Игорь Галушкин, СКГТУ, Владикавказ, ig_geo@mail.ru
Михаил Никитин, Игорь Свинтицкий, МГУ, mcgadan@geol.msu.ru
Вопрос охраны окружающей среды Северного Кавказа стал особенно актуален в связи с боевыми действиями в традиционно нефтедобывающем районе — Чеченской Республике. В разное время здесь действовало порядка полутора тысяч кустарных нефтеперегонных установок, где более половины используемой нефти, а также отходы сливались в водоёмы и на почву. Более 30% площади республики характеризуются как зоны экологического бедствия и ещё 40% имеют статус территории с неблагоприятной экологической обстановкой, а на территории г. Грозного в зоне аэрации более 2 млн.т. нефти [1]. Наиболее загрязнёнными оказались реки Терек, Сунжа, Аргун, Белка [2]. В ходе антитеррористической операции производилось уничтожение кустарных нефтеперабатывающих производств путём «уничтожения трубопроводов, подрыва резервуаров, расстрела из гранатомётов и другими способами», в этих условиях в криминальный бизнес была вовлечена территория соседней Ингушской Республики [3, 4].
Эта территория сейчас недоступна для масштабных наземных исследований, но для ее изучения можно привлечь данные, полученные дистанционно, — аэрофотоснимки либо космические многозональные снимки. Материалы аэрофотосъёмок в современных условиях не могут быть получены и использованы по причине сложности проведения работ и наличия ограничительного грифа. Материалы космических съёмок среднего разрешения доступны по цене, достаточно информативны и являются материалами открытого пользования.
Тематическое картирование
Северо-Кавказский государственный технологический университет (СКГТУ) совместно с Московским государственным университетом им. М.В. Ломоносова провёл работы по тематическому картированию территории Чеченской Республики на основе материалов многозональной космосъёмки среднего разрешения. В поставленную задачу входило специализированное дешифрирование материалов космических съёмок территории Чеченской Республики и приграничных районов на предмет оценки поражения окружающей среды нефтепродуктами. Работы проводились на базе программного обеспечения ERDAS IMAGINE и ArcGIS, полученного по университетской программе в DATA+.
Снимки получены в ГИС-центре МГУ и датированы июнем-июлем 2001 г. В работе использовались многозональные космические снимки 15 метрового разрешения в видимом и ближнем инфракрасном (БИК), 30 метрового — в среднем инфракрасном (ИК) и 90 метрового — в дальнем ИК диапазонах. То есть, масштаб материалов составлял соответственно 1:150 000, 1:300 000 и 1:900 000. Размер сцены одного снимка 60х60 км. Данные были синтезированы в три изображения на каждой космической сцене по пространственному разрешению. Подобные исследования выполнялись авторами впервые и имели опытно-методический характер.
Выбор этого материала определён, прежде всего, его доступностью и большим количеством спектральных каналов. Территорию покрывают 8 космических снимков, которые были экспортированы в формат ERDAS IMAGINE. Существующая привязка снимков оказалась неудовлетворительной, и была произведена их коррекция на основе картографического материала (рис. 1). Поскольку полученные снимки прошли предварительную обработку (калибровка значений энергетической яркости, радиометрическая коррекция), то сшить их в единое растровое поле с одинаковыми яркостными характеристиками не представлялось возможным.
Рис. 1. Схема расположения космоснимков на территории Ингушской и Чеченской республик.
Одновременно, с топографических карт были получены данные, которые в процессе дешифрирования служили как дополнительной, так и опорной информацией о расположении скважин, продуктопроводов, нефтехранилищ и других промышленных объектов. Были также выделены площади нефтяных месторождений (рис. 2).
Рис. 2. Нефтяные месторождения и местоположение скважин.
В результате ранее проведённых работ и на основании различных литературных данных были выявлены требования к подробности данных (масштабам представления) и основные дешифровочные признаки объектов исследования: объектов нефтегазопромыслов (скважины, кусты скважин, демонтированные скважины, насосные и газокомпрессорные станции, сборные пункты нефти и газа, факелы, отстойники); объектов, связанных с хранением и переработкой сырья (газо- и нефтеперерабатывающие заводы, нефтехранилища и объекты складирования топлива); объектов, связанных с транспортировкой продукции (газо- и нефтепроводы, расположенные на поверхности и в траншеях). Были также выявлены признаки степеней поражения окружающей среды нефтепродуктами (дымовое загрязнение, газовое загрязнение, горящие нефтяные и газовые факелы и скважины). В ходе дальнейшего анализа был выявлен ряд особенностей дешифрирования площадей нефтепромысловых объектов.
Особенности дешифрирования объектов
Весь комплекс подготовленной информации позволил приступить к дешифрированию космических материалов с целью выявления объектов нефтепродуктового загрязнения, основными из которых являлись:
- факелы, горящие скважины и другие высокотермальные объекты;
- площади дымового загрязнения атмосферы;
- действующие нефтеперерабатывающие установки;
- водоёмы.
Факелы, горящие скважины и другие высокотермальные объекты. Дешифрирование горящих объектов производилось по данным в видимом и БИК (0.52 — 0.86 мкм), а также в среднем (1.600 — 2.430 мкм.) ИК диапазонах. По результатам работ выявлены горящие скважины, уточнено положение известных факелов и горящих скважин. Этот тип объектов чётко дешифрируются в видимом, в среднем и дальнем (8.125 — 11.65 мкм.) ИК диапазонах. При этом, горящие скважины, попавшие в зону соседних дымовых шлейфов, в видимом диапазоне не видны и определяются только в среднем и дальнем ИК диапазонах (рис. 3). Горящие объекты неуглеводородного происхождения чётко определялись по цвету дымового шлейфа на синтезированных материалах «в натуральных цветах» в видимом и БИК диапазонах.
Рис. 3. Снимок в трёх диапазонах. В видимом диапазоне красной стрелкой уточнено расположение горящей скважины. Красным кругом обведена горящая скважина, не обнаруживаемая в видимом и дешифрируемая в среднем и дальнем ИК диапазонах.
Оптимальным для дешифрирования является средний инфракрасный диапазон, в котором даже незначительные по размерам объекты картируются с высокой степенью достоверности (рис. 4).
Рис. 4. Горящие объекты незначительной интенсивности плохо различимы на снимке в видимом и чётко дешифрируются (ярко-светлые объекты в верхней и нижней части снимка) в среднем ИК диапазоне.
В ERDAS IMAGINE имеется удобный инструмент Arrange Layers (рис. 3, 4, 7, 8), позволяющий оперативно комбинировать слои и редактировать векторные объекты, что значительно упростило процесс дешифрирования и сократило время на его выполнение.
Рис. 5. Дымовое загрязнение территории в видимом, среднем ИК и дальнем ИК диапазонах
Рис. 6. Зоны поражения территории продуктами горения углеводородов.
Площади дымового загрязнения атмосферы. Основным источником дымового загрязнения являются горящие скважины. Картирование этого типа загрязнения производилось по снимкам в видимом и БИК диапазонах. Этот материал даёт наиболее полную характеристику дымового загрязнения, по сравнению с материалами других каналов. На рисунке 5 дымовой шлейф вытянут в западном направлении. Поскольку в этом районе в зимний период преобладают западные и северо-западные ветры, а в летний — восточные и юго-восточные, зону потенциального поражения окружающей среды можно увеличить в два раза, интерполировав её на восток. На базе дешифрирования материалов создан слой поражения территории продуктами горения углеводородов (рис. 6).
Действующие нефтеперерабатывающие установки. Переработка сырой нефти — единственная отрасль промышленности, работающая в Чеченской Республике. Производства эти мелкие, кустарные, в большинстве своём нелегальные. Технология производства не выдерживается, в процессе эксплуатации происходит загрязнение окружающей среды. Отходы сбрасываются в отстойники, водоёмы, в почву. Признаки дешифрирования, характерные для этих производств, фиксируются только на материалах крупномасштабной аэрофотосъёмки. Но есть отдельные отличительные черты, по которым возможно определение этих объектов, используя многозональные синтезированные космические снимки среднего разрешения. К ним, прежде всего, можно отнести: повышенное излучение тепла; размещение объектов в непосредственной близости к скважинам и дорогам; наличие рядом с объектом отстойников, ям с отходами производств и водоёмов; загрязнение почв нефтепродуктами. Приступая к картированию, авторы имели некоторую информацию о приблизительном расположении небольшого числа нефтеперегонных минизаводов. Анализ дистанционных материалов в большинстве случаев подтвердил достоверность выявленных признаков дешифрирования. Задача картирования скважин, кустов скважин и демонтированных скважин не ставилась, поскольку масштаб имеющегося материала не позволял это сделать. Но в ходе выполнения работ было определено, что при использовании материала видимого и БИК диапазонов масштаба 1:150 000 возможно уточнение местоположения этих объектов (рис. 7).
Рис. 7. Уточнение расположения скважины по снимку в видимом диапазоне. Синяя метка — скважина, красной стрелкой указано её истинное положение, дешифрированное по расположению буровой площадки.
Дешифрирование проводилось на основе синтезированных снимков среднего ИК диапазона. Оптимальная комбинация каналов подбиралась на известных объектах. После обнаружения объекта включалось синтезированное изображение видимого и ближнего инфракрасного каналов. Выделены три типа объектов: минизавод известный; минизавод, дешифрированный по космоснимку; объект с повышенным тепловыделением (возможный минизавод).
Рис. 8. Уточнение расположения минизаводов — синие метки. Стрелками указано истинное положение, между производствами — место слива отходов
Были уточнены расположения производств с ориентировочным месторасположением (рис. 8). В среднем ИК диапазоне минизаводы выглядят менее интенсивно, чем горящие скважины, в видимом же диапазоне они иногда вообще не опознаются. На рис. 9 показано одно из предположительно действующих производств по перегонке нефти в видимом и среднем ИК диапазонах.
Рис. 9. Видимый и средний ИК диапазоны. Место возможного расположения нефтеперерабатывающего производства (обведено красным), не видимое на верхнем снимке и дешифрируемое в среднем ИК диапазоне.
По данным дешифрирования была составлена карта расположения объектов, имеющих характерные признаки нефтеперегонных кустарных предприятий. Всего в результате дешифрирования определено 243 места возможного расположения минизаводов по переработке нефти. Составлена карта расположения этих предприятий (рис. 10).
Рис. 10. Карта расположения минизаводов по перегонке нефти. Чёрным обозначены известные ранее производства, красным — предполагаемые производства, полученные на основе дешифрирования.
Водоёмы. Из объектов гидросферы для оценки поражённости территории были выбраны водоёмы застойного типа. Они в основном расположены в пределах одной космической сцены. За эталон были приняты водоёмы в районе г. Грозный, зафиксированные как загрязнённые в значительной степени. К сожалению, в виду отсутствия количественных характеристик, такая оценка была дана лишь на основании обнаружения нефтяной плёнки значительных размеров (рис. 11).
Рис. 11. Видимый и БИК диапазоны, синтезированный снимок в натуральных цветах. Водоёмы, загрязнённые нефтепродуктами. Район г. Грозный.
Дешифрирование производилось в видимом и среднем ИК диапазонах. Комбинация слоёв была подобрана таким образом, чтобы наиболее контрастно подчеркнуть объекты картирования. Оптимальным оказалось изображение «в натуральных цветах», прошедшее операцию спектрального улучшения. По нему и было проведено дешифрирование в ручном режиме.
Рис. 12. Карта расположения скважин. Чёрным обозначены скважины, красным — горящие скважины и факелы..
Заключение
В результате выполнения работ был создан ГИС-проект на основе ArcGIS, в который вошли растровые топоосновы территории, многозональные космоснимки различного масштаба (рис. 1), схема расположения месторождений и проявлений углеводородного сырья (рис. 2), карта расположения скважин (рис. 12), карта расположения нефтеперерабатывающих установок и объектов, имеющих признаки таковых (рис. 10). Выделены зоны поражения окружающей среды продуктами сгорания углеводородов (рис. 6). Сведены в единую таблицу и дополнены на основе собственных исследований литературные данные о видах материалов, масштабах и признаках дешифрирования различных объектов нефтяного промысла.
Информативность космоснимков описанного класса является достаточной для решения разнообразных задач природоохранного и природопользовательского характера. Оперативность получения таких материалов при незначительной стоимости исходных данных благоприятствуют широкому их применению. Отдельно необходимо отметить высокую оперативность обработки информации по значительной площади исследуемой территории.
Программное обеспечение ERDAS IMAGINE является удобным инструментом при обработке и дешифрировании космоснимков. Операции автоматической классификации позволяют значительно сократить время при дешифрировании дистанционных материалов.
Полученный рабочий материал в дальнейшем будет использоваться в учебном процессе, реальность и актуальность материала будет способствовать повышенному интересу студенческой аудитории к изучаемому предмету.
В дальнейшем представляется интересным повторное исследование на материалах 2003 года с целью мониторинга состояния территории и составления прогноза на ближайшую перспективу. Подобная оценка позволила бы сформировать практические решения по нормализации экологической обстановки в Чеченской Республике.
Использованная литература
1. Н. Костыркина. Угроза экологической катастрофы.
Военный вестник юга России, №24, 2000 г.
2. А. Антипов. Зона экологического терроризма. Красная Звезда, 29.02.2000 г.
3. С. Бабичев. Криминальный бизнес меняет крышу.
Красная звезда, 1.06.2000 г.
4. П. Коротецкий. Экологический расчёт. Красная Звезда, 25.10.2000 г.
