Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние информаци-онного и картографического обеспечения трассирования трубопроводов ..9
1.1. Современный опыт применения ГИС для информационного обеспечения работ в
трубопроводном строительстве 9
1.1.1. Краткий обзор общей истории развития ГИС в мире 9
1.1.2. Краткий обзор использования ГИС в трубопроводной отрасли РФ 11
1.2. Обзор существующих методик проложения трасс трубопроводов 17
1.2.1. Общие сведения о решении задачи оптимизации трасс трубопроводов в СССР и РФ 17
1.2.2. Информация, необходимая для выбора оптимальной трассы 19
1.2.3. Разделение трассы трубопровода на участки и категории. Классификация по макро-типам территории 25
1.2.4. Критерии оптимальности трасс трубопроводов 29
1.2.5. Определение области поиска оптимальной трассы трубопровода 30
1.2.6. Использование цифровой модели местности (классическая технология) 33
1.2.7. Выбор оптимальной трассы и кратных трасс по сетке между двумя точками. Поиск оптимальной трассы 37
1.3. Картографическая обеспеченность автоматизированного трассирования магистральных трубопроводов 43
1.3.1. Общие положения 43
1.3.2. Общегеографические данные 44
1.3.3. Данные о литосфере 47
1.3.4. Данные об объектах гидрографии 49
1.3.5. Биогеографические данные 51
1.4. Тестовый полигон для создания ГИС автоматизиро-ванного трассирования 53
1.4.1. Выбор тестового полигона для создания ГИС автоматизированного трассирования 53
1.4.2. Физико-географическое описание тестового полигона 55
1.4.3. Экономико-географическое описание тестового полигона 65
1.5. Выводы 66
ГЛАВА 2. Методика создания гис для автоматизированной оптимизации трассирования 69
2.1. Методологические предпосылки для проведения автоматизированного трассирования средствами факторного анализа и ГИС 69
2.1.1. Основные недостатки существующих методик и подходы к решению задачи оптимизации трасс трубопроводов и пути их устранения 69
2.1.2. Обоснование актуальности использования геоинформационных систем для автоматизированного трассирования и выбор программного обеспечения 73
2.1.3. Учет факторов, влияющие на проложение трассы: аспекты компонентов географической среды 77
2.1.4. Учет факторов, влияющие на проложение трассы: аспекты автоматизированного использования картографической информации 84
2.1.5. Точностные аспекты трассирования на этапе ТЭО. Разработка требований к ГИС для проведения автоматизированного трассирования трубопроводов (ГИС АТТ) 113
2.2. Сбор и обработка двумерных данных 114
2.2.2. Сбор и использование растровых картографических материалов 119
2.2.3. Сбор и использование данных дистанционного зондирования Земли 120
2.3. Сбор и обработка трехмерных данных 123
2.3.1. ЦМР: точность построения и особенности информации, нанесенной на топокарты 123
2.3.2. Методы и программное обеспечение для построения ЦМР 125
2.3.3. Методика подготовки данных для построения ЦМР и особенности построения ЦМР 127
2.3.4. Построение ЦМР и производных от нее поверхностей 132
ГЛАВА 3. Автоматизированное трассирование: оптимизация трассы, оценка результатов, перспективы применения 139
3.1. Оптимизация трассы трубопровода с использованием ГИС 139
3.1.1. Разработка системы весовых коэффициентов осложнения строительства и ее использование 139
3.1.2. Создание наборов поверхностей распределения в пространстве величины осложненности строительства по каждому из факторов 148
3.1.3. Создание итоговой РМД величины относительной стоимости строительства трубопровода к каждой точке местности 150
3.1.4. Проведение автоматизированного трассирования средствами ГИС 151
3.2.0ценка качества трассирования 157
3.2.1. Подходы к оценке качества трасс трубопроводов 157
3.2.2. Методы оценки точности полученных результатов трассирования 161
3.2.3. Оценка точности и анализ результатов автоматизированного трассирования 164
3.3. Практическое применение автоматизированного трассирования и его
оптимизации и перспективы 172
3.3.1. Возможности практического применения описанной методики 172
3.3.2. Предполагаемая методология практического применения автоматизированного трассирования для трасс большой протяженности 175
3.3.3. Перспективы использования автоматизированного трассирования средствами ГИС 179
Заключение 181
Список использованной литературы:
- Краткий обзор общей истории развития ГИС в мире
- Основные недостатки существующих методик и подходы к решению задачи оптимизации трасс трубопроводов и пути их устранения
- Точностные аспекты трассирования на этапе ТЭО. Разработка требований к ГИС для проведения автоматизированного трассирования трубопроводов (ГИС АТТ)
- Создание наборов поверхностей распределения в пространстве величины осложненности строительства по каждому из факторов
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В последние годы экономика России, переживающая сложный этап, во многом зависит от экспорта нефти и газа. Основным средством транспортировки нефти и газа является трубопроводный транспорт. Строительство крупных нефтепроводов для экспорта нефти в сопредельные страны является задачей особой важности и непосредственно затрагивает интересы государства. Не менее важной проблемой остается строительство дополнительных ниток трубопроводов, сгущающих существующую сеть для решения проблемы газо- и нефтеобеспечения новых и увеличения объемов поставок в старые регионы. Кроме того, стремительно увеличивается доля трубопроводных участков, подлежащих капитальной реконструкции во избежание возникновения чрезвычайных ситуаций. (ЧС) и прекращения поставок нефти и газа на длительный срок. Выработка запасов старых месторождений и необходимость подключения к существующим трубопроводным системам новых источников углеводородного сырья также требует строительства новых участков.
Результаты оценки современных тенденций развития отрасли рядом аналитиков говорят о том, что к 2006 г. следует ожидать резкого всплеска активности в области строительства новых трубопроводных систем, и, следовательно, массового проведения изыскательских работ по трассам будущих трубопроводов. Стоимость изысканий и строительства подобных объектов чрезвычайно высока.
В настоящее время методы трассирования и выбора оптимального расположения трассы трубопровода (на стадии рабочего проектирования) разработаны достаточно хорошо, однако в этом случае трасса трубопровода не может выходить за пределы коридора, выбранного на стадии технико-экономического обоснования проекта (ТЭО). В то же время методология выбора трассы трубопровода на этапе ТЭО разработана недостаточно. В особенности это касается не самих методов оптимизации трассы по готовому набору данных, а методики подготовки этих данных к использованию: сбору, анализу и цифровой интерпретации пространственного распределения характеристик окружающей среды.
Использование автоматизированных методов фактически не распространено. Классические методики основываются на бумажно-аналоговых технологиях. При незначительном изменении входного набора данных (смена границ района трассирования, изменение весовых коэффициентов, появление новой или просто другой информации) все операции по подготовке данных приходится делать заново, и,
как правило, вручную. Это имеет место и сейчас, несмотря на то, что функции сбора, подготовки анализа и синтеза пространственно-координированных данных являются непосредственными прерогативами ГИС, и развиты очень хорошо как теоретически, так и практически. Также отсутствует методика оценки качества трассирования.
В то же время теория алгоритмов поиска оптимального пути трассирования и математический аппарат для решения данной задачи разработаны достаточно хорошо. В отечественной печати опубликован ряд трудов, посвященных этой проблеме. Однако использования этих методов в сочетании с современными системами обработки информации (ГИС) не происходит, несмотря на то, что общее информационное обеспечение проектов трубопроводного строительства находится на достаточно высоком уровне. Широкое использование геоинформационных систем и пространственных баз геоданных в сочетании с достаточной изученностью территории Российской Федерации создают хорошие предпосылки для развития и внедрения методов автоматизированного трассирования и количественной (а не качественной) оценки трасс трубопроводов.
Следует также отметить недостаточную разработанность технологической цепочки применения ГИС для оптимизации трассирования трубопроводов.
Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ геоинформационного обеспечения и методики автоматизированного трассирования магистральных трубопроводов на этапе технико-экономического обоснования (ТЭО) с оценкой стоимости строительства в каждой точке тестового региона. Для достижения данной цели было необходимо следующее:
Проанализировать опыт и подходы отечественных и зарубежных исследователей в области трассирования, обосновать возможность использования существующих данных и применения различных программных и технических средств для создания ГИС, предназначенных для проведения автоматизированного трассирования магистральных трубопроводов на этапе ТЭО
Разработать геоинформационную методику обработки данных для оценки влияния компонентов географической среды на стоимость строительства трубопровода (на этапе технико-экономического обоснования).
Разработать методы обработки и хранения данных об окружающей среде в составе ГИС с целью их использования для автоматизированного трассирования трубопроводов и методику автоматизированного трассирования и оценки качества трассирования с использованием ГИС
Продемонстрировать возможности интерпретации полученных результатов с использованием виртуальных моделей местности.
Настоящие исследования основаны на анализе влияния компонентов географической среды на стоимость строительства трубопроводов (при учете уже существующих и принятых к исполнению норм оценки финансовых затрат в зависимости от условий строительства, а также требованиях СНиП для магистральных трубопроводов), а также на достижениях геоинформационных технологий в области анализа многомерных данных и обработки исходной информации.
Разработка методики геоинформационного обеспечения автоматизированного трассирования основана на личных исследованиях автора за период работы в 2001-2005 г.г. В работе использовались картографические материалы, предоставленные НИЛ комплексного картографирования географического факультета МГУ, ЗАО «Диорит», ЗАО «Аркон», а также материалы публикаций, посвященных объекту исследования.
Структура диссертационной работы охватывает процесс создания целевой ГИС территории от начального этапа обработки исходных данных до оценки результатов автоматизированного трассирования. Методика автоматизированного трассирования строится на упорядоченном анализе влияния компонентов географической среды на стоимость строительства с последующей интеграцией полученной синтетической информации и получением на ее основе данных с высокой пространственной дискретностью об относительной стоимости строительства в пределах исследуемой территории с последующим расчетом оптимальной трассы и ее оценкой.
Критерием оптимальности трассы выбрана минимизация финансовых затрат на строительство линейной части трубопровода (без отводов) без учета экологической и социальной составляющей, методика точной финансовой оценки которых недостаточно разработана; кроме того, подобные затраты не входят в стоимость самого проекта и не учитываются при разработке проектной документации. Несомненно, влияние этих двух составляющих стоимости проекта должно рассматриваться при оценке трасс, однако на данном этапе это не представляется возможным по ряду причин.
В работе рассмотрен масштабный уровень 1:200 000, соответствующий этапу технико-экономического обоснования проекта; методические принципы и коэффициенты, указанные в работе для тестового региона, корректны для диапазона масштабов 1:100 000 — 1:300 000. Рассмотрение других масштабных уровней являет собой отдельные задачи, решаемые по совершенно другим принципам и с использованием иных подходов, что также не входит в круг задач данной работы.
Основные результаты и нх научная новизна. Выполненные исследования и обобщение опубликованных работ позволили автору получить следующие результаты:
-разработана геоинформационная методика оценки (с высокой пространственной дискретностью) влияния компонентов географической среды на стоимость строительства трубопровода.
-предложены методы обработки и хранения данных о географической среде в составе ГИС с целью их использования для геоинформационного обеспечения автоматизированного трассирования трубопроводов.
-научно обоснована возможность использования существующего картографического обеспечения РФ и геоинформационных систем (ГИС) для автоматизированного трассирования трубопроводов.
-на базе разработанной методики создана геоинформационная система для проведения автоматизированного трассирования на примере Березовского района ХМАО и предложена методика автоматизированного трассирования на различных масштабных уровнях.
Практическая ценность проведенных исследований заключается в разработке научно-методических подходов к количественной оценке качества предлагаемых трасс трубопроводов средствами ГИС-технологий и разработке производственно-применимых ГИС-приложений для автоматизированного трассирования трубопроводов на этапе ТЭО с оптимизацией трасс по критерию «минимальные финансовые затраты». Результаты работ представляют интерес для широкого круга специалистов нефтегазовой и транспортной отраслей.
Предложенная методика трассирования (в масштабе 1:100 000-1:300 000) востребована в первую очередь проектными институтами, направление деятельности которых заключается в проектировании трубопроводных и иных транспортных систем, осуществлении контроля за существующими трубопроводами, планировании и решении расчетных задач.
Реализованная ГИС с приложенным инструментарием и наборами данных в сочетании с методикой их интерпретации позволяет вести полностью автоматизированное трассирование между любыми двумя точками, указанными пользователем на исследуемой территории с одновременной оценкой качества полученной трассы.
В научно-исследовательских работах целевая ГИС, составленная по предложенной методике, может служить базой для решения задач моделирования
возможного дальнейшего развития и реконструкции транспортных трубопроводных систем, расчета возможности возникновения и ликвидации последствий ЧС и т.п.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, приложений, включающих описание методики работы с итоговой ГИС для автоматизированного трассирования, списка литературы.
Краткий обзор общей истории развития ГИС в мире
Развитие геоинформатики и практическое внедрение геоинформационных систем привели к качественному изменению в информационном обеспечении строительства трубопроводов и соответствующим технологическим изменениям.
Первые опыты по созданию ГИС относятся к 60-м годам XX века. Наиболее ярким примером этого периода было создание в 1963-1971 гг. Канадской ГИС под руководством Р.Томлинсона. Ее методические основания обобщены в его докторской диссертации [Tomlinson, 1974]. Данная система создавалась для анализа данных инвентаризации земель Канады в области рационализации землепользования. Система запросов и методов обработки данных, как и у всякого пионерного продукта, была относительно небогатой. Кроме того, проект получился крайне дорогостоящим. Именно тогда уже был заложен фундамент основного направления развития ГИС на Западе.
ГИС первого поколения (60-е годы) значительно отличались от того, что понимается под ними сегодня [Капралов Е.Г, Кошкарев А.В., Тикунов B.C., 2004]. Основная функция ГИС состояла во вводе в машинную среду первичных учетных документов для хранения и регулярного обновления данных, достаточно незамысловатой по нынешним меркам обработки, включающей агрегацию данных и генерацию итоговых отчетных статистических табличных документов.
В начале 70-х годов ситуация стала меняться. В результате постепенной наработки методов, удешевления вычислительной техники и разработки технологических цепочек стало очевидно, что у геоинформатики большое будущее. Появились примеры эффективного применения ГИС отдельными корпорациями, но стоимость техники, программного обеспечения и обслуживания остались высоки. До середины 70-х годов продолжался период шлифовки и доводки методик обработки пространственных данных в крупных организациях. Зазвучали также голоса пессимистов: геоинформатика не стоит вкладываемых в нее средств, поскольку затраты на входные данные делают результат «золотым». Необходимо отметить, что эта тенденция сохраняется и до сих пор - затраты на сбор, предварительную обработку, унификацишо и внесение данных в серьезные ГИС корпоративного назначения и по сей день составляют до 80% всех затрат на реализацию проекта.
В то же самое время развитие геоинформатики в СССР пошло по другому пути. Причиной этого послужили политические, финансовые и технологические особенности развития всей отечественной отрасли вычислительной техники. В России сформировалось новое направление - математико-картографическое моделирование [Жуков, Сербенюк, Тикунов, 1973, 1980].
Новый взлет наметился к концу 70 - началу 80-х, когда относительно широко распространились персональные компьютеры. В это время открылись принципиально новые возможности не для отдельных крупных организаций, а для небольших независимых исследовательских и производственных групп. В это же время начался период сближения различных ГИС-пакетов и программных решений. Действительно, ранее - в силу уникальности каждой ГИС и аппаратного обеспечения - задачи переноса и совместимости данных, как правило, не ставилось: переносить было нечего и некуда. Теперь возникла необходимость обеспечения возможности агрегации данных ГИС, созданных разными разработчиками.
Период первых комплексных решений пришелся на 80-е годы, когда отдельные компьютерные программные пакеты по обработке данных, но подготовке текстов или карт трансформируется в единую увязанную систему, способную помочь человеку в принятии ответственных решений. В это же время создаются и становятся доступными компьютерные локальные и глобальные сети, революционно изменившие доступ к базам данных. Персональные компьютеры в ряде организаций уже начинают вытесняться рабочими станциями. 80-е годы дали миру огромное количество новых ГИС: по некоторым данным, их число (во всем мире) приблизилось к 2000 [Капралов и др., 2004]. Разработка коммерческих программных средств ГИС, связанная в немалой степени с возможностями мини- и микроконфигураций вычислительных средств, а позже персональных ЭВМ, существенно поменяла всю геоинформационную индустрию, которая появилась именно в этот период. Создание ГИС стало основываться не на уникальных программных и аппаратных средствах собственной разработки, а на адаптации функциональных возможностей универсальных программных продуктов применительно к анализируемым проблемам. Именно это время было периодом массового создания ГИС на платформе персональных компьютеров. Одним из ярких примеров этого периода может стать появление одного нз самых мощных пакетов программного обеспечения ARC/INFO (модуль Workstation в комплексе ARC GIS 8.x и 9.0 в настоящее время) в Институте изучения систем окружающей среды (ESRI, Inc, США). Успешное соединение стандартной реляционной системы управления базами данных (INFO) с программой управления графическими объектами (ARC) и привело к ее созданию. Ее важнейшей особенностью стала независимость от платформ и операционных систем (поддерживаются INTEL, SUN, SILICON GRAPHICS и прочие). В настоящее время это один из лидеров по объему продаж программного ГИС-обеспечения в своем классе.
В 90-е годы появились интеллектуальные системы и технологии мультимедиа -комплексного воздействия на различные органы чувств человека - зрение, слух, а в перспективе - обоняние и даже осязание. Можно обратиться и к более частным вопросам, например картографической визуализации в ГИС. Так, даже традиционные бумажные карты, естественно имеющие самое широкое распространение и применение, стали меняться - становиться "рельефными", пригодными для визуального и компьютерного считывания и т.д. [Капралов Е.Г, Кошкарев А.В., Тикунов B.C., 2004]. Подавляющее большинство карт преобразуется в цифровые модели, а их тематические наборы или слои начинают комилексироваться в электронные атласы, изготовляемые по индивидуальному заказу. Традиционными становятся виртуалыю-реалыюстные модели.
Развитие аналитических функций в геоинформатике привело к появлению самых разнообразных систем поддержки принятия решений. Появились нейросистемы для анализа многомерных массивов пространственных данных. Достаточно разработан и реализован на практике комплекс алгоритмов классификаций. Однако и по сей день в геоинформатике остается большое количество нерешенных проблем как общего, так и отраслевого характера.
Основные недостатки существующих методик и подходы к решению задачи оптимизации трасс трубопроводов и пути их устранения
Под информацией о будущем трубопроводе понимается комплекс сведений, позволяющих количественно охарактеризовать условия строительства и эксплуатации будущего трубопровода, а также его стоимостные показатели. Недостаточное использование таких сведений может привести к потере лучшей трассы, чрезмерное количество их - к неоправданному усложнению процесса проектирования. Поэтому из огромного числа факторов, влияющих на положение трассы, необходимо выделить наиболее важные, чтобы учесть их в период определения так называемого генерального направления трассы (на этапе ТЭО). Затем, при детализации ее (на этапе рабочего проектирования) учитывается и влияние ряда менее важных факторов, которые не могут существенно изменить генерального направления трассы, но могут изменить ее положение на отдельных участках в пределах полосы варьирования шириной несколько километров относительно генерального направления (то есть в его буферной зоне) [Бородавкин П.П., 1987].
Все сведения можно подразделить на две основные группы: не зависящие от условий окружающей среды, и зависящие от них. К не зависящим от природных факторов сведениям можно отнести: -данные о начальной и конечной точках трубопровода -его диаметр -количество ниток -ограничения по территориям, на которых возможно строительство -данные о типе прокладки трубопровода (подземная, наземная, надземная).
Как правило, в основе ограничений по территориям где возможна прокладка лежат различные политические и макроэкономические соображения, не рассматриваемые проектировщиками и принимаемые как данность.
К зависящим от природных факторов сведениям относятся данные, которые в какой-либо мере зависят от проложения трубопровода и от природных условий, в которых он может оказаться (топографические, геологические и гидрогеологические условия, естественные и искусственные препятствия, населенные пункты и т.п.).
При проектировании трубопровода информация о начальной и конечной его
точках, диаметре, количестве ниток и ограничениям по территориям возможного строительства является уже заданной (как правило), и не подлежит корректировке. Напротив, определение типа укладки трубопровода полностью зависит от проектировщика.
Несомненно, тип прокладки трубопровода значительно влияет на стоимость работ. При принятии решении о способе прокладки всегда используется ряд экспертных мнений, решение, как правило, принимается коллективно. Тем не менее, существуют определенные правила, по которым применяется то или иной тип укладки [«Строительство...», 1965]. Рассмотрим эти типы подробнее.
Подземная укладка применима во всех районах бывшего СССР с любыми характеристиками местности. Исключения составляют: - участки с многолетнемерзлыми просадочными грунтами, где должны быть сооружены трубопроводы, транспортирующие продукт с положительными температурами. - районы горных выработок со значительными смещениями грунтов - участки рек с особыми формами руслового процесса: горные реки, селевые потоки, реки с ярко выраженными неустойчивыми руслами, где максимальные плановые и глубинные переформирования имеют более 2 м по глубине и могут происходить в течение нескольких недель.
Наземная и полуподземная укладка. С 1960 г. Гипроспецгазом предложена наземная укладка при строительстве на болотах. Этот тип укладки позволяет избежать балластировки труб средних и крупных диаметров и улучшает условия эксплуатации. В дальнейшем наземную укладку стали также применять на участках с мелкодисперсными и пылеватыми грунтами при высоком стоянии грунтовых вод (например, газопроводы Игрим — Серов, Ухта - Торжок, и т.п.) [Бородавкин П.П., 1970]. Разновидностью наземной укладки является полуподземная укладка.
Область применения этих видов укладки ограничена. Ограничения вызываются тем, что создание валика над трубой высотой 0.8 м и более путем рытья параллельной канавы-резерва глубиной 1.0 м. нарушает естественный водосток и создает искусственное препятствие для перемещения людей и техники в поперечном направлении. Эти типы укладки могут быть рекомендованы для залесенных и заболоченных районов с высокими грунтовыми водами и на малозаселенных территориях (север и северо-восток Сибири, Якутии, Дальний Восток, Республика Коми, северные районы европейской части РФ). В районах же распространения многолетнемерзлых просадочиых грунтов полуподземная и подземная укладка часто оказывается неприемлемой, в то время как наземная укладка труб возможна если грунт сохраняется в естественном состоянии (замороженном) путем создания теплоизоляционной подушки.
Надземная укладка. Укладка трубопроводов над поверхностью земли на специальных опорах применяется при пересечении болот 3 типа и при переходах через реки. Это не слишком распространенный тип укладки - из -за специфики строительно-монтажных работ. Если все прочие виды укладки могут быть полностью механизированы и выполняться как один поточный процесс, то при надземной укладке применение поточного строительства ограничено.
Земляные работы при этом типе укладки практически исключаются, но требуется установка опор, на которые накладываются трубы. Работы осложняются тем, что количество кривых вставок намного превышает количество их при других видах укладки. Однако в районах распространения многолетнемерзлых просадочиых грунтов и горных выработок надземная укладка наиболее целесообразна.
В данной работе подразумевается, что в основном используется подземная укладка трубопроводов, кроме участков болот (см. выше), где используется наземная укладка, и переходов через мелкие водотоки, где применяется надземная укладка.
Точностные аспекты трассирования на этапе ТЭО. Разработка требований к ГИС для проведения автоматизированного трассирования трубопроводов (ГИС АТТ)
Суть методологии ВСЕХ описанных алгоритмов состоит в том, что для построения взвешенной сети (когда каждой дуге сети задается вес) все многообразие ландшафтов описывается списком категорий местности. Как уже упоминалось выше, наиболее полный набор подобных категорий включает в себя 80 категорий местности [«Инструкция...», 1983, Агапкіш В.М, 1987, «Строительство..», 1991]. Создание подобного списка было продиктовано необходимостью хоть как-то описать различные виды местности, и количество категорий ограничивалось по техническим причинам. Однако объективная действительность отстоит от подобной системы описания весьма далеко. В реальности количество возможных вариантов стоимости строительства на некоторой территории может составлять несколько сотен тысяч вариантов.
Как уже говорилось в начале работы, оптимизация трассы трубопровода на этапе ТЭО проводится по критерию «снижение материально-финансовых затрат на проведение строительства линейной части трубопровода». Поскольку анализируется положение пока еще не построенной системы, оценка производится по установленным сметным нормам (например, ГЭСН 1-25, «Справочник базовых цен..», 2001, СНиР-91 (сборники 51-69), и т.п.). Наличие на территории строительства тех или иных объектов пли явлений окружающей среды или хозяйственной деятельности (природных и антропогенных факторов осложнения строительства) отражено в этих документах достаточно полно. Однако информация, указанная в данных документах, не имеет четкой географической иерархии.
Изучив содержание указанных документов, можно выделить следующие природные и антропогенные факторы осложнения строительства и их градации, учитываемые в этих документах, и влияющие на стоимость строительства (таблица верна для территории РФ за исключением пустынных районов и областей покровного оледенения):
Вследствие того, что ряд взаимных сочетаний невозможен (например, невозможны все 56 взаимосочетании многолетнемерзлых грунтов и растительности, в действительности имеют место лишь 3), указанная цифра может быть легко сокращена примерно до 360 000 вариантов, то есть в 1500 раз.
Итак, существующие сметные нормы предусматривают около 360 000 вариантов, в то время как все описанные ранее методики оперируют максимум 80. Расхождение более чем на 4 порядка. Следует отметить, что это количество возможных вариантов не является каким-либо преувеличением - каждое из подобных сочетаний природных условий влечет за собой вполне весомое изменение стоимости строительства на данной территории, что отражается в сметной документации. Использование всего лишь 80 вариантов местности — недопустимое загрубление информации о территории, ведущее к низкой достоверности финансово-технической оценки стоимости работ.
Подобное количество вариантов стоимости прокладки на местности - слишком велико для того, чтобы создать систему категорий. Географически обоснованным выходом в этой ситуации является переход к анализу влияния отдельных компонентов географической среды на стоимость строительства и итоговому синтезу полученной информации с целью оценки интегрального влияния всех компонентов географической среды на стоимость строительства в некоторой элементарной ячейке пространства.
Недостаток 2. Крупный шаг сетки. В литературе, посвященной опыту использования ЭВМ для оптимизации трасс трубопроводов указываются примерные размеры сетей, в пределах которых велись расчеты («Новые расчетно-экспериментальные...», 1986). Наиболее масштабный проект включал в себя сеть размерностью 320 х 200 ячеек при длине анализируемого трубопровода около 300 км. Нетрудно подсчитать, что при этом размер одной ячейки составлял около 1 км. Это чрезвычайно грубое приближение возможных вариантов. Учитывая, что точность карт, равная 1 км, характерна для масштаба 1:2500 000, можно сказать, что оптимизация трассы производилась по картам масштаба 1:2500 000. Ряд ухищрений (привлечение дополнительных крупномасштабных материалов, использование непрямых дуг и экспертный выбор лучших вариантов в пределах КАЖДОЙ ячейки привели к повышению точности до уровня 1000 000, однако объем совершенно неавтоматизированного, ручного труда вырос в десятки раз. Результат, между тем оставлял желать много лучшего. Принимая во внимание совершенную недостаточность анализируемого количества категорий (80 против 360 000), результат мог быть признан корректным только с математической точки зрения.
Для этапа ТЭО основными являются масштабы 1:200 000 - 1:100 000. Данные этих масштабов, как следует из главы 1, отличаются полнотой: имеются практически полные покрытия территории РФ топографическими, геологическими, инженерно-геологическими и прочими картматериалами, необходимыми для проектной деятельности.
Пространственная точность материалов масштаба 1:100 000 составляет около 50 м, масштаба 1:200 000 - около 100 м. Таким образом, по данным масштаба 1:200 000 возможно построение сети дуг с шагом 100 м, что принципиально меняет качество итоговой трассы. Действительно, при длине стандартной секции от 11 до 17 метров получается, что в одной ячейке сети укладывается всего лишь 3-5 секций труб (сеть по данными масштаба 1:100 000) либо 6-9 секций труб (сеть по данными масштаба 1:200 000). Кроме того, точность расчета углов наклона на картах масштаба 1:100 000 принципиально ближе к действительности, чем на картах масштаба 1:1000 000.
Таким образом, использование для трассирования материалов масштаба 1:100 000 - 1:200 000 и построение по ним сети графов с шагом 50-100 м позволит кардинально повысить точность и качество итоговой трассы. Итогом использования подобных материалов будет трасса, полностью отвечающая требованиям этапа ТЭО.
Создание наборов поверхностей распределения в пространстве величины осложненности строительства по каждому из факторов
Для реализации принципов автоматизации процесса трассирования средствами ГИС необходимо наполнить эту ГИС исчерпывающей исходной информацией о территории, причем эта информация должна быть пространственно точно локализована; этому требованию удовлетворяют геопривязанные картографические материалы.
На сегодняшний день средства ГИС позволяют обрабатывать (с целью оптимизации трассирования) только векторные материалы и РМД; растровые карты и неклассифицированные космические снимки не могут быть непосредственно использованы для этого - они служат лишь источниками для создания векторных материалов либо РМД.
Однако в нынешних реалиях практически невозможно создать актуальную ГИС, основанную только на уже существующих векторных материалах. В большинстве случаев для достижения поставленных целей приходится производить обработку как собственно векторных материалов и полученных на их основании РМД, так и растровых карт и ДДЗ. Рассмотрим эти процессы подробнее. 2.2.1. Сбор и использование векторных картографических материалов. Виды исходных векторных материалов, использованных в работе
Общеизвестно, что создание векторных картографических материалов (особенно высококачественных) сопряжено со значительными трудностями организационно-технологического характера. Не случайно, что и по сей день (середина 2005 г.) не в полной мере завершено цифрование топографических материалов масштаба 1:100 000 и крупнее на территорию РФ. Стоимость векторных данных на рынке геоинформационных услуг России остается достаточно высокой.
Базовым масштабом в данной работе, как это уже упоминалось выше, является масштаб 1:200 000. Для построения целевой ГИС для обеспечения проведения автоматизированного трассирования необходима обработка следующих типов данных, которые изначально (до начала работы алгоритмов построения РМД ДОЗ и поиска оптимальной трассы) должны быть представлены в векторной форме: - топографические карты картографические материалы, содержащие данные о прочности поверхностного слоя грунтов - геологические карты (информация о положении разломов) - тематические наборы данных (распространения мерзлотных явлений, карты затопляемых территорий, границы особо охраняемых природных территорий.
В настоящее время цена на 1 номенклатурный лист топографической карты с построенной топологической структурой н сведенной на краях листа атрибутивно-графической информацией колеблется от 150 до 600 у.е. Данные с нетопологической структурой и не производившейся сводкой стоят дешевле, однако зачастую требуют весьма значительной доработки для выполнения с их использованием поставленной задачи.
В данной работе были использованы следующие векторные данные: - 23 номенклатурных листа векторных топографических карт масштаба 1:200 000 (произведены в рамках региональных работ по созданию векторных карт) - 11 номенклатурных листов геологических карт на территорию Урала и прилегающих территорий (оцифрованные материалы государственных геологических карт, исполнитель достоверно не известен) - оцифрованные карты-приложения к геолого-географическим описаниям территории (цифровались автором самостоятельно) - отдельные тематические векторные слои - получены из различных источников, выполнялись в рамках отдельных, несвязанных между собой работ.
Основной объем векторных данных (топографические и геологические карты) был получен из отдельных организаций ХМАО в рамках некоммерческого информационного обеспечения данной работы. Часть данных (например, карты распространения прочных горных пород) была оцифрована самостоятельно ввиду недоступности или возможного отсутствия векторных данных.
Как уже отмечалось, создание топологически корректных векторных картографических материалов (особенно высококачественных) сопряжено со значительными трудностями организационно-технологического характера. Зачастую авторы создаваемых картматериалов весьма смутно представляют дальнейшие пути использования их продукции, и - что вполне естественно - экономят время, силы и средства на создание и исправление топологической структуры данных. Именно так создавались и использованные нами данные.
Конвертация. Исходные материалы были получены в формате Maplnfo 6.5. Поскольку основной ГИС-оболочкой будущей системы является пакет Arc View 3.2, не читающий указанный формат, потребовалась конвертация данных. Конвертация формата .ТАВ (Maplnfo) в формат .SHP (ArcView) производилась средствами стандартного модуля Arc View - модуля ShpToDXF. Работа велась в пакетном режиме, поскольку исходный набор данных включал в себя более 30 тематических слоев различного содержания. Пакетный режим был реализован посредством создания текстового ВАТ-файла, последовательного запускающего процесс конвертации в режиме командной строки.
