Методика обработки данных дистанционного зондирования земли для геоинформационного обеспечения геолого-геофизических исследований

Освоение нефтегазовых ресурсов объединенного Красноярского края и Восточной Сибири, учитывая сложные геологические, географические и экономические условия, требует значительных финансовых затрат, поэтому необходимо их тщательное обоснование, применение наиболее перспективных направлений и современных технологий с точки зрения экономической эффективности планируемых работ.

Сложный и малоизученный характер распределения нефтегазовых структур требует максимального повышения качества геологических и геофизических работ на всех этапах их производства.

Для обеспечения высокой точности регионального и локального прогноза и моделирования резервуаров месторождений углеводородного сырья необходимо анализировать огромные массивы постоянно изменяющейся пространственно распределенной информации.

Для решения этой задачи необходимо широкое применение современных методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды на основе геоинформационных технологий и технологий обработки и анализа многоаспектной информации и, в первую очередь, комплексное использование материалов дистанционных, неразрушающих природную среду геолого-геофизических и аэрокосмических методов, в виде интегрированных цифровых баз данных объектов геологоразведочных работ, цифровых моделей местности (ЦММ), материалов аэрофотосъемки и космической съемки.

Основное отличие геоинформационных технологий от остального семейства современных информационных технологий состоит в наличии мощного аппарата пространственного анализа данных о территории, позволяющего не просто фиксировать существующие связи объектов явлений и характеристик анализируемого пространства, но также и формировать качественно новые виды данных синтетического и аналитического характера, обеспечивая к ним оперативный доступ пользователей по запросам.

Геометрическое трансформирование материалов аэрофотосъемки и космической съемки — важнейшая составная часть тематической обработки данных дистанционного зондирования Земли. Операции трансформирования ДДЗ предназначены для преобразования исходных растровых изображений в систему координат заданной картографической проекции.

Процесс геометрического трансформирования ДДЗ — наиболее трудоемкий и сложный, он требует значительных затрат на полевые работы для определения координат опорных наземных пунктов или приобретения материалов планово-высотной подготовки аэрофотогеодезических работ прошлых лет (аэрофотоснимки с опознанными планово-высотными пунктами, пунктами Государственной геодезической сети, каталогами координат пунктов, изданными крупномасштабными топографическими картами и т. п.), причем, при использовании вышеупомянутых архивных данных без производства полевых работ по определению опорных пунктов, точность конечного продукта будет существенно ниже.

Решение этих вопросов связано с необходимостью разработки и программной реализации алгоритмов и методов обработки ДДЗ, как основного источника информационных данных методов аналитического и неразру-шающего контроля природной среды, обеспечением достоверности полученной информации и оперативного доступа к ней на основе современных геоинформационных технологий.

Разработке и совершенствованию такого комплексного инструментария, состоящего из методик, алгоритмов, программного обеспечения и, в конечном итоге, созданию технологии обработки интерпретации и интеграции, данных дистанционного зондирования в геоинформационные проекты посвящена настоящая работа.

Геолого-геофизическое изучение территорий перспективных на нефть и газ необходимо проводить на основе широкого применения современных ДДЗ, самых передовых методов их обработки и интерпретации, на основе геоинформационных технологий.

Научная проблема определяется необходимостью разработки экономически эффективных и оперативных методов геометрической обработки материалов дистанционного зондирования и создания на их основе актуальной и достоверной цифровой картографической основы для геоинформационного обеспечения комплекса геолого-геофизических работ по поиску и освоению месторождений углеводородов.

Объектом исследований работы являются материалы аэрофотосъемок и космических съемок среднего и высокого пространственного разрешения, являющимися важной информационной составляющей методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, и служащие геоинформационной основой для проектирования и производства геолого-геофизических работ по разведке и освоению нефтегазовых месторождений в Красноярском крае.

Поиск новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, определяется необходимостью совершенствования способов обработки данных дистанционного зондирования, в первую очередь — материалов аэрофотосъемки и космической съемки.

Для многоаспектного анализа фактографических геолого-геофизических данных материалов, планирования и мониторинга геологоразведочных работ необходимо широкое применение геоинформационных технологий, как одного из наиболее перспективных направлений в деле достижения высокой прибыльности нефтегазовой отрасли, сочетающейся с рациональным природопользованием и неразрушающими методами изучения и контроля природной среды.

В диссертации предлагаются технические решения для оптимизации процессов обработки ДДЗ и создания на их основе геоинформационных проектов аналитического и синтетического характера, путем использования разработанных методик и программного обеспечения, в целях повышения информативности и достоверности результатов обработки неразрушающих природную среду методов дистанционного зондирования.

Цели исследования — повышение информативности и достоверности существующих, неразрушающих природную среду, дистанционных аэрокосмических методов исследования перспективных нефтегазоносных территорий, путем создания и апробирования методики геометрического трансформирования ДДЗ на основе данных пространственной привязки пунктов геофизических наблюдений и цифровых моделей местности для информационного обеспечения региональных и локальных геолого-геофизических исследований, экспериментальная апробация на примере перспективных нефтегазовых месторождений в Красноярском крае.

Основные задачи исследований.

Для выполнения поставленной в работе цели, решались следующие задачи:

1). Провести анализ современных космических систем дистанционного зондирования Земли и методов их геометрической обработки для решения широкого круга научных и практических задач при выполнении комплекса геолого-геофизических и экологических исследований при поиске и эксплуатации месторождений углеводородного сырья.

2). Разработать методику создания опорной планово-высотной основы по материалам пространственной привязки пунктов геофизических наблюдений и цифровых моделей местности.

3). Создать алгоритмы и программные модули для оптимизации процесса геометрического трансформирования и ортотрансформирования аэрофотоснимков и космических снимков, позволяющие повысить информативность и достоверность результатов обработки ДДЗ.

4). Создать на основе разработанной методики базу данных опорных планово-высотных пунктов для геометрической обработки и ортотрансформирования ДДЗ, экспериментально оценить результаты на примере перспективных месторождений углеводородного сырья в Красноярском крае.

Фактический материал и методы исследований.

Предлагаемые технические решения поставленных задач основаны на современных достижениях в области геометрической обработки ДДЗ, цифровых фотограмметрических методах трансформирования растровых изображений.

Фактический материал состоит из материалов аэрофотосъемок 20 012 003 г. г., материалов архивной космической съемки среднего пространственного разрешения Landsat-7 ЕТМ+ 2000;2002 г. г., материалов космической съемки высокого пространственного разрешения QuickBird 2006;2008 г. г.

В качестве программного обеспечения для цифровой обработки ДДЗ использовался программный комплекс ITT ENVI 4.5., для геоинформационного обеспечения Maplnfo Professional 8.5, ESRI ArcGis 9.2.

Алгоритмы, программы, базы данных и методика обработки ДДЗ прошли стадию научно-производственного опробования на обширном и разнообразном экспериментальном материале.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Методика создания планово-высотной основы для геометрической обработки ДДЗ, позволяющая существенно снизить затраты на полевые геодезические работы для определения координат опорных наземных пунктов.

2. Методика анализа пространственного положения геофизической сети сейсмических профилей на основе данных дистанционного зондирования Земли.

3. Комплекс программ для создания базы данных опорной планово-высотной сети для оптимизации процесса геометрической обработки материалов аэрофотосъемки и космической съемки, повышающий информативность и достоверность результатов неразрушающих природную среду аэрокосмических методов дистанционного зондирования Земли.

Научная новизна диссертационной работы состоит из нижеследующего:

1). Впервые предложен метод геометрической обработки и ортотранс-формирования ДДЗ на основе комплексного использования, в качестве опорной планово-высотной сети, данных пространственной привязки (координат и высот) пунктов геофизических наблюдений и цифровых моделей местности.

2). Разработаны алгоритмы и программные средства для оптимизации процесса геометрического трансформирования и ортотрансформирования аэрофотоснимков и космических снимков, позволяющие повысить информативность и достоверность результатов обработки, неразрушающих природную среду, аэрокосмических методов дистанционного зондирования.

3). Разработаны программные средства для пространственного анализа топологии сейсмических профилей, вычисления и анализа пересечений линейных объектов цифровой модели местности с сейсмическими профилями, формирования файлов пересечений в форматах геоинформационных систем (АЯСОК, МарШо).

4). Создана на основе разработанной методики база данных опорных планово-высотных пунктов для геометрического трансформирования и ортотрансформирования ДДЗ на территорию перспективных месторождений углеводородного сырья в Красноярском крае.

Достоверность полученных результатов подтверждена результатами полевых топографо-геодезических работ по определению пространственного положения пунктов геофизических наблюдений, материалами крупномасштабных топографических съемок объектов инфраструктуры обустройства месторождений.

Личный вклад.

Автором разработана методика геометрической обработки и ортотрансформирования ДДЗ, на основе комплексного использования в качестве опорной планово-высотной сети, данных пространственной привязки пунктов геофизических наблюдений и цифровых моделей местности.

На основе расчетных формул разработано три численных алгоритма для пространственного анализа топологии сейсмических профилей, вычисления и анализа пересечений линейных объектов цифровой модели местности с сейсмическими профилями:

— алгоритм для проверки принадлежности координат сейсмогеологиче-ского объекта заданному полигону;

— алгоритм для создания и обработки файлов координат пересечения сейсмических профилей в пределах заданного полигона, включая: поиск файлов профилей по шаблонуперевод всех файлов в единую координатную зонусоздания файлов в форматах геоинформационных систем (АЯС018, Мар1п1х>) — нахождение координат пересечений между профиляминахождение сейсмических профилей, лежащих внутри либо пересекающих заданный полигон;

— алгоритм для обработки и анализа топологии сейсмических профилей, создания векторных слоев форматах геоинформационных систем (АИСв^, Мар1п&) в проекции «широта-долгота».

На основе разработанной методики создана база данных опорной планово-высотной основы для ортотрансформирования материалов космической съемки высокого пространственного разрешения на территорию пяти перспективных месторождений углеводородного сырья в Красноярском крае.

Практическую значимость представляет разработанная технология и программный комплекс для геометрической обработки и ортотрансформирования ДДЗ на основе данных пространственной привязки пунктов геофизических наблюдений и цифровых моделей местности, и созданная на ее основе база данных опорных планово-высотных пунктов на территорию перспективных нефтегазовых месторождений.

Материалы диссертационных исследований внедрены и используются в ЗАО «Красноярскгеофизика», г. Красноярск, в ООО «РН-КрасноярскНИПИнефть», г. Красноярск, ЗАО «Ванкорнефть», г. Красноярск, ООО «Геола» г. Красноярск, ОАО «Востсибнефтегаз».

Разработанная автором методика и программный комплекс применяется при верификации данных пространственной привязки сейсморазведочных профилей и скважин для выявления и коррекции ошибок в плановом положении, используется для ортотрансформирования материалов космической съемки и создания актуальных цифровых моделей местности для геоинформационного обеспечения комплекса геолого-геофизических работ по разведке и освоению нефтегазовых месторождений.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на следующих научных конференциях:

• 111 всероссийская выставка-конгресс «Нефть и газ» (Томск, 2002);

• Всероссийская конференция «ГЕОМОДЕЛЬ-2002» (Москва, 2002);

• Научно-практическая конференция «Проблемы нефтегазоносности Сибирской платформы», (г. Новосибирск, 2003);

• Конференция «Новые технологии и методы изучения и освоения природных ресурсов Эвенкии» (Тура, 2003);

• Всероссийская научно-практическая конференция «Пути повышения эффективности геолого-развеведочных работ на нефть и газ в Восточной Сибири и республики Саха (Якутия) (Новосибирск, 2006);

• Семинар ТО ЕАГО «Возможности и проблемы обработки и интерпретации результатов сейсморазведочных работ»" (Тюмень, 2006);

• EAGE International Conference & Technical Exhibition S-Pb — 2006 (Saint.

Peterburg-2006);

• IX международная научно-практическая конференция и выставка.

Геомодель-2007″ (Геленджик, 2007);

• III nternational Conference Remote Sensing — the Sinergy of High Technologies (Moskow, 2008);

• Научный семинар ИВМ СО РАН (Красноярск, 2009).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано десять печатных работ, из них три статьи в изданиях по списку ВАК.

По материалам работы получены три авторских свидетельства Федеральной Службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Основные результаты работы можно сформулировать в следующих выводах:

— Современное космические системы получения данных дистанционного зондирования представляют уникальную возможность для создания и обновления, тематических геоинформационных проектов, в целях обеспечения проектирования геологоразведочных работ и экологических мероприятий при поиске эксплуатации месторождений углеводородного сырья;

— Разработанные алгоритмы и программные модули обеспечивают оперативное и объективное представление данных дистанционного зондирования в виде цифровых ортоисправленных растровых изображений в интегрированных геоинформационных проектах;

— Разработанная и апробированная методика создания опорной планово-высотной основы по материалам пространственной привязки пунктов геофизических наблюдений и цифровых моделей местности, обеспечивает оперативное обновление ЦММ по материалам дистанционного зондирования и органичную интеграцию актуальных сведений о исследуемой территории или локальных объектах в тематические геоинформационные проекты;

— Комплексное использование результатов обработки данных дистанционного зондирования по разработанной технологии на основе цифровых моделей местности и данных пространственного положения пунктов геофизических наблюдений позволяет снизить финансовые и трудовые затраты при создании и обновлении региональных и локальных геоинформационных проектов, как эффективного средства для решения широкого круга научных и практических задач при поиске и эксплуатация месторождений углеводородов.

Дальнейшее развитие исследований, начатых в диссертационной работе, состоит в усовершенствовании методики обработки материалов космической сканерной и радиолокационной съемок, создании методики и программного комплекса по экологическому и геодинамическому мониторингу месторождений углеводородов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе в соответствии с поставленной целью, отражены результаты исследований и научных разработок автора на актуальную тему, посвященную научному анализу, обобщению и совершенствованию методов математической обработки данных дистанционного зондирования.

Главный итог диссертации — разработка и исследование методов геометрического трансформирования материалов дистанционного зондирования при комплексном использовании в качестве опорной планово-высотной сети данных пространственной привязки пунктов геофизических наблюдений и цифровых моделей местности, в целях обеспечения проектирования и производства геологоразведочных работ и экологических мероприятий при поиске эксплуатации месторождений углеводородного сырья, и их экспериментальная апробация на примере перспективных месторождений объединенного Красноярского края.