Иван Ермошкин, ДАТА+, iermoshkin@dataplus.dol.ru
Общеизвестно, что масштабы загрязнения морей нефтепродуктами постоянно возрастают, однако количественных оценок этого процесса пока явно недостаточно. Такое положение дел характерно и для Каспийского моря, освоение энергоресурсов которого в последние годы заметно активизируется.
Внутреннее Каспийское море, омывающее берега России, Азербайджана, Ирана, Туркменистана и Казахстана, является одним из важных районов нефтедобычи. Это море имеет сложившиеся экосистемы с богатой флорой и фауной, включая популяции каспийского осетра и тюленя. Нефтеразработки, начатые на Каспии в конце XIX века, оставили обширные следы прошлых загрязнений, а настоящие проблемы — результат непродуманного подхода к вопросам охраны окружающей среды в период активного освоения ресурсов моря во времена СССР. С другой стороны, после распада СССР Каспийское море стало ареной борьбы правительств новых независимых государств и международных нефтяных компаний за использование нефтяных ресурсов с целью получения стратегических ресурсов и геополитических преимуществ. В связи с этим неоднократно высказывались опасения как относительно дальнейшего развития проектов интенсивной нефтедобычи на Каспийском море, так и относительно угрозы экологической катастрофы регионального масштаба.
Аэрокосмический мониторинг
Полномасштабный мониторинг разливов нефти в море традиционными наземными (вернее наводными) средствами контроля весьма трудоемок. Дистанционные средства наблюдения из космоса являются реальной альтернативой, обеспечивая охват больших районов за неизмеримо меньшую стоимость. Аэрокосмический мониторинг акваторий позволяет вести диагностику загрязнений, наблюдать за их перемещениями и трансформацией с борта космических аппаратов и авианосителей.
Основная научно-практическая задача, которая ставится перед системой мониторинга — фиксация и локализация с максимально возможной точностью факта и места аварии (разлива нефти) на морских объектах нефтегазового комплекса, в том числе по возмущениям, которые наблюдаются на водной поверхности (области выглаживания — слики). При этом используется ряд индикационных признаков, которые могут быть обнаружены дистанционно. К ним относятся неоднородности, связанные с воздействием пленки нефти на мелкомасштабные составляющие волнения на поверхности моря.
Наиболее эффективным средством для мониторинга нефтяных загрязнений является радиолокационное зондирование, регистрирующее вариации поверхностной шероховатости (волнения). Для этой цели применяют радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА). На данный момент наиболее перспективно использование радиолокатора на спутниках ERS, Radarsat и Envisat. Так, на рис. 1 приведено полутоновое радиолокационное изображение на район Апшеронского полуострова и посёлка Нефтяные Камни, полученное спутником ERS1 10 мая 1996 г. Около Нефтяных Камней видно обширное пятно на поверхности моря (выделено прямоугольником). С большой достоверностью можно сказать, что это слик, образованный нефтепродуктами в результате их утечки при добыче.
Рис. 1. Загрязнение моря около поселка Нефтяные Камни.
В настоящее время в Каспийском центре ИО РАН разрабатывается прототип системы мониторинга экологической обстановки в Каспийском море. В рамках этого проекта автором была выполнена дипломная работа по исследованию методик картографирования динамики нефтяных загрязнений в акватории Каспийского моря на основе компьютерного дешифрирования радиолокационных снимков и использования ГИС-технологий для обработки данных и создания цифровых карт загрязнения моря нефтепродуктами. В работе ставились следующие задачи: отработка методов анализа данных дистанционного зондирования Земли; анализ существующего фонда радиолокационных данных, подходящих для создания системы регионального экологического мониторинга; создание на их основе карты распределения нефтяных пленок на поверхности Каспийского моря.
Работа выполнена на кафедре Картографии и Геоинформатики Географического факультета МГУ в сотрудничестве с Институтом океанологии им. П.П. Ширшова и Каспийским Центром ИО РАН. Программные продукты ERDAS и ESRI для выполнения работы предоставлены ООО «ДАТА+».
Методические основы
Поскольку основной целью исследования была разработка методологических основ обработки данных дистанционного зондирования Земли и создания карт распределения загрязняющих веществ в целях мониторинга Каспийского моря, выбор пал на данные радиолокационных спутников ERS-1 и ERS-2. В качестве исходных данных использовались радиолокационные изображения (РЛИ) низкого разрешения, так называемые QuickLook (с десятикратно заниженным разрешением), которые находятся в архивах Европейского Космического Агентства (ЕSА) в свободном доступе. Поиск данных производился в Интернет-каталоге ESA (http://earth.esa.int/services/catalogues.html) по критериям пространственного положения, времени (период активного функционирования спутников ERS1 (1991-1995) и ERS2 (с 1996)) и их качества.
За указанный временной отрезок на район Каспийского моря системой ERS было получено 1015 снимков – 228 спутником ERS1 и 787 с ERS2. Для работы было отобрано 139 кадров, каждый из них сопровождался файлом метаданных, содержавшим описательную информацию по каждому снимку. Первичная обработка и анализ снимков производились с учетом данных, содержавшихся в этих файлах.
Для обработки данных дистанционного зондирования использовался программный пакет ERDAS IMAGINE. Первый этап обработки данных радиолокационных съёмок заключался в их геометрическом сопоставлении, то есть приведении к единой системе координат. Привязка РЛИ производилась на основе данных о координатах четырёх углов и центральной точки каждого кадра, содержащихся в файлах метаданных. Для угловых пикселов каждого из 139 кадров были введены значения географических координат (широта/долгота). В том случае, когда центральный пиксел изображения можно было определить с большой вероятностью, в модель трансформирования вводилась пятая опорная точка.
Практически все съёмки над Каспийским морем со спутников ERS в архиве состояли более чем из одного кадра. Среднее количество кадров, полученных из архива, для каждого витка составляло 4-5. После трансформирования каждого кадра проводилась сшивка отдельных кадров в полосы для достижения максимально возможной точности координатной привязки данных.
Поскольку изображения имели низкое пространственное разрешение, полуавтоматизированная обработка и классификация обнаруженных пятен были признаны нецелесообразными. И единственно приемлемым методом для выделения нефтяных загрязнений Каспийского моря стала экспертная оценка, выполненная специалистами Института океанологии. Предварительно было проведено выравнивание яркости и контраста полутоновых изображений с использованием инструментария ERDAS IMAGINE для более точного распознавания пленок нефти и нефтепродуктов на поверхности моря и отделения их от других схожих структур (сликов).
Сначала на всех РЛИ за 1996 г. были отмечены участки, отличные по текстуре и яркости изображения (тёмные пятна) от фоновой морской поверхности. Затем эти участки анализировались на предмет их происхождения, так как помимо плёнок нефтепродуктов, большая часть которых отобразилась относительно чётко, при радиолокационной съёмке могли отобразиться и другие океанографические явления на поверхности моря, в первую очередь — связанные с ветром (области ветрового выглаживания).
В результате экспертного анализа, при котором учитывался размер и форма пятен, их положение, текстурные и пограничные признаки, а также другая доступная информация, в том числе о скорости ветра, на всех доступных РЛИ были выделены слики плёночных загрязнений на поверхности моря. При помощи модуля «Imagine Vector» пакета ERDAS IMAGINE был создан векторный слой с информацией о нефтяном загрязнении моря. Результирующий слой был проверен на правильность отображения контуров путём его наложения на РЛИ и подготовлен как основной информационный слой для векторной карты распределения нефтяных плёнок в акватории Каспийского моря.
Принималась во внимание и другая информация, помогающая точнее выявить районы загрязнения моря и основные направления миграции и трансформации нефтяных пятен. Так, на рис. 2. показано осреднённое за май 1996 г. поле температур Каспийского моря, полученное по данным спутника NOAA. Это изображение использовалось в работе как дополнительный источник данных для выявления пространственно-временных трендов переноса плёнок нефтепродуктов и других поверхностно-активных веществ (ПАВ). На основе распределения поля температур выделялись направления движения водных масс (по материалам С.В. Востокова).
Рис. 2. Среднемесячная температура поверхности моря и направления переноса нефтяных пленок.
Карта нефтяного загрязнения
Компоновка картографической основы и наложение на нее специального содержания в векторном формате проводились средствами ArcGIS 8. Помимо стандартных функций по отображению данных использовались функции мастера пространственных операций.
Картографической основой для карты распределения нефтяных загрязнений явилась ГИС-оболочка Каспийской Экологической Программы (http://www.caspinfo.ru/), состоящая из следующих информационных слоёв (общегеографическое содержание): Береговая линия Каспийского моря, Гидрографическая сеть (реки и озёра), Населённые пункты, Государственные и административные границы, Места добычи нефти на шельфе и побережье, Важнейшие нефтепроводы региона, Интегральная схема течений, Цифровая модель подводной топографии.
После подготовки картографической основы на карту был добавлен информационный слой, содержащий данные о распределении пленок нефти и нефтепродуктов. Этот слой содержит данные только на Средний и Южный Каспий, так как радиолокационные данные на Северную часть моря оказались недоступны. Затем было проведено автоматическое совмещение слоёв и итоговое оформление карты.
Полученная карта распределения плёнок нефти и нефтепродуктов на акватории Каспийского моря характеризует ситуацию на первую половину мая 1996 г. (рис. 3, оригинальный масштаб 1:1 500 000). Общая картина распределения и переноса плёнок нефти и нефтепродуктов привязана к местам активной эксплуатации нефтяных месторождений на шельфе и побережье и согласуется с глобальной системой течений Каспийского моря. Последняя подтверждается спутниковыми данными, например, данными датчика SeaWiFS о содержании пассивной примеси — взвеси и фитопланктона — в поверхностном слое моря.
Рис. 3. Интегральная карта распределения пленок нефти, нефтепродуктов и ПАВ на май 1996 г.
Из карты видно, как велико загрязнение акватории Каспийского моря нефтепродуктами. С учетом современных тенденций развития нефтедобычи на Каспии можно сделать вывод, что масштабы загрязнения, если не принять соответствующих мер, будут лишь возрастать. В связи с этим, вполне очевидна необходимость создания международной системы мониторинга нефтяных загрязнений на основе периодически обновляемых карт их распределения, интегрированных с базами геоданных.
Проведённая работа может рассматриваться в качестве первого шага на пути к созданию такой системы.
