CC BY
129
УДК 629.7.017.1
Ергалиев Д.С., Тулегулов А.Д., Молдамурат Х.
Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева, г. Астана, Казахстан
ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ АНАЛИЗА ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
В настоящее время идет активное развитие рынка данных ДЗЗ в различных направлениях. Применение радиолокационных данных изображений для анализа физических свойств подстилающей поверхности Каспийского моря необходимо для предотвращения катастроф связанных с нефтедобычей. Каспийское море имеет кольцевой круговорот морских течений, которое проходит мимо Казахстана, России, Азербайджана, Ирана и Туркменистана и любая чрезвычайная ситуация скажется на всех пяти прибрежных государств, так как многие нефтяные компании пытаются скрыть от государств аварии происходящие на нефтепромыслах. Сведения, полученные по радиолокационным изображениям, позволят контролировать промышленную безопасность производства нефтедобычи.
С помощью программы ScanMagic Radar (предназначенной для анализа и обработки данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), полученных радиолокаторами с синтезированной апертурой антенны (PCA), такими как Radarsat и Envisat) осуществляется оценка нефтяных разливов, прогнозирование перемещений нефтяных загрязнений, составление карт пятен нефти Каспийского моря.
Дистанционное зондирование можно определить как метод измерения свойств объектов на земной поверхности, в котором используют данные, полученные с помощью воздушных летательных аппаратов и искусственных спутников Земли. Суть метода заключается в том, чтобы вместо проведения измерений по месту расположения объекта попытаться измерить его характеристики на расстоянии. Основными отличительными особенностями радарных спутников нового поколения являются их пространственное разрешение (до 1 м), возможность съемки с различной поляризацией и последующей интерферометрической обработки для получения высокоточных цифровых моделей рельефа (ЦМР) и выявления подвижек земной поверхности с высочайшей точностью, независимость съемки от облачности.
Как известно, отличительная черта радарных систем от прочих - возможность получения снимков с достаточно высоким качеством вне зависимости от уровня освещенности и практически при любых метеоусловиях .
Съемка радиолокационными системами существенно отличается от съемки системами в оптическом диапазоне, так как она выполняется при значительном отклонении от надира. Для радиолокационных данных система координат снимка выглядит следующим образом: азимут - направление, параллельное
траектории, и дальность - наклонное расстояние от радиолокатора до поверхности. Значения углов съемки меняются в зависимости от типа радиолокатора и режимов съемки и могут достигать от 8° до 60°. Такая геометрия съемки вызывает ряд геометрических искажений на снимках (рисунок 1) :
искажение наклонной дальности (неравномерность разрешения снимка по дальности), эффект складки, переналожения и радиолокационные тени. Устранение этих эффектов выполняется при ортотрансформировании снимков по точной ЦМР.
Рисунок 1. Эффекты, возникающие на радарных снимках, обусловленные геометрией съемки и рельефом местности
Радиолокационные изображения имеют ряд радиометрических особенностей: на снимках даже для однородной поверхности проявляются значительные вариации уровня яркости между соседними пикселями, создавая зернистую текстуру. Это - спекл-шум, который возникает из-за того, что результирующее значение конкретного пикселя получается в результате сложения множества значений, фиксируемых системой при различных положениях приемной антенны КА, движущегося по орбите. При получении изображений используется принцип РСА. Все современные космические радиолокационные системы - это РСА-системы, и на всех радиолокационных изображениях присутствует спекл-шум.
Применение именно РСА-систем вызвано тем, что при небольших размерах реальных антенн радиолокационных систем невозможно получить высокое пространственное разрешение. При использовании же синтезированной апертуры, когда небольшая бортовая антенна последовательно формирует антенную решетку на достаточно большом участке орбиты, удается достигнуть высокого пространственного разрешения. Спекл-шум (зернистость на рисунке 2) - это мультипликативное искажение, т. е., чем сильнее сигнал, тем сильнее искажение. Для устранения спекл-шума используются различные типы фильтрации .
Рисунок 2. Радиометрические искажения (снимок ERS-1)
Наряду со спекл-шумом, на изображении присутствуют радиометрические искажения, вызванные геометрией съемки. Так как съемка проводится под различными углами для различных точек снимка, то появляется неоднородность яркости по полю снимка: при малом угле - ярче, чем при большем угле съемки (рисунок 2). Данное искажение устраняется путем введения различных коэффициентов усиления антенны по полю снимка .
Еще одна группа искажений вызвана геометрией съемки и рельефом поверхности: это области затенений и переналожений, они относятся к геометрическим искажениям, но также влияют на радиометрию. Многие из современных радиолокационных спутниковых систем ДЗЗ (ALOS PALSAR, TerraSAR, Radarsat 2 и др.) позволяют получать изображения при различной поляризации излучения. Поляризация определяется ориентацией вектора электромагнитной индукции, при взаимодействии с объектом поляризация изменяется и несет в себе информацию об объекте.
Общая картина распределения и переноса пленок нефти и нефтепродуктов в целом согласуется с глобальной системой течений Каспийского моря (рисунок 3), которая подтверждается спутниковыми данными (например, данными NOAA AVHRR и SeaWiFS), а также привязана к местам активной эксплуатации нефтяных месторождений на шельфе и побережье.
Рисунок 3. Карта пленочных загрязнений Каспийского моря, обнаруженных с помощью спутников RADARSAT-1 и ENVISAT-1
На рисунке 4 представлена схема течений Каспийского моря по данным проведенных исследований.
Рисунок 4. Схема течений Каспийского моря по данным работы
Анализ динамики переноса пленок нефти и нефтепродуктов целесообразно начать с западного побережья Каспийского моря (азербайджанский сектор), с района Апшеронского п-ова, т.к. данный район является наиболее активно эксплуатируемым. На карте (рисунок 3) к северу от Апшеронского п-ова наблюдаются пятна нефтепродуктов, приуроченных к месторождениям Апшеронская Банка, Банка Дарвина, Нефть Дашлары и Гюшели. Далее, к ЮЗ, большие по площади разливы наблюдаются в районе интенсивной добычи нефти - п. Нефтяные Камни. Пленки нефти и нефтепродуктов отмечаются в районе Бакинской бухты и месторождений Шах-Дениз и Азери. Наиболее вероятное происхождение загрязнений - утечки при добыче (в том числе буровые шламы) и транспортировке, либо хронические утечки из неисправных трубопроводов. Следует отметить, что часть пленок может вовлекаться в прибрежный стационарный антициклонический круговорот, расположенный между Апшеронским п-овом и дельтой р. Кура. Вследствие этого часть разливов может выноситься обратно к местам нефтедобычи в район Апшеронского п-ова .
В западной части иранского сектора Каспийского моря, распространены грифоны на морском дне, периодически выбрасывающие сырую нефть на поверхность моря (естественные выходы). Как правило, это локальные точечные выбросы, которые легко идентифицируются на РЛИ по своей структуре (вытянутые тонкие слики, иногда спирально закрученные с видимым утолщением в месте появления на МП) . Единичный выброс нефти невелик по объему. Однако количество таких выбросов в иранском секторе, судя по данным космической радиолокации, достаточно велико, что периодически может существенно ухудшать экологическую обстановку в данном районе.
В иранском секторе были также обнаружены обширные по площади пленки нефтепродуктов; их происхождение не достаточно ясно. С одной стороны, с большой долей вероятности можно утверждать, что это растекшиеся по поверхности моря пятна, вовлеченные в ветвь циклонального круговорота южного Каспия в р-не Апшеронского п-ова. С другой, в этом секторе также обнаружены обширные по площади пленочные загрязнения (возможно, не связанные с нефтью), а в центральной и западной частях отмечен интенсивный речной сток (4.4% от общего стока). Поскольку активных разработок месторождений нефти в данном районе нет, то наиболее вероятное их происхождение либо дрейф пятен в направлении ветви южного циклонального круговорота (так пятна из Центрального Каспия, так и пятна, связанные с грифонами), либо вынос нефтепродуктов и ПАВ с речным стоком с территории Ирана.
В туркменском секторе моря наличие пленок нефтепродуктов можно объяснить активной разработкой нефтяных месторождений района: это выбросы и утечки при добыче и транспортировки, в том числе
сброс нефтепродуктов с судов. В Красноводском заливе наиболее вероятен сброс промышленных стоков и остаточных нефтепродуктов с береговых НПЗ и промышленных объектов. В северной части сектора отмечены обширные по площади пленки нефтепродуктов, которые, судя по всему, снесены из района нефтедобычи в районе п-ова Челекен и г. Красноводска (ныне Туркмен-Баши) вдольбереговым течением, ответвлением стационарного круговорота на юге Каспия. Красноводский и Туркменский заливы, помимо Нефтяных Камней, считаются наиболее загрязненными районами моря.
В южной части казахстанского сектора моря наблюдаются несколько сликов длиной до 10 км. Они приурочены к местам добычи нефти на шельфе, а также наблюдаются в районе г. Шевченко (ныне Актау) и могут быть связаны с нефтепереработкой и промышленными сбросами в порту. Поверхностные пленки также обнаружены и в открытом море по маршрутам Актау-Махачкала и Актау-Баку. Наиболее возможные причины - несанкционированный (или аварийный) сброс с судов при морских перевозках нефти.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кантемиров Ю. И. Обзор современных радиолокационных данных ДЗЗ и методик их обработки с использованием ПК SARscape// Журнал «Геоматика» 2010, №3, с. 42-46.
2. Никольский Д.Б. Сравнительный обзор современных радиолокационных систем // Журнал «Геоматика» 2008, №1, с. 11-17.
3. Никольский Д.Б. Использование данных ДЗЗ// Журнал «Геоматика» 2008, №1, с. 47-50.
4. Шовенгерт Р.А. Основы дистанционного зондирования Земли// Книга «Дистанционное зондирование. Методы и модели обработки изображений» 2007, с 17-19.
5. Диарова М. Д. доклад члена-корреспондента НАН РК, доктора геолого-минералогических наук "Влияние деятельности нефтегазового комплекса на природную среду Северного Каспия"
http://www.caspinfo.ru/news/zips/Diarov.zip
6. Беркелиева Т. новая аналитическая статья "Главные экологические проблемы Каспийского моря". http://www.caspinfo.ru/news/zips/Timur05_02.zip.
