Создание крупномасштабных цифровых ортофотопланов

ОАО «Госземкадастрсъемка» – ВИСХАГИ выполнило комплекс работ по созданию крупномасштабных (1:1000) цифровых ортофотопланов на территорию лицензионных участков ООО «Газпром добыча Уренгой». В рамках настоящей статьи рассматривается опыт обработки данных, полученных широкоформатной цифровой аэрокамерой DMC II₂₃₀

Условия взаимодействия на предприятиях топливно-энергетического комплекса (далее – ТЭК), в частности ОАО «Газпром», территории которых занимают тысячи квадратных километров, остро ставят вопрос о создании единой информационной базы экологических, экономических и юридических параметров объектов нефтегазовой инфраструктуры. Это вызвано необходимостью определения стоимости объектов, мониторинга, расчета экономической эффективности, прогнозирования их состояния. Основным типом описания объектов являются цифровые модели местности и рельефа практически всех масштабных рядов, начиная от 1:500 для целей проектирования и строительства, и заканчивая 1:50 000 для принятия управленческих решений. Также характерны для предприятий ТЭК: значительная протяженность объектов, большое их количество и высокоинтенсивная хозяйственная деятельность, которая подразумевает значительные изменения, происходящие в сравнительно небольшие промежутки времени.

Одним из наиболее эффективных решений для получения информации об объектах является анализ данных, полученных по материалам аэрофотосъемки. Цифровые методы привели к сокращению сроков получения материалов, повышению точности данных, удешевлению работ. Дешифровочные свойства цветных изображений для специалистов, занятых в нефтегазовой отрасли, близки к 100 %, тогда как на черно-белых снимках достаточно сложно разделять поверхности с нечетким контуром. Также это относится к территориям, загрязненным нефтепродуктами, когда по данным аэрофотосъемки представляется возможным точно определить объемы нарушенных земель, рассчитать расходы по их рекультивации и принять решение о ликвидации загрязнений. Цифровая аэрофотосъемка на любом участке отснятой территории позволяет получить цифровую картографическую основу, в зависимости от заданных условий, масштаба 1:500 – 1:10 000 и мельче.

В 2012 году ОАО «Госземкадастрсъемка» – ВИСХАГИ выполнило комплекс работ по созданию цифровой модели местности (ортофотопланов) масштаба 1:1000 на территорию лицензионных участков ООО «Газпром добыча Уренгой». Результаты работ являются достоверной исходной основой для выбора оптимального местоположения проектируемых геологоразведочных скважин на месторождениях углеводородов ООО «Газпром добыча Уренгой».

Ввиду того, что объекты лицензионных участков заказчика расположены в труднодоступных местах на площади более 2000 квадратных километров, было принято решение о выполнении аэрофотосъемки с борта самолета «Гжель» М101Т с пространственным разрешением 10 сантиметров на всю территорию объекта с помощью широкоформатной цифровой камеры DMC II₂₃₀, разработанной компанией Intergraph (США) (Рис. 1).

Камера DMC II₂₃₀ имеет монолитный широкоформатный ПЗС-сенсор с матрицей размером 15 104 x 14 400 пикселей. Использование одноматричного модуля панхроматической камеры позволило достичь большого охвата местности с помощью однообъективной системы, – конструктивного принципа, который являлся базовым для всех пленочных камер в течение десятилетий. Благодаря исключению влияния потенциальных источников ошибок для геометрической точности и радиометрического качества этот новый подход позволил получить изображения высокого качества. Основные конструктивные особенности аэроаппарата – надирное направление оптической оси и единый центр проекции. Постобработка изображений, полученных DMC II₂₃₀, не требует сшивки фрагментов в единый кадр. В состав DMC II₂₃₀ входят пять модулей камер, оптические оси которых направлены в надир, – четыре спектральные камеры для красного, зеленого, синего и ИК-диапазонов спектра, и одна панхроматическая камера высокого разрешения. Каждая спектральная камера имеет ПЗС-матрицу размером 42 мегапикселя (6846 × 6096 пикселей) с размером пикселя 7,2 микрометра и специальным цветным светофильтром. Фокусное расстояние спектральных камер составляет 45 миллиметров (Таблица 1).


В каждом модуле камер установлен специально разработанный затвор, имеющий пьезоэлектрический привод и обладающий возможностью выполнения автоматической самокалибровки. Это позволяет добиться максимальной синхронности при срабатывании затворов для всех пяти камер-модулей. Панхроматическая камера имеет ПЗС-матрицу размером 230 мегапикселей (15 104 × 14 400 пикселей) с размером пикселя 5,6 микрометра и фокусное расстояние 92 миллиметра. Установленный в панхроматической камере специальный ИК-фильтр позволяет срезать излучение с длиной волны более 710 нанометров. Цифровая камера DMC II₂₃₀ является высокопроизводительной системой. Она имеет 1,7-секундный минимальный интервал фотографирования, что позволило поддерживать высокую скорость движения самолета при большом продольном перекрытии и высоком разрешении. Большое фокусное расстояние и маленький размер пикселя позволил получить изображения высокого разрешения (10 сантиметров с высоты 1280 метров). А соотношение базиса к высоте фотографирования равное 0,35, обеспечило хорошую точность стереоскопических измерений.

Территория лицензионных участков представляла собой 4 отдельных объекта, расположенные в двух районах Ямало-Ненецкого АО. Перед выполнением летно-съемочных работ на объекте были замаркированы точки планово-высотной привязки и определены их координаты с точностью не хуже 0,1 метра. Необходимо отметить, что аэрофотосъемочные работы были выполнены в период с августа по октябрь 2012 года, что исключило наличие снежного покрова. Аэросъемка велась в четырех спектральных диапазонах, что позволило без дополнительных затрат получить ортофотопланы сразу в нескольких вариантах – панхроматическом (черно-белом), натуральном цветном и в инфракрасном диапазоне (Рис. 2). Во время аэрофотосъемки была использована система определения пространственных координат в режиме реального времени (direct geo-referencing – прямое геопозиционирование) на базе интегрированной инерциальной и спутниковой систем GPS/IMU. Совместная обработка спутниковых измерений и данных инерциальной системы позволила воссоздать точную траекторию движения самолета и определить абсолютные углы наклона и координаты центров фотографирования для каждого снимка. Вследствие этого аэрофотосъемка была выполнена со строгим соблюдением продольных и поперечных перекрытий, а межмаршрутные снимки располагались друг под другом с точностью не хуже 3 %. В процессе аэросъемки на объекте работ была развернута спутниковая сеть из 8 базовых станций, объединенных в единое сетевое решение, жестко привязанное к пунктам триангуляции ГГС. Обработка осуществлялась в системе координат СК-42 и государственной системе СК-95.

После полевых и летно-съемочных работ был выполнен постпроцессинг снимков с помощью программных модулей Z/I PPS и Z/I DIA, а именно обработка «сырых» данных цифровой аэросъемки для получения выходных растровых файлов в нужном формате. Постпроцессинг состоял из двух этапов: RPP – радиометрического постпроцессинга и GPP – геометрического постпроцессинга. На первом этапе – RPP – выполнялась корректировка радиометрических свойств снимков с учетом данных заводской калибровки: коррекция дефектных пикселей, коррекция индивидуальной чувствительности пикселей, коррекция условий экспонирования (диафрагма, светофильтр, температура, смаз). Выходной информацией после RPP были промежуточные (intermediate) файлы, представляющие собой откорректированные снимки в виде TIFF-файлов (один файл на каждый спектральный канал). На втором этапе – GPP – была выполнена коррекция дисторсии и Pansharpening (расцвечивание). Размер результирующего изображения после постобработки составил 15 104 × 14 400 пикселей.

Далее в программном комплексе POSPac MMS 5.3 были уравнены данные, полученные системой GPS/IMU с использованием базовых станций. СКП элементов внешнего ориентирования (далее – ЭВО) после обработки составила 0,25 сантиметра.

Так как ЭВО были определены с высокой точностью, процесс фототриангуляции значительно упростился. Поэтому вначале было выполнено автоматическое измерение связующих точек без использования опорных точек. Для контроля качества расстановки точек были просмотрены точки, расставленные в автоматическом режиме. Количество точек, полученных с ошибкой, не превысило 2 %, и они были автоматически удалены на этапе уравнивания. Ориентирование блоков было выполнено в программном комплексе ORIMA (Leica Geosystems). СКП составили mx = 0,19 метра, my = 0,18 метра, mH = 0,04 метра. В связи с тем, что выполнение планово-высотной привязки снимков (далее – ПВП) производилось до проведения аэрофотосъемки, положение этих точек отображалось вручную в виде абриса с привязкой к элементам местности. Для опознавания точек ПВП их координаты были загружены в проект, уравненный по центрам фотографирования. Расхождение между истинным положением точки, которое было идентифицировано по абрису, и положением точки, нанесенной по координатам, составило не более 0,3 метра. Затем точки ПВП были уточнены по абрисам, и было проведено их совместное уравнивание с КЦФ-снимков. После уравнивания общая СКП на опорных точках по всем блокам составила mx = 0,12 метра, my = 0,13 метра, mH = 0,19 метра, что соответствует точности масштаба 1:1000. Информация об объемах выполненных работ приведена в таблице 2.


Следующим этапом обработки цифровых данных являлось создание цифровой модели рельефа (далее – ЦМР), которое выполнялось на фотограмметрических станциях Socet Set (Bye Systems, США). Для этого на данные станции передавались снимки с найденными параметрами внешнего ориентирования, в виде sup-файлов на каждый снимок, уравненные программой ORIMA. Каждый файл элементов внешнего ориентирования (измеренных и уравненных) содержал три линейных и три угловых ЭВО для каждого снимка. Далее была построена в автоматическом режиме ЦМР. После ручного редактирования ЦМР на каждой стереопаре выполнялось ее объединение. Затем создавались матрицы высот с размером ячейки 1 метр.

Ортотрансформирование, сшивка изображений и формирование планшетов осуществлялось в автоматическом режиме в программном комплексе OrthoVista 5.5 (Inpho, Германия). Зарамочное оформление было создано в программе собственной разработки Mapframer. В результате выполненных работ были созданы ортофотопланы в системе координат СК-42 и государственной системе СК-95 – 9303 планшета масштаба 1:1000 на общей площади 2093 квадратных километра с нанесенной кадастровой информацией. Построенные ортофотопланы были переданы заказчику и успешно прошли приемку технического совета компании.

В заключение статьи хотелось бы отметить безальтернативность использования аэрофотосъемки для создания цифровых моделей местности крупных масштабов 1:1000 – 1:5000 больших территорий, а также правильность выбора камеры DMC II₂₃₀ для создания ортофотопланов на территорию лицензионных участков в связи с тем, что данные работы были оперативно выполнены за 4 месяца, включая аэросъемку. При использовании данной камеры были существенно сокращены объемы геодезических и фотограмметрических работ, что дало соответствующий экономический выигрыш.