Мониторинг территории с использованием данных ДЗЗ. Детектирование воздействия нефтегазовой индустрии на окружающую среду

С.И. Михайлов (ИТЦ «СканЭкс»)

Темпы экономического развития нашей страны во многом зависят от состояния топливно-энергетического комплекса, прежде всего его нефтегазового сектора.

Расширяется добыча и интенсифицируется переработка углеводородного сырья: осваиваются новые месторождения и ведется реконструкция старых, строятся трубопроводы, терминалы, предприятия переработки и нефтехимии. На этом фоне острой становится проблема создания системы комплексной оценки воздействия нефтегазового комплекса на природную среду России, позволяющей своевременно и точно выявлять места загрязнения, координировать работу соответствующих служб. На решение этих задач ориентирована система космического мониторинга, использующая данные спутниковой съемки различного разрешения и с различными спектральными характеристиками.

Специалисты Инженерно-технологического центра «СканЭкс» и Некоммерческого партнерства «Прозрачный мир» разработали методику детектирования воздействий нефтегазовой индустрии на окружающую среду на базе данных ДЗЗ. Основа методики независимая дистанционная оценка, проводящаяся без тотального полевого обследования территорий нефтегазодобычи и базирующаяся на использовании данных, находящихся в свободном или коммерческом доступе, т. е. не составляющих коммерческую или государственную тайну.

Методика позволяет решить целый комплекс задач:
выработка методических рекомендаций по организации мониторинга состояния природной среды в местах добычи нефти и газа;
создание инструмента комплексной оценки экологических последствий добычи нефти и газа;
оценка накопленного воздействия нефте- и газодобычи на природную среду.

Применение данных дистанционного зондирования Земли основано на анализе спектральных и геометрических характеристик объектов, расположенных на земной поверхности. При этом используются комплекс дешифровочных признаков, соответствующих выявляемому объекту или явлению, и знания о спектральных особенностях этих объектов.

Комбинирование данных спутниковой съемки, полученных в различных спектральных каналах, позволяет оценивать масштабы загрязнений, изменение состояния растительного покрова, водных объектов, условий увлажнения и гидрологического режима исследуемых территорий. Важную информацию о специфике изучаемых объектов несут их форма, взаиморасположение, структура изображения.

Подходы методики дифференцированы согласно специфике конкретных природных зон: тундра и лесотундра, малоосвоенные территории лесной зоны, освоенные территории лесной зоны, лесостепь и степь, сухая степь и полупустыни.

В ходе создания и пробного использования методики была выработана классификация территорий, подвергающихся промышленному воздействию. На наиболее общем уровне эти территории можно разделить на классы:
территории, подвергшиеся прямому воздействию, на которых исходные экосистемы полностью уничтожены в результате строительства объектов нефтегазовой инфраструктуры;
территории, подвергшиеся сопутствующим воздействиям, связанным с загрязнением нефтью, нефтепродуктами и минерализованными водами, а также с изменением гидрологического режима и современными экзогенными процессами;
территории, подвергшиеся косвенным воздействиям, опосредованно связанным с развитием нефтегазовой инфраструктуры (вырубки, гари, измененные экосистемы водных объектов).

Отдельно рассматривался комплекс воздействий на особо охраняемые природные территории и места традиционного природопользования малочисленных народов.

Построение карт антропогенных воздействий подразумевает такие предварительные этапы, как картографирование промышленной инфраструктуры, выделение ареалов загрязнения, составление карт косвенных воздействий.

В ходе создания карт промышленной инфраструктуры месторождений выделяются следующие элементы: технологические площадки скважин, предприятия первичной переработки, насосные станции, электроподстанции и т. п., факелы и факельные площадки, дороги, трубопроводы и иные коридоры коммуникаций. В зависимости от специфики территории этот этап работ может проводиться с использованием данных среднего или высокого разрешения. В результате создается набор векторных слоев, соответствующих типам промышленных объектов.

Полученная карта инфраструктуры является основой для выявления ареалов загрязнения, которые возникают в результате аварийных разливов нефти и пластовых вод. При этом промышленные объекты могут рассматриваться как потенциальные источники загрязнения. Известно, что пятна нефтяного загрязнения в видимой области спектра трудно отличить от небольших водоемов или участков повышенного увлажнения, но использование инфракрасной области спектра позволяет с высокой степенью точности различать их. Это связано с существенным различием характеристик поглощения солнечной энергии нефтью и водой в красной и инфракрасной областях спектра.

Выделение ареалов загрязнения проводится методом автоматизированной классификации на основе алгоритма нейросетевого анализа, реализованного в программе ScanEx Image Processor (рис. 1). При этом алгоритм классификации позволяет не только выделить контуры загрязнения, но и оценить достоверность полученного результата.

Рис. 1. Выявление и векторизация ареалов нефтяного загрязнения средствами программного пакета ScanEx Image Processor

Для детектирования площадных загрязнений нефтью и нефтепродуктами наиболее эффективно использовать данные, полученные за период от окончания весеннего паводка до установления снежного покрова. Зимние снимки для этой цели недостаточно информативны, так как снежный покров на загрязненных участках может достаточно быстро восстанавливаться или даже не нарушаться, если разлив загрязняющего вещества происходит в грунте. Использовать весенние снимки также нежелательно: высокая влагонасыщенность грунтов в паводковый период может привести к существенным ошибкам при определении площадей загрязнения.

Поскольку данные дистанционного зондирования, сформированные в спектральных каналах в средней и дальней инфракрасной области, как правило, имеют среднее пространственное разрешение, точность выделения границ ареалов загрязнения может оказаться недостаточной. В этом случае может быть полезен «двухступенчатый» алгоритм выделения с использованием данных более высокого разрешения (рис. 2).

Рис. 2. Повышение пространственной точности выявления загрязненных участков с помощью данных высокого разрешения

Сформированные карты применяются для дальнейшего анализа и получения численных характеристик антропогенных воздействий. Метод геоинформационного анализа дает возможность строить схемы относительной интенсивности воздействий как для отдельного месторождения, так и на региональном уровне (рис. 3). Полученные схемы позволяют провести комплексный анализ территории, определить типы наиболее интенсивных воздействий и их сочетаний для различных участков.

Рис. 3. Схема степени фрагментации естественных ландшафтов на территории одного из месторождений Западной Сибири, построенная на основе анализа плотности линейных элементов промышленной инфраструктуры

Методика детектирования воздействий нефтегазовой индустрии на окружающую среду на основе данных ДЗЗ, разработанная силами ИТЦ «СканЭкс» и НП «Прозрачный мир», прошла проверку на ряде месторождений Западной Сибири и Южного Урала. В основном использовались снимки Landsat ETM+, Landsat TM, Terra ASTER (все США), SPOT HRVIR (Франция), IRS 1C/1D LISS (Индия). В ряде случаев для уточнения границ загрязнения и типов промышленных объектов применялись снимки высокого разрешения IKONOS, QuickBird (оба США), EROS B (Израиль).

Методика в существующем виде или с незначительными модификациями, соответствующими стоящим задачам, может быть использована промышленными компаниями, ведущими нефтедобычу; государственными органами; органами местного административного управления; научными и общественными экологическими организациями.