Опыт использования космических снимков в деятельности лаборатории данных дистанционного зондирования земли

 

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.

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

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

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

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).

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.

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

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

Рис. 9. Результаты проведённой 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. 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)

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

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

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

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.)

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)

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»)

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/)

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.