傾斜攝影測量三維建模在油田規(guī)劃中的應用分析

黨光普

陜西地建土地勘測規(guī)劃設計院有限責任公司 陜西西安 710075

油田開發(fā)規(guī)劃是依據(jù)地質(zhì)勘探成果和開發(fā)試驗數(shù)據(jù)，對具有開發(fā)價值的油田制訂合理的開發(fā)方案并指導油田進行建設和生產(chǎn)的過程。傳統(tǒng)的平面地形圖是油田開發(fā)規(guī)劃的基礎資料。但是隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展進步，無人機傾斜攝影技術(shù)讓大尺度的地形建模工作成為可能。近年來，無人機傾斜攝影測量三維建模技術(shù)可以通過多臺傳感器完成復雜地面的多角度、大范圍、高精度數(shù)據(jù)獲取，快速地完成地塊三維建模的建立工作。與傳統(tǒng)的平面地形圖相比，傾斜攝影測量具有成本低、效率高、精度高、可視化程度高的特點。三維立體模型的應用能夠客觀真實地反映油田建設區(qū)的地形地貌，為油田地面工程布局提供高精度的基礎數(shù)據(jù)；在油氣鉆采過程中，實時、客觀地記錄鉆采數(shù)據(jù)，形成基于三維立體的時間、空間、地質(zhì)、產(chǎn)量數(shù)據(jù)集合，為油氣開采的后期規(guī)劃工作提供輔助決策作用；基于三維立體模型的立體化設計成果能夠推進油田數(shù)字化建設和智慧化管理。

1 傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是國際上新興的一種測量技術(shù)，通過攝影平臺搭載傳感器從不同的角度獲取準確的信息，再將獲取的數(shù)據(jù)進行一系列的處理，通過匹配影像、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、映射紋理等一系列流程生成油田的實景三維建模。傾斜攝影測量打破了傳統(tǒng)攝影的限制，不再只有垂直的拍攝手段，可以從不同的角度拍攝獲取最準確的信息，讓用戶們獲取最直觀真實的世界。

1.1 傾斜攝影測量原理

傾斜攝影測量在工作平臺上搭載多個數(shù)碼相機，從垂直向下和傾斜向前、傾斜向后、傾斜向左、傾斜向右等不同角度對地面進行攝影，結(jié)合GPS/ IMU 系統(tǒng)獲取POS 數(shù)據(jù)及在地面實測的像片控制點數(shù)據(jù)。經(jīng)過軟件處理計算，從影像信息中分析地形地物間的幾何關(guān)系和紋理特征，根據(jù)分析結(jié)果對地形地物的三維模型進行重建，獲取滿足精度的實景三維模型、點云、DOM、DSM 等數(shù)據(jù)[1]。

1.2 傾斜攝影測量的主要指標確定

根據(jù)油田規(guī)劃任務和規(guī)劃區(qū)域地形、地貌特點，在無人機航飛攝影執(zhí)行前期需要設定合理的測圖比例尺，基于一般工程規(guī)劃底圖比例尺選擇經(jīng)驗和油田建設的特殊性，綜合考慮模型精度、工程成本和工期要求，建議油氣田區(qū)塊規(guī)劃設計宜采用不大于1∶5000的比例尺模型，局部設施建設區(qū)域宜采用1∶2000 的比例尺模型。應根據(jù)模型比例尺、地形起伏程度進行航線布設和飛行參數(shù)計算，主要確定以下參數(shù)并完成航線規(guī)劃工作：

（1）航高。飛機在飛行過程中，相對于某一基準面的垂直距離是航高。攝影航高（H）、相機鏡頭的焦距（f）、影像地面分辨率GSD、傳感器像元尺寸（α）關(guān)系為：

（2）影像重疊度。飛機沿航線攝影時，航線上相鄰影像之間和相鄰航線影像之間重疊區(qū)域長度占像幅長度的百分比是影像重疊度。航線上相鄰影像重疊度為航向重疊度，相鄰航線影像重疊度為旁向重疊度。航向重疊度宜為60%～65%，旁向重疊度宜為30%～35%。

（3）攝影基線長度、航線間隔。攝影基線長度、航線間隔是決定航線布設的主要參數(shù)，兩項參數(shù)依據(jù)“像幅寬度”和“影像重疊度”求?。?/p>

1.3 傾斜攝影測量主要工作流程

依據(jù)《中華人民共和國飛行基本規(guī)則》，無人機航飛實施前應該向空軍有關(guān)部門申請飛行空域，空域行政審批完成后，需要在空域有效期內(nèi)完成航空攝影測量外業(yè)工作。為節(jié)省工期并確保像控點測設有效，可以在航飛前完成地面選點或像控點標志布設以及像控點采集工作。此外，為確保模型精度和建模的成功概率，應嚴格控制數(shù)據(jù)預處理和建模工序，做到檢驗、檢查到位，保證三維立體模型的精度和與模型的逼真效果。傾斜攝影測量的主要工作流程見圖1。

圖1 傾斜攝影測量的主要工作流程

2 傾斜攝影測量技術(shù)的三維建模在油田規(guī)劃中的應用

傾斜攝影測量技術(shù)三維建模中的油田規(guī)劃結(jié)合了地理環(huán)境、地理位置構(gòu)建的三維數(shù)字油田規(guī)劃系統(tǒng)?？梢栽谔摂M的油田環(huán)境中完成地理信息查詢、空間分析等工作，對油田的規(guī)劃有了一個整體布局的概念，如果想要進一步的提升傾斜攝影測量技術(shù)的應用效果，可以針對其油田制定科學合理的設計方案，在拍攝的過程中，對油田的三維建模進行全方位的觀察分析，查漏補缺，減少誤差，在一定程度上保證油田規(guī)劃的準確性。與傳統(tǒng)的三維建模相比，三維建模的傾斜攝影測量技術(shù)在油田規(guī)劃中的優(yōu)勢有成本低廉、資金投入少、符合油田規(guī)劃的實際操作，可以在一定程度上有效地減少油田實際規(guī)劃中的人力資源浪費，提升三維建模在油田規(guī)劃中的工作效率和整體工作操作的效率，保證油田規(guī)劃的質(zhì)量。將傾斜攝影測量技術(shù)運用到油田規(guī)劃的三維建模之中，使三維模型更加形象具體和逼真。建立三維模型可以對油田的地理位置、地理環(huán)境有更加直觀準確地了解，同時還可以進行虛擬漫游，更加貼近真實的地貌，使用戶有更加真切的感受，考慮到全方位的因素讓油田的規(guī)劃的設計更加的完美。

2.1 基于全區(qū)塊三維模型的油田工程規(guī)劃

油氣開采工程設計會受到地面、地下等空間因素制約，在油氣生產(chǎn)項目中，設計人員要在地勘數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、人文環(huán)境、設備參數(shù)和鉆采工藝等因素的制約下，尋求經(jīng)濟、安全、出油率高的規(guī)劃方案。油田工程中涉及地質(zhì)、物探、鉆井、采油、油藏、儲運、經(jīng)濟、管理、水電和土建相關(guān)規(guī)劃，各項規(guī)劃在時間和空間上具有緊密的相關(guān)性?；趦A斜攝影測量技術(shù)的三維建模具有統(tǒng)一標準的高精度的空間坐標，讓地勘數(shù)據(jù)、設計數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以精確地標識于三維立體模型之上，模型的現(xiàn)實性和全局性可以提升設計人員的決策效率。

2.2 基于小區(qū)域三維模型的專項工程設計

基于傾斜攝影測量技術(shù)的三維立體模型精度可以達到分米甚至厘米級別，滿足優(yōu)化空間布局、規(guī)避單項工程位置沖突、精確計算工程量的要求。三維立體?？梢陨煞从车孛娓叩推鸱腄EM 數(shù)據(jù)，結(jié)合規(guī)劃要素準確地計算工程每個部位的填方、挖方工程數(shù)量，便于控制工程成本；三維立體模型可以將地物進行勾繪量測，并添加地物屬性，能夠以單體模型的形式添加設計要素，以精準的圖形和詳盡規(guī)范的文字表述已有地物和設計元素，便于不同專業(yè)的設計人員的溝通和技術(shù)交底工作。

2.3 三維模型的數(shù)字化油田建設

數(shù)字化油田建設可以提高油田企業(yè)的管理效率、數(shù)據(jù)的準確率、生產(chǎn)的安全性和員工的幸福指數(shù)，從而實現(xiàn)生產(chǎn)效率的全面提高和資源的合理利用，是油田企業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢[2]?；谌S立體模型的油田規(guī)劃工作可以統(tǒng)一地理要素、設計要素、生產(chǎn)要素的數(shù)據(jù)標準，且三維立體模型本身具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標注，因此基于三維立體模型的油田規(guī)劃成果具有數(shù)據(jù)建庫、共享利用的天然優(yōu)勢?；谌S立體模型的油田規(guī)劃成果能夠滿足各階段設計任務的需要，對成果進行全過程信息化管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息一次錄入多次使用；以模型為工作對象，讓設計人員直接面向虛擬油氣田，為多專業(yè)協(xié)同設計提供了全方位視角模型；以模型為載體，可以記錄工程施工全方位的數(shù)據(jù)，工程維護和數(shù)字化油田建設打下堅實的數(shù)據(jù)基礎。

3 傾斜攝影測量在油田規(guī)劃中的應用展望

傾斜攝影測量以高精度、低成本和真實的場景還原功能，在工程規(guī)劃設計方面彌補了二維傳統(tǒng)地圖的不足[3]。

3.1 傾斜攝影測量立體建模行業(yè)現(xiàn)存問題

（1）傾斜攝影測量技術(shù)難以獲取植被覆蓋茂密的地塊的精準地形圖。

（2）多相機的攝影測量平臺拍攝了大量的實景數(shù)據(jù)，造成一個項目具有以“TB”為單位的基礎數(shù)據(jù)存儲量。

（3）攝影測量工作專業(yè)化程度較高（僅空域申請就難度較大），目前市場設備和人員良莠不齊，成果質(zhì)量控制有待加強。

3.2 測繪市場攝影測量成果的現(xiàn)存問題

（1）機載LiDAR 和傾斜攝影測量的聯(lián)合應用能夠解決植被覆蓋區(qū)域地形數(shù)據(jù)獲取的難題，三維立體模型的精度有較大提升。

（2）云存儲平臺的推出，為海量數(shù)據(jù)的存儲提供了高效低成本的可能；三維立體設計軟件的開發(fā)（例如BIM）有助于推動傾斜攝影測量成果“單體化”，單體模型的采集將減少攝影測量立體模型的數(shù)據(jù)存儲量。

（3）傾斜攝影測量技術(shù)應用的優(yōu)勢將有助于推動設備、軟件的智能化，也將推動市場建立更為成熟的標準、人才體系和健康的競爭機制。

4 結(jié)語

隨著社會不斷飛速發(fā)展，油氣能源的開采在保障經(jīng)濟發(fā)展方面的地位愈加凸顯，油田規(guī)劃的科學性對油氣產(chǎn)量起到至關(guān)重要的決定作用。傾斜攝影測量技術(shù)為油田規(guī)劃提供了基礎數(shù)據(jù)支撐。與傳統(tǒng)的二維地圖相比，三維模型擁有著絕對的優(yōu)勢，在保證工程的質(zhì)量的基礎上提高了規(guī)劃工作的效率。與傳統(tǒng)三維建模相比，運用傾斜攝影測量技術(shù)，可以節(jié)省人力、財力同時極大提高工作的效率。隨著科技的發(fā)展，傾斜攝影測量成果與多源信息采集技術(shù)相融合，必將在降成本、增效率、提高精度方面取得更大突破，多源數(shù)據(jù)的融合應用能夠滿足油田規(guī)劃、建設、運行階段對不同尺度空間數(shù)據(jù)的需求。