В.А. Пуртов, Н.С. Ремень, Е.М. Гуземина, Н.В. Тельнова (АУ «Научно-аналитический центр рационального недропользования им. В.И. Шпильмана»)

Развитие хозяйственной и экономической деятельности любого региона сопровождается комплексом экологических проблем. Специфика промышленности Ханты-Мансийского автономного округа – Югры, связанная с нефтегазодобычей, обусловливает мощное антропогенное воздействие. Развитие системы управления ресурсами округа невозможно без изучения реального состояния природной среды и объектов промышленности.

В связи с этим для решения задач по обеспечению мониторинга экологического состояния окружающей среды, хозяйственной деятельности компаний-недропользователей и экономической оценки территорий в 2000 году в Центре недропользования была создана лаборатория данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и произведена первая закупка космических снимков на всю территорию автономного округа (рис. 1).

Рис. 1. Покрытие космическими снимками среднего разрешения территории Югры на период 2000-2006 гг.

Существовавшие в то время топографические карты, планы, схемы не соответствовали нарастающим потребностям, в большей степени из-за недостаточного обновления пространственной информации. Преимуществами же космических снимков являются большая обзорность, что дает возможность изучения региональных и зональных закономерностей; генерализованность изображения; комплексное отображение всех компонентов геосферы; регулярная повторяемость через определенные интервалы времени; оперативность поступления информации; возможность ее получения для объектов, не доступных изучению другими средствами.

Для работы были приобретены новые снимки космических спутников SPOT-4 (Франция) и Landsat-7 (США). Пространственное (геометрическое) разрешение данных, которое характеризуется минимальным размером объектов, различимых на снимках, составляет 10 м в панхроматическом режиме (один спектральный диапазон) со съемочной аппаратуры SPOT-4 и 20 м в многоспектральном (мультиспектральном) режиме. Для Landsat-7 соответственно 15 и 30 м.

Технология обработки данных дистанционного зондирования поверхности Земли, выбранная специалистами Центра, происходила поэтапно:

1. Привязка к топографической основе с последующей геометрической трансформацией.
2. Классификация.
3. Получение векторных слоев.
4. Создание специальных и тематических карт.
5. Печать картографических данных.

Обработка космических снимков начиналась с самого длительного по времени этапа – привязки к топооснове (рис. 2). Для точного совмещения снимка с картой иногда приходилось выбирать до нескольких десятков опорных точек (места пересечения дорог, мостов, рек, истоки рек из озер, линии коммуникаций и т.д.).

Рис. 2. Космический снимок SPOT-4, совмещенный с топографической картой

По имеющимся материалам мультиспектральной съемки, специалисты лаборатории синтезировали различные варианты цветного изображения местности для дальнейшей классификации снимков и векторизации интересующих площадных и линейных объектов. Например, комбинация каналов данных 7,5,3 Landsat-7 дает изображение, близкое к естественным цветам: растительность отображается в оттенках темно-зеленого и светло-зеленого, урбанизированные территории выглядят белыми, затопляемые участки – темно-синими и почти черными, что позволяет очень четко выделять береговую линию и подчеркивать водные объекты на снимке, оценивать глубины. Комбинация же каналов 7,4,2 больше используется для дешифрирования антропогенных объектов, которые отображаются в оттенках розового цвета (рис. 3). К результатам этой деятельности лаборатории данных ДЗЗ можно отнести тематические карты на территорию автономного округа, выделение границ Обь-Иртышской поймы и болот Западно-Сибирской низменности в пределах ХМАО– Югры, которые в дальнейшем были применены для составления Атласа «Особо охраняемые природные территории и леса Ханты-Мансийского автономного округа».

Рис. 3. Фрагменты космических снимков Landsat-7, синтез каналов 7-5-3 и 7-4-2

Обработка данных дистанционного зондирования проводилась в программных комплексах ER Mapper Professional и MapInfo Professional.

В 2007 году сотрудники ГП «НАЦ РН им. В.И. Шпильмана», используя накопленный практический опыт обработки космических снимков и многолетние результаты дешифрирования, начали новый, более значимый этап в применении данных дистанционного зондирования – космический мониторинг земель, нарушенных вследствие различных территориальных процессов (рис. 4).

Рис. 4. Области применения данных мониторинга, полученных с космических снимков

Нарушенные земли – земли, утратившие свою хозяйственную ценность или являющиеся источником отрицательного воздействия на окружающую среду в связи с нарушением почвенного покрова, гидрологического режима и образования техногенного рельефа в результате производственной деятельности (Приказ Минприроды РФ № 525, Роскомзема  № 67 от 22.12.1995г. «Об утверждении Основных положений о рекультивации земель, снятии, сохранении и рациональном использовании плодородного слоя почвы»).

Были выделены следующие категории земель для ведения космического мониторинга:

– нефтезагрязненные земли;

– территории нефтедобывающих площадок;

– нарушенные земли в местах добычи общераспространенных полезных ископаемых (ОПИ);

– нарушенные земли в местах сжигания попутного нефтяного газа (ПНГ);

– участки лесовосстановления и рубки в границах территориальных лесничеств и за их пределами;

– территории непроизводственной и промышленной инфраструктуры.

Мониторинг осуществляется с использованием космических снимков различного пространственного разрешения на местности со спутников: ALOS, оснащенного картограической стереокамерой (PRISM, разрешение 2.5 м) и мультиспектральной камерой (AVNIR-2, разрешение 10 м), ASTER (разрешение 15 м), FORMOSAT (разрешение 8 м), QUICKBIRD (разрешение 0,6 м), GEOEYE-1 (разрешение 1м), IKONOS (разрешение 0,9 м), RAPIDEYE (разрешение 5 м).

Изображения, получаемые с данных спутников, созданы с выполнением радиометрической, атмосферной коррекции и ортотрансформирования с номинальной геопривязкой, используя метод RPC-коэффициентов (RPC-коэффициенты «rational polynomial coefficients» представляют собой математическую модель сенсорной оптико-электронной системы (камеры) спутника), что существенно облегчает работу с космоснимками, позволяет сохранить высокуюточность материала. Программное обеспечение автоматически считывает информацию о пространственной привязке и отображает уже «не сырой» снимок, а в системе координат. Нет необходимости в длительном цикле «ручной» привязки космоснимков к топографической основе, которая проводилась специалистами отделения на первых этапах работ по дешифрированию.

Визуализация и обработка данных дистанционного зондирования проводится в программных комплексах ENVI и MapInfo Professional.

В результате деятельности лаборатории данных ДЗЗ в период 2007-2012 гг. созданы основные сформированные базы данных, характеризующие экологическое состояние территории ХМАО – Югры: «Реестр нефтезагрязненных земель», «Нарушенные земли в местах сжигания попутного нефтяного газа», «Нарушенные земли в местах добычи общераспространенных полезных ископаемых», «Рубки» и непосредственно база данных «Космические снимки местности округа».

Актуальными задачами экологической политики в округе остаются сохранение и восстановление природных ресурсов, предотвращение негативных воздействий и их ликвидация. Неоспорим тот факт, что по-прежнему большая доля техногенного воздействия на природную среду в регионе приходится на нефтегазодобывающую промышленность (рис. 5). Степень нагрузки изменяется в зависимости от стадии производственного процесса – от сейсморазведки и поискового бурения до обустройства месторождения и после эксплуатационного периода районов нефтепромыслов.

Рис. 5. Карта-схема нефтезагрязненных земель на территории распределенного фонда недр (по данным дешифрирования космических снимков).

По результатам дешифрирования выявлено 3870 нефтезагрязнённых участков общей площадью 8821,43 га. Из них более 90% зарегистрировано на лесных и болотных ландшафтах. Площади нарушенных участков варьируют от 0,01 га до 197 га. В административно-территориальном отношении основная доля нефтезагрязненных земель отмечена в пределах Нефтеюганского, Сургутского и Нижневартовского районов (рис. 6).

Рис. 6. Динамика выявленных нефтезагрязненных участков на территории Ханты-Мансийского автономного округа-Югры за период 2007-2011 гг.

Основные источники выявленных загрязнений нефтепродуктами почвенно-растительного покрова и воды – это магистральные и межпромысловые нефтепроводы, устья скважин и прискважинные (кустовые) площадки, полигоны для хранения твёрдых отходов (нефтешламовые амбары), объекты инфраструктуры (ДНС, КНС, ЦПС, ЦППН, нефтебазы, факельные установки, склады горючего и т.п.), хозяйственно-бытовые и производственные объекты близ населённых пунктов.

Параллельно с наблюдениями за загрязнениями земель углеводородами проводится мониторинг нарушенных земель в районах факельных установок, влияющих на состояние атмосферного воздуха. Являясь мощным источником тепла, факельные установки оказывают заметное воздействие на климат, способствуют проявлениям аномалий в метеорологическом режиме региона.

Первый шаг в новом направлении решения проблемы был сделан после принятия Правительством РФ Постановления № 7 от 8.01.2009 г. «О мерах по стимулированию сокращения загрязнения атмосферного воздуха продуктами сжигания попутного нефтяного газа на факельных установках». В этом Постановлении установлен целевой показатель сжигания ПНГ с 2012 года и на последующие годы в размере не более 5% от объема добытого попутного нефтяного газа. Также предусматривается плата за сверхлимитное загрязнение окружающей природной среды и применяются дополнительные коэффициенты, стимулирующие использование компаниями средств измерения и учёта, подтверждающих фактический объем образования, использования и сжигания на факельных установках попутного нефтяного газа.

Для дешифрирования мест сжигания газа применяются как визуальная обработка, так и полуавтоматическая технология. Значительно контрастнее выделить факелы позволяет подстройка гистограммы изображения в применяемом программном комплексе ENVI (рис. 7). Для этого снимки AVNIR-2 загружаются в варианте синтеза БИК-К-3 (ближний инфракрасный, красный, зелёный каналы).

Рис. 7. Подстройка гистограммы снимка под факелы в ПК ENVI 4.6

Сотрудниками отделения также апробирована методика выявления, картографирования и мониторинга мест сжигания попутного газа,базирующаяся на комплексном использовании космических снимков различного пространственного и временного разрешения. В частности, процедура Pan-sharpening (рис. 8, 9). Это увеличение пространственного разрешения изображения с более низкими значениями (как правило, в мультиспектральномдиапазоне) путём использования изображения с более высоким пространственным разрешением (в панхроматическом диапазоне).

Рис. 8. Исходные снимки ALOS AVNIR-2 и ALOS PRISM для процедуры Pan-sharpening

Рис. 9. Результаты проведённой процедуры Pan-sharpening

По данным АУ «НАЦ РН им. В.И. Шпильмана» на территории автономного округа зарегистрировано порядка 451 действующей факельной установки. В результате дешифрирования космических снимков выявлено свыше 577 гектаров нарушенных земель в местах сжигания ПНГ, из них наибольшие площади находятся в пределах Приобского, Самотлорского, Талинского, Фёдоровского, Лянторского лицензионных участков.

На стадии обустройства углеводородных месторождений активно происходит изъятиеземельных ресурсов из регулярного землепользования. Перемещение огромных масс земельного грунта приводит к изменению ландшафтов в целом (уничтожение растительности, деградация почвенного покрова). Зачастую трансформация природных комплексов превышает площади земельных отводов, этот вывод подтверждают материалы дешифрирования нарушенных земель в местах добычи ОПИ.

По итогам сопоставления данных выданных лицензий на право пользования недрами для разработки месторождений общераспространенных полезных ископаемых, предоставленных Департаментом недра за 2010-2011 гг., и материалов дистанционного зондирования зафиксированы незарегистрированные места фактической добычи и складирования (штабеля) полезного ископаемого в количестве 437 полигонов площадью 46,98 км² , включая нарушенные земли (рис. 10, 11).

Рис. 10. Несоблюдение границ участка на Верхнесалымском ЛУ (розовая линия ограничивает западную часть участка), карьер нелицензированный

Рис. 11. Нарушенные земли (4 полигона) в местах добычи песка в районе промышленного объекта, близ г. Нягань (1 действующая лицензия на добычу недр)

К данной категории нарушенных земель относятся земельные участки, занятые для размещения следующих объектов:

– при сухоройном способе – карьер, представляющий собой после выработки котлован с неровной поверхностью и наличием неглубокого водоема, образовавшегося на месте вынутого песка в результате подтопления карьера грунтовыми водами;

– при гидронамывном способе – карьер,включающий в себя водоем, со дна которого изымается песок, и площадку, на которую этот песок складируется, а также для наиболее полной выработки запасов грунта в дальних точках карьера предусмотрен намыв технологической тропы по водоему или по суше;

– площадки для стоянки машин и механизмов, подъездные дороги к карьеру.

Основное количество и площади нарушенных земель расположены в Сургутском, Нижневартовском, Октябрьском, Ханты-Мансийском районах. В структуре компаний

– недропользователей, зарегистрированных на территории округа, доминирующее число нарушенных земель выявлено в ОАО «Сургутнефтегаз» – 26,7%. Далее следуют ООО «Лукойл – Западная Сибирь» – 16,9% и ОАО НК «Роснефть» – 7,8% (рис. 12).

Рис. 12. Распределение нарушенных участков по районам и компаниям-недропользователям

Также одним из важных направлений космического слежения в условиях техногенеза является экологический мониторинг земель лесного фонда. В течение всего периода наблюдений идет интенсивное сокращение лесных площадей и общего запаса насаждений. Снижению лесистости также способствуют лесные пожары (рис. 13).

Рис. 13. Мониторинг пожаров, дата съемки 02.06.2012 г., 18.06.2012 г., 20.09.2012 г. (слева направо), спутник Landsat-5

Для анализа таежных ландшафтов специалисты по дешифрированию используют процедуру разновременного синтеза снимков – незаменимый источник объективной пространственно-временной информации при изучении изменений природных объектов. Для визуальной оценки изменений необходимо сопоставить снимки между собой. Для создания цветного разновременного изображения снимки необходимо взаимно трансформировать – привести к единой системе координат и к одинаковому пространственному разрешению. Используемое программное обеспечение позволяет построить мультивременные композиты. По результатам анализа композитов снимков определяется состояние рубок, фиксируется их площадь в пределах лесничеств (рис. 14).

Рис. 14. Изменение ландшафта в период 2002-2010 гг. (слева направо), оранжевым цветом отображены новые рубки

Вырубки – не покрытые лесом земли; места, на которых лес сведен в результате проведения рубок леса, а его молодое поколение еще не сомкнулось кронами. В лесах Югры проводятся выборочные, постепенные и сплошные рубки. К системе выборочных рубок относятся рубки, при которых в насаждении периодически вырубается часть деревьев определенного возраста, размера, качества и состояния. К постепенным рубкам относятся все виды рубок, при которых спелый древостой вырубается на лесосеке в несколько приемов в течение одного или двух классов возраста. К сплошным рубкам спелых, перестойных лесных насаждений относятся следующие рубки: с предварительным лесовосстановлением (появление нового молодого поколения леса под пологом существующего древостоя) и с последующим лесовосстановлением (образование нового поколения леса после рубки спелого древостоя) (рис. 15).

Рис. 15. Выборочные рубки (ALOS PRISM,2009 г.) и сплошные рубки с участками лесовосстановления (LANDSAT-5, 2010 г.)

Высокое разрешение имеющихся снимков применимо к разделению рубок по типам. Натерритории округа векторизовано 8082 сплошных рубок площадью 239191,5 га, 1163 – выборочных площадью 19016,8 га и 8101 – лесовосстанавливающихся площадью 395981,2 га. Площадная доля всех рубок относительно площади округа составляет 1,19%.

Освоение лесных ресурсов распределяется между административными муниципальными районами неравномерно (рис. 16).

Рис. 16. Площади рубок в муниципальных районах ХМАО-Югры (га)

Дешифрирование данных дистанционного зондирования Земли позволяет выявлять и предотвращать нарушения лесного законодательства. Проводя технический мониторинг космических снимков с различной датой съемки, можно выявлять новые рубки и следить за расширением старых рубок. Благодаря использованию новых технологий, появляется возможность изготовления лесных электронных карт как для равнинных труднодоступных участков, так и для горных территорий.

На протяжении всей деятельности лаборатории для проверки результатов дешифрирования данных ДЗЗ специалисты отделения совместно с представителями компаний-недропользователей и сотрудниками окружных природоохранных структур регулярно проводят полевые заверочные работы для сбора необходимой эталонной и контрольной информации по нарушенным землям всех категорий в пределах лицензионных участков.

Например, в 2010 году осуществлялась экспериментальная проверка на десяти лицензионных участках: Малобалыкский (ОАО НК «Роснефть»), Южно-Балыкский (ОАО НК «Роснефть»), Приобский Южный (ООО НК«Сибнефть-Югра»), Угутский (ОАО НК «Роснефть»), Каменный Восточный (ООО «Лукойл-Западная Сибирь»), Каменный Западный (ОАО «ТНК-Нягань»), Сайгатинский (ОАО «Сургутнефтегаз»), Западно-Сургутский (ОАО «Сургутнефтегаз»), Самотлорский (ОАО «Самотлорнефтегаз»), Советский (ОАО «Томскнефть ВНК»). Свыше 95% выявленных в лабораторных условиях нефтезагрязнённых участков подтверждены в результате полевых заверок (рис. 17).

Рис. 17. Нефтезагрязнённые участки возле скв. 16,120, дешифрированные по космическим снимкам «RapidEye» (дата съемки 2010 г.) на территории Каменного Западного ЛУ (красный флажок – данные по загрязнению ОАО «ТНК-Нягань»)

Логическим результатом всей предыдущей деятельности лаборатории ДЗЗ стала организация геоинформационного портала – универсального сетевого интерфейса для доступа к информации, производимой АУ «НАЦ РН им. В.И. Шпильмана», в первую очередь ориентированного на использование специалистами и руководителями различных департаментов правительства ХМАО – Югры, а также другими пользователями (рис. 18).

Рис. 18. Геопортал ХМАО – Югры (http://geoportal.crru.ru/, http://геопортал.нацрн.рф/)

Правовой основой геопортала является одно из направлений в этапах реализации Концепции создания и развития инфраструк-туры пространственных данных (ИПД) РФ, одобренной распоряжением Правительства РФ от 21 августа 2006 г. No 1157-р.

Программное обеспечение осуществляется на платформе продуктов ArcGIS.

Таким образом, создание геопортала позволило решить задачу ведения единой автоматизированной системы с централизованным банком хранения данных, обеспечивающей создание, хранение и использование картографических информационных ресурсов, созданных на основе материалов дистанционного зондирования Земли, а также текстовых данных.