CC BY
50
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИСТАНЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ ТЕРРИТОРИЙ
В.Д. Скарятин, О.М. Тихомирова
Российский государственный социальный университет ул. Сталеваров, 30, Москва, Россия
Предлагаемые исследования являются продолжением программы экологического мониторинга с использованием дистанционной информации в нефтегазоносных районах.
Ключевые слова: экологический мониторинг, дистанционная информация, нефтяные и газовые районы.
Впервые публикации о возможности использования материалов дистанционного зондирования Земли (аэрофотоснимки) в геологических целях в нашей стране появились в 1930 г., когда академик А.Е. Ферсман в журнале «Природа» опубликовал статью «Самолет на службе геологии» [1]. Новый вид исследования быстро завоевывал популярность и за границей, особенно при выборе лицензионных участков для поисков скоплений углеводородов. Стоило заметить аэросъемочные полеты над какой-либо территорией, так сразу же возрастала цена продаваемых участков земли. Таким образом, аэрометоды быстро показали свою эффективность и завоевали авторитет и в геологии в целом, и при изучении нефтеносных территорий.
С появлением материалов космического зондирования были сделаны попытки использовать в геологических целях этот новый вид информации. Через 40 лет после выхода в свет статьи А.Е. Ферсмана о применении аэрофотосъемки в геологии в том же журнале появилась заметка одного из авторов настоящей публикации под заглавием «Космические снимки на службе геологии» [2]. В том же 1970 г. было показано, что оптимальную совокупность материалов ДЗЗ должны составлять:
— снимки разного уровня генерализации и соответственно разного территориального охвата и разного разрешения на местности с шагом кратным 3/или 10 для принципиально новых качеств снимков;
— снимки в разных спектральных диапазонах, число которых в современных системах (мультиспектарльных и гиперспектральных) достигает многих десятков, а ширина самих спектральных диапазонов значительно суживается, простирается от УФ до теплового диапазона;
— с установлением так называемого эффекта ландшафтного мерцания структур было пустановлено, что снимки одного и того же уровня генерализации в идентичных спектральных диапазонах, но сделанных в разное время при разном состоянии ландшафта, обладают различной геологической информативностью. Этот эффект скорее всего связан с современной геодинамикой литосферы и напряженного состояния планеты за счет ее неравномерного вращения и воздействия твердых приливов за счет планетарных тел Земля—Луна.
Таким образом, оптимальная совокупность снимков в разных спектральных диапазонах позволяет с большим успехом использовать их при поисках скоплений углеводородов.
Не менее важную роль стали играть дистанционные материалы при решении актуальнейшей задачи современной геоэкологии — экологическом мониторинге районов добычи и транспортировки углеводородов.
Осуществление экологического мониторинга методами ДЗЗ необходимо для следующих объектов:
— места добычи углеводородов на суше и море;
— трубопроводы нефти, газа и продуктов их переработки;
— хранилища и нефтеперерабатывающие комплексы;
— транспорт для углеводородного сырья продуктов его переработки и сжиженного газа.
Сейчас с использованием дистанционных методов возможно оценивать сейс-моопасность нефтегазоносных районов, выявлять утечки и нарушения технического состояния трубопроводов, определять потенциально опасные или благоприятные участки для прокладки новых трубопроводов, проводить экологический мониторинг мест добычи, переработки и транспорта углеводородов как на суше, так и на море для снижения риска от деятельности этих предприятий.
Дело в том, что в настоящее время у нас в стране в эксплуатации находится более 1 000 000 км различных трубопровдов, которые располагаются на % территории РФ, где сосредоточено почти 2/3 ее населения. Только на магистральных трубопроводах происходит около 55 аварий трубопроводов ежегодно. Поскольку свищи и трещины не обнаруживаются параметрическими и внутритрубными системами, дистанционные методы в этих случаях являются уникальными для их выявления. Особенно это касается тепловых, видеосъемок и многоспектральных съемок, которые постепенно дополняются гиперспектральными, радиолокационными методами, лазерным зондированием и др. Перспективы увеличения эффективности дистанционных методов связываются с новыми технологиями, например, многочастотной радиотомографией и СВЧ-радиометрией, дистанционной пространственно-частотной спектрометрией, лазерным флюоровидением, регистрацией потоков элементарных частиц, а также с развитием методов обработки и хранения аэрокосмической информации и геоинформационным обеспечением.
Особое значение имеет использование космического мониторинга экологического состояния морских акваторий и труднодоступных северных территорий. Выявление загрязнений углеводородами успешно осуществляется с помощью данных всепогодной радиолокационной съемки. Она же дает сведения о навигационной обстановке, ледовой обстановке в любое время суток и при любой облачности, определяет координаты судов и устанавливает источник загрязнения. Космическая радиолокация может дать информацию для предупреждения чрезвычайных ситуаций в шельфовой зонах, в частности о разливах углеводородов и выявить виновников загрязнений, что особенно важно при современной обстановке повышения экологической ответственности разработчиков и транспортировщиков углеводородов [3].
Вплоть до конца 1990-х гг. последствиям воздействия нефтедобывающей промышленности на окружающую среду уделялось очень мало внимания, что привело к тому, что экологические показатели нефтедобывающих предприятий были на очень низком уровне. В последнее время, однако, экологическая составляющая процесса добычи нефти была признана в основных нефтедобывающих районах страны и особенно в Западной Сибири чрезвычайно важной, поэтому правительство всячески поддерживает как краткосрочные, так и долгосрочные экологические программы, реализуемые крупными нефтяными компаниями. Важнейшей задачей сегодняшнего дня является создание системы комплексной оценки воздействия нефтегазового комплекса на природную среду, основанной на применении передовых высокотехнологичных методик и обеспечивающей оперативный доступ к получаемой информации для всех заинтересованных сторон, в частности нефтяных компаний, государственных структур, региональных органов административного управления, научных и общественных природоохранных организаций.
Для оценки соответствия работы компаний экологическим стандартам и нормативам, а в случае аварии — для оценки площади загрязнения и выработке мер по ее локализации и ликвидации необходима независимая дистанционная оценка, которая:
— проводится методами, не требующими от компаний, эксплуатирующих месторождение, или от государственных органов использования каких-либо материалов (за исключением общедоступных) или данных, составляющих коммерческую или государственную тайну, а также получения каких-либо специальных разрешений;
— производится преимущественно дистанционными методами — без площадного полевого обследования территорий нефтегазодобычи. Выборочная полевая верификация данных и результатов исследований может проводиться в целях разработки и уточнения методики для конкретного региона.
Проведение такой оценки обеспечивает использование материалов дистанционного зондирования с применением их автоматизированного дешифрирования и использования ГИС-технологий. Многолетний опыт использования космических снимков позволяет определять требования к материалам дистанционного зондирования, необходимых для таких работ. Такие материалы должны:
— иметь хорошее спектральное разрешение (значительное число спектральных каналов);
— иметь тепловые каналы в ближней, средней, и что особенно важно — в дальней инфракрасной областях спектра (0,75—12,00 мкм) для выявления ареалов загрязнения и изменений состояния растительного покрова;
— иметь пространственное разрешение, сопоставимое с размером выявляемых контуров и элементов промышленной инфраструктуры;
— используемые данные должны образовывать временной ряд для оценки изменения ситуации во времени;
— все используемые данные должны находиться в свободном или коммерческом доступе.
Эти общие требования могут корректироваться в зависимости от конкретных условий изучаемого нефтегазоносного региона.
Ханты-Мансийский автономный округ, входящий в состав Тюменской области, является одним из основных регионов добычи нефти в России. На долю Тюменской области приходится около 78% всей нефти, добываемой в РФ. К 2000 г. В Ханты-Мансийском автономном округе работали 62 000 нефтяных скважин, и было проложено 64 000 км нефтепроводов, а в сентябре 2008 г. была добыта 9-миллиардная тонна нефти.
Освоение нефтяных месторождений в автономной области началось в 1950— 1960-е гг. Инфраструктура нефтяной промышленности создавалась в неосвоенных или крайне мало освоенных районах, а объекты транспортной инфраструктуры, в частности трубопроводы, проходят по труднодоступным местам. Эта ситуация крайне затрудняет не только оценку произошедшего загрязнения и разработку мер по его ликвидации, но и само обнаружение аварии и выявление ареала загрязнения. В настоящее время добыча нефти ведется несколькими компаниями, в числе которых такие гиганты, как «Сургутнефтегаз», «Юкос» и Тюменская нефтяная компания (ТНК).
Как показал опыт проведения экологических исследований в нефтедобывающих районах [4], выявлению подлежат следующие территории и объекты инфраструктуры, сгруппированные по типам возможных воздействий:
1) территории, на которых исходные экосистемы полностью уничтожены в результате строительства объектов инфраструктуры;
2) территории, на которых исходные экосистемы уничтожены или изменены в результате загрязнения;
3) нарушенные или измененные экосистемы водных объектов;
4) территории, подвергшиеся косвенным воздействиям (гари, вырубки).
Все перечисленные объекты имеют на снимках различного разрешения отчетливые дешифровочные признаки и характерные линейные и площадные характеристики, что позволяет проводить их достоверное дешифрирование и количественные оценки детектируемых воздействий, в частности общей площади, занятой объектами инфраструктуры и отдельными классами объектов, площади буферных зон, степени фрагментации естественных ландшафтов в пределах лицензионных участков и региональных административных единиц, площади территорий с разной степенью загрязнения и т.п.
Количественные оценки воздействий базируются на анализе карт и атрибутивных баз данных, получаемых при автоматизированном дешифрировании снимков. Геоинформационные методы позволяют строить на основе атрибутивных баз данных выборки объектов по любому из признаков и на основе числовых характеристик отдельных объектов и их множеств производить расчеты, результатом которых являются численные оценки того или иного воздействия.
Самым простым способом определения числовых данных является прямое измерение площадей, занятых выделенными объектами в пределах изучаемой территории — лицензионного участка, месторождения, административного образования. При этом возможно как непосредственное измерение суммарной пло-
щади, так и ее расчет на основе информации о средней площади объекта, например, кустовой площадки. Для повышения достоверности получаемого результата территории с частично измененными экосистемами или полностью уничтоженными можно учитывать отдельно или с различными весами. При этом необходимо учитывать возможность постепенного восстановления экосистем. В таком случае определение весов различных воздействий базируется на основе соотнесения веса со временем, теоретически необходимым для восстановления экосистем на данной территории.
Ряд косвенных воздействий, которые невозможно измерить напрямую (например, световое и шумовое загрязнение, фактор беспокойства, проникновение людей вглубь природных территорий), можно оценить приблизительно, построив вокруг выделенных объектов буферные зоны, ширина которых зависит от специфики изучаемого явления. Например, можно оценить влияние дорожной сети на фауну исследуемой территории за счет воздействия фактора беспокойства или построив вокруг дорог буферные зоны различной ширины (150, 250 и 500 м).
Водное и воздушное загрязнение, помимо прямого дешифрирования состояния водных объектов и снежного покрова, оценивается построением буферных зон с учетом рельефа или преобладающего направления ветров. Степень фрагментации природных территорий антропогенной инфраструктурой оценивается определением общей протяженности инфраструктуры на единицу площади или измерением среднего расстояния до ближайшего антропогенного объекта от каждой заданной точки. Воздействие на ценные природные объекты (ООПТ, мало-нарушенные леса, водно-болотные угодья) можно оценить путем совмещения слоев с контурами охраняемых объектов и слоев с выделенной инфраструктурой, нарушенными территориями или буферами вокруг них.
Аналогично можно оценить воздействие на традиционный образ жизни местного населения и коренных малочисленных народов, если известны границы территорий традиционного природопользования, охотничьих участков, оленьих пастбищ и мест компактного проживания местного населения.
Результаты автоматизированной обработки космических снимков были выборочно проверены методом полевого дешифрирования при непосредственном выезде на исследуемую территорию. В план обследования помимо сомнительных контуров, требующих проверки на местности, были внесены также точки для контуров, которые с уверенностью можно отнести к классу «загрязнение», и некоторое количество точек для заведомо чистых территорий. Координаты всех намеченных точек посещения вносятся в определители координат (GPS-приемники). Особое внимание уделялось контурам с предположительно нарушенным растительным покровом, так как изменение растительности может являться дополнительным признаком наличия загрязнения, но может объясняться и другими причинами.
Результатом полевых обследований стала оценка точности проведенной обработки космического снимка. Полевое обследование показало, что ни один из контуров загрязнения большой площади (протяженностью 90 м и более) не был вы-
делен ошибочно. Точность в выделении более мелких контуров оказалась несколько ниже и составила порядка 92%, что связано с пространственным разрешением термальных каналов. По результатам полевых обследований точность опробованной методики была признана удовлетворительной.
Оценку воздействия предприятий нефтедобычи на природную среду можно представить следующим образом. Путем интерактивного и автоматизированного дешифрирования космических снимков осуществляется построением базовых карт промышленной инфраструктуры и загрязнения, на основе полученных баз данных производятся расчеты абсолютных и относительных показателей воздействий. Расчеты производятся методами геоинформационных систем при помощи алгоритмов обработки и анализа картографической информации и связанных с ней атрибутивных баз данных.
Алгоритм построения базовых карт включает выполнение следующих действий:
— подбор и получение необходимой картографической информации и архивных данных космической съемки;
— первичная обработка космических снимков и карт (сканирование и оцифровка исходных картографических материалов; радиометрическая и геометрическая коррекция КС; совмещение спектральных каналов КС; географическая привязка КС и картографических материалов);
— создание ГИС-проекта;
— тематическая обработка КС (визуальный анализ космических снимков, анализ спектральных характеристик выделяемых объектов; подбор спектральных каналов и создание синтезированных изображений, построение карт промышленной инфраструктуры);
— построение карт нефтезагрязненных территорий (создание синтезированного изображения на основе термальных каналов; создание набора сигнатур площадных объектов, как основы для дальнейшей классификации снимка, классификация с предварительным обучением, идентификация и проверка контуров выделенных классов, фильтрация полученных контуров для устранения «мусорных» пикселей и заведомо неверных контуров, выборочная проверка на местности выделенных контуров, определение достоверности и точности полученного материала);
— построение итоговых карт загрязнения и интенсивности промышленного воздействия.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Ферсман А.Е. Самолет на службе геологии // Природа. — 1930. — № 3.
[2] Скарятин В.Д. Космические снимки на службе геологии // Природа. — 1970. — № 3.
[3] Скарятин В.Д. Новые подходы к поискам нефтяных и газовых месторождений как основы экологической и энергетической безопасности России. Актуальные проблемы
экологии и безопасности окружающей среды: Материалы годичных научных чтений.
ФОТиОС, 4—5.02.08. — М., 2008.
[4] Скарятин В.Д., Тихомирова О.М. Оценка влияния нефтегазодобывающей промышленности на экологическое состояние на основе автоматизированной обработки ДДЗ (на примере Ханты-Мансийского АО). Геология, геоэкология и эволюционная география: Монография. — СПб., 2008.
USING REMOTE SENSING INFORMATION TO OPTIMIZE ECOLOGICAL MONITORING OF OIL AND TERRITORIES
V.D. Skaryatin, O.M. Tichomirova
Russian state social university
Stalevarove str., 30, Moscow, Russia
This research is continuation of program of ecological monitoring to apply remote sensing information for oil and gas territories.
Key words: ecological monitoring, remote sensing information, oil and gas territories.
