоимость данных ДЗЗ;
    избежать затрат на архивирование терабайтов данных и обеспечить организацию одновременного доступа удаленных филиалов предприятия;
    получить специальные условия на выполнение новой съемки любой территории заказчика со спутников QuickBird и WorldView-1.



Система информационно-аналитической поддержки принятия решений

Комплексная обработка космической информации и результатов наземных измерений является основой для получения данных, предназначенных для дешифрирования и тематических исследований, проводимых с целью получения объективной информации о текущем состоянии территории. Результаты обработки интегрируются в тематические ГИС для проведения всестороннего анализа и получения информации о динамике развития позитивных и негативных процессов.

Функционирование системы информационно-аналитической поддержки принятия решений обеспечивается программными решениями для обработки и анализа данных:

    INPHO (компания INPHO, Германия) — полнофункциональная фотограмметрическая система;
    ENVI (корпорация ITT Visual Information Solutions, США) — программный комплекс для обработки данных ДЗЗ и их интеграции с данными ГИС;
    MicroStation (компании Bentley Systems, США) — профессиональная CAD-система  с полнофункциональными геоинформационными возможностями

Программный комплекс INPHO — полнофункциональная фотограмметрическая система для всех стандартных задач, решаемых в цифровом фотограмметрическом проекте, включая геокодирование, создание цифровых моделей рельефа (ЦМР), ортотрансформирование и стереоскопическую оцифровку.

INPHO поддерживает широкий спектр цифровых данных, включая сканированные аэрофотоснимки, данные, получаемые с цифровых авиационных камер и с различных космических аппаратов ДЗЗ.

Основным преимуществом системы INPHO является строгое математическое моделирование для достижения наивысшей точности обработки, а также четко выстроенный рабочий процесс и высокая степень автоматизации для достижения наивысшей производительности.

Основные компоненты фотограмметрической системы INPHO:

    ApplicationsMaster — ядро системы, позволяющее работать со всеми ее модулями;
    MATCH-AT — модуль для полностью автоматизированного процесса аэротриангуляции;
    MATCH-T — модуль для построения высокоточных ЦМР;
    DTMaster — эффективный модуль контроля качества и редактирования более чем 50 миллионов точек ЦМР;
    OrthoMaster — высокоточное производство ортотрансформированных изображений по материалам авиационной или космической съемки;
    OrthoVista — мощный и высокоавтоматизированный инструмент для создания мозаик и ортофотопланов;
    Summit Evolution — усовершенствованный цифровой стереоплоттер для векторизации объектов местности по стереопарам аэро- и космических снимков непосредственно в среде AutoCAD или MicroStation.

Программный комплекс ENVI предназначен для анализа мультиспектральных и гиперспектральных изображений, включает наиболее полный набор функций для обработки данных ДЗЗ и их интеграции с данными ГИС. Диапазон задач, решаемых с помощью ПК ENVI, достаточно широк: от ортотрансформирования и пространственной привязки изображения до получения необходимой информации и ее интеграции с данными ГИС.

Достоинством программного комплекса является наличие удобных алгоритмов автоматической векторизации результатов классификации, что особенно важно при оперативном анализе результатов в современных ГИС.

Отличительной особенностью ENVI является открытая архитектура и наличие языка программирования IDL (Interactive Data Language), с помощью которого можно существенно расширить функциональные возможности программы для решения специализированных задач, создавать собственные и автоматизировать существующие алгоритмы обработки данных и выполнять пакетную обработку данных. Открытая архитектура ENVI обеспечивает удобство обработки и предоставляет пользователю возможность быстро и просто получать необходимую информацию.

К преимуществам ENVI также следует отнести интуитивно понятный графический интерфейс, позволяющий даже начинающему пользователю быстро освоить необходимые алгоритмы обработки данных. Имеется возможность упростить, перестроить, русифицировать или переименовать пункты меню ENVI и модифицировать пользовательский интерфейс.

Дополнительные модули ПК ENVI:

    DEM — предоставляет пользователям возможность создавать высокоточные ЦМР на основе стереоизображений, полученных со спутников QuickBird, IKONOS, OrbView-3, Cartosat-2, SPOT 1–5, TERRA (ASTER) и др. для ортотрансформирования, топографического анализа, геологических и геоморфологических исследований, 3D-визуализации изображений, создания векторных карт.
    FLAASH — модуль атмосферной коррекции, с помощью которого можно извлекать более точную информацию из изображений, полученных с любого мультиспектрального или гиперспектрального сенсора, регистрирующего электромагнитное излучение в ближнем инфракрасном диапазоне, включая сенсоры вертикального или наклонного визирования.
    Fx — позволяет выделять объекты, как на панхроматических, так и на мультиспектральных изображениях; при этом используются спектральная информация, текстурный рисунок и особенности пространственного положения, с их последующим сохранением в векторные файлы.
    Rx — приложение, предназначенное для быстрого обнаружения объектов, которые по своим спектральным характеристикам отличаются от общего фона изображения. В основе работы инструмента заложен классический алгоритм RXD (Reed-Xiaoli Anomaly Detection), используемый для обнаружения аномальных объектов на спектральных изображениях.

Особо следует сказать о SARscape — специализированном программном продукте, предназначенном для обработки радиолокационных данных, полученных радарами с синтезированной апертурой (SAR).

Радиолокационные данные позволяют получать информацию о земной поверхности при любых погодных условиях, а также освещенности, что особенно актуально для северных и дальневосточных регионов России.

Пакет SARscape разработан как дополнительный модуль к программному комплексу ENVI. Отличительной особенностью SARscape является возможность обработки и совмещения радиолокационных данных, полученных из любых предшествующих, существующих и будущих космических систем, что позволяет создавать специализированные продукты с самой полной информацией. Благодаря современным алгоритмам работы с оптическими данными, реализованным в ENVI, обеспечивается полная совместимость между продуктами на основе радиолокационных и оптических данных, что позволяет говорить о SARscape как о полноценном и мощном инструменте для обработки данных  ДЗЗ.

Результаты обработки данных ДЗЗ интегрируются в тематические ГИС, которые предназначены для информационно-аналитической поддержки принятия решений. Универсальным программным комплексом, который, с одной стороны, имеет широкие возможности систем автоматизированного проектирования (САПР), а с другой — функциональность ГИС является MicroStation компании Bentley Systems, Inc. (США).

К основным преимуществам MicroStation можно отнести следующие:

    основой ПО является ядро твердотельного геометрического моделирования Parasolid, признанное одним из лучших в мире;
    простота операций при трехмерном проектировании;
    передовая технология визуализации сложных трехмерных построений;
    развитые возможности проектирования поверхностей сплайнового и составного типов, усовершенствованная система операций с поверхностями;
    простая организация стилей линий: стили всегда видны, отсутствует необходимость устанавливать масштаб для стиля линии, имеется встроенная система редактирования стилей;
    полная поддержка формата DWG;
    интеграция с другими программными средствами;
    создание собственных приложений с помощью языка программирования MDL;
    простота в изучении.

Центральное звено ГИС-архитектуры Bentley — Bentley Geospatial Desktop. Это приложение позволяет объединять пространственные и иные данные, различные документы и изображения. Оно предназначено для создания в организации централизованной защищенной информационной среды, обеспечивающей управление, индексирование, редактирование и графическое отображение больших объемов структурированных и неструктурированных данных. Bentley Geospatial Desktop использует базирующийся на индексировании федеративный подход к управлению информацией, что позволяет сохранять ее в первоначальном виде и осуществлять поиск, просмотр и редактирование данных с использованием инструментов, запускаемых непосредственно через интерфейс приложения. Поиск данных может осуществляться с использованием как пространственных, так и непространственных критериев.

Среди дополнительных приложений MicroStation можно выделить также Bentley Map (ГИС-среда для создания, управления и анализа пространственных данных), Bentley Descartes (приложение для работы с растровыми изображениями), Bentley PowerMap (программный продукт для полномасштабной работы со всеми видами карт) и др.

Система связи и управления

Для решения проблемы передачи изображений больших объемов (в т. ч. данных ДЗЗ) и работы с ними вполне подходит система скоростной передачи цифровых данных IAS (Image Access Solution) от корпорации ITT Visual Information Solutions (США).

Для сжатия изображений IAS использует формат нового поколения JPEG 2000, который является международным стандартом сжатия данных (ISO/IEC 15444). Качество сжатия и большая маневренность выгодно отличают JPEG 2000 от формата JPEG DCT (Discrete Cosine Transform). Использование формата JPEG 2000, позволяет IAS решить проблемы ограничения в памяти и обработке, а также пропускной способности систем связи.

Используя передовые технологии скоростной передачи данных, IAS передает информацию на большие расстояния гораздо быстрее традиционных способов, даже при значительных ограничениях пропускной способности систем связи. В результате, значительно сокращается время между приемом и передачей данных, что позволяет оперативно и точно принимать решения при оценке той или иной чрезвычайной ситуации.

Отличным инструментом для проведения совещаний по принятию оперативных управленческих решений служит программно-аппаратный комплекс TouchTable (рисунок 6).

Рисунок 6

Программно-аппаратный комплекс TouchTable TouchTable (производство компании TouchTable, Inc.; США) представляет собой специализированный компьютер с большим сенсорным монитором высочайшего разрешения, который идеально подходит для работы с ГИС. Он служит устройством ввода и отображения информации. Управление работой комплекса производится прикосновениями пальцев к поверхности монитора, расположение которого в горизонтальной плоскости, т. е. в виде стола, делает удобным просмотр и анализ отображаемых пространственных данных группой людей.

Главной особенностью TouchTable является уникальный набор пользовательских возможностей. Например, масштабирование легко выполняется движением указательных пальцев рук (к центру — масштаб уменьшается; от центра — увеличивается), 3D режим обеспечивается без использования стереоочков, имеется также возможность делать виртуальные облеты и проходы и т. д. Инфракрасные датчики различают прикосновения с точностью до 1 кв. мм.

Запатентованное программное обеспечение TouchShare, базирующееся на разработках компаний ESRI, Leica и TouchTable, поддерживает клиентский интерфейс, интегрируется в другие программные приложения, имеет интерактивное меню.

Хорошая обзорность и возможность различных способов визуализации пространственных данных позволяют достичь лучшего взаимопонимания и сотрудничества группе людей. Сетевое использование устройств дает возможность удаленно работать нескольким специалистам в одном виртуальном пространстве, даже используя ноутбуки и КПК (совместимые с TouchTable).

Компания «Совзонд» — ведущий поставщик данных ДЗЗ высокого разрешения и программных продуктов для их обработки, разработчик геоинформационных проектов. Компания является официальным дистрибьютором в России и странах СНГ ведущих мировых операторов спутниковых данных.

Помимо данных ДЗЗ, компания «Совзонд» поставляет программные средства для их обработки — полную линейку продуктов программного комплекса ENVI (США) и программное обеспечение для решения всей технологической цепочки фотограмметрических задач INPHO (Германия). «Совзонд» является также поставщиком программных решений MicroStation от компании Bentley Systems (США), включая приложения Bentley Geospatial Desktop, Bentley Map, Bentley Cadastre, Bentley Descartes, Bentley InRoads, Bentley PowerMap.

Литература

    Баранов Ю.Б., Кантемиров Ю.И., Киселевский Е.В., Болсуновский М.А. Построение WVH по результатам интерферометрической обработки радиолокационных изображений ALOS PALSAR // Геопрофи, 2008. №1 C. 31-34, №2. С. 19-23.
    Болсуновский М.А. Перспективные направления развития дистанционного зондирования Земли из космоса // Новости космонавтики, 2007. №11. С. 42-43.
    Болсуновский М.А., Колесникова О.Н. Использование программного комплекса ENVI для обработки данных дистанционного зондирования // Пространственные данные, 2006. №3. С. 42-43.
    Болсуновский М.А., Любимцева С.В. Космические съемки на пике высоких технологий // Аэрокосмический курьер, 2007. №4. С. 46-47.
    Колесникова О.Н., Беленов А.В. Решения компании Bentley Systems для картографии и геоинформационных проектов // Геопрофи, 2007. №3. С.18-20.
    Лютивинская М.В.  Фотограмметрический комплекс INPHO (Германия) — передовое решение для обработки аэро- и космических снимков // Пространственные данные, 2008. №3. С. 48-51.
    Серебряков В.Б.  Применение космических данных в комплексе поисковых работ на нефть и газ (/dzz/publications/543/3807.html).
    Серебряков В.Б.  Региональный центр космического мониторинга // Пространственные данные, 2008. №1. С. 52-55.
    Трофимов Д.М., Никольский Д.Б., Захаров А.И.  Возможности и результаты практического использования спутниковой радиолокационной съемки и интерферометрии при геологоразведочных работах на нефть и газ (/dzz/publications/543/4063.html).
    Элердова М.А. Новые сервисы и ПО для прямого доступа к высокоточным данным с КА QuickBird и WorldView-1 // Геопрофи, 2008. №3. С. 32-34.

Возврат к списку

наверх