Оптимизация предпроектной проработки за счет использования цифровых моделей высот при определении мест расположения объектов

Реализация строительного проекта представляет собой длительный жизненный цикл, включающий в себя несколько неразрывно взаимосвязанных этапов: разработка концепции проекта, проектирование, строительство объектов проекта, пусконаладочные работы, эксплуатация и, как финал, реконструкция или демонтаж объектов с последующей рекультивацией. Каждый из этих этапов имеет свои специфические требования и задачи.

Разработка концепции проекта также именуется как предпроектная проработка и является самым первым из начальных шагов реализации строительного проекта.

В ходе предпроектной проработки определяется общая концепция будущего объекта и его основные технико-экономические характеристики.

Корректность и достоверность результатов предпроектной проработки исключительно важны, так как именно на рассмотрении данной информации будет приниматься решение о целесообразности и реализуемости проекта, об объёме необходимого бюджета и прочие ключевые решения по реализации проекта.

На этой стадии решаются следующие задачи:

• Определение возможных мест расположения объектов проекта и трассировки линейных коммуникаций (далее – Определение мест расположения объектов), с учетом возможностей и ограничений земельных участков.
• Разработка эскизного проекта, основных технических, технологических и объёмно-пространственных решений по объектам проекта.
• Выявление потенциальных угроз и проблем, с которыми возможно столкнуться при реализации проекта.
• Расчет технико-экономических показателей проекта, с доступной на данном этапе точностью.
• Определение сроков реализации проекта, требуемых ресурсов и бюджетных затрат.

Необходимо отметить, что корректность Определения мест расположения объектов, также именуемое в иностранной литературе как «Site selection», является ключевым аспектом для всей предпроектной проработки.

Недостаточная проработка на данном этапе может повлечь, как минимум, увеличение сроков и удорожание реализации проекта в целом. Одним из известных примеров является перетрассировка расположения магистрального нефтепровода трубопроводной системы «Восточная Сибирь – Тихий океан» в 2006 году более чем на 40 км на север [1] по причине экологических рисков [2], что повлекло увеличение протяженности нефтепровода примерно на 400 км [3].

Критическая важность корректного Определения мест расположения объектов подтверждается тем, что данные вопросы отдельно регламентированы в стандартах многих ведущих промышленных организаций Российской Федерации. Например, требования к Определению мест расположения объектов отражены в инструкции по организации и проведению сбора исходных данных для строительства и реконструкции объектов ПАО «Газпром» [4, с. 19], Инструкции о составе, порядке разработки, согласования и утверждения проектно-сметной документации на строительство зданий и сооружений ОАО «Газпром» [5, с. 28] и ряде других.

Важность корректного Определения мест расположения объектов отражена также в трудах зарубежных исследователей стран Европы [6], Северной Америки [7] и иных, а также в нормативно-технической документации некоторых стран [8, с. 6].

Корректное Определение мест расположения объектов невозможно без исчерпывающей подробной геопространственной информации [19] о рассматриваемой территории и расположенных на ней объектах.

В то же время вновь возводимые крупные энергетические, нефтегазовые, горнодобывающие предприятия, линии связи, а также дальние межсистемные и магистральные линии электропередач, магистральные газопроводы и нефтепроводы зачастую предполагаются к расположению на удалённых малоосвоенных территориях, на которых материалы с геопространственной информацией либо недостаточно подробные, устаревшие, либо в целом отсутствуют.

Выходом могло бы являться выполнение топографической съёмки предполагаемых мест расположения объектов. Но данные работы продолжительны, требовательны к погодным и сезонным условиям, и требуют больших финансовых затрат. В то же время на этапе предпроектной проработки бюджет доступных финансовых средств, как правило, незначителен. Ведь именно по результатам рассмотрения итогов предпроектной проработки будет приниматься решение о выделении основных средств на реализацию проекта.

Одним из возможных вариантов, а в некоторых случаях (например, при сжатых сроках предпроектных работ) единственно возможным вариантом, является использование в качестве геопространственной информации цифровых моделей высот (Digital Elevation Model – DEM), полученных на основе данных дистанционного зондирования Земли с космических аппаратов.

Цифровые модели высот делятся на 2 категории:

• цифровая модель местности (ЦММ);
• цифровая модель рельефа (ЦМР).

ЦММ отображает рельеф с учетом всех объектов, расположенных на поверхности (здания, лес и прочее). ЦМР, напротив, отображает исключительно рельеф поверхности земли, без строений, лесов и прочих объектов [9, с. 1-33].

В целом, ЦМР и ЦММ – это цифровое представление топографической поверхности и расположенных на ней трёхмерных объектов (для ЦММ) в виде растра или регулярной сети ячеек заданного размера (рис. 1).

Рис. 1. Пример цифровой модели высот [10]

Первоначально для построения ЦМР и ЦММ использовали данные классической топографической съёмки, а также материалы аэрофотосъёмки и лазерного сканирования рельефа земельных участков.

Но в конце ХХ века, благодаря научным достижениям в области космонавтики, глобальных систем навигации, оптики высокого разрешения, высокоточной радиолокации и цифровых систем хранения и обработки информации, появилась возможность выполнить построение ЦМР и ЦММ при помощи съемки земной поверхности с борта космических аппаратов (рис. 2).

Рис. 2. Радарная интерферометрическая съемка земной поверхности с борта космических аппаратов высот [11]

Первый, и наиболее известный проект по созданию цифровой модели высот Земли с помощью радарной топографической съёмки её поверхности – это международный исследовательский проект, известный под названием «Радиолокационная топографическая миссия шаттла» или SRTM (англ. Shuttle Radar Topography Mission), выполнивший в феврале 2000 года съёмку с борта шаттла «Индевор» (рис. 3).

Рис. 3. Shuttle Radar Topography Mission [12]

Полученная цифровая модель охватила 80% земной суши, в диапазоне от 56° южной широты до 60° северной широты (рис. 4).

Рис. 4. Снятая в ходе Проекта SRTM поверхность Земли [13]

SRTM первый, но не единственный проект по созданию глобальной цифровой модели высот земной поверхности при помощи космических аппаратов. Наиболее известны следующие проекты:

• ASTER GDEM, год создания – 2009;
• ALOS AW3D, год создания – 2016;
• MERIT DEM, год создания – 2018.

При рассмотрении возможности использования цифровых моделей высот земной поверхности одними из важнейших вопросов можно назвать следующие:

• Доступность;
• Достоверность (Актуальность);
• Точность;
• Технические требования к программному обеспечению для обработки информации.

Все вышеуказанные цифровые модели высот являются общедоступными, информация данных моделей высот может быть получена с соответствующих сайтов сети Интернет (табл. 1). Некоторые цифровые модели высот имеют определённые лицензионные ограничения.

Таблица 1

Расположение информации цифровых моделей высот

Вопрос актуальности (достоверности) используемой геопространственной информации является одним из важных. Нельзя формировать заключение по предпроектной проработке проекта основываясь на не соответствующей реальной ситуации информации.

Наиболее актуальная цифровая модель высот MERIT DEM создана четыре года назад, SRTM создана почти четверть века назад. Но в рассматриваемом случае, когда проводится предпроектная проработка по объектам, предполагаемым к расположению на удалённых малоосвоенных территориях, год создания цифровой модели высот не является критичным, так как изменения в рельефе в краткосрочном периоде при отсутствии антропогенного воздействия, как правило, незначительны и могут быть уточнены либо локальной топографической съёмкой (например, в местах береговых и русловых процессов), либо на последующих этапах реализации проекта.

Второй важный вопрос – точность информации. Различные цифровые модели высот имеют различную точность (табл. 2) [14].

Таблица 2

Точность информации цифровых моделей высот

 Имеется ряд исследовательских работ, посвященных оценке фактической точности цифровых моделей высот за счет сравнения с результатами классической топографической съёмки. В частности, в работе «Сравнение цифровых моделей рельефа» [15, с. 65-86] выполнено подробное взаимное статистическое сравнение различных цифровых моделей высот с изложением полученных результатов в виде таблицы (табл. 3) [15, с. 79] и графика (рис. 5) [15, с. 80].

Таблица 3

Результаты математического анализа сравниваемых моделей местности

Рис. 5. Распределение частот выборки по формуле Стерджесса: ni – частота встречаемости, Х – средина интервала высот

В работе «Оценка точности матрицы высот SRTM по материалам топографических съемок» [16, с. 13-17] было выполнено сравнение сформированного по данным SRTM профиля трассы линейного протяженного объекта в Северо-Западном регионе РФ с профилем, построенным по материалам классической топографической съёмки (рис. 6) [16, с. 16]. Общая длина трассы 82 км.

Рис. 6. Фрагмент участка с совмещенными в плане профилями после исключения систематической погрешности

Одним из выводов данной работы указано, что среднее отклонение (СО) и среднее квадратическое отклонение (СКО) на всех участках трассы отличаются не более чем на 10% от своей абсолютной величины. Таким образом, с некоторым приближением можно считать, что СО, равное 12,8 м, и СКО, равное 4,0 м, могут быть приняты для всей трассы. Для исключения систематической погрешности в разнице высот абсолютные значения ортометрических высот были уменьшены на 12,8 м. После процедуры исключения вновь вычисленное СО стало равным 1,0 м, а СКО не изменилось [16, с. 16-17], что можно считать хорошим результатом.

Точность цифровой модели высот SRTM, применительно для площадных объектов, рассмотрена в работе «Оценка точности высот SRTM для целей ортотрансформирования космических снимков высокого разрешения» [17, с. 40-46]. В результате подробных расчетов был сделан вывод о том, что для участков открытой местности и малоэтажной застройки территории сельских населенных пунктов исследованного в работе земельного участка точность материалов не хуже ортофотопланов масштаба 1:2000 [17, с. 46].

Таким образом, основываясь на результатах сравнения цифровых моделей высот земной поверхности, созданных при помощи космических аппаратов, с реальными профилями земельных участков площадных и линейных объектов можно сделать вывод о достаточной точности геопространственной информации данных моделей высот для использования на этапе предпроектной проработки в рамках Определения мест расположения объектов на удалённых малоосвоенных территориях.

Отдельно необходимо затронуть технические требования к программному обеспечению для обработки информации цифровых моделей высот.

Информация цифровых моделей высот земной поверхности, созданных при помощи космических аппаратов, сформирована, как правило, в формате GeoTIFF.

GeoTIFF это, по сути, обычный графический файл формата TIFF, но с дополнительными метаданными о картографической проекции, системе географических координат, модели геоида и иной необходимой информации. Таким образом, если говорить упрощённо, каждый пиксель файла GeoTIFF имеет точную привязку к широте и долготе, а яркость пикселя отражает высотную отметку (рис. 7). Спецификация формата GeoTIFF является открытой и общедоступной.

Рис. 7. Отображение рельефа земной поверхности в файле GeoTIFF

Практические всё современное программное обеспечение, специализированное для работы с геопространственной информацией (так называемые геоинформационные системы), позволяет обрабатывать файлы GeoTIFF.

Отдельно стоит упомянуть широко известную геоинформационную систему QGIS, также известную как Quantum GIS.

QGIS это свободно распространяемая бесплатная геоинформационная система, имеющая версии для работы в операционной системе Windows и на большинстве платформ семейства Unix (включая Mac OS).

QGIS поддерживает множество векторных и растровых форматов и баз данных, а также имеет богатый набор встроенных инструментов.

В сети Интернет имеется большое количество справочной информации, посвященной как азам работы с QGIS, так и решению сложных узкоспециализированных задач, например, ресурс общего доступа «QGIS project» [18].

Это мощное программное обеспечение, с большой библиотекой дополнительных модулей и со встроенным специализированным алгоритмическим языком, что позволяет с успехом использовать QGIS практически для любых задач обработки геопространственной информации.

Применительно к Определению мест расположения объектов, QGIS можно использовать, в том числе, для обработки информации цифровых моделей высот земной поверхности, созданных при помощи космических аппаратов.

В частности, на основе цифровых моделей высот земной поверхности данных возможно построить виртуальную 3D-модель исследуемого участка земной поверхности (рис. 8) и визуально оценить рельеф участка земли.

Рис. 8. Построение в QGIS 3D-модели участка земной поверхности

Также в QGIS возможно построение горизонталей и профилей высот исследуемого участка земной поверхности. До 2022 года основным инструментом для построения профилей высот в QGIS были плагины, но с выходом QGIS версии 3.26 широкий набор функций для этого появился прямо в программе (рис. 9).

При этом QGIS позволяет одновременно отображать информацию различных источников в виде взаимно совмещенных слоёв с различной степенью прозрачности, что значительно упрощает анализ информации в целом.

Рис. 9. Построение в QGIS профилей высот земной поверхности

Как построение 3D-модели исследуемого участка, так и построение горизонталей и профилей высот в QGIS осуществляются в режиме on-line, что снижает затраты времени на изучение рельефа земельного участка и Определение мест расположения объектов.

Таким образом, можно сделать общее заключение, что информация цифровых моделей высот земной поверхности, созданных при помощи космических аппаратов:

• является общедоступной с открытой структурой данных;
• применительно к удалённым малоосвоенным территориям и при отсутствии антропогенного воздействия является достоверной и актуальной;
• имеет достаточную точность для целей Определения мест расположения объектов на предпроектной стадии реализации проектов;
• может быть обработана на бесплатном, легальном и широкодоступном программном обеспечении.

Соответственно, использование информации цифровых моделей высот земной поверхности, созданных при помощи космических аппаратов, в качестве источника геопространственной информации открывает широкие возможности для оптимизации Определения мест расположения объектов, а также снижения затрат и сокращения сроков выполнения предпроектной проработки крупных площадных и линейных объектов, расположенных на удалённых малоосвоенных территориях.