Экологическая оценка природно-антропогенных систем с использованием ГИС и ДДЗ

Гельдыев Б.В., Максимов М.А., Шкурычев Д.С., Центр дистанционного зондирования и ГИС ”Терра”, г. Алматы, Казахстан, тел./факс: +7 327 293-94-27, e-mail: info@gis-terra.kz, Web: www.gis-terra.kz

Введение

Активная хозяйственная деятельность, связанная с развитием нефтегазовой отрасли в Казахстане в последние 20 лет, привела к значительному увеличению техногенных нагрузок на природные ландшафты региона.

Для решения данной проблемы необходимы комплексные знания о современном состоянии, структуре и функционировании ландшафтов с учетом взаимосвязи основных природных компонентов и их реакции на оказанное и прогнозируемое воздействие различных техногенных факторов. Использование средств ГИС и данных дистанционного зондирования (ДДЗ) для экологической оценки природно-антропогенных систем позволяет наиболее точно отразить состояние окружающей среды, проводить аналитические расчеты и принимать управленческие решения.

В данной статье представлены результаты исследований, проведенных в ходе выполнения проектов для нефтяных компаний месторождений Западного Казахстана (Карачаганак Петролеум Оперэйтинг, Аджип ККО, Тенгизшевройл).

Методические основы проведения экологической оценки

Актуальной задачей является научно обоснованная оценка состояния антропогенно-нарушенных земель и их классификация по видам, степени и характеру воздействия [1], а также оценка состояния нарушенных земель и их мониторинг. Основная цель такой оценки – разработка планов первоочередных и долгосрочных мероприятий по реабилитации и рекультивации земель. Данный подход позволит не только сократить воздействие техногенных факторов на ландшафты территории, но и ускорит восстановительные процессы значительных площадей нарушенных земель. Для оценки современного состояния таких земель необходимо разработать обоснованные критерии, позволяющие классифицировать их по видам, степени и характеру техногенного воздействия. Также требуется разработать методический подход к картографическому представлению и анализу пространственной информации.

Картографические модели совмещены с базой данных, содержащей детальную характеристику нарушенных и фоновых участков территории. Такой подход позволяет проводить спутниковый мониторинг с целью использования его данных в земельном кадастре, при разработке проектов планомерного восстановления нарушенных земель и для оценки результатов проводимой рекультивации.

Разработанная методика оперативной оценки состояния нарушенных земель позволила:

• оценить влияние нефтегазодобывающей деятельности на ландшафты;
• выявить факторы и степень техногенной нарушенности компонентов биоты и абиотической среды;
• оценить состояние почвенного и растительного покрова;
• выполнить картографическую оценку нарушенных ландшафтов территории месторождения на основе использования ДДЗ и полевых натурных исследований;
• провести сравнительный анализ состояния фоновых и нарушенных участков и разработать мероприятия по восстановлению земель с учетом экологических условий, а также ландшафтной структуры территории;
• создать серию тематических карт инвентаризационного и оценочного типа для принятия управленческих решений, направленных на развитие земельно-кадастровых работ, планомерное восстановление нарушенных земель и сокращение воздействия техногенных факторов на землю (рис. 1).

Рис. 1. Фрагмент карты антропогенной нарушенности.

Используя космические снимки за разные периоды времени, можно зафиксировать изменения, произошедшие в каждом классе антропогенной нарушенности, выявить факторы, повлиявшие на эти изменения, и прогнозировать дальнейшую динамику процессов.

Источники данных и представление результатов оценки

Проведение рекультивации и лесомелиоративных работ становится обязательным мероприятием на территории предприятий добывающей и перерабатывающей промышленности. Зачастую подрядчики, выполняющие данную работу, предоставляют отчетные и картографические материалы, не всегда отражающие истинную ситуацию. Так как проведение наземных измерительных работ требует серьезных денежных затрат, наиболее удобным и перспективным становится использование данных дистанционного зондирования, в особенности со спутников высокого разрешения. Например, использование ДДЗ для мониторинга и моделирования лесомелиоративных работ позволяет значительно уменьшить затраты на отслеживание состояния посадок и оценку их приживаемости. На основании этих данных можно оперативно подсчитать площади насаждений и сравнить их с предоставленными материалами. Опыт показывает, что такие различия существуют как по площадям, так и по конфигурации участков насаждений. Так, на рисунке 2 контуры, в которых, судя по отчетным материалам, осуществлены мероприятия по лесонасаждению, показаны зеленым цветом, а синим цветом – их истинные состояние, дешифрированное по ДДЗ.

Рис. 2. Мониторинг лесомелиоративных работ по данным ДЗ.

Распознавание нефтезагрязненных участков является важной задачей, решить которую также можно с использованием космоснимков. Поскольку до настоящего времени не создана база спектрометрических данных о природных объектах региона Каспийского моря, необходимая для интерпретации данных ДЗ с целью выявления нефтяного загрязнения, нами были подобраны тестовые участки с разливами нефти, которые удовлетворяют основным требованиям подспутниковых полигонов. На них в полевых условиях были получены и систематизированы спектры отражения в видимой и ближней инфракрасной областях длин волн (h~0,4?1,2 мкм) разливов нефтей, замазученных, а также условно чистых почв с учетом их типового разнообразия, битуминозных пород, растительности, прибрежных вод и др. Данная библиотека позволяет проводить оперативный мониторинг окружающей среды и фиксировать участки с нефтяным загрязнением.

Так как нефтяные разливы наносят невосполнимый ущерб, прежде всего для экосистем акватории моря, то для борьбы с ними необходимо иметь полное представление о строении береговой линии и состоянии компонентов биоты и абиотической среды в прибрежной зоне. По космическим снимкам и видеографическим данным на основе геоморфологии побережья была проведена полная сегментация береговой линии Казахстанской части Каспийского моря. Также при сегментации береговой линии использовались картографические фондовые материалы, включая геоморфологические и инженерно-геологические карты, карты четвертичных отложений, почвенные и т.д. По каждому сегменту имеется описание геоморфологического и литологического строения, почвенного покрова, ООПТ (особо охраняемых природных территорий), информация о наличии редких и эндемичных видов растений и животных, а также другие дополнительные сведения.

На основе полученных материалов в ArcMapсоздана серия тематических слоев цифровой карты (рис. 3). Используя инструмент Linkпрямо из Вида карты можно перейти к документу Microsoft Word, в котором создается отчет по сегменту с его полными характеристиками на английском и русском языках. Такой документ удобен для печати и предназначен для принятия управленческих решений. В нем показано местоположение сегмента на картах масштаба 2000000 и 500000 а также 2 географически привязанных фотоснимка и видеоролики на территорию сегмента. Комплексный анализ материалов позволил выявить закономерности пространственного распространения природно-антропогенных компонентов и послужил базой для подготовки мероприятий по предотвращению разливов нефти и ликвидации последствий возможных аварий.

Рис. 3. Картографическое отображение сегмента на карте экосистем.

ГИС при обработке данных и представлении результатов оценки

Для комплексной оценки и проведения мониторинга состояния компонентов окружающей среды наиболее актуальным становится использование средств ГИС. В рамках проведения экологического мониторинга на территории месторождения была создана ГИС для рабочей группы отдела экологии, хранящая и обрабатывающая большое количество поступающей информации. В данное время, в связи с увеличением интереса к этому продукту и других отделов, начались работы по развитию действующей ГИС в корпоративную систему. Основу ГИС составляют база геоданных, программные комплексы и приложения для обработки этих данных. Базовыми программными платформами данной ГИС являются ArcGIS и Oracle. Для работы с базой данных в средах VisualBasic и Delphi были разработаны клиентские приложения и несколько дополнительных модулей.

Рис. 4. Модуль менеджер скважин.

Рис. 5. Модуль для анализа данных промышленного мониторинга.

Так, модуль менеджер скважин (рис. 4) обеспечивает:

• Отображение основных данных по скважинам и фотоизображений
• Выбор и поиск скважин по классификации и названию на карте и на 3D модели месторождения
• Перекрестный выбор по классификации
• Формирование отчета.
• Модуль для работы с данными промышленного мониторинга (рис. 5) обеспечивает:
• Отображение содержания базы данных
• Расчеты и анализ превышений
• Расчет статистик
• Поиск по карте
• Вывод отчетов, фотографий
• SQL-запросы.

С использованием средств ГИС на базе методических подходов, принятых в Республике Казахстан, возможно произвести расчет и моделирование концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах (рис. 6). Результатом реализации данной методики является:

• Расчет максимальных концентраций и определение участков на местности с их наибольшими значениями;
• Расчет площадей приземных концентраций вредных веществ;
• Построение интерполяционной сетки распределения концентраций по направлению ветра;
• Определение и графическое представление времени распространения облака выброса вредного вещества;
• Определение суммарной концентрации выбросов группы источников.

Рис. 6. Моделирование концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе.

Помимио этого, созданы и другие модули:

• Мониторинг флоры и фауны – обрабатывет информацию о точках мониторнга состояния растительности и животного мира;
• Метеорологические данные – позволяет хранить и анализировать информацию из официалных источников о погодных условиях, выдавать ее картографическое представление;
• Нормативно-правовая база – содержит соответствующую информацию и позволяет проводить поиск юридической документации, связанной с экологией.

Следует заметить, что пока зачастую приходится создавать две версии модулей: одну для работающих в среде ArcGIS, и вторую для персонала, не имеющего лицензию ArcGIS, и системных администраторов баз данных.

Опыт и результаты применения методики оценки

Далее рассмотрены результаты исследований по оценке современного состояния почв и почвенного покрова, растительности, животного мира, антропогенной нарушенности и загрязнения территории, проведенных в рамках экологического аудита на месторождении Северные Бузачи. Материалом, который лег в основу покомпонентной оценки, стали результаты наземных полевых исследований, в процессе которых осуществлялся сбор фактических данных и были взяты 317 проб на тяжелые металлы, нефтепродукты и другие загрязнители в почве, воде и в атмосферном воздухе. Исследования по оценке природно-антропогенных систем включали создание серии тематических карт на основе данных SPOT 4, QUICKBIRD, результатов лабораторных анализов и материалов о состоянии компонентов биоты и абиотической среды.

Одной из центральных задач исследования было выявление ключевых факторов и анализ антропогенной нарушенности территории месторождения.Разработка критериев оценки степени антропогенной нарушенности участков и их классификация сопровождались созданием последовательной системы фиксации уровня произошедших изменений в виде следующей градации: фоновое состояние, слабая степень, средняя, сильная, очень сильная степень и трансформированные (антропогенно-преобразованные) участки.

При проведении классификации территории возникли сложности с выделением слабой степени нарушенности. К ней относятся локальные участки вторичного засоления почв и области с механическим повреждением солевой корки на соровых солончаках без изменения состава и структуры растительности, что характерно для мест проведения сейсмической разведки и единовременного проезда транспортных средств. Вместе с участками вторичного засоления классифицируются естественные выходы солей на поверхность. После визуального дешифрирования эти участки были вырезаны и представлены в виде векторного слоя.

Данная классификации степени нарушенности проведена по результатам обработки данных дистанционного зондирования, которая включала в себя следующие этапы:

• Выбор мультиспектральных изображений, максимально удовлетворяющих задачам исследований. Перед выездом в поле были приобретены космические снимки SPOT 4 и QUICKBIRD. На основе их предварительного дешифрирования было выбрано 40 репрезентативных точек, наиболее полно отражающих экологическую обстановку на территории месторождения. В этих местах проведено полевое описание и отобраны пробы для лабораторных анализов. При выборе точек учитывались природные и антропогенные факторы, такие как рельеф, метеорологические данные, глубина залегание грунтовых вод, расположение источников загрязнения и др.;
• Выполнение атмосферной и яркостной коррекции;
• Увеличение пространственного разрешения мультиспектральных каналов изображений за счет панхроматических каналов (инструменты merge, pan-sharpening);
• Создание целостной мозаики из космических снимков;
• Географическая привязка снимков – коррекция снимка по имеющимся топографическим планам;
• Дешифрирование объектов инфраструктуры – в связи с тем, что месторождение находится в стадии интенсивной добычи, даже самые свежие планы инфраструктуры уже не полностью соответствуют нынешнему положению дел;
• Формирование базы данных спектральных подписей нефтезагрязненных участков с разной степень замазучивания (рис. 7);
• Выделение классов почв, растительности, антропогенной нарушенности редактором спектральных подписей;
• Проведение классификации с обучением (supervisedclassification) на основе имеющихся данных и наземных исследований. Были опробованы различные методы: минимальных, максимальных дистанций и Махаланобиса, и наиболее приемлемые результаты, особенно при классификации антропогенной нарушенности, были получены при использовании метода минимальных дистанций;
• Разработка тематических картографических композиций на основе выполненных классификаций, в том числе были созданы карты: почвенная, растительности, антропогенной нарушенности;
• Экспорт полученных карт и баз данных в ГИС.

Рис. 7. Нефтезагрязненные участки с разной степенью замазучивания.

Обработка ДДЗ проводилась с использованием специализированных инструментов программных продуктов  ERDASIMAGINE 8.7. и ENVI4.3.

При оценке антропогенно-нарушенных территорий установлено, что наибольшую площадь занимают участки со слабой степенью нарушенности, а наименьшую – с очень сильной. К последним относятся участки, загрязненные производственными отходами (разливы нефти, буровые шламы, пластовые воды и т.п.). Полученные данные являются основой экологического аудита.

Источником для анализа степени загрязнения территории послужили результаты лабораторных анализов и “Руководство по методам оценки и прогноза обеспечения экологической безопасности и устойчивости природной среды (ПС)” [2]. Основой при разработке этого руководства стали результаты исследований по заданию 4.3 дог. 172/569 плана НИР и ОКР Минэкобиоресурсов РК на 1996 г.

Согласно данной методике были вычислены интегральные показатели загрязнений для каждой точки мониторинга. Используя инструменты пространственного анализа модуля ArcGISSpatialAnalyst, по результатам вычислений были построены поверхности загрязнений почв, атмосферного воздуха, грунтовых вод на территории месторождения. Для интерполяции значений использовался способ ”Сплайн” [3].

На основе полученных материалов создана серия карт загрязнения месторождения, в том числе: карта загрязнения почв (на глубине 0-5 и 5-20 см), карта загрязнения атмосферного воздуха, карта загрязнения грунтовых вод (рис. 8).

Рис. 8. Карта загрязнения почв.

После проведенных расчетов на основе данных лабораторных анализов получен интегральный показатель степени опасности загрязнения, равный 2,99, что говорит о безопасной степени загрязнения окружающей среды на территории месторождения. Если оценочный интегральный показатель Д соответствует градации «безопасная», то угроза состоянию здоровья населения отсутствует.

Литература

1.  Гельдыев Б.В., Жмыхов А.А. Подходы к оценке техногенной нарушенности земель на территории Партнерства ТШО с использованием данных дистанционного зондирования //Научный журнал Терра. Вып. 1. – Алматы, 2006.- 37-44 с.

2.  Кайдарова Р.К., Грановский Э.И., Войк Г.В., Супиева Х.Т. Руководство по методам оценки и прогноза обеспечения экологической безопасности и устойчивости природной среды (ПС).1996. Государственный научно-производственное объединение «Казмеханобр».

3.  ArcGIS 9 Spatial Analyst.Руководство пользователя.